Getty Images供图 日本岩手县地震后的警告牌

2008年6月14日，日本东北地区发生里氏7.2级地震。据日本广播协会电视台报道，这次地震已造成至少9人死亡，200多人受伤，还有10余人下落不明。日本气象厅表示，在首次监测到地震波后第4秒，地震预警系统便发出了首个预警信息；然而，距离震中约500公里的东京居民，仅仅在感受到震动的前几秒，才得到了姗姗来迟的预警信息。在应对随后的余震时，日本地震预警系统表现还算正常，包括成功对一次5.6级强余震发布了预警信息。那么，什么是地震预警？它与地震预测和预报有何不同？地震预警是如何实现的？它的效果如何？中国需要这样的系统吗？在本文中，你将找到上述问题的解答。

首先我们需要明确一个概念，地震预警（earthquake early warning），不是地震预测或预报。地震预警是指在地震发生以后，抢在地震波传播到设防地区前，向设防地区提前几秒至数十秒发出警报，以减小当地的损失。

地震预警系统是指实现地震预警的配套设施。按照系统响应的顺序可包括：地震监测台网、地震参数快速判测系统、警报信息快速发布系统和预警信息接受终端。整套系统的特点是高度集成、实时监控、飞速响应，尤其是飞速响应这一点至关重要。因为地震预警系统其实就是在和地震波赛跑，多跑赢一秒，就能多获得一秒的应对时间，用分秒必争来形容最为恰当不过。

地震的成因是由于地下几公里至数百公里的岩体发生突然破裂和错动。而这些破裂和错动释放的能量又以地震波的形式向四周辐射出去，就像往平静的水面投入一块石头，石头运动的能量会以水波的形式向四周辐射。地震波是一种机械波，具有一定的传播速度，也就是说，当地震发生后，大家不会立刻感觉到地面的震动，而是要等相应的地震波传播到人所在的位置。这个时间差给地震预警留下了一显身手的空间。

地震预警系统的工作原理就在于可以探测到地震发生最初时发射出来的无破坏性的地震波（纵波即P-波，primary wave），而破坏性的地震波（横波即S-波，secondary wave）由于传播速度相对较慢则会延后10～30秒到达地表。深入地下的地震探测仪器检测到纵波（P-波）后传给计算机，即刻计算出震级、烈度、震源、震中位，于是预警系统抢先在横波（S-波）到达地面前10～30秒通过电视和广播发出警报。并且，由于电磁波比地震波传播得更快，预警也可能赶在P波之前到达。

当地震发生后，离震中最近的几个预警台站会陆续接收到地震信号，触发地震参数快速判测系统；在收到信号的几秒至十几秒内，快速判测系统将估算出地震的发震时刻，发震位置，震源的类型和震级的大小；然后利用这些参数模拟出相关区域内地面运动的强烈程度；根据模拟的结果，抢在相应地震波以前，向不同地区发出相应的预警信息。

拿汶川地震举个形象的例子：地震波从震中传到北川县城大概需要25秒。如果您在发震5秒后感受到了地震波，并花了15秒钟打电话告诉北川的朋友地震波即将来临，那么您北川的朋友将会获得5秒的应急时间。

预警系统的原理决定了地震预警系统能够提供的应急时间是有上限的。美国虽然没有部署地震预警系统，但相关研究已经开展了很多年，其中包括一个在旧金山湾区进行研究的名为ElarmS的地震预警系统。结果表明，这套ElarmS预警系统，对于不到一半的地震，能够提供10秒以上的预警时间；对于绝大多数地震，能够提供的有效预警时间不超过30秒。在几秒至数十秒的时间内，我们能够采取什么样的措施减少损伤？停止高速列车、从电梯撤离、终止或保护关键仪器和设备、人员撤离到安全地带等等……我们可以做的很多，但是我们不能做的却更多。

此外，预警系统面临一个尴尬的规律：越是地面运动强烈的极震区，能提供预警的时间就越短；对预警系统依赖越弱的地区，能提供的预警时间反而越长。再拿汶川地震举两个极端的例子：离震中不到20公里的映秀镇，处于预警系统的响应盲区，基本没有可能获得提前预警；而距离震中约1500公里的北京，可获得大约3分钟的提前预警，但又几乎没有意义。日本也在其预警系统的宣传手册中提到，如果您距离震中太近，预警信息和地震波可能同时到达。

