有關(guān)地震烈度速報(bào)信息化發(fā)展的思考

張晁軍 李衛(wèi)東 李大輝 陳會(huì)忠 侯燕燕

1)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

2)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

有關(guān)地震烈度速報(bào)信息化發(fā)展的思考

張晁軍1)李衛(wèi)東1)李大輝1)陳會(huì)忠2)侯燕燕1)

1)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

2)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

汶川8.0級(jí)地震給我們很多警示，其中之一就是地震觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在大地震后快速產(chǎn)出地震烈度分布圖。本文對(duì)快速產(chǎn)出地震烈度的策略和方法進(jìn)行了探討，著重介紹了用同震位移分布快速獲得地震烈度產(chǎn)出的方法。實(shí)現(xiàn)地震烈度快速產(chǎn)出這一目標(biāo)應(yīng)當(dāng)走測(cè)震學(xué)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)學(xué)與信息技術(shù)有效結(jié)合的道路，這是大震后地震烈度快速產(chǎn)出的有效途徑。

地震烈度;同震位移烈度;震源機(jī)制解;余震快速產(chǎn)出;信息化

引言

“5·12”汶川8.0級(jí)地震是新中國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、地震災(zāi)害最重、救災(zāi)難度最大、波及范圍最廣的一次大地震，造成慘重人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何快速對(duì)震源區(qū)的破裂情況做出初步的估計(jì)，對(duì)地震災(zāi)害做出快速響應(yīng)，地震監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在大地震發(fā)生后，快速發(fā)布地震烈度分布信息，讓政府和公眾及時(shí)獲得災(zāi)情信息，是汶川地震留給我們急需思考解決的課題。

1 國(guó)際地震烈度速報(bào)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 日本的Hi-NET地震烈度速報(bào)

日本地震學(xué)家若據(jù)村松(Muramatu)最早提出地震動(dòng)圖的概念:采用地震臺(tái)測(cè)量的地震動(dòng)最大幅值(位移、速度和加速度)直接轉(zhuǎn)換成地震烈度的方式［1］。基于這一理念，日本通過(guò)在日本本土密集布設(shè)2000～3000個(gè)地震動(dòng)傳感器，在地震發(fā)生后兩三分鐘，就可以直接產(chǎn)生地震烈度分布圖，非常直觀和快速地向政府及公眾報(bào)告地表面震動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域和地點(diǎn)。

圖1 日本實(shí)時(shí)強(qiáng)震觀測(cè)網(wǎng)PGA分布

1.2 美國(guó)全球ShakeMap速報(bào)和Internet烈度調(diào)查快速產(chǎn)出

在地震活動(dòng)頻繁的加利福尼亞州南部地區(qū)，美國(guó)聯(lián)邦政府和州政府的有關(guān)部門(mén)建設(shè)了670余個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站。自1994年開(kāi)始，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、加州理工學(xué)院(Caltech)和加州礦產(chǎn)地質(zhì)局(CDMG)利用TriNet實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)強(qiáng)震臺(tái)站獲取的加速度記錄，開(kāi)始研制由地震臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的地震儀(PGV)和強(qiáng)震儀(PGA)地震動(dòng)圖系統(tǒng)，在臺(tái)距較大的地震臺(tái)網(wǎng)內(nèi)插值模擬的地震臺(tái)站，以獲得較好的地震動(dòng)位移、速度和加速度圖［2］。同時(shí)產(chǎn)生“儀器”烈度分布圖ShakeMap(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/shakemap/)。2006年以后結(jié)合全球地震臺(tái)網(wǎng)面波反演技術(shù)，進(jìn)行破裂過(guò)程反演，約束ShakeMap結(jié)果，USGS對(duì)于全球大地震都做出地震動(dòng)圖和烈度速報(bào)。圖2為美國(guó)USGS對(duì)2008年汶川地震和2009年12月19日臺(tái)灣6.7級(jí)地震快速產(chǎn)出的烈度速報(bào)結(jié)果。

圖2 美國(guó)USGS在汶川地震后和12月19日臺(tái)灣6.7級(jí)地震后快速產(chǎn)出的烈度速報(bào)結(jié)果(據(jù)http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/shakemap/)

