地震前兆数据分析与精确预警系统的研究

赵德才，赵 睿，刘 涛，谢博扬，李小军，王 锐，马鹏程

（1．河北北方学院，河北 张家口075000；2．张家口市人民检查院技术处，河北 张家口075000；3．张家口职业技术学院，河北 张家口075000；4．河北北方学院第三附属医院，河北 张家口075000；5．河北北方学院理学院，河北 张家口075000）

1 引 言

中国是地震多发国家，地震灾害极为严重，唐山大地震使24万多人丧生，数十万人受伤；四川汶川大地震，造成9万人死亡和失踪……一次次沉痛的地震灾难警示我们，必须加强地震科研联合攻关，尽快提高地震预测预报水平，大力增强地震防御能力，有效减轻地震灾害造成的损失。

汶川大震后，国家就已提出把自然灾害预测预报、防灾减灾工作作为关系经济社会发展全局的一项重大工作进一步抓紧。中华人民共和国防震减灾法第八条规定：“任何单位和个人都有依法参加防震减灾活动的义务。国家鼓励、引导社会组织和个人开展地震群测群防活动，对地震进行监测和预防。”

为了尽快提高地震预测预报水平，要积极整合各种地震研究资源，调动一切积极因素，坚持专群结合、土洋结合、古今结合，采取传统与现代、国内与国外、民间与官方等多种预测方法相结合，进行综合分析研究，大力提高防震减灾水平。

不但要重视专业地震研究，更要重视民间的地震研究。进一步完善提升地震预测预报科技水平，使中国地震科技水平走在世界前列，早日实现准确预测预报地震，大大减少地震灾害损失。

2 国内外研究现状及发展动态

2．1 地震检波器、倾斜仪、地电流方法

中国的地球物理学家对海城地震的预测主要通过观测许多先兆：用地震检波器探测主震前几天，次数和震级按指数规律增加的一系列小震；用倾斜仪记录地壳的变形；埋电极探测地电流的尖脉冲。遗憾的是，具有上述这些明显征兆的地震实属罕见，即使出现这些征兆、也是十分微妙并让人难以捉摸的。例如，跨越几百公里地面的形状或导电率几年来的变化，都意味着地应力的缓慢集聚。探测这些微妙的变化要求配备非常精密的仪器，并要求解决许多典型的测试方法问题。

2．2 潮汐力谐振共振波 （简称HRT波）的方法［1］

中国地震局地球物理所退休研究员钱复业与赵玉林，1958年毕业于长春地质学院物探系，从事地震预测已有40多年，在地电预测方法研究上拥有一批业界公认的科研成果。1990年，他们率先提出潮汐力谐振的地震孕发机制。提出了潮汐力谐振共振波 （简称HRT波）的概念。他们认为，HRT波是一种完全不同于传统地震波概念的波，可以精确预测地震的来临。他们研发的PS100系统精度高、具有很强的抗干扰能力，能够捕捉到HRT波，当台网记录到这种波动时，则预示地震即将来临。2008年，安放于他们陋室中的电脑，通过互联网传输数据，准实时监控到千里之外的四川红格地震台HRT波仪出现了临震异常，但苦于台站太少，未能精确确定地点，未能避免5·12大灾难的发生。

2．3 测量氢气浓度法

国内著名气体传感专家、中国地质大学教授、博导王维熙带领杭州电子科技大学等单位人员在内的科研团队，经长期攻关，终于研制出 “ATG6118E高灵敏度氢气地震预测仪”。氢气是目前世界公认的地震预测中最灵敏的化学物质之一，因此该仪器或许能在未来地震预测中发挥一定功效。

2．4 惯性摆地震仪

测震学方法使用的仪器是经典惯性摆地震仪，它已成为地震预报人员最重要的观测手段。但是，这种仪器很不完善。它是一种运动学元件，只放置在地表，没有与地壳紧密结合，因此所测信号的放大倍数不是特别大。另外，它受限于自身弹簧－摆系统的自振频率，频宽很窄，无法观测到它的频带范围之外的地壳运动。

2．5 地声观测

地声通常是地震发生的前兆之一，不过这种高频波并不被地震学家看好，理由是高频波在地层中衰减快，传不远，难以被地震仪接收到。1973年，天津市地震局的伍富昆带领着一批科研人员开始研制深井地声仪。

