張晁軍 李衛(wèi)東 李大輝 陳會忠 侯燕燕

1)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

有關地震烈度速報信息化發(fā)展的思考

張晁軍1)李衛(wèi)東1)李大輝1)陳會忠2)侯燕燕1)

1)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

汶川8.0級地震給我們很多警示，其中之一就是地震觀測系統(tǒng)應當在大地震后快速產出地震烈度分布圖。本文對快速產出地震烈度的策略和方法進行了探討，著重介紹了用同震位移分布快速獲得地震烈度產出的方法。實現(xiàn)地震烈度快速產出這一目標應當走測震學、強地面運動學與信息技術有效結合的道路，這是大震后地震烈度快速產出的有效途徑。

地震烈度;同震位移烈度;震源機制解;余震快速產出;信息化

引言

“5·12”汶川8.0級地震是新中國成立以來破壞性最強、地震災害最重、救災難度最大、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)濟損失。如何快速對震源區(qū)的破裂情況做出初步的估計，對地震災害做出快速響應，地震監(jiān)測信息系統(tǒng)應當在大地震發(fā)生后，快速發(fā)布地震烈度分布信息，讓政府和公眾及時獲得災情信息，是汶川地震留給我們急需思考解決的課題。

1 國際地震烈度速報的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 日本的Hi-NET地震烈度速報

日本地震學家若據(jù)村松(Muramatu)最早提出地震動圖的概念:采用地震臺測量的地震動最大幅值(位移、速度和加速度)直接轉換成地震烈度的方式［1］?；谶@一理念，日本通過在日本本土密集布設2000～3000個地震動傳感器，在地震發(fā)生后兩三分鐘，就可以直接產生地震烈度分布圖，非常直觀和快速地向政府及公眾報告地表面震動最強烈的區(qū)域和地點。

圖1 日本實時強震觀測網(wǎng)PGA分布

1.2 美國全球ShakeMap速報和Internet烈度調查快速產出

在地震活動頻繁的加利福尼亞州南部地區(qū)，美國聯(lián)邦政府和州政府的有關部門建設了670余個強震臺站。自1994年開始，美國地質調查局(USGS)、加州理工學院(Caltech)和加州礦產地質局(CDMG)利用TriNet實時和近實時強震臺站獲取的加速度記錄，開始研制由地震臺網(wǎng)產出的地震儀(PGV)和強震儀(PGA)地震動圖系統(tǒng)，在臺距較大的地震臺網(wǎng)內插值模擬的地震臺站，以獲得較好的地震動位移、速度和加速度圖［2］。同時產生“儀器”烈度分布圖ShakeMap(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/shakemap/)。2006年以后結合全球地震臺網(wǎng)面波反演技術，進行破裂過程反演，約束ShakeMap結果，USGS對于全球大地震都做出地震動圖和烈度速報。圖2為美國USGS對2008年汶川地震和2009年12月19日臺灣6.7級地震快速產出的烈度速報結果。

圖2 美國USGS在汶川地震后和12月19日臺灣6.7級地震后快速產出的烈度速報結果(據(jù)http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/shakemap/)

同時美國USGS網(wǎng)站設立了專欄——“Did you feel it?”。通過互聯(lián)網(wǎng)用戶填表報告調查的方式，發(fā)布Internet地震烈度分布圖。圖3為2008年5月15日根據(jù)701個人報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

2.1 人工實地考察測繪地震烈度分布圖

在高烈度地區(qū)，實地考察測繪的烈度圖一般以建筑物的破壞程度和地面破壞效應等定性指標加以確定，需要派出大量的普查人員進行勘察。一般是幾天，對大地震有的需要更長時間，如2009年7月9日姚安6.0級地震烈度分布圖(圖4b)是震后14天公布的，2008年5月12日汶川8.0級地震烈度分布圖(圖4a)，是震后兩個月以后公布的。由此可見，雖然這種烈度圖最接近實際災情分布情況，但時效性差，無法滿足大地震后烈度快速產出的要求。

2.2 全國和區(qū)域地震臺網(wǎng)地震儀產出儀器地震烈度

圖3 2008年5月15日美國USGS網(wǎng)站根據(jù)701個人報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個月后公布的實地考察測繪地震烈度分布圖;(b)姚安地震14天后實地考察測繪地震烈度分布圖(據(jù)http:∥www.cea.gov.cn/manage/html/)

