美国地震监测系统发展规划

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1、美国地震监测系统发展规划中图分类号 : P311 . 9文献标识码 : E文章编号 :100323246 (2004) 0520091220摘要 这是一份关于美国地震监测系统的现状 、需求和相关价值的评估报告 。依据美国公共法105247,本报告提出了美国国家地震监测系统的发展战略以及美国国家地震监测台网 、区域地震监 测台网和城市地震监测台网发展规划 ,在报告的编写过程中广泛地征求了各方面的意见 。地震监测 系统要及时 、准确地为国家提供由于地震 、海啸 、火山喷发造成的人员和财产损失的信息 ,这些信息对 于国家采取有效的措施减少地震造成的损失是极其重要的 。美国需要建设一个综合化 、现代化

2、 、标准 化 、稳定化的国家地震监测系统 。现代化的地震监测系统可以提供 :在几秒钟内对即将来临的强地面运动预警 ;对地面振动的强度分布进行快速评估 ;对海岸地震所产生的海啸预警 ;火山喷发预警 ;给出地震危险性评估信息 ,以改进建筑物设防标准 ;给出地震期间建筑物响应的精确资料 ,为地震多发区工程建设服务 。今天 ,美国有许多研究机构从事地震监测工作 ,而他们都面临着许多问题和挑战 ,设备老化 、缺乏 稳定长期的资金支持是最严重的问题 。地震监测系统是基于一些分布不均匀的台网 。台网的运行者 考虑最多的是经费问题 ,而不是资料产出和资料服务 ,仪器设备的现代化进程缓慢 。为了保证地震警 报的

3、发布 ,加快地震的快速响应和长期收集地震危险性评估 、工程实践所需要的资料 ,致使监测系统 的发展失去了很多宝贵的机会 。新的美国国家地震监测系统需要组织和管理好资料的收集与服务 ,以改进资料产出和服务工作 。 为工程建设 、快速响应 、地震学研究服务是新的地震监测系统的努力方向 。增加财政支持 ,实现地震 监测系统的现代化 ,保证监测系统长期稳定地运行是非常必要的 。本项目的预计投资为 1 . 7 亿美元 ,每年的运行费用为4 700万美元 。 在美国由于有破坏性地震的发生 ,必然需要上述监测系统的运行 ,这就是本报告的立项依据 。所以 ,现在的问题不是要做什么 ? 或者为什么要做 ? 而是

4、什么时间做 ? 对于每一个地震的发生 ,我们正 在失去一些宝贵的认识地震的机会 ,这些教训就是因为没有现代的 、高效的地震监测系统 。作为履行公共法律 105247的必要条件 ,美国地质调查局 ( U S GS) 提出了美国地震监测系统发展规划的报告 。本报告并不是由单一的政府机构提出 ,在编写的过程中美国地质调查局广泛地征求了各 方面的意见 。1998 年 6 月大约 50 位专家在科罗拉多州的丹佛举行了 3 天的专题讨论会 ,参 加会议的人员在地震快速响应 、工程设计 、国家和区域地震监测台网方面有丰富的经验 ,在这 些专家的观点和建议的基础上 ,形成了本报告 。引言地震和火山喷发不可避免

5、 ,这是国家关注的问题 。地震和火山喷发是一种自然灾害 ,这种灾害不能被控制和排除 ,未来在美国本土由于地震和火山活动引起的人员生命和财产损失必然会发生 。39 个州处在重要的地震危险区 ;6 个西部州处于重要的火山灾害区 ;7 500 万人居住在具有中等以上地震危险性的大城市 ;据联邦紧急事物管理局 ( F EMA) 的最新统计表明 ,平均每年由于地震造成的建筑物破 坏的损失约 44 亿美元 。在美国历史上曾发生一些大地震 ,如果这些地震重复发生 ,将造成更惨重的损失 。这些历史地震包括密苏里州东南方向的 1811 年和 1812 年强烈地震 ,加利福尼亚州南面的 1857 年大 地震 ,夏

6、威夷群岛 1868 年大地震 , 南卡罗莱纳州的查尔斯顿 1886 年大地震 , 阿拉斯加南部1899 年大地震和加利福尼亚北部 1906 年大地震 。最近由于城市地震造成的经济损失就非常说明问题 ,如 1989 年 Lo ma Prieta 地震造成的 损失为 60 亿美元 ,1994 年 No rt hridge 地震造成的损失为 400 亿美元 ,而 1995 年 Ko be 地震造 成的损失为1 000亿美元 。地震监测系统是减轻地震灾害的基础 。虽然未来地震的发生和火山的喷发以及造成的损失是不可避免的 ,但是如果采取适当的措施并进行应急响应 ,就可以减小地震所造成的损失 。这些措施包

7、括一些长期的复杂的过程 ,这些过程需要 :灾害的定量评估 ;改进建筑物设计 、建设标准 ;编制有效的国土利用计划 ;政府在不同层次实行减灾措施 。在上述因素中 ,前 3 项是基础 。如果缺少任何一项 ,减轻地震灾害的工作就不能得到发 展 ,而地震监测系统为这些因素提供必要的基础资料 。地震监测系统对于灾害预警 、评估和科 学研究是必须的 。具体地讲 ,地震监测系统的应用主要包括以下几个方面 。(1) 地震紧急响应 。地震监测系统能够在几分钟内及时地提供地震的时 、空 、强三要素和 地面振动强度的区域分布 ,这些信息为紧急救援和决策提供了有效的依据 ,尤其是在人口不断增长和基础建设迅速发展的城市