选取油棕幼嫩的叶片经液氨研磨后采用CTAB法提取基因组DNA。根据本课题组前期克隆得到的油棕DGAT2基因序列，在NCBI(https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/)网站上比对油棕基因组序列后得到启动子序列，采用Primer 6.0软件设计引物并添加酶切位点与保护碱基(表1)，PCR扩增程序如下：94℃预变性2 min；94℃变性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸2 min，共30个循环扩增；最后72℃延伸10 min。扩增产物经回收后连接到pMD19-T载体，转化大肠杆菌得到含promoter-DGAT2-pMD19-T质粒的阳性菌送测序。

3 建立基于网络的多模式地震前兆参数监测机制

对于典型地震前兆数据的监测和采集，本项目采用 “无人值守地震参数监测仪”（以下简称为 “监测仪”，见图1）来完成。首先，大量研究剖析国内外的地震参数监测仪器［2］，根据其监测参数和工作原理的不同，将其分为几个大类，如大地形变测量、地倾斜、重力、水位、水化、地磁、地电、地应力、地声、气体浓度等等，然后从这些类中间选择四类代表性很强的监测方法，这些方法应该能监测各种类型级别的地震，从这四类方法的仪器中每类选取最经典的一个仪器，将选出的这四种仪器工作原理应用到本项研究要开发的 “监测仪”［3］中，这几种仪器按原设计原理工作，但统一受 “监测仪”中单片机控制系统的统一调度，统一收发数据［4］。

“监测仪”中包含8个系统子模块：①电源模块；②GPS卫星定位模块；③数据调制解调模块；④数据网络发送模块；⑤地震参数监测模块1；⑥地震参数监测模块2；⑦地震参数监测模块3；⑧地震参数监测模块4。

其中：

①电源模块。电源模块是为该 “监测仪”提供电力供应的，是本设备中一个核心的部件，考虑到该设备使用环境的复杂性、和仪器内部各地震参数监测模块需要提供稳定的基准电压的要求，本电源模块必须是多种供应模式。采用 “市电＋太阳能蓄电”模式或 “市电＋风力发电蓄电”模式提供电力供应，以市电为主太阳能或风力为辅的原则设计，在比较偏远的地方无法提供市电的环境中采用 “太阳能蓄电＋风力蓄电”的模式供电，只有这样 “监测仪”方可轻松安放到任何需要的地方，不再被供电所牵制。

②GPS卫星定位模块［5］。“监测仪”中4个检测模块监测到的各类数据上传到远程服务器后进行数据分析时，必须知道这个数据是那个点的监测数据，因此数据必须是带 “地址”的，没有 “地址”的数据没有任何使用价值，“监测仪”中巧妙的利用GPS卫星定位的数据，该地址数据可以是经纬度数据，也可以是K码数据，都可以唯一标识该 “监测仪”的地址，只要能监测到3颗以上卫星就可以精确定位，精度可以达到5 m，将监测到的数据加上地址码和该 “监测仪”的ID码数据以及时间码数据 （既以后提到的“三码数据”）一起打包上传服务器，服务器会根据收到各点的数据计算点与点的距离，比较分析各种波形数据，得到精确的地震信息。

③数据调制解调模块。“监测仪”内部集成了四个地震参数监测模块，这几个模块监测到的数据有数字信号的有模拟信号的，在向远程服务器上传时，必须统一变成数字信号，因为数字信号抗干扰能力很强，还容易纠错，因此模拟信号还需要经过A／D转换电路变换，变换后的四路数字信号要通过一个网线或一个信道上传，必须经过调制才可以。

④数据网络发送模块。该模块担负数据上传服务器的任务，使用地点的多样性复杂性，使上传任务变的复杂，考虑这些因素，该模块的设计分为两种：有线宽带网的模式和无线3G的模式，如果安放点在野外，则采用无线3G的模式工作；如果在城镇乡村，可以考虑有线的方式。

⑤－⑧地震参数监测模块。该模块是数据获取的核心模块，为该模块的稳定工作提供各种外界设施成为本项目成败的关键，四个监测模块监测到的四类数据分别分四路打包上传，不能破坏数据的原始性。