目前覆蓋全國的地震監(jiān)測臺網(wǎng)，由996個臺站和32個省級區(qū)域測震臺網(wǎng)中心組成(圖5)，分布很不均勻，平均每萬平方公里只有1.35個，其中西部臺站稀疏，每萬平方公里只有0.78個，東部相對密集，每萬平方公里有1.75個，首都圈相對較多，每萬平方公里也只有7.05個。

全國和區(qū)域地震臺網(wǎng)地震儀(PGV)產出的儀器地震烈度是大尺度記錄地震動的情況，對于我國這樣的臺站布局，采用計算機模擬內插和場地效應修正等方法，可以快速產出地震動圖。但是對于強烈有感的強震區(qū)，可能造成儀器的近臺限幅，甚至造成數(shù)據(jù)傳輸中斷，采集不到需要的數(shù)據(jù)，會導致極震區(qū)的地震動計算困難。

2.3 強震臺網(wǎng)儀器烈度分布圖

中國數(shù)字強地震動觀測臺網(wǎng)有1154個固定臺，310個烈度臺，12個專業(yè)臺陣，全國目前觀測點1976個，密度為2.058個/萬平方公里(圖6)。如果在10000平方公里的強震區(qū)內，能夠均勻布設不少于100個強震臺，可以比較完整和準確地記錄強震區(qū)的烈度分布，但目前我國強震臺站不是實時記錄，很難達到烈度速報要求。同時，我國強地震臺站分布不均勻，地震發(fā)生在哪里，人們無法預知，該在哪里加密臺網(wǎng)有很大的不確定性。

圖5 “十五”省級區(qū)域測震臺網(wǎng)臺站分布圖

圖6 中國華北、西北、西南等地震動衰減分區(qū)(據(jù)中國強震動臺網(wǎng)中心CSMNC)

另外，汶川地震顯示出:在極震區(qū)很有可能因破壞嚴重而導致儀器失靈和數(shù)據(jù)無法采集，這將導致烈度計算的困難，如極震區(qū)最重要的兩個臺映秀和北川，房屋倒塌，儀器被砸爛，僅靠強震臺網(wǎng)也無法保證能夠完整地獲得極震區(qū)地震動數(shù)據(jù)。

2.4 網(wǎng)絡和信息報告的方法

網(wǎng)絡和信息報告的方法是非常簡單實用的方法，在我國部分地區(qū)部署的大震信息處理系統(tǒng)就是采用地震信息員報告來獲得大地震烈度和災害分布，可惜目前還未取得明顯的效果。在極震區(qū)和受災嚴重的地區(qū)，人們在第一時間往往忙于救災和自救，不能及時應答網(wǎng)絡信息和給出當?shù)仄茐牡男畔蟾?，同時由于在極震區(qū)的網(wǎng)絡設施可能遭到破壞，造成網(wǎng)絡信息獲取十分困難。

3 同震位移地震烈度快速分布計算方法

地震動的最大速度、總功率(持續(xù)時間)和位移等也是烈度的一項主要因素［1］。依靠這些因素在不同觀測點的差異可以確定烈度的分布。事實上，許多學者的研究、計算結果和野外考察結果表明:大地震地表同震位移場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，通過理論計算地震的絕對同震形變，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——用來計算破裂長度、震中烈度和平均滑動位移，可以從速報結果獲得。

(2)地殼模型——用來計算格林函數(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)可以通過以下途徑獲得:(a)各區(qū)域地震臺網(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)常關注這方面的研究成果。(e)從歷史地震活動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)包括斷裂長度、寬度、破裂面積、斷裂總體走向、傾向、傾角、滑動角等，其獲得途徑如下:

①斷層長度(L):可根據(jù)前人的經(jīng)驗公式獲得。根據(jù)中國大陸淺源地震(5.0≤M≤7.9)的余震資料得出斷層破裂長度L(km)與震級的經(jīng)驗公式為［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)的關系獲得;(b)由余震面積獲得; (c)由斷層長度與寬度的經(jīng)驗公式獲得

對于汶川地震: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、滑動角:可通過下述途徑獲得:(a)利用地震矩張量解。這需要快速產出震源機制解。然而，目前在我國獲得震源機制解的結果較慢，達不到大震快速產出的要求。(b)根據(jù)震后3～10 min余震的定位結果確定;余震分布的產出目前還不夠快，對本方法有制約作用;(c)根據(jù)歷史地震活動性、地質調查，特別是歷史5級左右地震的統(tǒng)計獲得。根據(jù)這些參數(shù)進行理論計算，進一步的結果可以根據(jù)及時獲得的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行修訂。

