摘要：對地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站選址時涉及到的臺站布局、臺站選址與臺址測試要點(diǎn)、臺址環(huán)境地噪聲要求等相關(guān)問題進(jìn)行了討論，提出了供參考的具體建議，可作為地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站建設(shè)規(guī)范的補(bǔ)充材料，供大家在開展相關(guān)工作時參考。

關(guān)鍵詞：地震烈度速報(bào)；地震預(yù)警；臺站選址

中圖分類號：P3159文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0015-07

0引言

《地震臺站代碼》（DB/T 4—2003）中指出，地震臺站是開展地震觀測的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，其建設(shè)涉及到臺站空間位置的選址、臺址噪聲的測試、臺站的土建等多方面內(nèi)容。臺站建設(shè)優(yōu)劣在很大程度上決定了其觀測資料的質(zhì)量、臺網(wǎng)功能和性能的實(shí)現(xiàn)、臺站運(yùn)維成本的高低等，可以說，臺站建設(shè)雖工程量小，卻是一項(xiàng)涉及內(nèi)容多、技術(shù)要求高的綜合工程，且臺站建設(shè)完成后，考慮投資因素，一般情況下不便再遷址重建，因此，對臺站建設(shè)要給予足夠的重視，需精心設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)施工。

目前，我國已建成不同形式的多個地震烈度速報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)，如福建省地震局在2011年建成了由125個臺站組成的福建地震烈度速報(bào)與預(yù)警示范系統(tǒng)；中國地震局地球物理研究所和河北省地震局在2013年建成了由150個臺站組成的唐山地震烈度速報(bào)和預(yù)警試驗(yàn)系統(tǒng)；甘肅省地震局在2015年建成了由80個臺站組成的蘭州地震預(yù)警示范系統(tǒng)；中國地震局地球物理研究所在2015年建成了由104個臺站組成的首都圈地震預(yù)警示范系統(tǒng)等。在2016年底，還將建成由220個臺站構(gòu)成的京津冀地震預(yù)警協(xié)同網(wǎng)、由300個臺站構(gòu)成的福建地震預(yù)警實(shí)驗(yàn)網(wǎng)、由270個臺站構(gòu)成的川滇地震預(yù)警驗(yàn)證網(wǎng)①。此外，即將實(shí)施的國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目將建設(shè)地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站15 000多個，將實(shí)現(xiàn)在地震發(fā)生后，首臺觸發(fā)3 s內(nèi)原地報(bào)警，4～6 s生成地震預(yù)警第一報(bào)信息，震后3 min內(nèi)生成實(shí)測地震烈度速報(bào)信息，10 min內(nèi)生成地震烈度分布圖②。在如此短時間內(nèi)要產(chǎn)出地震預(yù)警和烈度信息，對臺站位置分布、臺站建設(shè)等提出了更高的要求。同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境地噪聲干擾不斷增大，也對臺站位置選擇構(gòu)成了不同程度的約束。如何進(jìn)行地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺站的選臺和建臺成為一個亟需認(rèn)真研究的問題。筆者作為第一起草人曾編制過《地震臺站建設(shè)規(guī)范地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站》（DB/T 60—2015），但由于規(guī)范對內(nèi)容描述有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊螅承﹥?nèi)容在實(shí)際工作中需要，但未在規(guī)范文本中反映。本文探討的內(nèi)容可作為規(guī)范的補(bǔ)充材料，供大家在進(jìn)行地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站設(shè)計(jì)或建設(shè)時參考借鑒。

在本文中，地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺站可以是基準(zhǔn)站、基本站和一般站。地震預(yù)警盲區(qū)指的是不能在破壞性地震動到達(dá)前提供地震預(yù)警信息的地區(qū)，一般是以震中為圓心的圓形區(qū)域。預(yù)警目標(biāo)區(qū)指需要提供地震預(yù)警服務(wù)的目標(biāo)或區(qū)域范圍，一般是居民區(qū)、生命線工程、重要工業(yè)設(shè)施等。地震預(yù)警時間指破壞性地震動到達(dá)時刻和接收到地震預(yù)警信息時刻的時間差。

1臺站布局與地震預(yù)警

在地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，臺站整體布局及其具體位置確定對預(yù)警效果影響顯著，需要在系統(tǒng)建設(shè)之前對其影響做出評估或分析。

