李同林 彭朝勇 李萍萍 馬康熙 江鵬 吳朋 王宇航 朱永莉

1)四川省地震局,成都 610041 2)中國地震局地球物理研究所,北京 100081

0 引言

地震發(fā)生時,利用震中附近區(qū)域最初到達的小振幅信號推斷即將到來的大振幅剪切波和面波引起的地面震動,可對特定地區(qū)進行地震預(yù)警(金星等,2012a；馬強,2008；Gasparini et al, 2007)。世界上許多國家與地區(qū)已開展地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè),并取得了一定的減災(zāi)實效,例如日本1988年投入使用緊急地震檢測與警報系統(tǒng)UrEDAS；墨西哥1993年投入使用地震預(yù)警系統(tǒng)SAS、中國臺灣地區(qū)1995年應(yīng)用區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)RTD、美國加州2007年研發(fā)了具代表性的地震警報系統(tǒng)ElarmS(馬強等,2013；金星等,2012b；Allen,2007；Brown et al, 2011；Nakamura,1988；Wu et al, 1997；Field, 2000；B?se et al, 2013)。

中國是世界上地震活動最強烈和地震災(zāi)害最嚴重的國家之一,汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震、蘆山7.0級地震均造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟損失。中國地震局綜合考慮中國地震災(zāi)害分布、綜合人口經(jīng)濟等重要因素,將華北、南北地震帶、東南沿海、拉薩周邊和新疆天山中段等5個地區(qū)劃為重點區(qū),開展地震烈度速報與預(yù)警工程建設(shè)(陳會忠,2020)。國家地震烈度速報與預(yù)警工程在地震多發(fā)的四川省開展了 “先行先試”工作,并于2020年開始逐步向社會提供地震預(yù)警信息,2021年6月提前進行了四川地震烈度速報與預(yù)警系統(tǒng)試運行,以便向公眾提供地震預(yù)警信息服務(wù)(Peng et al, 2019、2021)。

2021年5月22日2時4分,青海省果洛藏族自治州瑪多縣發(fā)生M7.4地震,震源深度17km,震中位于巴彥喀拉地塊北部邊界東昆侖斷裂帶以南約70km處(34.59°N,98.34°E)。截至2021年5月27日,瑪多縣地震余震序列共記錄到2700多次地震,造成18人受傷,多條公路被錯斷,橋梁倒塌,房屋部分受損。本次地震發(fā)震斷裂為昆侖山口-江錯斷裂,斷裂總體表現(xiàn)為左行走滑性質(zhì),局部略帶正斷分量,該破裂帶總體走向N230°W～270°,由2條NWW向的剪切破裂左階羽列組成(潘家偉等,2021；殷翔等,2021)。震中所在地區(qū)屬于中國大陸中強地震發(fā)生最為頻繁的地區(qū),自1960年以來,該地區(qū)發(fā)生過4次6級以上中強地震(詹艷等,2021),給周邊地區(qū)帶來嚴重的地震災(zāi)害風險。本次地震震中距離四川省甘孜藏族自治州55km,距離四川地震預(yù)警臺網(wǎng)內(nèi)最近的臺站(SC/V3271)178km，相對于四川地震預(yù)警臺網(wǎng)屬于典型的網(wǎng)外地震。分析四川地震預(yù)警臺網(wǎng)處理本次地震的詳細過程與結(jié)果,對于完善網(wǎng)外大震預(yù)警技術(shù)研究和提升臺網(wǎng)稀疏地區(qū)地震預(yù)警能力具有重要意義。

1 四川地震預(yù)警臺網(wǎng)現(xiàn)狀

四川地震預(yù)警臺網(wǎng)自2016年開展示范區(qū)建設(shè),至2021年四川地震烈度速報與預(yù)警工程基本完成,共建設(shè)各類地震監(jiān)測臺站1639個,其中基準站239個、基本站317個、一般站1083個,平均臺間距14km,南北地震帶和部分地震多發(fā)區(qū)域臺間距達到10km(圖1)。2021年四川初步建成了面向政府、行業(yè)和公眾服務(wù)的地震烈度速報與預(yù)警系統(tǒng),達到了基本完善的地震預(yù)警能力和基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)實測值的烈度速報能力(Peng, 2020、2021)。