同時(shí)美國(guó)USGS網(wǎng)站設(shè)立了專(zhuān)欄——“Did you feel it?”。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)填表報(bào)告調(diào)查的方式，發(fā)布Internet地震烈度分布圖。圖3為2008年5月15日根據(jù)701個(gè)人報(bào)告得到的汶川地震烈度分布圖。

2 目前幾種地震烈度方法的特點(diǎn)

2.1 人工實(shí)地考察測(cè)繪地震烈度分布圖

在高烈度地區(qū)，實(shí)地考察測(cè)繪的烈度圖一般以建筑物的破壞程度和地面破壞效應(yīng)等定性指標(biāo)加以確定，需要派出大量的普查人員進(jìn)行勘察。一般是幾天，對(duì)大地震有的需要更長(zhǎng)時(shí)間，如2009年7月9日姚安6.0級(jí)地震烈度分布圖(圖4b)是震后14天公布的，2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震烈度分布圖(圖4a)，是震后兩個(gè)月以后公布的。由此可見(jiàn)，雖然這種烈度圖最接近實(shí)際災(zāi)情分布情況，但時(shí)效性差，無(wú)法滿(mǎn)足大地震后烈度快速產(chǎn)出的要求。

2.2 全國(guó)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)地震儀產(chǎn)出儀器地震烈度

圖3 2008年5月15日美國(guó)USGS網(wǎng)站根據(jù)701個(gè)人報(bào)告得到的汶川地震烈度分布圖(據(jù)http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/dyfi/)

圖4 (a)汶川地震2個(gè)月后公布的實(shí)地考察測(cè)繪地震烈度分布圖;(b)姚安地震14天后實(shí)地考察測(cè)繪地震烈度分布圖(據(jù)http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/)

目前覆蓋全國(guó)的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，由996個(gè)臺(tái)站和32個(gè)省級(jí)區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心組成(圖5)，分布很不均勻，平均每萬(wàn)平方公里只有1.35個(gè)，其中西部臺(tái)站稀疏，每萬(wàn)平方公里只有0.78個(gè)，東部相對(duì)密集，每萬(wàn)平方公里有1.75個(gè)，首都圈相對(duì)較多，每萬(wàn)平方公里也只有7.05個(gè)。

全國(guó)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)地震儀(PGV)產(chǎn)出的儀器地震烈度是大尺度記錄地震動(dòng)的情況，對(duì)于我國(guó)這樣的臺(tái)站布局，采用計(jì)算機(jī)模擬內(nèi)插和場(chǎng)地效應(yīng)修正等方法，可以快速產(chǎn)出地震動(dòng)圖。但是對(duì)于強(qiáng)烈有感的強(qiáng)震區(qū)，可能造成儀器的近臺(tái)限幅，甚至造成數(shù)據(jù)傳輸中斷，采集不到需要的數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致極震區(qū)的地震動(dòng)計(jì)算困難。

2.3 強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)儀器烈度分布圖

中國(guó)數(shù)字強(qiáng)地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)有1154個(gè)固定臺(tái)，310個(gè)烈度臺(tái)，12個(gè)專(zhuān)業(yè)臺(tái)陣，全國(guó)目前觀測(cè)點(diǎn)1976個(gè)，密度為2.058個(gè)/萬(wàn)平方公里(圖6)。如果在10000平方公里的強(qiáng)震區(qū)內(nèi)，能夠均勻布設(shè)不少于100個(gè)強(qiáng)震臺(tái)，可以比較完整和準(zhǔn)確地記錄強(qiáng)震區(qū)的烈度分布，但目前我國(guó)強(qiáng)震臺(tái)站不是實(shí)時(shí)記錄，很難達(dá)到烈度速報(bào)要求。同時(shí)，我國(guó)強(qiáng)地震臺(tái)站分布不均勻，地震發(fā)生在哪里，人們無(wú)法預(yù)知，該在哪里加密臺(tái)網(wǎng)有很大的不確定性。

圖5 “十五”省級(jí)區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖

圖6 中國(guó)華北、西北、西南等地震動(dòng)衰減分區(qū)(據(jù)中國(guó)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心CSMNC)

另外，汶川地震顯示出:在極震區(qū)很有可能因破壞嚴(yán)重而導(dǎo)致儀器失靈和數(shù)據(jù)無(wú)法采集，這將導(dǎo)致烈度計(jì)算的困難，如極震區(qū)最重要的兩個(gè)臺(tái)映秀和北川，房屋倒塌，儀器被砸爛，僅靠強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)也無(wú)法保證能夠完整地獲得極震區(qū)地震動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)和信息報(bào)告的方法

