2019年6月17日夜里,四川宜宾地区发生6.0级地震。成都地区提前61秒进行了预警。随着倒计时结束,成都大地也晃动了起来。
宜宾地震预警

地震是如何产生的?地震预警又是怎么做到的呢?点开视频看看,你就知道了。
如果不方便点开视频,也可以读一读下面的文本,你会对地震和地震预警有一个简单的认识。
1地震的产生
地震是由于地壳的振动造成的。最主要的地震类型叫做构造地震。我们知道,地壳是由几大板块构成的,板块可以移动。在两个板块的接缝处可能发生相互挤压、滑动或者拉伸,这就会造成应力在某处积累。当形变达到一定值时,地壳会发生剧烈振动,就形成了地震。
构造地震原理

在全球的板块接缝处,地震往往非常频繁,就形成了地震带。例如在太平洋板块和亚欧板块接缝处的日本就是地震多发的国家。
地壳板块
除了板块的运动,外界影响也可能会引发地震。比如兴建水库、陨石、核试验等,可能会改变地壳的应力结构,引发地震,这些地震称为诱导地震。此外,地下岩浆流动、火山喷发也可以引发地震,称为火山地震。如果因为采矿采气等原因,地下形成空洞,地面陷落,也会引发地震,称为陷落地震。火山地震和陷落地震数量比较少,震级一般也不太大。
2地震预警的提出
地震的破坏力巨大,如果发生在人口密集的城市,后果更是不堪设想。几百年来,人们一直希望找到一种方法预报地震。可是由于影响地震的因素非常多,又发生在地下几千米到几十千米的深处,以目前人类的科技水平,还无法准确预报地震。地震预报是世界性难题。
不过,地震不能预报,并不代表不能预警。所谓预警,是在地震已经发生后,地震波没有到来之前,向公众发出警报,提醒人们紧急避险的机制。
地震预警的概念最早是在1868年,由美国地震学家J.D.库珀提出。在与旧金山100千米外的霍利斯特地区是地震的高发地带,库珀设想:如果在霍利斯特地区安装地震监测装置,当地震发生后,霍利斯特第一时间接收到地震信息,随后,利用电磁波将地震的消息发送给旧金山。由于电磁波的速度比地震波更快,旧金山就能在地震波到达之前获得地震的消息。
地震预警原理

随后,旧金山市政厅的大钟敲响,提醒市民避难。
旧金山市政厅

不过,由于当时的科技条件限制,人们还没有办法在地震到来时作出快速反应。这个设想一直搁置了一百多年。终于,科技发展到现在,人们已经能够在短时间内进行地震波的收集、处理、发送信号等一系列步骤,地震预警从设想走向了现实。
3预警时间
那么,我们到底能够提前多久进行地震预警呢?
为了解答这个问题,我们首先需要了解一点地震波的知识。在地下某点发生地震时,震源会同时发出两种地震波,分别称为P波和S波。
P波也叫纵波, 它会引起建筑物上下振动。P波的传播速度比较快,在一般的地质结构中速度大约v1=7km/s,破坏力相对较小。
S波也叫横波,它会引起建筑物水平震动。S波的传播速度比较慢,在一般的地质结构中速度大约v2=4km/s,破坏力比较大。预警的目的就是要在S波到来之前提醒大家避险。
P波和S波

当地震在震源O发生时,P波和S波会同时向四面八方扩散。由于P波比S波速度快,P波会首先到达震中位置A,这段时间称为t1。如果在A处刚好有一台地震监测装置,监测装置经过一段时间t2收集和分析地震波,就会向外发出电磁波警报,警报经过时间t3会到达预警城市B。
地震预警示意图

与此同时,震源发出的S波也在马不停蹄的向B城市传播,经过时间t4,S波就会到达B。只要预警系统花费的时间t1+t2+t3比地震波到达的时间t4更短,B处的人们就能够实现预警。
具体来说:如果震源深度OA=h,震中A和预警城市B之间距离AB=r,根据勾股定理,震源O与B城市之间的距离
P波从震源出发,传播到震中的时间
震中处的地震仪受到地震波后,需要进行收集和分析,目前世界领先的处理技术可以使处理时间控制在2秒以内,所以
电磁波的传播速度是光速,远远大于地震波速度,所以可以认为信号可以瞬间从A传播到B,传播时间
同时,S波以较慢的速度从O点传播到城市B,时间
这样一来,预警时间就可以计算出来了。
我们以宜宾地震为例:宜宾地震震源深度h=16km,震中距离成都市r=261km,代入这两个数据,就可以得到成都市的理论预警时间Δt=61.1s, 刚好和实际情况非常接近。
4预警盲区
如果震中和预警城市相距较远,电磁波的速度比地震波快,就可以获得比较长的预警时间,这个范围称为预警有效区。如果震中和预警城市比较近,预警的时间就会比较短,称为弱效区。如果城市距离震中太近,因为分析信号需要时间,没有办法在S波到达之前进行预警,这就称为预警盲区。
预警区域