圖1 四川地震預(yù)警臺網(wǎng)臺站分布

四川地震預(yù)警臺網(wǎng)部署的超快速報與預(yù)警系統(tǒng)(JEEW),可利用多個臺站接收到的地震初至波信號,采用STA/LTA算法檢查震相觸發(fā),AIC算法精確拾取震相到時,利用 “著未著”算法快速分析多個臺站震相到時數(shù)據(jù),從而確定地震發(fā)生時刻和位置,基于P波一定時長的最大震幅和臺站震中距等參數(shù)估算地震震級(黃文輝等,2016；王莉嬋等,2020；Kuyuk et al, 2013)。通過計算系統(tǒng)產(chǎn)出地震預(yù)警基本參數(shù),向地震波尚未到達的地區(qū)發(fā)出地震預(yù)警信息。JEEW分為服務(wù)端和客戶端兩部分,服務(wù)端負責實時數(shù)據(jù)接收、地震事件檢測和預(yù)警參數(shù)測定,客戶端負責地震預(yù)警信息的報警和顯示。

2 地震預(yù)警數(shù)據(jù)處理

地震預(yù)警作為一種超快地震速報,在地震發(fā)生后,盡可能地利用先期獲得的信息,迅速測定地震發(fā)震時刻、地震震級和震中位置等基本參數(shù)(陳會忠,2020；馬強,2008)。JEEW地震預(yù)警系統(tǒng)對于瑪多M7.4地震共產(chǎn)出8次處理結(jié)果(表1)。距震中最近的臺站為測震臺QH/XIN,震中距為168km,在首臺觸發(fā)后12.19s,JEEW產(chǎn)出第1次預(yù)警處理結(jié)果。與中國地震臺網(wǎng)正式地震目錄對比,第1次預(yù)警處理結(jié)果定位偏差為17.1km,震級偏差為-1.8。隨著觸發(fā)臺站數(shù)量不斷增多和地震波持續(xù)到達,預(yù)警處理結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定,但仍存在震級偏小的現(xiàn)象(表1)。

表1 網(wǎng)外青?，敹郙7.4地震JEEW處理結(jié)果

3 預(yù)警處理結(jié)果詳細分析

3.1 臺站數(shù)量

隨著時間的推移,JEEW地震預(yù)警處理結(jié)果中參與計算的臺站數(shù)量不斷增加,考慮到預(yù)警的時效性問題,首先對前4次預(yù)警處理結(jié)果的觸發(fā)和參與計算臺站進行具體分析。第1次預(yù)警處理結(jié)果中參與計算的臺站有5個(3個鄰省共享測震臺和2個四川地震烈度臺),5個臺站分布在距震中168～194km的范圍內(nèi)；第2次預(yù)警處理結(jié)果中參與計算臺站6個(2個鄰省共享測震臺和4個四川地震烈度臺),其中震中距200km內(nèi)的臺站有5個,200～300km 內(nèi)的臺站有1個；第3次預(yù)警處理結(jié)果中參與計算臺站14個(2個鄰省共享測震臺、2個四川測震臺和10個四川地震烈度臺),其中震中距200km內(nèi)的臺站5個,200～300km 內(nèi)的臺站9個；第4次預(yù)警處理結(jié)果參與計算臺站18個(2個鄰省共享測震臺、3個四川測震臺和13個四川地震烈度臺),其中，震中距200km內(nèi)的臺站5個,200～300km內(nèi)的臺站10個,大于300km的臺站3個。圖2 給出了前4次參與計算的臺站分布。其中,第2次預(yù)警處理定位相比第1次變化較大,QH/DUL臺站P波實際到時與理論到時相比偏差較大,從定位結(jié)果上看,QH/DUL臺站對定位結(jié)果有明顯影響,在臺站關(guān)聯(lián)中舍棄該臺站,表明臺站選擇關(guān)聯(lián)技術(shù)還需要進一步優(yōu)化。