網(wǎng)絡(luò)和信息報(bào)告的方法是非常簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，在我國(guó)部分地區(qū)部署的大震信息處理系統(tǒng)就是采用地震信息員報(bào)告來(lái)獲得大地震烈度和災(zāi)害分布，可惜目前還未取得明顯的效果。在極震區(qū)和受災(zāi)嚴(yán)重的地區(qū)，人們?cè)诘谝粫r(shí)間往往忙于救災(zāi)和自救，不能及時(shí)應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)信息和給出當(dāng)?shù)仄茐牡男畔?bào)告，同時(shí)由于在極震區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能遭到破壞，造成網(wǎng)絡(luò)信息獲取十分困難。

3 同震位移地震烈度快速分布計(jì)算方法

地震動(dòng)的最大速度、總功率(持續(xù)時(shí)間)和位移等也是烈度的一項(xiàng)主要因素［1］。依靠這些因素在不同觀測(cè)點(diǎn)的差異可以確定烈度的分布。事實(shí)上，許多學(xué)者的研究、計(jì)算結(jié)果和野外考察結(jié)果表明:大地震地表同震位移場(chǎng)的分布特征與該地震烈度分布的特征非常一致［3］。因此，由同震位移場(chǎng)估算地震烈度是合理的。

3.1 方法的基本原理

在已知地震三要素、地殼模型和斷層參數(shù)的情況下，通過(guò)理論計(jì)算地震的絕對(duì)同震形變，大致確定地震烈度分布的方法。

3.1.1 所需參數(shù)條件

地震三要素、地殼模型和斷層參數(shù)。

(1)地震三要素——用來(lái)計(jì)算破裂長(zhǎng)度、震中烈度和平均滑動(dòng)位移，可以從速報(bào)結(jié)果獲得。

(2)地殼模型——用來(lái)計(jì)算格林函數(shù)。地殼模型包含地殼分層參數(shù)和體波分層速度和地殼分層密度參數(shù)。速度模型參數(shù)可以通過(guò)以下途徑獲得:(a)各區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)定位速度模型;(b)ISPEI 91全球平均地殼模型;(c)由Crust 2.0程序快速獲得;(d)由地震層析成像的最新成果獲得，但這需要經(jīng)常關(guān)注這方面的研究成果。(e)從歷史地震活動(dòng)性的分析成果中提取。(f)最新的地球物理勘探成果。

(3)斷層參數(shù)包括斷裂長(zhǎng)度、寬度、破裂面積、斷裂總體走向、傾向、傾角、滑動(dòng)角等，其獲得途徑如下:

①斷層長(zhǎng)度(L):可根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)公式獲得。根據(jù)中國(guó)大陸淺源地震(5.0≤M≤7.9)的余震資料得出斷層破裂長(zhǎng)度L(km)與震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)公式為［4］

②斷層寬度(W):斷層寬度可由下述方法得到:(a)由震源深度(h)與斷層傾角(dip)的關(guān)系獲得;(b)由余震面積獲得; (c)由斷層長(zhǎng)度與寬度的經(jīng)驗(yàn)公式獲得

對(duì)于汶川地震:求得W≈15 km。

③破裂面積:采用矩形破裂模型，則汶川地震破裂面積S=L×W=3750 km2。

④斷裂總體走向、傾向、傾角、滑動(dòng)角:可通過(guò)下述途徑獲得:(a)利用地震矩張量解。這需要快速產(chǎn)出震源機(jī)制解。然而，目前在我國(guó)獲得震源機(jī)制解的結(jié)果較慢，達(dá)不到大震快速產(chǎn)出的要求。(b)根據(jù)震后3～10 min余震的定位結(jié)果確定;余震分布的產(chǎn)出目前還不夠快，對(duì)本方法有制約作用;(c)根據(jù)歷史地震活動(dòng)性、地質(zhì)調(diào)查，特別是歷史5級(jí)左右地震的統(tǒng)計(jì)獲得。根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，進(jìn)一步的結(jié)果可以根據(jù)及時(shí)獲得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂。

⑤斷層錯(cuò)距計(jì)算:斷層錯(cuò)距俗稱(chēng)斷層滑動(dòng)距離，它與地震矩、震級(jí)、斷層破裂面積、剛度系數(shù)有以下關(guān)系［5］:

式中:MO為地震矩;ˉD為斷層錯(cuò)距;μ為剛度系數(shù);S為破裂面積。

計(jì)算得汶川地震斷層的平均錯(cuò)距ˉD≈6.0 m。

根據(jù)平均錯(cuò)距與震級(jí)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系［1］，也可以計(jì)算主震的平均錯(cuò)距:

計(jì)算得汶川地震斷層的平均錯(cuò)距ˉD≈6.3 m。

同時(shí)使用這兩種方法對(duì)斷層滑動(dòng)距離進(jìn)行約束。

3.1.2 絕對(duì)同震位移的計(jì)算

在獲得了上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用同震形變程序PSGRN/PSCMP計(jì)算同震形變［6］，獲得不同點(diǎn)的Ux，Uy，Uz分布，定義絕對(duì)平均位移:

3.1.3 烈度與震級(jí)和深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Shebalin［7］根據(jù)全球大量深度小于80km的地震在地表的烈度衰減做了統(tǒng)計(jì)，得到(7)式:

式中，I0為震中烈度，M為震級(jí)，h為地震震源深度，單位:km。

由此公式計(jì)算出不同烈度I對(duì)應(yīng)的震級(jí)。

3.1.4 絕對(duì)同震位移與麥?zhǔn)搅叶葘?duì)照表

根據(jù)(4)、(5)、(6)、(7)式，計(jì)算不同烈度對(duì)應(yīng)的震級(jí)所造成的絕對(duì)同震位移，可以得到不同深度條件下，震級(jí)、絕對(duì)同震位移與麥?zhǔn)搅叶鹊膶?duì)照表，表1是深度為12 km時(shí)，不同震級(jí)、絕對(duì)同震位移與麥?zhǔn)搅叶鹊膶?duì)照表。

表1 震級(jí)、絕對(duì)同震位移與麥?zhǔn)搅叶鹊膶?duì)照表

3.1.5 絕對(duì)同震位移震中烈度分布圖

將絕對(duì)同震位移轉(zhuǎn)換成烈度后，將烈度分布投影在行政區(qū)劃圖上，就得到震中烈度分布圖(圖7b中淡粉色包圍區(qū)域)。將絕對(duì)同震位移轉(zhuǎn)換的烈度分布圖與汶川8.0級(jí)地震烈度分布圖(圖7c)相比，可以看出，由絕對(duì)同震位移計(jì)算的地震烈度分布與實(shí)際地震烈度圖有很好的一致性，特別是在極震區(qū)對(duì)應(yīng)效果更好。這也是大震應(yīng)急、緊急救援關(guān)心的區(qū)域。

我們用同震位移烈度方法對(duì)一些震例進(jìn)行了檢驗(yàn)，得到的結(jié)果是令人滿(mǎn)意的。圖8是海地2010年1月13日(北京時(shí)間)MS7.3級(jí)地震的實(shí)例效果分析，可看出:同震位移烈度方法可快速計(jì)算出極震區(qū)和次極震區(qū)的烈度分布范圍。

3.2 同震位移地震烈度的優(yōu)勢(shì)

從實(shí)際震例的分析可以看出同震位移烈度方法有一定的優(yōu)勢(shì):

(1)需要的參數(shù)少:只需要地震三要素和斷層走向、傾向、滑動(dòng)角，以及后續(xù)的震源機(jī)制解和余震目錄。

(2)計(jì)算簡(jiǎn)便:可快速判定強(qiáng)震區(qū)的烈度強(qiáng)度和分布情況。

(3)立即結(jié)合人文地理信息，可快速判定災(zāi)害的影響范圍和影響程度。

圖7 同震位移烈度分布圖，其中(a)為絕對(duì)同震位移分布，(b)為同震位移烈度在行政區(qū)劃圖上的投影，(c)為實(shí)地考察烈度分布圖

圖8 2010年1月13日(北京時(shí)間)海地M7.3級(jí)地震絕對(duì)同震位移烈度分布

(4)成本低，特別是在地震儀器稀疏的地區(qū)可發(fā)揮獨(dú)特的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