11單臺預(yù)（報(bào)）警地震預(yù)警盲區(qū)估算

地震臺網(wǎng)實(shí)際地震預(yù)警盲區(qū)范圍的精確計(jì)算需要對地下速度結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的了解，但對于預(yù)警臺站位置的初步選擇，可以在符合目標(biāo)或任務(wù)要求的前提下，進(jìn)行條件假設(shè)和近似估算以作為臺站位置確定的參考依據(jù)。

對單個臺站，可利用其P波n秒數(shù)據(jù)計(jì)算地震基本參數(shù)，對本地或異地S波造成破壞提供預(yù)（報(bào)）警信息。在地震波速是一維分層均勻近似情況下，有如下關(guān)系：

式中，Δ1為檢測到P波臺站的震中距，單位為km；Δ2為接收預(yù)警信息處的震中距，單位為km；h為震源深度，單位為km；VP為P波速度，單位為km/s；VS為S波速度，單位為km/s；t0為系統(tǒng)用時，單位為s，包括數(shù)據(jù)打包封裝、信號傳輸、計(jì)算地震參數(shù)的波形長度（n秒）、地震參數(shù)計(jì)算和判定、預(yù)警信息發(fā)布與接收等所用的時間；t為可提供的預(yù)警時間，單位為s。

（1）單臺預(yù)（報(bào)）警最小地震預(yù)警盲區(qū)估算?？衫硐氲丶僭O(shè)震源距最近的臺站在震中位置，即取Δ1=0、Δ2=Δ，則由式（1）得到：

（2）若僅考慮100 km震中距范圍，則P波和S波主要是Pg和Sg波，且考慮淺源地震、近臺記錄，取地殼上層厚度為22 km，且在地殼上層

，系統(tǒng)用時取t0=40 s。

若分別取預(yù)警時間t等于00 s和30 s，則由式（2）可得到不同深度地震的單臺預(yù)（報(bào)）警最小盲區(qū)距離，如表1和圖1所示。由表1可見，在上述條件下，若預(yù)警時間為00 s，震源深度在100～150 km時，預(yù)警盲區(qū)最大，為168 km；若預(yù)警時間30 s，震源深度220 km時，預(yù)警盲區(qū)最大，為297 km。地震研究40卷第1期何少林：地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站選址相關(guān)問題探討

（2）單臺預(yù)（報(bào)）警地震預(yù)警盲區(qū)估算。假設(shè)震源深度10 km，取預(yù)警時間t=0 s，則不同震中距臺站的預(yù)警盲區(qū)距離估計(jì)如表2和圖2所示。

2單臺預(yù)（報(bào)）警最大預(yù)警時間估算

對單個臺站，利用其P波n秒數(shù)據(jù)計(jì)算地震基本參數(shù)，對本地或異地S波破壞提供預(yù)警信息，在地震波速是一維分層均勻近似情況下，假設(shè)震源距最近的臺站在震中位置，由式（2）式得出：

若僅考慮100 km范圍，則P波和S波主要是Pg和Sg波。且考慮淺源地震、近臺記錄，假設(shè)地震震源在上地殼，取VP=VPg=57 km/s、VS=VSg=34 km/s、h=10 km、系統(tǒng)用時取t0=40 s，則由式（3）得到不同震中距時的最大預(yù)警時間（假設(shè)臺站震中距為00 km），如表3和圖3所示。

3多臺預(yù)警地震預(yù)警盲區(qū)估算

如采用2個臺站預(yù)警，理想情況是地震震中在2個臺站連線的中間，此時，地震預(yù)警盲區(qū)最小。取2臺站間距為L（km），則臺站間距和預(yù)警盲區(qū)的關(guān)系為（楊陳，2013）若僅考慮100 km震中距范圍，則P波和S波主要是Pg和Sg波。且考慮淺源地震，取震源深度h=8 km，且在地殼上層Vp=VPg=57 km/s、VS=VSg=34 km/s，系統(tǒng)用時取t0=40 s，取預(yù)警時間為t=0 s，由式（4）可得到2臺站間距和預(yù)警盲區(qū)對應(yīng)關(guān)系。同樣，在相同條件下，也可得到3臺站預(yù)警時，臺站間距和預(yù)警盲區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，如表4和圖4所示。