8、更为重要 。(2) 火山喷发预警 。由于在大多数的火山喷发之前都有地震活动 ,监测火山中心的地震 活动是很重要的 。例如 Helens 火山与 1980 年 5 月喷发 ,从 1980 年 3 月起火山区开始有地震 活动 。所以火山地震监测系统对于火山喷发的预警是必要的 。(3) 海啸预警 。海岸地震产生海啸 ,最先的预警信息要由地震监测系统提供 。在美国的阿拉斯加海岸以及加利福尼亚 、夏威夷 、俄勒冈和华盛顿最容易受海啸的攻击 。(4) 灾害评估 。对潜在震源区强地面运动特征的准确预测需要地震监测系统提供基础信 息 ,这些信息是建筑物抗震设计的重要指标 。(5) 地震工程 。在结构物上和近场

9、的强地面运动记录为潜在震源区建造住宅 、建筑物 、桥 梁 、高速公路 、机场 、水坝 、输油管线和其他基础设施提供安全 、有价值基础资料 。(6) 科学研究 。利用地震监测台网的记录资料可以研究地震的发生 、发展过程 ,以及产生 火山喷发和海啸的原因 ,这些资料主要用于基础研究和应用研究 ,如 :震源问题 、地震波传播问 题以及破坏性地震的场地响应等 。(7) 公众信息 。任何地震或地震骚动都会在公众中引起注意或恐慌 ,人们马上要问 :发生第 5 期阴朝民译 :美国地震监测系统发展规划93了什么 ? 在哪里 ? 严重吗 ? 公众和新闻媒体会把目光集中在地震监测台网的科技人员身上 ,来寻找答案

10、。(8) 公众教育 。地震台网中心不但要使公众了解地震和火山灾害 ,以及灾害发生后应采 取何种安全措施等方面的知识 ,而且要成为学生从事地球科学研究和地震工程的培训基地 ,向 学生传授在地震减灾工作中进行决策 、设计和计划的专门技术 。本报告强调了对新的国家地震监测系统的需求 。给出了地震监测系统的重要性以后 ,本 报告的主题是建设新的国家地震监测系统所需要的条件和时间表 。地震监测系统现状1对美国地震监测台网进行评估需要定义几个术语 (见附录 7 . 3 本报告使用的缩写词) 。和其他迅速发展的国家相比 ,国家地震台网和区域地震台网文档资料匮乏 ,美国地震监测系统的 现代化进展缓慢 。总之

11、,存在的问题需要引起国家的关注 。1 . 1 地震监测中的基本概念地震监测系统由地震计、记录系统和资料分析处理中心组成 。地震监测系统记录了一切 扰动所产生的地震波 ,地震波在地球内部传播并引起地面振动 。通常所说的“地震事件”就是用来表述这样一个扰动 。除了地震 ,其他危险性破坏还包括火山爆发 、采石场的爆破 、声震 、矿 山崩塌 、陨石撞击和地下核试验 。简单地说 ,地震监测需要 : 一个传感器 (地震计) ,它能将地面运动转换成电信号 ; 一个现场的记录仪或者一个通讯网络 ,能够把这个信号传到资料分析处理中心 ; 资料分析处 理中心收集许多地震计传来的信号 ,确定震源位置 、震级 、峰值

12、加速度和其他用来描述震源特 性的参数 。在传统上 ,现有的地震监测系统分为两种类型 :微震监测和强震监测 。微震监测系统使用非常灵敏的地震仪 ,这种地震仪能够记录近距离的小地震和远处的中 等以上地震窄频带内的弱振动 。这些灵敏的监测系统用于连续监测美国和全球的地震 ,在这些系统体中使用了传统的地震监测方法 。因为它们是被设计用来研究小地震的 ,所以在很多 情况下他们不能够在近场精确地记录大地震 。这样的系统主要监测台网内的地震活动性 ,测定地震事件位置 、震级 ,编写地震观测报告和地震目录 。强震监测系统使用低灵敏度的仪器 (叫加速度计) ,这种仪器能够记录地面的或建筑物强 烈的 、破坏性的震

13、动 ,4 级或 5 级以上地震就能够产生强地面运动 。强地面运动记录为工程设 计 、建筑实践以及建筑物抗震设防标准的制定提供基础数据 。这些基本的结果和资料是记录那些强烈振动的数据 ,反映了随着震中距的增加强地面运动衰减的经验关系 。在历史上 ,不同类型的监测系统使用不同的仪器 ,而现代先进的地震仪器可以满足多种工 作需要 。由于观测的目的和使用的仪器不同 ,发展了这两种不同的监测系统 。工程界只对地面和 建筑结构物的强震记录感兴趣 ,使用的仪器就不能记录小地震和远震 。而地震学家们的兴趣则在于记录尽可能多的地震 ,研究与活动构造 、火山构造相关的地震活动性 ,所使用的仪器就不能很好地记录强震

14、和近场地震 。传统上 ,一套地震仪由地震计和记录系统组成 。记录幅度 、动态范围和分辨率是用来描述 仪器记录弱振动和强振动范围的参数 ,而频率范围或者频带宽度是描述地震仪器能够记录地 震波的频率范围的参数 。理想的地震仪器应该具有大动态 、高分辨 、宽频带的特点 。本报告的目标在于 :现代数字地震仪器的记录频带要宽 ,动态范围的低端要记录到地面背景噪声 ,高端记录到 2 倍地球重力加速度 。20 世纪 80 年代中期以后开发生产的地震仪从动态范围和频带宽度方面已经能够完全记 录地震波中丰富的信息 。用一个简单的比喻 ,一个地震就象一支管弦乐队演奏的一段乐曲中 包括所有乐器发出的声音 。然而 ,