预警盲区是一个以震中为圆心的圆形区域。如果地震时S波和预警信号同时到达,这一点就是预警盲区的边缘,此时预警时间刚好为零。根据刚才我们得到的公式,可知盲区半径r和震源深度h之间满足关系
解这个方程,可以得到盲区半径
如果代入本次宜宾地震的震源深度h=16km,可以得到盲区半径r=6.15km。在这个范围内没有办法实现提前预警。而且由于距离震中较近,地震的破坏力比较大,可能造成比较大的经济损失和人员伤亡。
不过,即便在盲区以内,地震预警也并非完全没有意义。在地震开始后,预警系统可以自动关闭城市的电网、煤气,让行进中的列车自动减速刹车,避免地震造成更大的伤害。
5地震预警系统的应用
地震预警系统已经成为了全世界进行地震防护的重要措施,有些国家在这方面走在了前列,例如日本和墨西哥。
日本是一个地震多发的国家,平均每天都要发生三次地震。日本政府非常重视对民众进行地震教育,同时许多地震防御措施也做到了世界第一。
早在1964年,日本国铁铁道技术研究所就针对新干线列车研发了地震紧急避险系统。1983年开始,日本铁道部技术研究所研发了新的避险系统UrEDAS系统,它可以在地震发生时让附近的新干线列车第一时间刹车,避免脱轨事故的发生。
新干线列车
1995年阪神大地震后,日本开始研究开发全国性的地震预警系统。2004年开始,日本气象厅研发了针对公众的地震预警系统——紧急地震速报系统。每当地震发生时,该系统会第一时间通过多种媒体向周边居民发出警报。
日本紧急地震速报
在2011年日本311大地震时,东京提前1分钟获得了地震预警,就连距离震中很近的岩手县也获得了12秒的预警时间。日本民众从小就接受了严格的地震避险训练,家家户户都准备了地震应急包,里面装着食品、饮用水、收音机、手电筒等必需品。民众会根据地震到来的时间长短选择合适的避难方法。
日本小学生正在接受地震教育

预警系统也会自动关闭电网煤气,让新干线列车停下,在311大地震中,新干线列车无一脱轨,延续了日本的新干线神话.
除日本外,墨西哥在地震预警方面起步也很早。墨西哥西侧的太平洋中有板块接缝,也是地震多发的地区。1985年,墨西哥西南岸外太平洋发生8.1级地震,地震波2分钟后到达墨西哥城,毁掉了市中心30%的建筑物,造成7000人死亡的巨大悲剧。
墨西哥城地震
1993年开始,墨西哥城地震预警系统就开始向公众发布预警信息。墨西哥地震主要发生在西岸太平洋板块和科科斯板块的交界处,地震仪被布置在海岸线上,以更早的接收到地震信息,向城市发出警报。
墨西哥地震预警线

1995年,墨西哥城地震预警系统在7.3级的格雷罗地震中提前72秒发出了地震警报,这成为人类历史上第一次面向公众的地震警报。
中国的地震预警系统又如何呢?
1994年,中国建设广东大亚湾核电站时,设计师们就考虑了地震问题。国家地震局配备了一套地震预警系统,可以在地震时实现紧急停堆。
大亚湾核电站

2008年,汶川地震给四川地区人民带来了沉痛的灾难,7万人死亡,近2万人失踪,近40万人受伤。专家预计:如果建设完备的地震预警系统,整个汶川地震的死亡人数可以下降2~3万人。受灾最重的地区之一——北川,距离震中有100多千米,可以提前半分钟获知地震信息。
汶川地震地图

巨大的灾难促使国家决心建设一套针对公众的地震预警系统——国家地震烈度速报与预警工程。工程设计2015年开始,2020年建成。项目由国家地震局牵头,一些私人企业也参与了项目建设。
本次成功预警了宜宾地震的就是一家位于成都的私人企业——成都高新减灾研究所,他们设计的ICL地震预警系统在2016年建成,是国家预警系统的一部分。本次成功的向成都地区发送了预警,验证了系统的可行性。
成都高新减灾研究所标志

不过,地震预警也不是万能的。预警后如何进行防灾避险,还需要对公众进行持续不断的地震教育。 


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李永乐老师
LI YONG LE
北京大学物理与经济双学士
清华大学电子工程硕士
北京市中学物理教师/物理竞赛教练
从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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