從圖1～4可看出：

（1）對相同震源深度地震，臺站間距減小（臺站密度增加），地震預(yù)警盲區(qū)減小，但臺站間距減小與地震預(yù)警盲區(qū)減小是非線性關(guān)系。（2）隨震源深度增加，預(yù)警盲區(qū)先增加，之后減小。對于淺源地震，當(dāng)臺間距低于某個值時，預(yù)警盲區(qū)趨于一個常值。對于較深的地震，稀疏的臺站分布也可滿足預(yù)警需求，且震源深度達(dá)到一定值時，將不存在地震預(yù)警盲區(qū)。

（3）需要提供的預(yù)警時間越長，預(yù)警盲區(qū)越大。

（4）減少計(jì)算地震參數(shù)所需要的臺站數(shù)，盲區(qū)的半徑也會減小。當(dāng)臺站間距較大時，減少計(jì)算地震參數(shù)所需臺站數(shù)，地震預(yù)警盲區(qū)的減少較明顯；但臺站間距較小時，減少計(jì)算地震參數(shù)所需臺站數(shù)，地震預(yù)警盲區(qū)的減少不明顯。即對臺站密度較小的臺網(wǎng)，可減少計(jì)算地震參數(shù)所需臺站數(shù)，縮小地震預(yù)警盲區(qū)。對臺站密度較大的臺網(wǎng)，可采用較多的臺站計(jì)算地震參數(shù)，以保證結(jié)果的可靠性。

2臺站布局與烈度速報(bào)

對于完全基于儀器觀測值進(jìn)行實(shí)測的地震烈度速報(bào)，或在實(shí)測地震烈度基礎(chǔ)上經(jīng)過插值后進(jìn)行地震烈度速報(bào)的臺網(wǎng)，臺站的空間分布也很重要，它將影響烈度速報(bào)的準(zhǔn)確性，因此，需要對臺站分布和不同區(qū)域烈度衰減關(guān)系做分析，以便指導(dǎo)臺網(wǎng)臺站布局設(shè)計(jì)。

汪素云等（2000）采用橢圓長短軸聯(lián)合衰減的模型，給出了中國西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，如式（5）、（6）所示，以及中國東部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，如式（7）、（8）所示。

中國西北地區(qū)長軸方向

由式（5）～（8）計(jì)算可知，中國地區(qū)地震烈度衰減Ⅰ度，短軸半徑差最小在6～17 km，長軸半徑差最小在14～27 km。

3臺網(wǎng)臺站布局建議

地震臺網(wǎng)的地震烈度速報(bào)和預(yù)警性能依賴于臺站分布。初步總結(jié)前面的分析，給出如下臺網(wǎng)臺站布局建議。

31總則

（1）臺站在整體上的布局應(yīng)滿足地震烈度速報(bào)和預(yù)警服務(wù)能力的要求。單個臺站位置的確定宜符合《地震臺站建設(shè)規(guī)范 地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺站》（DB/T 60—2015）中第4章“臺站選址”和第5章“臺址測試”的規(guī)定。

（2）臺站整體布局宜考慮烈度速報(bào)和預(yù)警目標(biāo)區(qū)內(nèi)已運(yùn)行、可共享，且可用于地震烈度速報(bào)和預(yù)警服務(wù)的其他類型臺站的分布。

（3）臺站間距決定了地震預(yù)警盲區(qū)的大小。在相同的條件下，臺站間距越大，地震預(yù)警盲區(qū)越大。

（4）臺站應(yīng)包圍潛在震源區(qū)，臺站宜離潛在震源區(qū)盡量近。

（5）在無法預(yù)測潛在震源區(qū)時，臺站宜包圍烈度速報(bào)和預(yù)警目標(biāo)區(qū)。

（6）在無法預(yù)測潛在震源區(qū)和不能確定烈度速報(bào)和預(yù)警目標(biāo)區(qū)時，臺站宜大體均勻分布。

32臺站間距

（1）在潛在震源區(qū)，臺站間距可在8～10 km。

（2）在預(yù)警目標(biāo)區(qū)，為提供盡可能多的地震預(yù)警時間，臺站宜離預(yù)警目標(biāo)區(qū)在2 s地震波傳播距離外。

（3）當(dāng)臺站大體均勻分布時，對淺源地震，臺站平均間距應(yīng)不大于20 km，宜在8～12 km。具體確定臺站間距時，可參照臺間距和目標(biāo)區(qū)地震烈度衰減、地震預(yù)警盲區(qū)的依賴關(guān)系。對中源和深源地震，臺站間距小于50 km，對縮小預(yù)警盲區(qū)意義不大。