15、一个旧的弱振动的乐器丢失了音乐的高频和低频成份 ,并且当音量增大时 ,声音失真 。老式的强振动的仪器仅能够记录到强振动时的最末段部分 ,一个现 代化的地震观测系统能够捕捉到弱振动和强振动信号 ,提供地震波的全频段频谱 ,通过综合分 析后就可以得到的实际结果 ,这样的结果是以前各个独立部分不能给出的 。1 . 2 美国地震台网概述1998 年夏天 ,对美国所有的微震台网和主要的强震台网进行了调查 ( 见附录 7 . 4) 。这次 共调查了 41 个独立的台网 ,即有由三四个台站组成的小台网 ,也有由成百上千台地震仪组成大台网 ,小台网主要由独立的院校管理和运行 ,大台网的管理和运行就需要很多的技

16、术人员 。其中公众地震台网和普林斯顿地球物理项目是两个业余地震台网 ,由个人或者学校的一个小组负责运行和管理 ,几乎很少有外部的支持 。有些监测系统只是为了完成特殊的任务 ,比如U S GS 的夏威夷火山观测台 、国家海洋和大气管理局 ( NOAA) 、太平洋和阿拉斯加海啸预警中 心 。而南加利福尼亚地震台网则由多个单位支持 ,完成多项任务 。一些台网全部由 U S GS 提供财政支持 ,有些则是由联邦政府 、州政府或私有公司提供财政支持 ,但更多的台网是由上述各方面共同支持的 。 美国地震监测台网使用的是过时的仪器设备 。地震台网的规模和运行体制多种多样 ,在附录 7 . 4 中给出了详细的

17、总结 。但值得注意的是 ,在许多地震台网中只有少数地震台站使用现代化的宽频带数字地震仪器 (BB) ,而一部分 台网根本就没有这种仪器 。在现在运行的地震仪中只有 6 %能够精确地记录很小的和相当大 的地震 。类似地 ,在强震仪器 ( SM) 中只有不到一半的仪器是数字化仪器 ,这些数字化仪器能 够记录中等地震和较少的大地震 ,并提供资料的快速访问服务 。从对美国区域地震监测台网调查可以看出 ,大多数台网是在 20 世纪 60 年代和 70 年代建成 ,主要用于科学研究 ,目的是研究中小地震的活动性和震源性质 。这些台网最初的设备能很 好地满足这方面的需要 ,但是到了 20 世纪 80 年代

18、,由于数字地震仪器和新型地震计的研制成 功 ,台网又有了新的任务 ,所以这些台网已经过时了 。类似地 ,美国大多数的强震台网没有采 用数字技术 ,尽管还能使用 ,但是已经不能满足工程建设和应急反应等工作的需要 。1 . 3 区域地震台网中心和国家地震台网中心在地震多发区 ,区域台网中心的重要功能是分析地震资料 、发布地震数据和地震信息 ,同 时也为当地的工程界 、紧急事物管理部门和公众提供地震危险性分析意见 。他们也训练在校 大学生 ,学生毕业以后可以从事地震以及相关领域的工作 。在过去的 30 年中 ,区域台网中心 是在一个特别的环境中发展起来的 ,为多方面的任务而接受多种渠道的资助 ,只有

19、很少的长期 支持和中心目标 。国家地震信息中心 ( N E IC) 是由 U S GS 管理运行的 ,提供美国大多数州3 . 5级以上地震事 件和世界范围灾害性地震的资料和信息 。N E IC 负责对区域地震台网覆盖范围之外地区的地 震监测 ,并提供各区域台网在覆盖范围之内的独立地震报告 。N E IC 也为 NOAA 的海啸预警 中心 、国家预警中心 、联邦政府紧急情况管理部门 、国外灾害援助办公室 、红十字会以及州政府第 5 期阴朝民译 :美国地震监测系统发展规划95紧急情况办公室提供数据和信息服务 。N E IC 也提供信息为教学服务 ,如权威性的地震目录 ,地震活动性分布图和美国地震历

20、史刊物 。1 . 4 US GS 在地震监测系统中的作用U S GS 负责监测美国的地震活动性 。U S GS 由联邦政府授权负责监测美国的地震活动 ,U S GS 是通过下列方式来完成任务 。负责运行美国国家地震台网 ( U SN SN) ,该台网由分布在全国境内的 56 个宽频带数字 化地震台站组成 ,是美国的骨干地震台网 。负责运行国家地震信息中心 ( N E IC) ,提供美国境内有感地震及全球主要地震的观测报 告 。负责运行国家强震观测系统 ,该系统大约由 600 台仪器组成 ,通过特别设计来记录强地面运动的台网 。负责管理 16 个区域地震台网的经费和部分工作人员 ,这些台网分布在

21、美国的大多数地 震活跃区 ,但不是全部的地震活跃地区 。U S GS 支持的区域地震台站的清单见附录7 . 5 。U S GS 的大部分经费用于已有的国家地震台网和区域地震台网的运行与维护 。U S GS 用于地震监测的资金由联邦政府的年度预算提供 。地震监测经费必须与 U S GS 内 部 、联邦政府的其他项目相匹配 。在 1999 财政年度 ,这项资金中有1 499 万美元用于国内监测 ,380 万美元用于全球地震监测 (请看2 . 6节和其他国家的比较) 。U S GS 签署了一个 3 年的合作协议 ,为区域观测台网提供支持 。U S GS 的大部分资金用来运行和维护地震台网 、数据常规

22、分析及监测结果的发布 。国家 地震减灾项目 ( N EHR P) 给了 U S GS 一些任务和经费 ,但这些经费对于一个现代化的地震观测系统是不足的 。1 . 5 地震监测系统的现代化建设在过去的 20 年中 ,地震台网的现代化步伐是有限的 。大部分进展是靠其他机构的大力支 持 。(1) 国家地震台网 ( U SN SN) 。U SN SN 是由 U S GS 在原子能管理委员会 ( N RC) 的资助下于 20 世纪 80 年代后期建立的 。U SN SN 和全球地震台网 ( GSN) 是 N E IC 的主要数据源 。以 前 N E IC 的数据依靠区域台网中的部分台站来提供 ,宽频宽度