圖2 JEEW產(chǎn)出第1～4次預(yù)警處理結(jié)果參與計算臺站分布

3.2 臺站延時

采用 “著未著”算法時,數(shù)據(jù)延時對定位精度有較大影響,考慮地震預(yù)警的時效性要求和定位準確度,一般要求臺站觀測數(shù)據(jù)的延時小于2.5s(中國地震局,2015)。數(shù)據(jù)延時主要包括數(shù)據(jù)打包時間、數(shù)據(jù)傳輸時間和時鐘偏差等。數(shù)據(jù)打包時間是指原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集器端打包的滯留時間,地震觀測設(shè)備撿拾地震動信號的采樣頻率一般為100Hz(可根據(jù)需要設(shè)置),由于受到傳輸協(xié)議和傳輸效率的制約,傳感器撿拾到地震動信號以后,不會將每個數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心,而是將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)打包后一并傳輸,不同類型的觀測臺站和觀測儀器打包數(shù)量會有一定區(qū)別。數(shù)據(jù)打包時間取決于數(shù)據(jù)協(xié)議及數(shù)據(jù)包的大小,考慮地震預(yù)警的時效性要求,四川地震預(yù)警臺網(wǎng)數(shù)據(jù)包為256 Byte,數(shù)據(jù)打包時間為0.5s,本文的數(shù)據(jù)延時統(tǒng)計已扣除打包時間。表2 給出了本次地震預(yù)警處理過程中參與計算的113個臺站的延時情況。延時在2.0 s以內(nèi)的臺站106個,延時2.5s以上的臺站7個,數(shù)據(jù)合格率為93.81%。按照臺站類型分類,測震臺平均延時1.6 s,烈度臺平均延時1.2s,基本滿足預(yù)警時效性。對地震觀測記錄進行人工震相分析,通過走時殘差結(jié)合原始數(shù)據(jù)文件信息檢查觀測數(shù)據(jù)時間偏差,本次地震中參與預(yù)警信息計算的臺站不存在明顯的時鐘偏差現(xiàn)象。

表2 JEEW預(yù)警處理過程中參與臺站的延時統(tǒng)計

3.3 初動震相的拾取

為進一步分析定位偏差的原因,對參與計算的臺站進行人工震相分析,獲取準確的P波初至時間,并與JEEW自動拾取P波到時進行對比,113個參與計算臺站的P波到時偏差平均為0.5s,偏差大于2s的臺站僅有1個,震相拾取的精度相對較高。通過表3 可以看出,偏差小于1s的臺站數(shù)量占比85.84%,16個參與計算臺站(3個烈度臺和13個測震臺)的P波到時偏差為0,但存在16個臺站(6個烈度臺和10個測震臺)的到時偏差大于1s。前4次處理結(jié)果中,到時偏差大于1s的3個臺站均為烈度臺。在采用 “著未著”算法時,P波到時作為最為關(guān)鍵的參數(shù)之一,其識別誤差對地震定位有明顯影響。

表3 JEEW預(yù)警處理結(jié)果使用臺站P波到時偏差統(tǒng)計

3.4 預(yù)警用時

由于瑪多地震屬于典型的網(wǎng)外地震,觸發(fā)首臺震中距超過160km,因此本文不使用處理用時,而是使用距首臺觸發(fā)時間對預(yù)警用時進行評估。前5次預(yù)警處理結(jié)果的發(fā)布用時距離首臺觸發(fā)分別為12.19s、14.79s、26.99s、29.19s、33.29s。預(yù)警臺站的震中距均大于160km,其中最近的預(yù)警觸發(fā)臺站QH/XIH為鄰省共享測震臺,震中距為168km,1～5次預(yù)警處理結(jié)果的用時距離首臺觸發(fā)時間小于35s,說明四川地震預(yù)警臺網(wǎng)產(chǎn)出迅速,處理較快。第6～8次預(yù)警處理結(jié)果中參與計算臺站數(shù)超過70個,相比前5次預(yù)警處理結(jié)果的用時明顯增加(圖3)。