图1 多模式地震前兆参数监测仪

4 建立远程数据汇总与分析系统

对采集到的数据进行分析研究，需要构建远程数据分析服务器系统 （包括分析软件系统），该服务器系统包括两部分内容：①服务器硬件系统；②分析软件系统。

①服务器硬件系统：包括服务器主系统两套，其中一套备用；分类分析机四套；综合分析机一套。

服务器主系统只负责实时接收并保存来自全国地各点的四类数据，四类数据是四种不同的地震参数监测模块所得数据，在服务器上分类保存，因为每类数据都包含有 “三码”，既地址码、ID码、时间码。因此这些 “三码数据”在后续的工作中将为数据分析软件所使用。

分类分析机四套，分别和四类数据对应，负责分析和显示某一类信息的结果，以曲线、波形、或其它图示法显示。这种分析方法就是我们本项目中提到的横向分析。

综合分析机一套，将四类数据结果综合进行分析，得出我们最终的结论，判断将要发生地震的三要素：时间、地点、震级。

经过上述对四类数据的综合分析，如果预测到某地要地震，可信度已经很高。这种分析方法就是本项目中提到的纵向分析。

②分析软件系统：是支撑上述的分类分析机和综合分析机的软件核心，分类分析机是工作在横向分析模式，只分析一类数据，通过对一类数据的分析进行预报；综合分析机是工作在纵向分析模式，综合分析四类数据，从而得到更为精准的预报。

下面简述拟所采用定位算法：

数据分析系统的定位算法大致可以分为3类：确定震源的算法；确定震级的算法；确定地震时间的算法。

震源的确定算法：一种方法是利用信号强度差和大地衰减特性参数来确定，根据某一监测数据不同监测点采集到的信号强度的不同，计算分析得到震源位置，只要有3个监测点的数据，震源位置即可基本确定，但还存在一定的误差，要精确预测震源，信号监测点的数量应该增多，越多越精确；另一种方法是利用同一种波形的数据在不同的监测点出现的时间延时来确定，每个监测点都安装GPS卫星定位模块，为监测设备提供精确的地址码和标准时间码，同过分析同一个波形数据的时间码的区别，也可大致确定震源位置，也需要多点才能精确预测。分析预测算法不仅限于上述两种，具体采用哪种算法，要根据信号传播特性来确定。

震级的确定算法：在震源初步确定的基础上，通过分析计算和震源相距不同距离的不同监测点信号强度，参照经验值参数数据库，初步确定震级的范围，震级的精确预测很大程度决定于经验值数据库的完善，但本项研究最终采用的震级算法不限于以上这些表述，根据监测参数的性质不同还会有新的突破。

图2 远程数据采集与分析系统

地震时间的确定算法：在上述两要素已经确定的前提下，根据同一种信号在同一个测试点强度的变化情况和经验值数据库的参数做比对，能从中找出一种对应关系，经验值数据库尤其重要，需要不断的完善和修改。

5 结束语

对地震的精确预报是世界级难题，不能因为其难度大而放弃研究，随着科学技术的日益发展，只有不断地尝试，不断地探索，攻克这个难题也才会变得有可能［6］。本项研究从内容上看是对中国现有地震预测技术的一个应用深化和拓展的探索，拟通过多种监测手段和方法，把各种地震的前兆信息一并采集并上传远程服务器进行分析。从实现的手段上看，采用了现代发达的互联网传输技术，让大量的数据汇集成为可能。是一个对多学科多途径预测地震方法的跨学科的高度融合。

［1］ 赵玉林，钱复业．HRT波方法准确预测强震时空强的可行性及其汶川8级等强震的震例 ［J］．中国工程科学，2009，11 （06）：111－122．

［2］ 吴忠良，蒋长胜．统计预测、经验预测、物理预测—近期国际地震预测预报研究的启示 ［J］．中国地震，2007，23（03）：211－224．

［3］ 杨军，田韬，卢永．前兆波及其地震预测意义 ［J］．中国地震，2011，27（02）：113－125．

［4］ 陈运泰．地震预测：回顾与展望 ［J］．中国科学D辑：地球科学，2009，39（12）：1633－1658．

［5］ 耿灿忠．GPS原理及应用 ［J］．山东通信技术，2001（03）：45－46．

［6］ 高祥林．实现地震预测的可能性和地震预测技术的探索方向 ［J］．国际地震动态，2005（02）：25－28．