23、和动态范围都是很有限的 ,并且 数据是通过昂贵的 、不可靠的电话线路传输到 N E IC 。现在 N RC 的资助可以使全国 50 个现 代化台站的数据通过专门的卫星线路传输到 N E IC 。(2) 南加利佛尼亚台网 。1994 年 No rt hridge 地震以后 ,在 U S GS 、加利福尼亚技术研究所和加利福尼亚矿山与地质公司的协作下 , F EMA 在南加利福尼亚建设了一个为期 5 年 、总额 为2 000万美元的项目叫 TriNet 。TriNet 项目建设了一个综合的微震与强震观测系统 ,从而提 高了该地区的地震监测能力 ,为工程建设 、科学研究快速响应和震后重建提供服务 。

24、(3) 太平洋西北部海啸预警系统 。NOAA , U S GS 和阿拉斯加 、加利福尼亚 、夏威夷 、俄勒 冈及华盛顿地方州正在改造现有的地震台站 ,以提高海啸监测和灾害预警能力 。这些努力只是在一些特殊的地区为了一些特殊的任务 ,而没有考虑到更广泛的地区和整个国家的需要 。( 4 ) 全球地震台网 。为了搜集全球范围的地震台站的数据 , 美国地震学联合研究会 ( IR IS) 与 U S GS 以及圣地哥的加利福尼亚大学合作建设了全球地震台网 ( GSN ) 。GSN 主要 用于科学研究和一些特殊地区的地震监测 ,最初是由国家自然科学基金委员会 ( N FS) 和国防部提供经费 。后来根据实

25、际需要 ,建立了数据管理中心 ( DMC) ,为用户提供方便的地震数据服务 。在所有这些台网中 ,升级改造的资金都是由一些机构为特别的目的和需要而提供 。因此 , 这些独立项目并没有进行统一的管理与协调 ,结果导致在满足国家地震监测需要时 ,各个台网 参差不齐 。但是这些进展也表明地震界具有建设新的国家地震监测系统的技术和经验 。1 . 6 美国地震监测系统与其他国家的对比与美国一样 ,日本和中国台湾也存在地震监测台网过时 、仪器老化的问题 ,但和美国不同 的是 ,近些年他们已经把区域地震台网 、地方地震台网和国家地震台网进行了数字化改造 ,日 本正在改造全国地震监测的基础设施 。1995 年

26、 Ko be 地震以后 ,日本用于地震研究和监测的 年度预算经费已经增加了一倍 ,达到 1 亿4 400万美元 ,还不包括差不多是这个数字两倍的人员工资 。相比较 ,U S GS 每年用于整个国内地震监测的费用 , 包括人员工资是1 500 万美元 。尽管 U S GS 用于地震监测的费用并不是全部的用于地震和火山活动监测的费用 ,但是却是主要部分 。日本和台湾有充足的经费来实现强震台网的现代化 ,日本大约用 3 亿美元 ,台湾大约用4000 万美元来装备现代化的数字设备 。与此形成鲜明对比的是 ,美国几乎所有的用于强运动 观测的设备都是旧的模拟系统 ,1999 财政年度用于美国国家强震项目

27、( U S GS 出资的) 的预算 经费是 280 万美元 。1 . 7 问题的总结美国的地震监测系统是拼凑起来的 ,现代化进程参差不齐 ,运作的资金来源是有限而不稳 定 。美国的地震监测面临着很多问题和挑战 ,主要的问题如下 。仪器过时老化 ,并且严重不足 ;强震和微震监测系统相互独立 ;地震危险区的台网分布不均匀 ;缺乏统一的运行标准 ;各个台网使用的设备不同 、运行和资助的单位不同 、资料的产出不同 ,整个系统是由这 些松散的台网拼凑起来的 ;缺乏政府对观测系统现代化建设提供长期 、稳定资金支持的承诺 。2 国家地震监测系统概述2 . 1 发展概况国家地震监测系统的概念最早出现在 20

28、世纪 80 年代 ,当时主要是为了统一美国的地震 监测系统 ,其目的是形成一个为现代化的仪器生产 、科学研究 、工程建设和公共安全提供资料 服务的基本框架 。1989 年在 U S GS 出版的题目为“国家地震监测系统科学计划”的报告中 ,提出了这种监测系统所具有的科学和实用价值 。1989 年的这个报告是在国家调查委员会 1980年和 1983 年的“关于美国地震监测系统必要性”报告的基础上完成的 。1990 年国家调查委员会题目为“美国地震活动趋势评与区域地震台网发展”的报告 ,强烈 支持建立一个国家地震监测系统 ,强调了联邦政府“建立一个更加分布合理 、有稳定支持的美 国地震监测系统”的

29、必要性 ,并提出了美国地震监测系统的未来发展趋势 。第 5 期阴朝民译 :美国地震监测系统发展规划97第一代国家地震监测系统于 1993 年由国家地震系统委员会 ( CN SS) 建立 。CN SS 是地震台网运行的国家协会 ,如今其会员有 30 个研究所和机构 ,遍布美国各地 ,从事地震台网运行和 管理 。现在国家地震监测系统运行是靠区域地震台网之间 、区域地震台网与国家地震台网之 间平等的 、在一定范围的数据交换 。除第二章已经说明的以外 ,这个系统的一个根本弱点就是 缺乏微震台网和强震台网之间的综合 。在 1997 年 N SF 编写的“2005 年展望 : 减轻城市地区地震损失的强地面

