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热度 1已有 239 次阅读2017-8-11 22:31 |个人分类:科教论坛|系统分类:科普作品| 地震预警

小议王暾的地震预警的可行性

小议王暾的地震预警的可行性

 

嵇少丞

加拿大蒙特利尔大学工学院教授

 

 

【内容提要:离震中太近(<50-60 千米即地震预警盲区, 但全部死伤者几乎都来自这个区内)在破坏性地震波到来之前尚未收到预警;离同震破裂太远了(>100 千米)无需收到地震预警,因为地震烈度达不到破坏建筑的程度,地震预警反而会干扰居民正常的工作与生活, 甚至造成踩踏事件。地震预警系统对6.5级以下的中等地震,用处不大,但对汶川地震那样的8级地震,效果会特别显著。解决地震灾害问题的根本手段是抗震设防、提高建筑质量、消除豆腐渣工程。】

 

 

浙江大学客座教授林炎平先生转来一篇文章:《救命40秒!浙大校友成功预警九寨沟地震!还曾预警38次破坏性地震,无误报漏报》。 题目很抓眼球。文章第一段这样写道:【882119分,四川阿坝州九寨沟县发生7.0级地震。由国家千人计划入选者、成都市高新区减灾研究所所长、浙江大学能源系毕业生王暾研发设计的ICL地震预警系统在此次地震中,提前71通过手机及专用终端为成都市发出预警信息,提前40通过汶川县电视台发出预警,提前19为甘肃陇南市发出预警。算上这次,该系统已经成功预警38次破坏性地震。】

 

三年前云南省鲁甸地震发生后,我与他就地震预警问题在《中国青年报》上有过沟通(http://wap.sciencenet.cn/info.aspx?id=300670), 本以为这位王大胆会收敛些, 地震预警毕竟是科学问题, 来不得半点虚伪与夸大其词, 最好能客观的介绍自己的成果,以免忽悠大众与在内行中触犯众怒。

  

 对不了解地震预警(Earthquake Early Warning,在日语中叫紧急地震速报)系统原理的人来说, 上述报道振奋人心,甚至误解成王暾已经成功的进行了38次地震预报但是对于相关专家来说,还有深究的空间。



  地震预警原理示意图

 

 

既然在目前甚至今后相当长的一段时间内,地震是无法准确预报的,世界各国科学家一直致力于探索地震机制、提高地震预警能力的科学实验研究。记得当年胡锦涛总书记在2008623日中国科学院和工程院院士大会上就曾号召中国科学家,对于地震灾害要提高监视和预警的能力,加强对地震孕育、发生、发展和机理的研究。目前世界各国的地震预警系统都是利用电磁波和地震波的走时差,力争提前几秒到几十秒预报地震波到达震中周围各地的时间,希望利用这个短短的时间差能让大多数人安全地走出房屋, 以最大程度保护生命。另外,这样紧急地震速报还可以让火车司机将火车减速,工人将工厂的生产线停下,核电站停止发电、外科医生暂停手术等。

 

 在岩石介质中,地震产生的纵波的传播速度大于横波的传播速度,纵横波速度之比总是大于1.414(根号2)。 对于常见的许多地壳岩石,纵横波速度之比为1.732(根号3)。纵横波速度之比的具体数值取决于岩石的泊松比,泊松比越大,纵横波速度之比愈大。由于横波的振幅比纵波的振幅大得多,许多建筑物都是在横波扫来之时摧毁的,所以,了解横波的到达当地时间尤为重要。

 

 地震发生时, 首先破裂的那点(震源)发出的纵波首先到达震中,若震中的地面正好有一台地震仪,它就会记录首波(纵波)到达的最短的时间。在中国绝大多数的情况下, 地震仪基本都不在震中, 而是距离震中几十公里的地方,纵波需要一定的传播时间才能到达地震仪,使其到达时间被地震仪记录下来。20085.12汶川地震的震中在映秀镇,那里正好有四川省地震局的一个地震台, 但是该地震台并没有上传数据, 原因是地震台的房子不抗震,采用的砖混结构, 房子震倒了再砸坏了地震仪, 连地震局都没有想到龙门山的强震真会来,否则怎么也要给地震仪做个钢罩子保护一下。

