地震科技激动人心!成都预警成功的前世今生

时间:2019-07-08 19:17:31       来源:中国青年报

6月17日晚,四川宜宾长宁县发生6级地震后,300多公里外的成都收到了地震预警信号。这一预警信号比地震波早到成都约60秒。随后,成都地震预警倒计时视频迅速刷屏,网友赞叹“预警系统厉害”“这个技术太好了”……

地震给人们带来的教训有多惨痛,地震科技的进步就让人有多激动。

事实上,近年来中国地震科技的进步还不止于此。“汶川地震以来,中国地震科技的发展可谓翻天覆地,在基础研究、测量、工程技术等领域都取得了不错的进展。如果再面对像汶川地震那样的强震,我们的应对能力会好很多。”中国地质大学地球物理与空间信息学院的教授郑勇告诉中国青年报·中国青年网记者。

成都预警成功的前世今生

此次成都地震预警的技术研发团队来自成都高新减灾研究所,该所所长王暾向记者详细介绍了这套预警系统的前世今生。

简单来讲,地震预警技术是利用电磁波比地震波速度快的基本原理实现的。在地震发生后,距离震源近的传感器把地震的消息通过电信号迅速传到较远的地方,那么距离震源较远的人就能在地震波到达之前采取适当措施避险。

但这并非是一项完美的技术。

包括王暾在内的众多学者都认识到,地震预警除了存在可能“漏报”“误报”的问题,本身还存在一定缺陷——地震发生地附近,往往也是受灾最为严重的区域之一,根本来不及被预警(这一区域被称为地震预警的“盲区”,目前盲区的范围通常在地震发生地方圆20公里左右——记者注)。而来得及预警的地方受地震波的影响通常并不严重,那么进行预警的意义到底有多大?

此次长宁地震后,王暾也受到了是否有必要给成都发预警的质疑。对此,他回答“有必要”,在他看来,地震预警有四方面的功能:逃生、避险、安定人心、告知。

在王暾团队进行研究之前,墨西哥和日本已经开始使用地震预警技术,但具体到操作层面,他们还有许多问题需要突破,比如“快速”和“抗干扰”。

为了尽量将预警盲区的范围缩小,地震预警越快越好,但地震破裂有一个物理过程,本身需要一定时间才能够完成,因此,“快”和“准”往往是一对矛盾。面对这个难题,王暾的解决思路是,基于地震发生前3秒的测量数据,选用动力学方法预估震中位置、发生时刻和震级,再根据这3个参数预估预警时间和烈度。

“目前我们可以做到在震中发生地震后6秒发出预警,这样的速度是全球最好的。我们相信,未来可能能做到3秒,这意味着对震源深度大于10公里的地震能够消除地震预警的盲区。我们正在为此而努力。”他说。

而“干扰”可能会直接导致“误报”,这是地震预警领域的大忌。王暾介绍,为了有效排除干扰,团队结合人工智能等技术,创新了不同传感器感受不同波形的时空关联等功能。他表示,成都高新减灾所自2011年发出第一条预警信号以来,共累计发布50多次预警信号,没有误报记录。

王暾介绍,成都高新减灾所已于2014年建成覆盖220万平方公里的地震预警网。目前,他正在努力推广这一系统的落地,呼吁打通地震预警“最后一公里”,让更多人在震前接收到预警信号。

烈度速报可精确指导救援

在王暾马不停蹄地升级技术时,由中国地震局承担的国家地震烈度速报与预警工程进入了观测系统台站建设阶段。

中国地震台网中心项目管理部主任王松近日接受中国青年报·中国青年网记者采访时表示,该项目2018年6月正式启动,预计到2023年完成建设。建成后将在全国建设1.5万多个不同类型的地震监测台站,提供分钟级的地震烈度速报和秒级的地震预警服务。