30、运动项目行动计 划”的报告中 ,提出了关于改进强地面运动数据的采集和发布的计划 。该计划的目标是推进地 震工程 、应急反应 、震后重建和抗震设计规范等方面的工作 。早在 1982 年 、1985 年 、1987 年和1989 年 ,国家调查委员会就已经明确了收集美国强地面运动数据的必要性 。为实现 1997 年 N SF 在 2005 年展望中提出的目标 ,1998 年强地面运动观测组织委员会( CO SMO S) 成立 。CO SMO S 的首要目标是加强强地面运动数据的用户和强震台网之间的密 切联系 。工程界认为传统的地震仪器和策略 ,已经不能为减轻建筑结构的地震灾害提供足够 的数据和信息

31、 。2 . 2 规划和任务在本次准备给美国国会的报告中已经明确了新的国家地震监测系统的发展规划。在编写 本报告的过程中 ,CN SS 的地震学家和 CO SMO S 的地震工程师相聚在一起 ,最终完成了在城市地震危险区把不同尺度上的微震台网和强震台网结合在一起的设计方案 。国家地震监测系统的任务是采用现代的地震观测方法和技术 ,准确 、及时地提供地震信息 以及地震对不同建筑物的影响 。2 . 3 基本目标1998 年 6 月参加编写本报告的所有人员一致同意新的国家地震监测系统的基本目标有 以下 4 个。建立和维护一个覆盖美国 、先进的地震监测系统 。该系统要具有高水平的性能指标 ,并 有效地为

32、国家的需要提供信息服务 。国家地震监测系统由现代观测仪器 、通信网络 、数据处理 中心和训练有素的技术人员组成 。这样的综合系统应该能连续记录和分析地震资料 ,并能及时 、可靠地提供地震信息 。连续监测美国境内的地震和其他灾害 ,包括可能导致海啸的地震或火山爆发之前的地 震 ,特别是在中等以上地震危险区 。准确地监测强烈地震引起的地面 、建筑物和重要构筑物的振动 ,监测的重点是在城区和 活断层附近 ,为减轻地震对建筑物 、构筑物的影响提供重要的基础数据 。当大地震发生时 ,能够自动发出预警信息 。对于非本地的强烈地震 ,能够在地震波到达 前几秒钟给出预警信息 。对于海啸和火山喷发也应该有这样的

33、能力 。2 . 4 系统运行为确保国家地震观测系统发挥作用 ,其运行模式要与过去半个世纪以来现有台网的工作 模式不同 。国家地震观测系统的各个组成部分必须要统一进行组织管理 ,整个系统要按工程化的 方式进行规划设计 、建设和运行 ,以保证每个部分都能充分发挥优势 。国家地震观测系统必须产出和提供准时 、可靠 、有用的信息资料 ,收集国家急需和长期 需要的资料 ,提供地震科学和工程建设需要的 、高质量的数据 。与此同时 ,国家地震监测系统也要向社会公众提供信息服务 。2 . 5发展战略和措施为确保国家地震观测系统实现拥有现代化的仪器设备、有效的数据通讯工具 、一流的技术 标准和高效的组织管理 ,

34、在整个观测系统的规划设计上要考虑以下 6 个关键的因素 。把现有的国家地震台网 、各区域地震台网 、各强震台网形成一个综合的整体 ,用工程化 的方式组成一个全国范围的地震监测系统 ,并形成全国统一的数据流程 。实现地震和火山监测系统基础设施的现代化 。需要对国家地震台网 ( U SN SN ) 进行扩建改造 ,使所有的区域地震台网实现现代化 ,在城市破坏地震危险区利用新型仪器设备进行综 合观测 。安装大容量的数据存储设备和数据处理设备 ,在国家地震观测系统的组织下 ,实现国家 地震台网和区域台网之间实时数据的自动交换 。建立有效的数据管理系统 ,实现本系统所有单元数据的综合处理 、收集 、存档

35、和服务 。积极与中间机构和公众 、个人的协作 ,共同促进地震观测系统的基础建设和现代化进程 (城市地震安全监测是一个社会和个人都关心的问题 ,他们有这方面的兴趣和需求 ,可以把这 些力量吸引到建设国家地震监测系统中来) 。通过培训和公共教育 ,充分利用实时地震信息 ,向社会各界普及地震知识 ( 例如与联邦 紧急事物管理处合作 ,进行地震模拟演习) 。国家新的地震监测系统构成3为了满足国家减轻地震和火山灾害的需要 ,在全国地震监测台网中必须更换那些陈旧的设备 。国家新的地震系统 (AN SS) 由以下几部分构成 。3 . 1 国家地震台网对国家地震台网进行扩建 , 使台站的总数由 56 个增加到

36、 100 个 。美国国家地震台网( U SN SN) 从 56 个台站增加到 100 个 ,并均匀分布于区域地震台网未覆盖的地区 。U SN SN 为 美国国家地震信息中心 ( N E IC) 的地震监测提供原始数据 ,提高对美国大陆地震的速报能力和 监测能力 ,为海啸灾害监测提供实时数据 ,在地震多发区增强区域地震台网的监测能力和快速 响应能力 ,并为一般的科学研究提供数据 。对于目前的国家地震台网来说 , 台站距离约为500 km ,要完成这一任务 ,就显得太稀疏了 。3 . 2 区域地震台网在 1 000 个区域地震台站安装现代化的仪器设备。对于区域地震台网 ,需要把 1 000 个台站

37、的模拟记录仪器改造成现代的数字地震仪器 。区域地震台网改善了中等以上地震危险区地震活动性的时空分辨率 ,提供了震源的综合性质和活动构造过程 。这就需要进行综合的调查研究 ,以确定重点灾害监视区 。例如确定美国所 有具有潜在活动能力的火山 ,并在这些火山20 km以内架设 3 个以上地震台站 , 以监测其活动 。3 . 3城市地震台网在城市安装密集的强地面运动监测台网 。城市地区强震记录严重缺乏 ,现有的强震记录只能满足社会对建筑物抗震设防的最低需 求 ,诸如旧金山 ,洛杉矶 ,西雅图 ,盐湖城 ,安科雷季 ,里诺 ,孟菲斯 ,圣路易斯 ,南卡罗来纳的查第 5 期阴朝民译 :美国地震监测系统发展