  

成都高新减灾研究所的王暾宣称:他们的ICL地震预警系统的“预警盲区半径是21千米,地震预警网相应时间为6秒”,这是不可信的。

 

利用震中附近至少两台或多台地震仪记录到的走时数据,地震预警系统中心计算机迅速计算出震级、特别是震中(最好是震源)的位置, 然后根据经验公式计算出纵横波到达各地的时间, 把相关信息自动发送到电台网、电视台网与手机网络,真正做到全套系统的 “高度集成、实时监控、飞速响应” 。例如,这次九寨沟地震的震源深度是12 km 取地壳平均P波的速度6.00 km/s 岩石的泊松比0.25 即横波速度为3.46 km/s。从震源出发,纵波需要3.36 秒、横波需要5.83 秒才能到达距离震中21千米的某乡镇, 纵横波之间的走时差为2.47秒。但是,每个台站至少需要记录5秒的持续振动才能断定是一次发生的地震, 然后计算机再进行信号数据处理,将预警信息发出去。一般来说,待到人们收到预警信息, 地震发生已经过了8-9秒了(这就是地震预警网的响应时间, 见上图) 再说,中国不像日本那样地震仪密布(2010年时日本就有4235个永久性地震仪, 日本的国土比中国小多了)。若震中附近100千米没有地震台站, P波传到第一个地震台站已经过了17-18秒时间了。即使每30千米有一个地震台,王暾所说的地震预警的“盲区半径为21公里”也是不可能的, 真正的盲区半径至少不应小于50千米。王暾是否可以告诉我们在距离震中50千米之内的任何人曾收到过他们成都高新减灾研究所发出的地震预警?更可笑的是,王暾“提前71通过手机及专用终端为成都市发出预警信息”, 他应该宣布提前12 分钟为美国纽约发出预警信息, 这样岂不更能忽悠吃瓜的百姓!已经存在好几十年的Jeffreys-Bullen travel time tables早能这么干了。

 

 

Jeffreys-Bullen travel time tables

 

 

 

  对于一个6.5级地震,走滑断层的地表破裂带长度也就15 千米左右,烈度大于等于7级(大多数人惊逃户外,骑自行车的人有感觉,房子墙体出现破坏与开裂)的地带亦就是25-30 千米的范围, 对于这个极震区内的居民最需要逃生,但理论与技术上几乎不可能在地震波到来之前让人民收到预警。 而居住在距离震中50千米到300 千米(例如, 成都离九寨沟直线距离约300千米)很大范围内的人们没有必要紧迫逃生,却接收到了预警,只能是虚惊一场,要是外科医生收到地震预警,停下正在进行的手术,导致病人死亡,这责任谁来负?况且,地震预警在目前条件下误报概率还相当高,因为太强调快速响应”, 一快就不可避免出现错误。总之, 对于6.5级以下地震, 预警的作用并不明显, 因为地震预警的震中盲区范围比地震烈度7度及其以上高破坏区的规范还大。此外,预警也无需发给预估烈度小于5.0 的地方,因为那些地区的居民绝无生命危险, 见下表。

 

 

 

地震烈度的划分

 

烈度

影响

1(I)  

无感觉。只有仪器能观察到。

2(II)  

在完全静止的情况下,少部分人有感觉。

3(III)  

大部分室内的人感觉到震动,很多人意识不到是地震。

4(IV)  

连室外的人也感觉到震动;家中较小的饰物开始摇晃,但不造成破坏。

5(V)  

几乎所有人都有感觉;睡者惊醒,牲畜不宁,摆钟停摆,不稳定的物件可能倾翻。

6(VI)  

很多人慌张逃跑,走路摇晃;玻璃破碎,书籍或摆设从书架掉下,家具移动或翻倒,破坏轻微。

7(VII)  

站立困难。家具损坏。
未加固,建筑材料差的建筑物出现裂缝,甚至毁坏。开车中的人可以察觉。

8(VIII)  