烈度速报可以迅速呈现地震后受影响区域的毁坏程度,王松认为,这一信息对于及时组织救援具有重要指导意义。

谈及地震预警,王松表示,在注重预警积极作用的同时,也应关注到其局限性。他理解,预警的使用可能会主要针对“大震巨灾”。考虑到预警的局限性、潜在用户对信息准确率容忍度不同等因素,“要细细分门别类,区别对待”。

事实上,如何“用好地震预警”是地震学界一直关心的话题。对此,北京减灾协会专家张英认为,一定要做好科普,让公众明白如何因时、因地、因人制宜,选择正确的应急避险方法。同时,对于包括高铁、核电站、生命线工程等对象的预警需要稳步推进,依法发布,以免影响社会稳定。

地震速报快了,地震产品多了

在地震预警技术成为公众的新宠儿之前,地震速报技术已默默服务了几十年。但人们可能没有注意到,地震速报渐渐从小时级,提速到了分钟级和秒级。

“中国地震台网正式测定:6月17日22时55分在四川宜宾市长宁县(北纬28.34度,东经104.90度)发生6.0级地震,震源深度16公里。”

中国地震台网中心地震台网部高级工程师杨陈和杜广宝介绍,这条正式测定的地震速报在地震发生后10分钟对外发布,“自动测定”速报在震后两分钟对外发布。

如果回到2008年,“自动测定”的技术尚未成熟,汶川8.0级地震人工正式发布花了14分钟;回到2000年,发布地震速报需要等到震后30分钟;回到更早的时间,地震速报会晚于地震一到两个小时。

时间上的进步有何意义?

“我们提供的信息就相当于发令枪。” 杨陈说,地震台网部一发令,全国的应急响应就会行动起来。

现在,这个发令枪不仅速度快了,火力也有所增强。除了震中、震级等信息,地震台网中心还会在震后提供主震震中位置及基本参数、台站分布图、仪器地震烈度图等各种各样的“地震产品”。

“汶川地震的教训之所以特别惨痛,有一部分原因就是当时还无法迅速拿出这些地震产品,救援人员无法得知受灾最严重的是北川地区。”杨陈解释。

但他们对眼前的进步并不满足,希望能拿出更好的成果服务大众。

中、长期地震概率评估未来可期

地震速报有了,地震预警有了,地震预报还有多远?

我国著名地球物理学家、地震学家、中国科学院院士陈运泰2019年出版的地震科普图书中专门讲解了地震预测的难度。

这个世界性难题之所以还没有被攻克,陈运泰通俗地总结了三点原因:地球内部不可入,也无法“看”清楚;大地震不频发,尚无法总结出可靠的规律;地震过程极其复杂多变。

地震预测要求同时给出未来地震发生的地点、时间和大小。全球科研人员都在为这一目标努力,陈运泰在书中介绍道:20世纪60年代以来,地震预测,特别是中、长期预测取得了一些有意义的进展。

中、长期预测通常指对未来1~10年以及10年以上的地震预测,而普通人最期待的“像天气预报一样”的地震预测则属于目前还难以企及的短期和临时预测。

中国地质大学郑勇教授表示,目前通过地震学、大地测量学、岩石学、动力学的模拟等技术可以对可能发生地震的区域和大小作出相关判断。

这意味着,地震专家已经可以对一些活动断层进行评估,勾画出潜在的地震趋势,尝试“等待地震”。

2015年4月25日发生在尼泊尔的8.1级地震就被认为是“预料中的地震”。“当时有一个国际学术会议正在讨论相关议题,认为这个区域有可能会发生强震,并且在一段时间内就会到来,只是没想到这么突然,会议结束不久地震就来了”。

虽然准确的中、长期地震预测尚无法做到,但郑勇表示,未来对中、长期地震发生的概率是可以判断的。

给地壳做CT

地震学被认为是一门测量科学,以上种种成果都基于测量。而为了更好地实现抗震减灾,科学家们必须努力“把地下搞清楚”。为此,国家地震科技创新工程提出了“透明地壳”计划,争取在2030年查明全国的地下精细结构。