38、规划99尔斯顿 ,波士顿和纽约市等有破坏性地震危险的都市地区 。现有设备是不足以满足目前紧急事物管理 、工程建设和科学研究的需要 。要改善城市地区的强地面运动监测 ,需要大量增加仪 器设备 ,详细清单见 (附录7 . 4) 。要再增加 3 000 台自由场 (地面) 强震仪器 ,安装在人口稠密的强地面运动危险区 ,这样有助于速报灾情和破坏性地震的灾后重建 。区域数据中心负责数据的分析和结果的发布 。现 在 ,使用现代仪器设备可以相对低廉地获得强地面震动的观测结果 。这些仪器将部署在经济发达 、人口稠密的地震多发城市地区 ,如旧金山 ,洛杉矶 ,西雅图 ,盐湖城 ,安科雷季 ,里诺 ,孟菲斯 ,

39、圣路易斯 ,南卡罗来纳的查尔斯顿 ,波士顿和纽约市 。桥梁 、高速公路立交桥和电厂等关键 性设施也将安放这样的仪器 。在建筑物中安装强地面运动监测仪器 。还有 3 000 台强震仪安装在建筑物中 ,以解决工程设计 、施工中的显著问题 。这里所说的强震仪要为紧急响应和工程研究提供关键设施和建 筑的观测数据 。这些仪器是国家自然科学基金委员会 ( N SF) 资助的项目中为建筑物部署的10 000台仪器的一部分 ,该项目报告题为2005 年展望 :减轻城市地区地震损失的强地面运动 项目行动计划。第 6 节中的表 3 估算了不同城市地区所需仪器的数量 。3 . 4 国家台网和区域台网中心区域地震台网

40、中心需要进行现代化改造 ,以适应日常地震监测和快速响应的需要 。 为确保对破坏性地震速报的速度和精度 ,国家地震台网中心和区域地震台网中心必须具备足够的存储能力和数据处理能力 (包括软件和硬件) ,实现实时数据采集 、分析处理 ,自动交 换数据和处理结果 。这些任务的完成需要有现代标准 、通用 (操作系统 、通信协议等) 的计算机 系统 ,以及耐用的应用软件 ,并能够对来自地面形变传感器的全部信号的综合分析处理 ,包括全球定位系统 ( GPS) 。各区域地震台网中心要用统一标准进行现代化改造 ,允许它们使用同样的方式与其他区 域地震台网中心 、国家地震台网中心以及公众进行信息交流 。台网中心需

41、要持久的支持 ,以便 制定长远的发展规划并逐步实施 。使用标准的数据格式和分析处理软件 ,以简化区域台网中 心之间的数据交换和区域台网中心与国家台网中心的数据交换 。中等以上地震危险性的大城市地区 ,区域台网中心要以强地面运动数据为基础绘制大震后的强地面运动分布图 。N E IC 要在其他系统中起主导作用 。国家地震信息中心 ( N E IC) 是美国所有地震台网数 据的汇集中心 。因此 ,N E IC 要负责制定数据格式 、数据处理和数据交换的标准 ,它应当成为 , 并且已经成为了所有区域台网和数据中心的备份 。就象在 Lo ma Prieta 和 No rt hridge 地震中 所做的那

42、样 ,如果区域台网中心由于大地震 、断电或其他大的事件而丧失功能 , N E IC 就必须能够接替它们的工作和服务 。这就需要它对数据处理设备 、数据服务设备及其他基础设施进 行现代化的更新和改造 。3 . 5 数据管理与服务中心数据的管理和服务是观测系统的最基本功能。要对地震和火山的活动进行长期的研究 ,就需要对数据存储 、管理设备进行投资 ,使其能够为科学研究收集和提供原始地震数据 。N E2IC 是国家级的地震数据 、地震目录和综合地震信息的汇集和服务的机构 ,它需要更大规模的 设备来完成原始地震数据的归档和发布 。就国家和区域规模来说 ,通过美国地震学联合研究 会 ( IR IS) 数

43、据管理中心 (DMC) 和不同的区域台网中心 (如北加州地震数据中心) 的工作 ,地震 学界在数据的管理与服务方面已经有了丰富的经验 。IR IS 数据中心是现代国家地震监测系统的一个重要组成部分 ,需要对其设备进行更新和改造 ,以处理和存储不断增加的数据 。另外 ,也许会在其他地方建立类似于 IR IS 数据中心和北加州地震数据中心模式的新机构 ,以满 足科学研究工作的实际需要 。3 . 6 流动地震台阵在台站稀疏或重要的地震灾害多发区 ,地震学家通常在震后部署临时台网 。这些临时台 网可以监测余震 ,有助于提高对地方震的认识和了解 。例如 ,只要布设迅速 ,流动地震仪可以帮助确定地震造成破

44、坏的程度 。为便于研究 ,现代国家地震监测系统需要建设两个流动地震台网 ,作为永久性固定台网地震监测的补充 。每个流动台网由 25 台地震仪组成 ,用于监测余 震和其他特殊需要 ,特别在永久性固定台站较少的地区 。这两个流动地震台阵及其附属设备 应容易维护和操作 ,并分别位于美国的东部和西部 。有感震动无感弱轻中等强很强剧烈非常剧烈极度剧烈潜在破坏性峰值加速度/ %g 峰值速度/ cms - 1 烈度无 0 . 17 124 116+1834163134653160资料产出和服务4新的地震监测系统意味着新的产出和新的服务 。新的国家地震监测系统应该为专业和非专业用户提供更好的数据 、更完整及时