圖3 JEEW產(chǎn)出第1～8次預(yù)警結(jié)果距首臺觸發(fā)時間統(tǒng)計

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果,地震預(yù)警系統(tǒng)理論處理時間可由下式推算為

T=T1+T2+T3+T4+T5

(1)

式中,T為理論處理時間；T1為P波到達首臺時間；T2為臺站數(shù)據(jù)打包時間,取為0.5s；T3為數(shù)據(jù)傳輸延遲時間,取為1s；T4為中心數(shù)據(jù)處理時間,取為0.1s；T5為所用數(shù)據(jù)的P波窗窗長,第1報一般采用3s長度P波數(shù)據(jù)。

由式(1)計算得出理論處理時間T為32.9s,而JEEW第1次預(yù)警處理結(jié)果用時34.9s,偏差為2s。JEEW處理本次網(wǎng)外地震,在預(yù)警使用臺站距離震中較遠(均大于160km)、臺站分布較稀疏的情況下,預(yù)警系統(tǒng)處理時間與理論處理時間的偏差為2s,偏差較小,滿足預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計要求。實際處理時間與理論處理時間不一致的原因主要是由于此次地震破裂過程持續(xù)時間較長,受到震源過程、傳播介質(zhì)、場地條件等因素的影響,導(dǎo)致P波傳播速度會出現(xiàn)一定的差異。

3.5 預(yù)警震級

如圖4 所示,JEEW產(chǎn)出的第1次預(yù)警處理結(jié)果的震級為M5.6,相比中國地震臺網(wǎng)正式地震目錄M7.4,震級偏差為-1.8。第1～5次預(yù)警處理結(jié)果的震級偏差較大,平均偏差為-1.4。隨著參與計算臺站數(shù)量增加和地震動時程變長,預(yù)警震級偏差逐漸降低,第6～8次預(yù)警處理結(jié)果的震級平均偏差為-0.6,其中第7次和第8次預(yù)警震級為M6.9,震級偏差-0.5,震級偏差最小,但仍表現(xiàn)為預(yù)警震級相比正式編目震級偏小。JEEW參與計算的部分測震臺站(QH/XIH、QH/DAW、SC/LDXJ、SC/LXZJ)均出現(xiàn)地震波形限幅,低估了地震震級(圖5)。

圖4 JEEW 產(chǎn)出第1～8次預(yù)警處理結(jié)果震級偏差

圖5 JEEW參與計算測震臺站地震波形數(shù)據(jù)

為對比不同類型臺站的震級估算特點,統(tǒng)計了8次預(yù)警處理結(jié)果中參與計算的不同類型臺站的平均震級,由圖6 可知,相比中國地震臺網(wǎng)正式地震目錄的震級,預(yù)警處理結(jié)果中參與計算的不同類型臺站平均震級均偏小,尤其是參與計算的烈度臺。其中每次預(yù)警處理結(jié)果中測震臺平均震級均大于烈度臺,說明JEEW在計算烈度臺震級方面有待改進。隨著時間的推移和參與計算臺站數(shù)量的增多,單臺震級有增大的趨勢,測震臺和烈度臺的平均震級偏差逐漸減小,但仍比正式地震目錄震級小?？傮w上,8次預(yù)警震級比測震臺和烈度儀的平均震級大,這是由于JEEW地震預(yù)警系統(tǒng)進行震級估算時,會根據(jù)不同臺站的權(quán)重進行加權(quán)計算,使得結(jié)果更接近正式地震目錄震級。

圖6 8次預(yù)警處理結(jié)果參與計算各類臺站平均震級、預(yù)警震級及正式地震目錄震級對比

3.6 地震定位

第1次預(yù)警處理參與計算臺站數(shù)量為5個,包括3個青海地區(qū)測震臺及2個四川甘孜地區(qū)烈度臺(圖2(a)),震中距均超過了160km,距離較遠,震中位置偏差17.1km。由圖7 可知,后續(xù)7次預(yù)警處理結(jié)果中參與計算的臺站數(shù)量不斷增加,但前5次定位結(jié)果并沒有隨著臺站數(shù)量的增加而更加準確,震中位置偏差出現(xiàn)增大的情況(偏差從16.8km增至26.4km),原因為臺站QH/DAW未參與計算導(dǎo)致臺站空隙角變大,參與計算臺站的數(shù)量增加但包絡(luò)性反而降低(圖2),這進一步表明除了臺站密度,臺站布局對于定位的準確性具有重要影響。從第6次預(yù)警處理結(jié)果開始,震中位置偏差顯著下降,第6次預(yù)警處理結(jié)果的震中位置偏差為2.2km,第7～8次預(yù)警處理結(jié)果的震中位置偏差也較小,分別為1.7km和2.6km。