在2008年6月14日，日本发生的里氏7.2级地震中，距离震中30公里的鸥州，在3.5秒后收到了预警信息，但此时破坏性的S波已经到达。在遭受严重冲击的栗原，地震预警信息只提供了0.3秒的应急时间。对应于距离震中50公里和80公里的居民，则分别获得了5秒和15秒的应急时间。

除去这些天生的缺陷，预警系统在关键技术上还没能做到十全十美，尤其是地震参数的快速判定。作为5个部署了地震预警系统的国家地区之一，日本的投入最大，性能也是最好的。然而2008年1月27日，日本时报（The Japan Times）一则标题为“地震预警系统再次失效”的新闻，从一个侧面反映出了地震预警系统的现状。新闻中提到，预警系统对在日本海岸发生的震级为4.7级的地震并未发出预警信息，原因是快速判定的地面运动强度为4级（根据日本烈度表），低于警报阈值5级，而实际的地面运动强度为7级。在6月14日里氏7.2级的地震中，预警系统虽然被即时触发，但预估的震级为5.7级，仍远低于实际的7.2级。地震参数快速判定，难就难在一个“快”字上。对于一个5-6级的地震，震源的破裂过程会持续几秒至十几秒。而预警系统试图利用前几秒的地震波形，就预估出整个地震的大小，发震的位置，震源的性质，进而得出各个地区地面运动的强烈程度。这一过程类似于盲人摸象，摸出来的结果可靠不可靠，跟盲人的经验就有很大关系了。

充分发挥预警系统的功效，还需要与之配套的社会工程和应急培训。在日本预警系统的宣传手册中有一部分内容很有意思，它告诉居民在收到预警信号后，一定不要从居民楼和办公楼逃离。这可能与大家的常识相违背。这样的要求一是因为预警系统针对的是普通地震和强震，对于毁灭性的特大地震功效有限；二是日本对本国建筑的抗震性能很有信心；三可以避免由于混乱逃生引起的踩踏伤亡事件。通过这个细节我们可以看出，对设防区的人员进行相应的培训是必要的，缺乏必要的宣传和培训，预警系统甚至会带来负面的效果。

部署地震预警系统，是一个整体的社会工程，并不是一个简单的技术问题，需要综合考虑科技因素、经济因素和社会因素。目前，仅有罗马尼亚、土耳其、墨西哥、台湾和日本拥有投入使用的地震预警系统，正在开发预警系统的国家和地区有美国加州、冰岛、瑞士、意大利、希腊、埃及和印度。据2004年《科学》杂志报道，日本2004年花费9000万美元完成的地震预警系统是迄今最为全面的预警系统。值得注意的是，地震大国同时也是地震研究实力最为强劲的美国，至今仍没有实际运作的地震预警系统，因为有美国学者批评建设此类系统会挤占大量地震学的研究经费，不利于地震学的长期发展。
一般来说，开发地震预警系统的地区，有如下特点：

1.地震发生频繁。如日本、台湾、墨西哥和美国加州都位于环太平洋地震带上，地震活动频繁。只有频繁的地震活动才需要频繁的地震预警，来减轻地震造成的损失。如果不能减少一定的损失，那么部署这套昂贵的系统本身就是一笔损失。

2.有较强的经济实力。地震预警系统由于整合度高，对地震台站密度有要求且需要长期不间断运作。地震预警系统的警报终端还需要与相关行业和部门合作开发，如电视台、铁道部门、工厂、医院等等，都需要装备相应的警报终端才能发挥预警系统的功效。因此预警系统的部署成本并不算是低廉，对当地可能有一个长期的经济压力。

3.设防区域小，预警价值高。日本，台湾均为整体设防，因为他们需要防御的总面积偏小，美国的地震预警系统主要也是针对旧金山周边区域。同时，这些防御区域经济相对发达，高科技产业密集，人口密度大，长期预警的经济社会价值可观。