45、的信息和 高质量的数据服务 。国家地震监测系统要提供以下 3 种基本信息 : 应急信息 。当地震 、海 啸 、火山喷发发生时 ,及时提供公共安全和应急响应信息 ; 基础信息 。对现代科学研究 、工 程建设和灾害评估来说 ,需要长期积累专业数据 ,这样可以减少未来地震所造成的损失 ; 公 众信息 。包括专家的咨询 ,如教育和科普 、公共政策制定 、规划和设计 、灾害评估和风险管理等 领域 。在飞速发展的信息时代 ,上述任何一种信息 ,都要适应因特网 ( WWW) 和其他信息通讯途 径的服务方式 。在紧急的情况下 ,系统必须能可靠地传输所需信息 ,并且产出的信息必须具有 权威性 、完整性和准确性

46、。为了科学研究 ,需要采取有效的数据管理措施 ,确保数据记录 、数据 处理和数据交换的标准化 ,使观测数据能够及时收集 、归档和检索 。这样可以为实际工作需要 和管理部门的决策提供综合资料 。4 . 1保证公众安全的快速信息在地震、海啸或者是火山喷发时 ,新的国家地震监测系统要及时提供临震信息。当地震灾害 发生的情况下 ,监测系统要为快速警报、应急响应、灾害评估以及震后重建提供有价值的信息。地震预警系统能够在将要到来的强地面振动前几秒给出预警信息 。地震预警是地震监测 技术的一种应用 。在地震发生的过程中 ,预警系统能够对地震自动识别 (在放置地震仪器的地 方) ,并且在强烈的地面振动到来之前

47、的几秒到十几秒内发出预警信息 ,而这一时间的长短取 决于震中距 。预警信息使那些易受到伤害的人们保护自己 ,使一些重要的工作自动停止 ,以免 造成更大的损失 。学校的孩子们可以及时地躲避 ,防止倒塌的建筑物及碎片的伤害 ; 外科医生可以延缓精密的手术 ; 工商界可以停止营业 ,比如对有毒物质的处理 。对于交通运输和生第 5 期阴朝民译 :美国地震监测系统发展规划101命线系统可以采取自动保护措施 ,以避免产生更大的灾害 。快速通告能够帮助快速应急响应物资的分配 。在放置强震仪器的地方 ,可以得到地震的 位置 、大小和强地面运动的分布等信息 ,有关部门就可以采取适当的紧急响应和恢复措施 。权 威

48、的地震应急响应信息能够使应急响应机构了解事件的范围 、采取动员的级别 ,甚至在某种程 度上 ,还包括所需物资的种类以及对可利用物资分配等 。根据国家地震监测系统发布的地震紧急快速响应信息 ,州和地方应急服务机构要采取相 应的应急措施 ,必要时向公众发布灾害警报 。为大的综合城市提供快速地震应急信息 ,需要进 行周密计划 、精心组织和清晰的思路 。地方和区域的新闻媒体要参加地震应急信息的传送与 发布 ,同时也要发展私人参与这方面的工作 。培训和公众教育对与保证应急快速响应非常重要 。培训和公众教育也需要有效地应用实时地震信息 ,特别是地震预警信息 。为使公众对预警信息做出适当反应 ,需要密切 、

49、细心地协 调信息的产出 、发布和应用之间的关系 。培训 、公众教育对于确保升级改造后的地震台网的资 料产出 (如准实时强地面运动分布图) 在紧急事件管理 、公众安全 、震后重建的成功应用非常重 要 。联邦紧急事务管理局在推动紧急事件管理的培训中起重要作用 ,它在推动新的实时技术 的应用方面处于领导地位 。4 . 2长期减轻地震损失的数据和信息 地震台网的资料是所有地震灾害评估和开展地震、火山喷发研究的基础 。 地震台网是认识和防御地震灾害的主要数据和信息来源 。地震科学和工程学的进展是建立在观测数据和实际地震经验基础之上的 。在地震安全方面的进步 ,需要不断地收集地震监 测获得的技术数据 。尽

50、管由国家地震系统收集的地震数据对于基础研究和应用研究都非常有价值 ,但是我们强调的真正价值是减轻地震所造成的损失 。 完整的国家地震目录是进行地震预测 ,开展广泛的地震科学研究以及对国家 、地区和地方规模的地震灾害评估的基础 。 认识地震震源性质和地震的物理机制是进行地震灾害研究的基础 。识别活动断层 、地震发生的时空模式和地震破裂过程 ,可以改进地震灾害评估 。认识大地震的震源机制和地震波的传播效果是地震工程和地震灾害评估的核心 。掌握强地面振动的传播规律和地球对强烈地震反应规律 ,有利于改进建筑物和基础设施的设计性能 。减灾工具的定形和标定是现代应急管理响应和震后重建的基础 。这个过程的基

51、础是建立城市地区的地面振动分布图 、液化灾害的模型以及改进灾害评估的软件 。例如 HA ZU S 软件 ,现在由 F EMA 在全国范围内推广 ,用于预测地震损失 。强地面运动数据是抗震设计 、工程建设进步的基础 。新的国家地震系统要提供强地面运 动的数据 ,用于解决工程设计实践中的突出问题 。强地面运动观测需要 : 定义预计的地面 自由场振动 (也就是建筑物所在的地方的地面振动) ,用作估算结构和系统的特性的输入 ; 改进用以评估地震结构特性的模型和分析方法 。下面的数据和信息将对建筑物 、大坝 、桥梁 、工业设施和生命线的抗震设计产生直接的作用和影响 。特定场地的地面运动和场地响应的测量