圖7 JEEW 產(chǎn)出第1～8次預(yù)警處理結(jié)果的震中位置偏差

3.7 預(yù)警盲區(qū)

地震預(yù)警盲區(qū)是指在地震預(yù)警發(fā)出時,以發(fā)震震中為圓心、以破壞性最大的S波走過的距離為半徑的區(qū)域(陳會忠,2016)。利用盲區(qū)計算公式(李佳威等,2016)計算瑪多地震盲區(qū)半徑

(2)

式中,rBZ為盲區(qū)半徑,tP為P波走時,T為數(shù)據(jù)打包、延時和處理時間,vS為地震橫波速度,H為震源深度。

JEEW產(chǎn)出的8次預(yù)警處理結(jié)果的用時,即對應(yīng)式(2)中的tP+T。根據(jù)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)研究(趙珠,1987),vS取值 3.5km/s；根據(jù)正式地震目錄結(jié)果,H取值17km。根據(jù)表4 和圖8 可知,第1次預(yù)警處理結(jié)果用時最短,盲區(qū)半徑也最小,為121km。后續(xù)預(yù)警處理結(jié)果中,定位偏差和震級偏差總體趨勢在減小,而盲區(qū)半徑在不斷增大,表明預(yù)警技術(shù)存在 “快”與 “準”的矛盾問題。

表4 JEEW地震預(yù)警處理結(jié)果盲區(qū)半徑統(tǒng)計

圖8 瑪多M7.4地震預(yù)警減災(zāi)效能圖(調(diào)查烈度據(jù)應(yīng)急管理部(2021))

鑒于地震烈度為Ⅴ度的地區(qū)會出現(xiàn)少數(shù)房屋裂縫、磚瓦掉落等破壞現(xiàn)象,間接引發(fā)人員傷亡和財產(chǎn)損失(國家市場監(jiān)督管理總局等,2020)；且瑪多地震局部存在場地響應(yīng)異常點,很可能計算得出的Ⅴ度區(qū)內(nèi)存在實際烈度超過Ⅴ度(甚至可以達到Ⅵ度)異常點,因此預(yù)警有效獲益區(qū)設(shè)定為除盲區(qū)以外、地震烈度Ⅴ度以上的區(qū)域(圖8)。利用西部烈度衰減關(guān)系(俞言祥等,2006)計算地震烈度為Ⅴ度的區(qū)域半徑,得到Ⅴ度區(qū)半徑為324km。

4 討論與結(jié)論

青?，敹郙7.4地震發(fā)生后,JEEW產(chǎn)出的第1次地震預(yù)警處理結(jié)果與正式地震目錄相比,震中位置偏差為17.1km,說明JEEW對于網(wǎng)外地震超快速定位能力效果較強。但是隨后的第2～5次預(yù)警處理結(jié)果定位起伏較大,表明網(wǎng)外臺網(wǎng)布局和后續(xù)加入的臺站震相數(shù)據(jù)波動較大。隨著對震中形成 “包圍”趨勢的參與計算臺站數(shù)量不斷增多,且初動時間錯誤的臺站不斷被剔除,第6～8次預(yù)警處理結(jié)果的震中位置偏差總體趨勢不斷降低。第6～8次地震預(yù)警處理結(jié)果的震中位置偏差平均僅有2.2km,定位結(jié)果的準確性和震中位置精度均較高,這使得地震預(yù)警盲區(qū)半徑分別為434、535、584km,說明JEEW地震預(yù)警系統(tǒng)的定位算法的準確性和目前地震速報的10min之后的正式結(jié)果相當。