汶川8.0地震警示我們:地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在大地震發(fā)生后快速產(chǎn)出和發(fā)布地震烈度分布信息，讓政府和公眾及時(shí)獲得災(zāi)情信息。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。眾所周知，我國(guó)地震臺(tái)站距離較大，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，目前的地震臺(tái)網(wǎng)布局，主要是為地震速報(bào)和地震預(yù)報(bào)的地震活動(dòng)性提供數(shù)據(jù)。汶川地震我們經(jīng)歷了極震區(qū)記錄限幅、強(qiáng)震儀損壞、網(wǎng)絡(luò)中斷、現(xiàn)場(chǎng)記錄恢復(fù)難等難以預(yù)料的尷尬局面。

因此，測(cè)震學(xué)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)學(xué)與信息技術(shù)的有效結(jié)合，才是應(yīng)對(duì)未來(lái)大震災(zāi)害快速產(chǎn)出的有效途徑。具體我們可以采用以下策略和方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大地震發(fā)生后快速產(chǎn)出和發(fā)布地震烈度分布信息的任務(wù)。

(1)利用現(xiàn)有的全國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)，查明臺(tái)基效應(yīng)和地震波傳播特性，采用內(nèi)插模擬方法，虛擬加密臺(tái)站，高速計(jì)算，快速生成全國(guó)或區(qū)域地震動(dòng)圖，進(jìn)行烈度速報(bào)。

(2)在重點(diǎn)地震危險(xiǎn)區(qū)和大中城市布設(shè)高密度的烈度傳感器實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，快速生成強(qiáng)震區(qū)的震動(dòng)峰值分布圖，進(jìn)行烈度速報(bào)。

(3)利用地震臺(tái)網(wǎng)快速產(chǎn)出精確的地震三要素參數(shù)和快速CMT、余震序列，利用地質(zhì)構(gòu)造和歷史地震參數(shù)，利用同震位移算法，快速生成地震烈度分布參考圖。

(4)研究實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)的災(zāi)情快速識(shí)別與提取技術(shù)，快速生成強(qiáng)震區(qū)地震災(zāi)害分布圖。

(5)建立地震烈度速報(bào)綜合信息系統(tǒng)，綜合應(yīng)用上述各種方法，實(shí)現(xiàn)地震烈度分布圖的快速生成，快速修訂和快速發(fā)布。

(作者電子信箱，張晁軍:zcj72@hotmail.com)

［1］宇津德治主編.李裕澈等譯.地震事典.北京:地震出版社，1990:399

［2］Vladimir Sokolov and David J Wald.Instrumental intensity distribution for the Hector Mine，California，and the Chi-Chi，Taiwan，Earthquakes:Comparison of two methods.Bull.Seismol.Soc.Am.，2002，92:2145-2162

［3］張勇，馮萬(wàn)鵬，許力生，等.2008年汶川大地震的時(shí)空破裂過(guò)程.中國(guó)科學(xué)D輯:地球科學(xué).2008，38 (10):1186-1194

［4］國(guó)家地震局震害防御司.地震工作手冊(cè).北京:地震出版社，1990:237

［5］Peter Borman.IASPEI，New manual of seismological observatory practice(NMSOP)，Volume 1，Chapter 3，Magnitude of seismic event:P36

［6］Wang R，F(xiàn)rancisco Lorenzo Martin，F(xiàn)rank Roth.PSGRN/PSCMP—a new code for calculating co-and postseismic deformation，geoid and gravity changes based on the viscoelastic-gravitational dislocation theory.Computers＆Geosciences，2006，32:527-541

［7］Shebalin N V.Seismic scale and methods of measuring earthquake intensity［in Russian］.Foci of strong earthquakes in the USSR［in Russian］1978:87-109

Some Thoughts Concerning Development of Rapid Report of Seismic Intensity Information

Zhang Chaojun1)，Li Weidong1)，Li Dahui1)，Chen Huizhong2)and Hou Yanyan1)
1)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China
2)Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing 100036，China

The M8.0 earthquake in Wenchuan offers many lessons.One of them is that seismic observation system should rapidly generate the distribution map of seismic intensity after a major earthquake.The strategies and methods for rapidly creating seismic intensity maps are discussed in this paper，with special emphasis on co-seismic displacement method.Achieving the goal of rapidly generating seismic intensity information after a major earthquake requires the combination of seismometry，strong motion seismology and information technology，which proves to be an effective way.

seismic intensity;co-seismic displacement intensity;focal mechanism;rapid generation of aftershock information;information technology

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.04.006

2010-03-03。