地震波与地震预警

张 铎

地震波

地震是地球内部一种正常的运动，但是对于人类的生产和生活会造成很大的不利影响。地震波是目前我们所知道的唯一一种能够穿透地球内部的波。通过对地震波的研究，有助于我们判断地球内部的结构和状态。

20世纪70年代以来，很多国家陆续实施了多项科学钻探计划，具有代表性的：俄罗斯科拉半岛12 262米超深钻，这是目前世界上最深的井；德国KTB超深钻，深度9 101米，排名第二；我国7 018米深的松科二井，是国际大陆科学钻探计划实施22年以来的最深钻井，也是全球首个钻穿白垩纪陆相地层（陆相地层是指陆相环境下所形成的地层，如河流、湖泊、冲积扇等）的科学钻探井。我们知道，地球的直径是12 756千米，而人类最深的钻洞为12 262米。这样看来，人类对地球内部的了解只是一点皮毛，地球科学还有很多需要去探索的未知之谜。

地震几要素

地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波。地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波在地壳中传播速度为5.5～7千米/秒，最先到达震中，又称P波（primary wave）；它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波（secondary wave）；它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波；其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

纵波、横波示意图

纵波、横波波形示意图

地震波所带来的地面破坏

正因为有了地震波，人们才可能了解地球内部结构。目前而言，入地探测比上天还难。基于横波速度慢于纵波、地球内部物质构成的差异，科学家将地球划分为莫霍面和古登堡面两个界面，将地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层。

地震波速度与地球内部构造图

地球内部发生地震的地方叫震源，地面距震源最近的地方叫震中，从震中到震源的垂直距离叫震源深度，地面任何一点到震中的距离叫震中距。通常将震源深度小于70千米的叫浅源地震，深度在70～300千米的叫中源地震，深度大于300千米的叫深源地震。破坏性地震一般是浅源地震，如1976年的唐山大地震的震源深度为12千米。表示地震大小有两种方法：一是震级，二是烈度。一次地震只有一个震级，但是有多个烈度。

地震的震级表示地震所释放的能量的大小，震级越大的地震，释放的能量就越多。不同震级地震的能量差别很大，2级地震的能量约为1级地震的31.6倍，3级地震的能量约为1级地震的1 000倍。所以，尽管小地震实际发生数目比大地震多得多，但总能量中的大部分仍是由大地震释放的。

地震预警

目前在世界范围内，地震预报仍是个难题，地震不可预测，连技术最先进的日本也只能做到地震预警。

地动仪重绘图

地震是可以被测量的，古代虽然通信不发达，消息传播较慢，但是张衡发明的地动仪在地震发生的时候就能知道地震的大概方位和震级。然而地震测量和地震预测是两回事。

据《后汉书•张衡》记载，地动仪是用青铜铸成的，形状很像一个大酒樽，圆径有2.67米。仪器的顶上有凸起的盖子，仪器的表面刻有各种篆文、山、龟、鸟兽等。仪器的周围镶着8条龙，龙头朝东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向排列，每个龙嘴里都衔着一枚铜球。每个龙头的下方都蹲着一只铜铸的蟾蜍，蟾蜍对准龙嘴张开嘴巴，像等候吞食食物一样。无论哪个地方发生了地震，传来地震的震波，哪个方向的龙嘴里的铜球就会滚出来，落到下面的蟾蜍嘴里，发出激扬的响声。看守地动仪的人听到声音来检视地动仪，看哪个方向龙嘴的铜球吐落了，就可以知道地震发生的时间和方向。这样一方面可以记录准确的地震信息；另一方面也可以沿地震的方向，寻找受灾地区，做一些抢救工作，以减少损失。

随着科技的不断发展，现在人类可以根据地震仪来测量地震。古代张衡做的叫“侯风地动仪”，是地震发生时才有动静，只能知道哪个方向有地震，距离和强度都测不出来。

地震监测仪器示意图

地震研究部门在报道某地区发生的地震时，往往要冠以发生了×级的地震，烈度达到×度，等等。地震的震级和烈度并不是一回事。

地震预警不是地震预测或预报，而是指在地震发生以后，利用电磁波传播比地震波快的特点，抢在地震波传播到设防地区前，向设防地区提前发出警报，以减小当地的损失。

地震预警系统是指实现地震预警的配套设施。按照系统响应的顺序可包括：地震监测台网、地震参数快速判测系统、警报信息快速发布系统和预警信息接受终端。整套系统的特点是高度集成、实时监控、飞速响应，尤其是飞速响应这一点至关重要。因为地震预警系统其实就是在和地震波赛跑，多跑赢一秒，就能多获得一秒的应对时间，用分秒必争来形容最为恰当不过。

地震预警系统的工作原理就在于可以探测到地震发生最初时发射出来的无破坏性的地震波（纵波），而破坏性的地震波（横波）由于传播速度相对较慢，则会延后10～30秒到达地表。深入地下的地震探测仪器检测到纵波后传给计算机，即刻计算出震级、烈度、震源、震中位，于是预警系统抢先在横波到达地面前10～30秒通过电视和广播发出警报。并且，由于电磁波比地震波传播得更快，预警也可能赶在纵波之前到达。

如同闪电之后要打雷一样（声音比光速慢），可以利用地震波传递的时间差（纵波比横波快），和地震赛跑，预警更远地区的人们，即时疏散，减少灾害损失。

以“5•12”汶川大地震为例，如果该地区建有地震预警系统，并且能够在地震波到达北川、青川等地区之前，提前数秒至数十秒发出预警，这些灾区的人员伤亡和经济损失或许不致如此惨重。

级别太小的地震没必要实现地震预警。鉴于地震信息谣传容易导致社会混乱，预警信息发布也需要依法进行，有时候合理性与高效性也存在矛盾。

离震中越远，得到的预警时间越长。一般来说，地震预警系统只对距离破裂断层50～200千米的范围有效。而50千米以内的地区，即使发出预警，人们可能也来不及反应。在200千米以外的地区，地震产生的破坏可能又不严重，没有必要发出预警。

当地震发生后，离震中最近的几个预警台站会陆续接收到地震信号，触发地震参数快速判测系统；在收到信号的几秒至十几秒内，快速判测系统将估算出地震的发震时间、发震位置、震源类型和震级大小，然后利用这些参数模拟出相关区域内地面运动的强烈程度；根据模拟的结果，抢在相应地震波之前，向不同地区发出相应的预警信息。

地震预报是“一项世界性的科学难题，攻克难关绝不是一蹴而就的事情，需要几代人甚至几十代人长期坚持不懈的努力”。

因此，从国际上的经验来看，世界各国均是在国家层面积极稳妥地开展地震预警试验和建设，在一般地震预警系统研发出来后，都要进行较长时间的试运行后才能正式投入运行。