JEEW產(chǎn)出的第1～2次預(yù)警震級偏差相對較大,分別為-1.8 和-1.7,主要原因是目前常用的Pd估算地震震級的方法對于地震預(yù)警第1～2次處理結(jié)果存在大地震誤差相對較大的問題(金星等,2012a；張紅才等,2017),這一問題與目前大地震預(yù)警震級偏小、小地震預(yù)警震級偏大的地震預(yù)警實際情況相符,這是地震預(yù)警存在的技術(shù)問題,有待后續(xù)改進。

JEEW產(chǎn)出8次預(yù)警處理結(jié)果的預(yù)警震級總體偏小,但整體基本穩(wěn)定,并隨著參與計算臺站數(shù)量的增多,震級偏差逐漸降低,但預(yù)警震級整體仍偏小,主要原因為：對于震級較大的地震,斷層破裂時間長,而使用初至地震信號僅能捕捉到有限的斷層破裂滑動信息,因此會造成震級低估的 “飽和”現(xiàn)象(王翠芳等,2010)。

青?，敹郙7.4地震破裂過程超過40s,最大能量集中在地震發(fā)生后30s開始釋放,破裂長度超過180km(Zhang et al, 2021),這一事實符合上述理論解釋。盡管如此,第6次預(yù)警處理結(jié)果測定震級為M6.5,第7和8次預(yù)警處理結(jié)果為M6.9,最后幾次預(yù)警處理結(jié)果已經(jīng)足以證明這是一次大地震。因此第6次預(yù)警處理結(jié)果測定的地震三要素參數(shù)完全可以作為地震預(yù)警 “確認和解除”警報環(huán)節(jié),在震后兩分鐘發(fā)出 “確認為大地震”的警示,這正是高速鐵路和城市軌道交通等重要設(shè)施需要的地震預(yù)警 “確認和解除”警報的需求,因為他們在得到地震警報時會聞警即動,采取減速行駛措施，在他們得到確認地震大小的信息后再采取下一步措施。地震預(yù)警系統(tǒng)確認地震大小信息環(huán)節(jié),與中國地震臺網(wǎng)中心的地震速報系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。

瑪多地震對于四川地震預(yù)警臺網(wǎng)屬于網(wǎng)外地震,預(yù)警參與計算臺站距離震中也較遠,因此JEEW第1次預(yù)警處理結(jié)果的盲區(qū)半徑較大,為121km?，敹嗟卣饘儆?級以上強震,最高烈度達到Ⅹ度,烈度達到Ⅴ度及以上的地區(qū)范圍較大,因此對盲區(qū)以外地震烈度為Ⅶ、Ⅵ、Ⅴ度的地區(qū)及Ⅸ度烈度異常區(qū)域(震中距為121～324km的環(huán)形區(qū)域)減災(zāi)效能顯著,地震預(yù)警可以極大地減輕災(zāi)害(圖8)。而對地震烈度小于Ⅴ度的地區(qū)(震中距大于324km的區(qū)域,其距離震中遠,但有震感),地震預(yù)警可以起到維護穩(wěn)定,減少民眾恐慌的作用。

理想的地震預(yù)警效果是利用最短的時間發(fā)布最準確的地震信息,將地震預(yù)警盲區(qū)的范圍控制在最小,但地震預(yù)警系統(tǒng)在短時間內(nèi)很難準確估算地震強度及地震波傳播至地方的烈度,因此產(chǎn)生了預(yù)警盲區(qū)與預(yù)警技術(shù) “快”、“準”的矛盾問題。但地震預(yù)警的 “快”才是最重要的,地震預(yù)警產(chǎn)出每延遲1s,地震S波就會傳播約3.5km,盲區(qū)半徑也會增加3.5km。因此,地震預(yù)警與以 “準”為特征的傳統(tǒng)地震速報有所區(qū)別。為了發(fā)揮地震預(yù)警減輕災(zāi)害的效能,應(yīng)該進一步研究采取有效的地震預(yù)警警報發(fā)布策略,以彌補地震預(yù)警技術(shù)上的局限。