于是中国地震局地球物理所副所长丁志峰和研究员王伟涛等人,便开始想办法给地壳做“CT”和“四维彩超”。

丁志峰团队将整个中国大陆划分为7个区域,分期给各个区域的地壳做“CT”。他们用700个密集、均匀分布的高级别观测台组成“台阵”,这样就可以“看清”深至100公里左右的地下空间结构。据介绍,目前世界上只有中国和美国开展了这种大型“台阵”计划。

王伟涛所在的主动源团队则研发出了用大容量气枪作为地震震源、人工产生高度重复地震波的方法,使得对地下介质动态变化的测量成为可能。此前,他们在云南宾川建立了世界上首个主动激发地震波的地震信号发射台。

作为川滇国家地震预报实验场的建设者,郑勇团队的重要成果,就包括基于先进的测量结果对余震分布趋势作出评估、对地下断层的发展周期进行判断。

郑勇告诉记者,虽然地震预测的目标在数十年间还无法达成,但通过对地震机理的深入了解,大大减少甚至消除地震带来的伤亡及财产损失应该是可以做到的。

泥石流、滑坡可预警

就在一批科学家积极研究地震物理过程的同时,还有一批学者在想方设法减少地震发生后的损失。成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室副主任许强教授便是其中一员。

汶川地震后,许强跑遍了震区的各个角落,结合业内同行的调查,他们摸清了由汶川地震诱发的近20万处地质灾害的相关信息,并且绘制出了“同震地质灾害发育分布图”。

许强介绍,在长宁地震后,他们就迅速向相关部门和现场指挥部提交了长宁地震地质灾害风险预测图,为现场抗震救灾和主动规避地质灾害风险提供了科学依据。另外,他们还为成-兰铁路、川藏铁路等的选线和规划提供了助力,引导其尽量躲避地质灾害危险区域。

不为人所熟知的是,汶川地震触发的近20万处次生灾害,使灾区新增了约100亿立方米的松散固体物源,这为泥石流的爆发提供了丰富的条件。许强和团队成员为解周边居民于危困,还主持研发了“地质灾害实时监测预警系统”,在国际上首次实现了滑坡、泥石流的实时自动预警。并利用此系统多次成功预警了滑坡和泥石流灾害。

“我们未来可以将地震预警和其他灾害如滑坡、山洪泥石流、气象灾害等预警结合起来,实现多灾种联合预警。”许强最近正在和成都高新减灾所的王暾开展相关方面的研究。

把房子建结实

尽管各个细分领域的地震专家都相信自己的研究能为抗震减灾作贡献,但多数受访者也不约而同地对记者表示,目前来看,“把房子建结实”是最为实用的抗震方法之一。

中国地震局工程力学所的王涛介绍,汶川地震之后,业内总结出一个结论,如果严格按照抗震设计规范建造房屋,“一般实际地震宏观烈度高出抗震设防烈度两度以内,房屋都不会倒塌” 。

地震学界流传着一个著名的故事:在2013年的芦山7.0级地震中,使用了隔震技术的芦山人民医院大楼受损极微,而周围没有特殊加固的低矮民房却已经倒塌。

王涛介绍,目前,地震多发的日本有6000到8000栋建筑物应用了现代隔震技术。中国在汶川地震前约有1000栋,现在有8000栋左右应用了该技术,其中包括新建的北京大兴机场等。

一直以来,减隔震技术的规范和推广在持续进行。据介绍,著名减隔震专家周福霖院士主持完成的《大型复杂结构隔震减震关键技术及工程应用》项目,在2010年获得了国家科技进步二等奖。

“如果在建设住宅中使用隔震技术,每平方米建造成本可能要增加一到两百元,但是给居民和社会带来的综合效益要远远高出建造成本。”王涛认为,目前大多数人对于建筑物的抗震要求并不强烈,如果大家的抗震意识增强,生命财产安全会更加有保障。