综合上述的情况，对于是否需要地震预警系统，科学界内仍未能形成一致的看法。支持的学者认为这是一个很棒的想法，可以减少地震灾害的损伤；不支持的学者认为这套系统成本高昂、功能有限，前途并不光明。2004年《科学》杂志有文章标题用“打赌”来形容各个国家对于地震预警系统的态度。迄今，我们仍无法看到这个赌局的结果。不过有一件事很确定，日本等国将继续在这个赌局上不断下注。

参考资料:
http://www.elarms.org
地震之初十秒
Quake warning system fails again
效果与质疑，地震预警是否可行？
中国缺乏地震预警系统
Some Countries Are Betting That: A Few Seconds Can Save Lives

全文已发表在博闻网《什么是地震预警系统》

小屁牛,赤脚板

2008年5月12日下午2点28分2秒（北京时间），汶川特大地震爆发了。在随后的100秒内，西起康定，东至略阳，形成了一条长约500公里的 破裂带，释放出约6.3*10e16焦耳的能量。这相当于在破裂带上，将1000多颗投掷在广岛的原子弹，在100秒内陆续引爆！生命的脆弱和无助震撼人 心。我们正视这淋漓鲜血的同时，也不忘冷静地思考和探索：汶川特大地震，在震后100秒内，究竟发生了怎样的物理过程，这些过程对震区又有怎样的影响？

下边的动画演示了汶川主震的地下岩体破裂过程。红色直线表明破裂面在地表的出露位置，整个假定的断层与地表大约成40度埋于地下，长620公里，宽60公里，颜色对应于错动的距离.

破裂过程： 优酷
破裂过程： youtube

一般情况下，面波震级Ms=6级地震，震源破裂持续5~10秒。而对于这次汶川地震，面波震级Ms=8.0，震源破裂过程持续了100秒左右，其中主要能量释放集中在前70。在详细考察这一复杂过程前，我们不妨先来看看这场灾难前所埋下的伏笔。

1.序幕

受印度板块的推挤，年青的青藏高原向东隆起扩张，被古老坚实的四川盆地所阻挡。在青藏高原的东缘，四川盆地的

西部，两个板块角力的结果导致青藏高原 逐渐将四川盆地压在身下，形成北起广元，南至天全，长约500公里，宽约30公里的龙门山构造带。龙门山构造带中有几条主干的断裂活动带（图1、图2）， 它们是这次汶川地震的直接成因。

图1：龙门山断裂带1

图2：龙门山断裂带2，断层以逆冲为主，右旋为辅。

关于断层的形成，一般如此解释：两个板块的相对运动会在一个面内积聚起强大的应力，超过这个面附近的介质强度时，开始沿这个面破裂，形成断层。之后，断层 面的两个块体继续运动，由于断层面上下盘之间存在强大的摩擦力，在这个面还会继续积累新的应力，直到新的应力超过摩擦力之后，就会触发沿断层面的进一步破 裂。如此周而复始。

限于手头资料，虽无法考证龙门山断裂带的形成时间，但考察这条断层上的地震并不困难。根据历史地震目录，这条断层上的上一次的应力释放是在1657 年4月 21日，为一次震级为6.2级的中强震。三个半世纪以来，青藏高原每年以数厘米的速率继续向东推挤，四川盆地仍然坚守不动，在两大块体交接的龙门山断层 上，岩体间已积累了强大的应力，如同一个超级巨大的弹药库，只等一颗火星，它便轰然爆发。

2.点燃导火索(0-15秒)(图3)

图3:汶川震源破裂过程0-15秒

北京时间2008年5月12日下午2点28分2秒，川西的孩子们也正专心学习，放飞梦想的时刻。在距都江堰市25公里，距汶川县城58公里，距成都 市75 公里的映秀镇附近（东经103.27，北纬31.08N），地下10公里左右的岩体终于不堪几百年来的扭曲而产生的重负，发生突然的断裂和错动，汶川特大 地震的导火索被点燃！

2s后，破裂激发的地震波开始到达地表，震中上方映秀镇的人们开始感觉到突然的抬升，房屋开始摇晃，玻璃窗开始破裂。反应快的人们开始冲出房屋逃 生，但不 幸的是，能逃生的时间太短。在他们感受到晃动之后不到1s（震后3s），破裂沿着断层冲出地面，大地开始剧烈摇晃，疯狂地撕扯着地面所有的建筑。霎时间， 房屋坍塌，山体抖落，砖块水泥和滚滚巨石将无数生灵掩埋。

