地震波與地震預警

張 鐸

地震波

地震是地球內部一種正常的運動，但是對于人類的生產和生活會造成很大的不利影響。地震波是目前我們所知道的唯一一種能夠穿透地球內部的波。通過對地震波的研究，有助于我們判斷地球內部的結構和狀態。

20世紀70年代以來，很多國家陸續實施了多項科學鉆探計劃，具有代表性的：俄羅斯科拉半島12 262米超深鉆，這是目前世界上最深的井；德國KTB超深鉆，深度9 101米，排名第二；我國7 018米深的松科二井，是國際大陸科學鉆探計劃實施22年以來的最深鉆井，也是全球首個鉆穿白堊紀陸相地層（陸相地層是指陸相環境下所形成的地層，如河流、湖泊、沖積扇等）的科學鉆探井。我們知道，地球的直徑是12 756千米，而人類最深的鉆洞為12 262米。這樣看來，人類對地球內部的了解只是一點皮毛，地球科學還有很多需要去探索的未知之謎。

地震幾要素

地震波是指從震源產生向四外輻射的彈性波。地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。縱波在地殼中傳播速度為5.5～7千米/秒，最先到達震中，又稱P波（primary wave）；它使地面發生上下振動，破壞性較弱。橫波在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，第二個到達震中，又稱S波（secondary wave）；它使地面發生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發產生的混合波；其波長大、振幅強，只能沿地表面傳播，是造成建筑物強烈破壞的主要因素。

縱波、橫波示意圖

縱波、橫波波形示意圖

地震波所帶來的地面破壞

正因為有了地震波，人們才可能了解地球內部結構。目前而言，入地探測比上天還難。基于橫波速度慢于縱波、地球內部物質構成的差異，科學家將地球劃分為莫霍面和古登堡面兩個界面，將地球內部分為地殼、地幔和地核三個圈層。

地震波速度與地球內部構造圖

地球內部發生地震的地方叫震源，地面距震源最近的地方叫震中，從震中到震源的垂直距離叫震源深度，地面任何一點到震中的距離叫震中距。通常將震源深度小于70千米的叫淺源地震，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。破壞性地震一般是淺源地震，如1976年的唐山大地震的震源深度為12千米。表示地震大小有兩種方法：一是震級，二是烈度。一次地震只有一個震級，但是有多個烈度。

地震的震級表示地震所釋放的能量的大小，震級越大的地震，釋放的能量就越多。不同震級地震的能量差別很大，2級地震的能量約為1級地震的31.6倍，3級地震的能量約為1級地震的1 000倍。所以，盡管小地震實際發生數目比大地震多得多，但總能量中的大部分仍是由大地震釋放的。

地震預警

目前在世界范圍內，地震預報仍是個難題，地震不可預測，連技術最先進的日本也只能做到地震預警。

地動儀重繪圖

地震是可以被測量的，古代雖然通信不發達，消息傳播較慢，但是張衡發明的地動儀在地震發生的時候就能知道地震的大概方位和震級。然而地震測量和地震預測是兩回事。

據《后漢書?張衡》記載，地動儀是用青銅鑄成的，形狀很像一個大酒樽，圓徑有2.67米。儀器的頂上有凸起的蓋子，儀器的表面刻有各種篆文、山、龜、鳥獸等。儀器的周圍鑲著8條龍，龍頭朝東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個方向排列，每個龍嘴里都銜著一枚銅球。每個龍頭的下方都蹲著一只銅鑄的蟾蜍，蟾蜍對準龍嘴張開嘴巴，像等候吞食食物一樣。無論哪個地方發生了地震，傳來地震的震波，哪個方向的龍嘴里的銅球就會滾出來，落到下面的蟾蜍嘴里，發出激揚的響聲。看守地動儀的人聽到聲音來檢視地動儀，看哪個方向龍嘴的銅球吐落了，就可以知道地震發生的時間和方向。這樣一方面可以記錄準確的地震信息；另一方面也可以沿地震的方向，尋找受災地區，做一些搶救工作，以減少損失。

隨著科技的不斷發展，現在人類可以根據地震儀來測量地震。古代張衡做的叫“侯風地動儀”，是地震發生時才有動靜，只能知道哪個方向有地震，距離和強度都測不出來。

地震監測儀器示意圖

地震研究部門在報道某地區發生的地震時，往往要冠以發生了×級的地震，烈度達到×度，等等。地震的震級和烈度并不是一回事。

地震預警不是地震預測或預報，而是指在地震發生以后，利用電磁波傳播比地震波快的特點，搶在地震波傳播到設防地區前，向設防地區提前發出警報，以減小當地的損失。

地震預警系統是指實現地震預警的配套設施。按照系統響應的順序可包括：地震監測臺網、地震參數快速判測系統、警報信息快速發布系統和預警信息接受終端。整套系統的特點是高度集成、實時監控、飛速響應，尤其是飛速響應這一點至關重要。因為地震預警系統其實就是在和地震波賽跑，多跑贏一秒，就能多獲得一秒的應對時間，用分秒必爭來形容最為恰當不過。

地震預警系統的工作原理就在于可以探測到地震發生最初時發射出來的無破壞性的地震波（縱波），而破壞性的地震波（橫波）由于傳播速度相對較慢，則會延后10～30秒到達地表。深入地下的地震探測儀器檢測到縱波后傳給計算機，即刻計算出震級、烈度、震源、震中位，于是預警系統搶先在橫波到達地面前10～30秒通過電視和廣播發出警報。并且，由于電磁波比地震波傳播得更快，預警也可能趕在縱波之前到達。

如同閃電之后要打雷一樣（聲音比光速慢），可以利用地震波傳遞的時間差（縱波比橫波快），和地震賽跑，預警更遠地區的人們，即時疏散，減少災害損失。

以“5?12”汶川大地震為例，如果該地區建有地震預警系統，并且能夠在地震波到達北川、青川等地區之前，提前數秒至數十秒發出預警，這些災區的人員傷亡和經濟損失或許不致如此慘重。

級別太小的地震沒必要實現地震預警。鑒于地震信息謠傳容易導致社會混亂，預警信息發布也需要依法進行，有時候合理性與高效性也存在矛盾。

離震中越遠，得到的預警時間越長。一般來說，地震預警系統只對距離破裂斷層50～200千米的范圍有效。而50千米以內的地區，即使發出預警，人們可能也來不及反應。在200千米以外的地區，地震產生的破壞可能又不嚴重，沒有必要發出預警。

當地震發生后，離震中最近的幾個預警臺站會陸續接收到地震信號，觸發地震參數快速判測系統；在收到信號的幾秒至十幾秒內，快速判測系統將估算出地震的發震時間、發震位置、震源類型和震級大小，然后利用這些參數模擬出相關區域內地面運動的強烈程度；根據模擬的結果，搶在相應地震波之前，向不同地區發出相應的預警信息。

地震預報是“一項世界性的科學難題，攻克難關絕不是一蹴而就的事情，需要幾代人甚至幾十代人長期堅持不懈的努力”。

因此，從國際上的經驗來看，世界各國均是在國家層面積極穩妥地開展地震預警試驗和建設，在一般地震預警系統研發出來后，都要進行較長時間的試運行后才能正式投入運行。