33計(jì)算地震參數(shù)前時間的估計(jì)

對地震預(yù)警服務(wù)，當(dāng)臺網(wǎng)的臺站布局確定后，可根據(jù)計(jì)算地震參數(shù)需要的臺站數(shù)估計(jì)某個地震從發(fā)震到計(jì)算地震參數(shù)時需要的時間。對一定區(qū)域內(nèi)每個震中進(jìn)行估計(jì)，可得到臺網(wǎng)在一定區(qū)域內(nèi)從發(fā)震到計(jì)算地震參數(shù)時需要的時間分布，據(jù)此，可為估計(jì)臺網(wǎng)地震預(yù)警能力提供參考數(shù)據(jù)。

4臺站選址和臺址測試

41臺站選址

臺站選址是建設(shè)高品質(zhì)臺網(wǎng)的基礎(chǔ)，臺址的環(huán)境條件直接影響臺站產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量和臺網(wǎng)效能的實(shí)現(xiàn)。臺站選址時地理位置要符合整體臺網(wǎng)的功能和性能的需求，觀測環(huán)境條件要滿足臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求，同時還要兼顧通信、供電、避雷、交通、安全、維護(hù)條件以及長期觀測需要。

臺站選址的過程可分為初步勘選（圖上作業(yè)）、現(xiàn)場踏勘、場地測試、編寫勘選報(bào)告和臺址確定5個階段，如圖5所示。

單個臺站的勘選報(bào)告中應(yīng)包括：

（1）主要測試設(shè)備（至少包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器）的描述（如型號、編號、生成廠家、主要技術(shù)參數(shù)）、儀器標(biāo)定原始波形數(shù)據(jù)、標(biāo)定波形處理分析（如處理程序來源、處理得到的儀器工作參數(shù)、儀器工作是否正常）。

（2）臺址環(huán)境地噪聲測試。包括儀器測試參數(shù)設(shè)置、測試環(huán)境條件、測試原始波形數(shù)據(jù)。

（3）測試數(shù)據(jù)的處理。包括測試時間說明、原始數(shù)據(jù)預(yù)處理說明、數(shù)據(jù)處理公式、處理軟件說明、處理結(jié)果（如表和圖）。

（4）傳輸信道說明。

（5）結(jié)論和說明。包括處理結(jié)果、判定依據(jù)、判定結(jié)論，相關(guān)說明。

當(dāng)所有臺址確定后，對地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺網(wǎng)，應(yīng)有臺網(wǎng)臺站勘選總報(bào)告，內(nèi)容至少包括：

（1）臺站信息匯總表。包括經(jīng)度、緯度、高程、臺址地理位置、場地巖性、噪聲處理結(jié)果、場地噪聲類型、通訊方式、供電方式、交通條件、場地權(quán)屬、用地方式等。

（2）臺站位置分布圖。

（3）臺址噪聲分布圖。

（4）臺站間距的分段統(tǒng)計(jì)表和圖。

（5）臺網(wǎng)能力預(yù)估。對照臺網(wǎng)建設(shè)功能和性能指標(biāo)進(jìn)行評估，如臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力、臺網(wǎng)烈度速報(bào)能力、臺網(wǎng)預(yù)警能力等。

42臺址測試

臺址選定后要進(jìn)行臺址測試，包括以下要點(diǎn)：

（1）測試儀器采樣率宜盡量大，不應(yīng)低于100點(diǎn)/秒，以采集到高頻脈動。

（2）測試儀器在保證不限幅條件下，宜使測試數(shù)據(jù)值盡量大，以采集到小振幅脈動。

（3）測試前和結(jié)束時，應(yīng)在測試現(xiàn)場對儀器進(jìn)行標(biāo)定，以保證測試儀器正常、測試儀器參數(shù)設(shè)置合理，進(jìn)而保證測試數(shù)據(jù)的正確性。

（4）應(yīng)對測試點(diǎn)進(jìn)行處理，即清除表面分化層，并做平整處理作為測試面。安放地震計(jì)后，應(yīng)采取減少環(huán)境干擾措施，如加儀器罩、周圍密封等。