烟囱、纪念碑、塔、墙倒塌,重型家具移动。
未周密考虑抵抗外力的建筑物遭受某种损坏,部分严重损毁。水平方向抗力弱的建筑物倒塌。破坏力强。

9(IX)  

人民普遍恐慌。
未周密考虑抵抗外力类建筑物随时倒塌。
建筑物可能脱离地基。

10(X) 

一些木造建筑物毁坏,大多数建筑物连同地基毁坏。
铁路轨道轻微弯曲。

11(XI) 

只有少数建筑物尚未倒塌。
铁路轨道明显弯曲,地下管道完全不能使用,地面有很多裂缝、大规模滑坡、山崩,地表断裂。

12(XII) 

所有建筑物遭受毁灭性破坏,动植物普遍灭绝。
天崩地裂,视线扭曲,地貌完全改观。
地壳呈波浪状剧烈抖动,甚至形成大峡谷,物体被抛入空中。

 

 

 

 

 

相反,对于汶川那样8 .0级地震,地震预警的作用却是非常重要的, 因为震级大, 能量释放多, 波及范围广。打个比方,地震像撕布,波源是沿着发震破裂带边走边撕。断裂带越长,撕的时间越长,地震持续时间越长,震级越高。有人误以为一次地震只有一个极震区,假说地震的能量从一个点向外释放, 极震区的几何中心就是地震的宏观震中。所以,汶川地震刚过, 有人把地震烈度的分布画成一系列的同心圆,以为越向外地震烈度越低(王暾的成都高新减灾研究所的地震预警也隐含这样的概念),这个错误认识客观上影响当地决策者对灾区总体的认识。例如,5.12大地震后救援的大部队在开始时均往映秀集积,救灾物资和大型工具也都运往映秀附近,而对北川、青川、乃至甘肃文县的地震灾情严重估计不足,一定程度上影响了抗震救灾的效率和效果。事实上,汶川地震的等烈度呈长椭圆形,长轴平行于龙门山断裂,特别是龙门山中央断裂贯穿的城镇和村庄才是极震区——真正的重灾区,一条长近250千米的窄带,那里的房屋倒塌70%~80%以上。地震断裂带从西南的映秀走向东北的青川用了近80秒才完成其撕裂过程,这80秒龙门山断裂带恶狠狠地撕裂连续不断地发出恐怖的吼声——地震波。若那时就有地震预警系统,四川省北川、青川与甘肃文县等极震区的居民完全可以在地震到来之前有足够的时间走出楼房, 免遭掩埋废墟之灾。

 

影响地震预警的具体效果的因素除了上述的震级与距离之外,还有几个方面:

 

1    震源深度,正如康熙皇帝67岁那一年(即1721年)所说:深则震动虽微,而所及者广;浅则震动虽大,而所及者近。广者千里而遥,近者百十里而止。由太平洋板块在日本海沟向西深俯冲形成的深源(>300 千米) 地震在中国仅分布在吉林省珲春-汪清一带,这些深源地震对地面工程建筑破坏性不大, 所以,无需预警。在中国大陆内部发生的地震基本上都属于浅源地震(<60-70km),绝大多数破坏性地震的震源深度15-25 千米。

 

2    地震破坏程度与地壳-地幔的热结构有很大关系,地壳-地幔越热或含水量多(例如,滇西),地震波越是衰减得厉害,地震波的振幅在短距离内衰减很多, 地震波速也随之减小。加拿大地盾、华北地台与杨子地台内,地壳-地幔的地热梯度低,有利于地震传播。

 

3    受矿物晶格优选定向及其裂隙优选定向的影响,地震波在地壳岩石中有可能是各向异性的, 在不同方向不同速度。目前的预警系统假说岩石介质是各向同性的, 就会出现很大的误差。

 

4    地震的破坏程度与地形地貌有关。地势起伏大、山坡陡峭的山区(例如,川西南、云南),地震必然会造成山崩、滑坡、塌方、泥石流等次生地质灾害,加重震害的估算。

 