⑤斷層錯距計算:斷層錯距俗稱斷層滑動距離，它與地震矩、震級、斷層破裂面積、剛度系數(shù)有以下關系［5］:

式中:MO為地震矩;ˉD為斷層錯距;μ為剛度系數(shù);S為破裂面積。

計算得汶川地震斷層的平均錯距ˉD≈6.0 m。

根據(jù)平均錯距與震級的統(tǒng)計關系［1］，也可以計算主震的平均錯距:

計算得汶川地震斷層的平均錯距ˉD≈6.3 m。

同時使用這兩種方法對斷層滑動距離進行約束。

3.1.2 絕對同震位移的計算

在獲得了上述參數(shù)的基礎上，利用同震形變程序PSGRN/PSCMP計算同震形變［6］，獲得不同點的Ux，Uy，Uz分布，定義絕對平均位移:

3.1.3 烈度與震級和深度的對應關系

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，得到(7)式:

式中，I0為震中烈度，M為震級，h為地震震源深度，單位:km。

由此公式計算出不同烈度I對應的震級。

3.1.4 絕對同震位移與麥式烈度對照表

根據(jù)(4)、(5)、(6)、(7)式，計算不同烈度對應的震級所造成的絕對同震位移，可以得到不同深度條件下，震級、絕對同震位移與麥式烈度的對照表，表1是深度為12 km時，不同震級、絕對同震位移與麥式烈度的對照表。

表1 震級、絕對同震位移與麥式烈度的對照表

3.1.5 絕對同震位移震中烈度分布圖

將絕對同震位移轉換成烈度后，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)。將絕對同震位移轉換的烈度分布圖與汶川8.0級地震烈度分布圖(圖7c)相比，可以看出，由絕對同震位移計算的地震烈度分布與實際地震烈度圖有很好的一致性，特別是在極震區(qū)對應效果更好。這也是大震應急、緊急救援關心的區(qū)域。

我們用同震位移烈度方法對一些震例進行了檢驗，得到的結果是令人滿意的。圖8是海地2010年1月13日(北京時間)MS7.3級地震的實例效果分析，可看出:同震位移烈度方法可快速計算出極震區(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

從實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:

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

(2)計算簡便:可快速判定強震區(qū)的烈度強度和分布情況。

(3)立即結合人文地理信息，可快速判定災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)為實地考察烈度分布圖

圖8 2010年1月13日(北京時間)海地M7.3級地震絕對同震位移烈度分布

(4)成本低，特別是在地震儀器稀疏的地區(qū)可發(fā)揮獨特的作用。

4 結束語

汶川8.0地震警示我們:地震監(jiān)測系統(tǒng)應當在大地震發(fā)生后快速產出和發(fā)布地震烈度分布信息，讓政府和公眾及時獲得災情信息。這是一項艱巨的任務。眾所周知，我國地震臺站距離較大，地質構造條件復雜，目前的地震臺網(wǎng)布局，主要是為地震速報和地震預報的地震活動性提供數(shù)據(jù)。汶川地震我們經(jīng)歷了極震區(qū)記錄限幅、強震儀損壞、網(wǎng)絡中斷、現(xiàn)場記錄恢復難等難以預料的尷尬局面。

因此，測震學、強地面運動學與信息技術的有效結合，才是應對未來大震災害快速產出的有效途徑。具體我們可以采用以下策略和方法，來實現(xiàn)地震監(jiān)測系統(tǒng)在大地震發(fā)生后快速產出和發(fā)布地震烈度分布信息的任務。

(1)利用現(xiàn)有的全國地震臺網(wǎng)和區(qū)域地震臺網(wǎng)，查明臺基效應和地震波傳播特性，采用內插模擬方法，虛擬加密臺站，高速計算，快速生成全國或區(qū)域地震動圖，進行烈度速報。

(2)在重點地震危險區(qū)和大中城市布設高密度的烈度傳感器實時傳輸網(wǎng)絡，快速生成強震區(qū)的震動峰值分布圖，進行烈度速報。

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

(4)研究實時遙感數(shù)據(jù)的災情快速識別與提取技術，快速生成強震區(qū)地震災害分布圖。

(5)建立地震烈度速報綜合信息系統(tǒng)，綜合應用上述各種方法，實現(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，馮萬鵬，許力生，等.2008年汶川大地震的時空破裂過程.中國科學D輯:地球科學.2008，38 (10):1186-1194

［4］國家地震局震害防御司.地震工作手冊.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。