（5）做好測試的詳細(xì)記錄，包括文字和照片資料。

5臺址環(huán)境地噪聲要求探討

臺址環(huán)境地噪聲是具體地點(diǎn)的地噪聲，它是背景地噪聲和其他干擾地噪聲的總和。臺址環(huán)境地噪聲水平?jīng)Q定了臺站能記錄到地震的下限，也決定了臺網(wǎng)的地震監(jiān)測能力，是臺站選址的最重要約束指標(biāo)。

（1）《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求 第1部分：測震》（GB/T 195311—2004）42節(jié)中規(guī)定：Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平為小于316×10-8 m/s。依據(jù)寬頻帶面波震級MS（BB）（地震震級的規(guī)定，GB/T 17740—2016）可知，在震中距1°處，此噪聲相當(dāng)于10級地震的最大幅度。

（2）若有2個臺站，震中距分別為Δ1和Δ2，觀測的速度最大振幅分別為（Vmax）1和（Vmax）2，對同一個地震，假設(shè)①：測定寬頻帶面波震級MS（BB），有：

假設(shè)②：臺站間距減小，使震中距減少1倍，即Δ2=Δ1/2，則由式（10）得到：（Vmax）2=316×（Vmax）1。即：保證監(jiān)測能力不變的前提下，震中距減小1倍（減小到1/2），地震最大幅度增加316倍；震中距再減小1倍（減小到1/4），地震最大幅度增加10（≈316×316）倍。若認(rèn)為地震最大振幅和初動有相似的衰減特性，則可近似認(rèn)為，記錄同樣的地震，當(dāng)震中距減小1倍（減小到1/2）時，環(huán)境地噪聲允許增加316倍。當(dāng)震中距再減小1倍時（減小到1/4），環(huán)境地噪聲也允許增加10倍。

（3）估算示例。若有一臺站，記錄MS（BB）=05地震，其震中距為Δ=2°，則根據(jù)式（9），計(jì)算得到：Vmax=315×10-9 m/s。按照上述（2）中的結(jié)論簡單推測，若震中距減小到69 km，即每次震中距減少一半，減少5次，則此處的Vmax=315×10-9×3165=993×10-7 m/s，若近似認(rèn)為波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，則MS（BB）=05地震，在震中距69 km處，初至波最大振幅約為993×10-7/8=124×10-7 m/s，更進(jìn)一步假設(shè)認(rèn)為允許的噪聲是信號的1/2，即若在69 km處能記錄MS（BB）=05地震，可允許的臺址噪聲是62×10-8 m/s，即允許臺址是Ⅱ級環(huán)境地噪聲水平。

綜上，可得出：

（1）不同類型的臺站選址應(yīng)滿足其對環(huán)境地噪聲的要求。

（2）對相同的監(jiān)測能力，當(dāng)臺站間距減小（臺站密度增加）時，對臺址環(huán)境地噪聲的要求會降低，即允許相對高的環(huán)境地噪聲水平。

（3）若近似認(rèn)為地震波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，則對MS（BB）=05地震，在震中距7 km處，初至波最大振幅約為124×10-7 m/s，允許的噪聲可是62×10-8 m/s，即允許臺址是Ⅱ級環(huán)境地噪聲水平。

（4）當(dāng)某些特殊地點(diǎn)必須安裝儀器進(jìn)行地震烈度速報(bào)或預(yù)警時，可根據(jù)該地點(diǎn)地震烈度速報(bào)或預(yù)警震級的下限，計(jì)算該地點(diǎn)需監(jiān)測的最小地面振動的加速度或速度峰值，臺址最大環(huán)境地噪聲加速度或速度峰值不應(yīng)大于該地點(diǎn)需檢測的最小地面振動的加速度或速度峰值的1/2。

（5）其它目的的臺站選址，可根據(jù)觀測目的進(jìn)行專門的研究和確定。

6小結(jié)

地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺網(wǎng)要求在盡可能短的時間內(nèi)提供信息服務(wù)，其臺站布局和選址不同于以地震基本參數(shù)速報(bào)為目的的地震臺網(wǎng)，在建設(shè)烈度速報(bào)與預(yù)警臺網(wǎng)前，要根據(jù)建設(shè)目的，對臺站布局、選址等有關(guān)問題進(jìn)行全面、詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并對擬建臺網(wǎng)的功能和性能進(jìn)行評估，以保證所建臺網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)異。

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