5    地震的破坏程度与地下地质结构特别是地下水位有关。若城镇建在松散沉积物包括古河道、古湖泊相的沉积物、流沙土以及人工回填土之上,加之地下水位高,沙土液化势必造成房屋倾斜、破坏、倒塌。这类松散沉积物空隙度大,内含饱和水,具触变性。在静态情况下,水饱和的沉积物尚具有一定的稳定性,但在动态情况下,例如地震波晃动下,这种水饱和的松散沉积物瞬刻失去稳定性,呈现出液态的物理性质,即发生沙土液化,使得坐落其上的建筑物在流沙中不均匀下沉,造成建筑物倾倒而彻底摧毁。这就是建筑学上所说的场地效应和地基失效。曲山镇就是坐落在松散沉积物之上的北川县县城,这也是北川县城遭到毁灭性破坏的重要原因之一。无数事实证明,直接建在坚固基岩上的房屋更耐震。唐山地震中唯一仅存的两座古庙,就是因建在坚固基岩上而得以大难不毁。另外,一些房屋坐落在河岸边,地震振动使地基连同房屋倾倒或坠落河底。所以,灾后重建中住房选址一定要远离河岸和不稳定的边坡。这方面,国外也有不少经验教训。1985919日墨西哥海岸连续发生8.1级和7.6级两次强烈地震,造成西部太平洋沿岸4个州和离震中约400 千米的首都墨西哥城近万幢高层楼房倒塌,近40,000人死亡。墨西哥城的老城和商业区的主要办公楼和宾馆全部倒塌。震后调查表明,墨西哥城建造在古湖泊相沉积之上,地面震动导致地基失效而建筑物倒塌。19891017日美国加州洛玛普里艾塔发生7.1级地震,由于震区的建筑物总体抗震能力较好,建筑物破坏并不严重,但是,在靠近旧金山湾附近,由于多是人工回填土,建筑物多遭破坏,包括多座高速公路立交桥坍塌。2001126日印度古吉拉特邦发生7.9级强烈地震,导致16,480人死亡,约15万人受伤。这次地震几乎摧毁了该邦首府库奇镇所有的建筑物,因库奇镇正好建筑在印度河的古河道上。

 

6    地震的破坏程度与当地建筑质量有关,与其搞地震预警,不如搞抗震设防、提高建筑质量。同样是一次7级左右的地震,在美国、日本等国家,一般只会死几个到几十人,因为他们把抗震设防落实到实际行动中,做到建筑设计有人审,建筑材料有保证,施工质量有核查,绝大多数建筑甚至毫发无损;而在经济落后、人口稠密的发展中国家或虽然经济发达但是腐败豆腐渣工程普遍的国家,甚至会导致几百甚至几千人、上万人死亡。由此可见,同一个震级的地震发生在不同的国家其破坏程度却非常不一样,在那些不重视建筑抗震质量与腐败豆腐渣工程的国家或地区,地震的破坏程度永远最高。自20世纪至今,中国占全球因地震死亡总人数的60%以上。同一时段,全球共发生造成20万人以上死亡的大地震两次,不幸的是这两次地震都发生在中国:一次是1920年宁夏海原8.5级特大地震,造成23.5万人死亡,另一次是1976年的河北唐山7.8级地震,造成24.4万人死亡。2008年的汶川8.0级特大地震又造成近9万人死亡。中国的领土面积(960万平方千米)占全球陆地总面积(15亿平方千米)的6.7%;中国的领土上发生的地震约占全球陆地地震的33%,为什么因地震造成的死亡人数却占全球地震死亡人数的近60%?另外,中国地震灾害造成的伤亡人数占各种自然灾害伤亡人数的近60%。造成这样状况的主要原因是,长期以来人们对建筑物抗震设防缺少应有的重视和应该改善的有力措施。

 

结论:离震中远的地方无需预警,离震中近的地方预警时间太短,抗震防震不能仅依靠预警与临震预报, 都不如把房子盖结实最管用, 房子坚强牢固抗震,地震来了,居民就会从容不迫、应对自如!

 


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发表评论 评论 (1 个评论)

回复 gaoshan 2017-8-13 06:08
关键是预警的虚警率有多高,1000次预警,虽然忙上一次,999次都是假阳性也算
什么玩意,骗傻子呢

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