然而，这仅仅是大灾难的开始……

地下岩石的错动在周围岩体上积聚了强大的应力，导致了后续的破裂，并由此以3km/s左右的速度传播开来。由于种种原因，震中西南的岩体破裂程度较轻，但在震中东北的岩体却承受不住，一发不可阻挡地破裂开来。

震后15秒，随着地震波的传播，汶川县城，茂县县城，都江堰甚至成都开始有感。而安县，江油，北川等地，地震波还未抵达，当地的人们，仍继续着往常一样的平静祥和的生活。但是破裂的死神，正张牙舞爪地向他们扑了过去。

3.15-45秒，主要过程。

图4:汶川震源破裂过程15-45秒

破裂继续延伸，到25s左右，北川等地有感，但此时破裂还未抵达，它们在震中东北遭遇阻挡，转悠了一会，甚至返回过震中并企图向西南发展，但没能得 逞。经 过一段时间内的来回倒腾，到震后45s，形成了长约120公里的破裂区域(图4)。把几百年来当地板块运动积累的大部分能量的在短短30s时间内释放在了 这个区域。在这个区域附近的汶川，茂县，都江堰市，绵竹县造成了惨重破坏。

根据龙门山附近断裂的逆冲性质，断层错动以上盘为主，下盘为辅。也就是断层附近的地表运动，红线以西的地区将强于红线以东的地区。所以汶川、茂县所 受的地 面运动将强于都江堰和绵竹县。根据断层错动量判断，最大错动基本都位于断裂出露地表的位置（红线），因此，靠近地表出露的映秀镇，受到严重毁坏也就不难理 解了。

4.北川!北川!45-70秒。

图5:汶川震源破裂过程45-70秒

噩梦远未就此结束，北川在有感之后不到20s，破裂抵达，在北川县城地下又进行了一次集中释放，主要区域接近100公里。这次事件直接导致另一场人间惨剧在北川县上演，两个主要因素使得北川面临比极震区更为强烈的破坏！！

首先是地震波的多普勒效应（图6），使破裂一开始释放的能量，集中冲击位于破裂传播方向上的北川县。我们用小学数学粗糙估算一下：北川位于震中东北 150 公里处，最先到达的P波速度为6km/s，破裂速度为3km/s，发震后约150/6=25秒，地震波到达北川；发震后150/3=50秒，破裂前锋到达 北川。也就是说，发震后50秒内产生的地震波，被压缩至50-25=25秒后，在北川释放，能量密度为不考虑多普勒效应时的2倍！

图6:破裂过程中的多普勒效应。

其次,这次破裂的地表出露，几乎就直接经过了北川县城；而破裂出露的区域，也正是错动最为剧烈的区域。如果说汶川县的地震相当于在地下10公里处引爆了原子弹，那么北川县的地震，就相当于在北川人民的脚底板下，直接引爆了原子弹。

多普勒效应和位于破裂出露区，两大因素加在一起，使得北川县的破坏较极震区的汶川县要更加严重！

在这一时间段内，破裂还从起始点陆续地向西南方向，扩展到了康定一带，不过释放的能量相对较小。

5.70-100秒:

地震的破裂过程已成强弩之末，破裂艰难地向东北延伸至青川一带，虽然破裂较微弱，但由于多普勒效应，地震波就在当地造成了破坏。至100s，汶川主震的破裂过程基本终止。 在随后的几个小时内，地震波将贯穿全球。邻近区域重庆，昆明，将依次感受到P波，S波和面波3次震动；较远地区如北京、上海，高层建筑受面波的影响，也将发生明显的低频晃动；整个地球将发生全球自由振荡，就像用手轻拍了一下的篮球，整个球体都震动起来。

通过对震后100秒，岩体破裂过程的详细考察，利用弹性理论，可大致估计出极震区地表的形变量。这些信息，都可为震后救灾提供宝贵的参考意见。

防震减灾、抗震救灾，对于科技工作者来说，是一项特殊的责无旁贷的任务。如何将科学知识转化为防灾救灾力量，则是一项社会的系统工程，需要多方面的积累和合作。汶川地震，总结经验的同时，更多地反思不足，才能真正地向前进步。

以此文祭奠汶川地震中逝去的生命。