52、,能够帮助预测特定地点自由场的地面运动 。如果在损坏的建筑物附近测量 ,可以确定这样建筑物的地面运动 。结构响应 、土层与结构物相互作用的测量 ,能够改进所有建筑物的抗震设计 。对选择的结构进行辅助测量 ,能够对强地面运动的响应进行完整的分析 。这些测量包括 :土层性质 、地动位移 、建筑物地基的瞬时应力和应变 、地下水的压力等 。强地面运动的数据对于工程建设部门从事科学研究和建设的人员是非常需要的 。尤其 是以下资料 : 标准化 、高质量的强地面加速度时间序列记录数据 ; 直接记录的数据 ,如速度 、位移 、频谱 (响应和傅立叶变换) ; 与原始数据记录相关的重要信息 ; 可用的辅助测量数据

53、 。4 . 3 公众信息和专业服务国家对地震监测系统的第三种需要就是信息服务和专家咨询 ,为公众教育 、公众政策的制 定 、规划和设计 、防御和危害管理等活动服务 。人们不仅仅可以通过 web 站点 ,还可以通过其 他方式获取这些信息 。国家地震信息中心 ( N E IC) 是地震信息的国家级出口 ,同时也是 U SN SN 的数据记录中 心 ,现代化的 N E IC 将提供以下的服务 。在新观测系统的资料产出 、资料服务的规划 、开发和协调中起着重要的领导作用 。提供国内和全球地震监测信息和观测报告 。向应急管理机关 、新闻媒体和大众提供先进的服务 。 区域地震台网中心也是区域信息中心 ,它

54、们在促进各州 、区域和地方地震安全方面起到关键的主导作用 。区域地震台网中心要做到以下几点 。通过地震监测 ,直接做出有用的 、具有地区特色信息产品 ( 如 : 地图 、数据库 、观测报告 、出版物 、网站等) 。作为地方 、地区的专业信息出口和存储的中心 ,要向社会有关部门咨询 ,如公共政策的 制定者 、安全部门的官员 、计划和规章的制定机构 、地方商业 、新闻媒体和公众 。通过国家专业地震学家的教育和培训 ,确保地震专业资料的长期有效性 。4 . 4总结总的来说 ,新的国家地震系统将会产生以下效果 。改善对地震和火山灾害的评估 ,这需要在地震监测和减灾对策之间加强联系 。 加强对地震活动性

55、断层和火山的探测工作 ,更好地完成灾害评估 ; 为国家汇编完整的地震目录 。通过更好的对海啸地震的实时报警 、权威的地震和火山预警以及对大城市的强地面运动的分布的预测 ,来及时地向应急管理部门发布地震的信息 。通过对在那些地震灾害多发的大城市强地面运动进行新的观测 ,从而更好地评估强地 面运动中建筑物所遭到的破坏 。为基础研究获取新的资料 ,如开展地震和火山喷发 、地震波的传播 、场地效应 、未来强地 面运动的预测等方面以及城市灾害地震的研究工作 。5国家地震监测系统的建设与管理5 . 1建设的关键环节项目成功取决于 :参加承诺 ,稳定的资金 ,标准化管理 ,合作方式和制定计划 。 在现有的国

56、家地震台网 ( U SN SN) 、区域地震台网 、强地面运动台网的基础上 ,建设国家地震监测系统 (见第 3 节) ,使全国范围内的地震监测 、数据流程达到统一 。项目投资主要在硬 件 、软件和通信系统中 (见第 4 节) 。计划的关键步骤包括以下几点 。(1) 得到被改造的国家地震台网 、区域地震台网或城市地震台网等所有台网的承诺 ,将来第 5 期阴朝民译 :美国地震监测系统发展规划103是国家地震监测系统的一个组成部分 。(2)(3) (4) (5)得到有关方面对新仪器和系统运行 、服务的长期稳定资金支持的承诺 。制定标准和工作目标 ,进行质量控制 ,保证达到预期的效果 。 建立并增加合

57、作伙伴 ,最大限度地利用各种可利用的资源 。制定管理计划 ,以保证国家地震监测系统的各个部分形成一个整体并作为一个真正的系统有效地运行 。5 . 2 经费预算美国地震监测系统现代化建设所需的设备大约需 1 亿 1 700 万美元。 该系统除了现在的资金支持之外 ,还有两个主要方面需要资金支持 :现代化建设和系统的日常运行 。现代化和重新配置 。现有的台网需要购买和安装新的设备 ,而一些区域台网 (如早期的地 震显示系统) 也需要重新配置 ,以适应新的设备的运行 。这部分资金如表 1 所示 。表 1美国地震监测系统的扩建和现代化改造费用(这些费用中包括 U S GS 的管理费用)项目设备费用/

58、万美元国家地震台网 :将没有区域台网地区的 U SNSN 扩大到 100 个现代化台站( 见 4 . 1)区域地震台网 :使所有的区域地震台网实现现代化( 见 4 . 2)城市地震台网 :在地面安装强震仪器 ,用于预警和灾害快速评估( 见 4 . 3)城市地震台网 :在建筑物中安装强震仪器 ,用于灾害的快速评估和地震工程( 见 4 . 3)区域台网中心 :实现观测数据的现代化管理( 见 4 . 4)国家台网中心 :实现观测数据的现代化管理( 见 4 . 4)购买并安装另外的 44 套现代化设备 , 包括每套价值62 500美元的卫星通信设备275购买并安装 1 000 套现代化地震设备 , 包

59、括每套价值31 250美元的通信系统购买并安装 3 000 套强地面运动记录设 备 ,包括每套价值18 750美元的通信系统3 1255 625购买并安装 3 000 套强地面运动记录设备 ,包括每套价值18 750美元的通信系统5 62520 个区域中心的软件和硬件的标准化和现代化改造 ,每个大约 100 万美元N EIC 的软件和硬件的现代化和标准化改 造2 000200数据管理和服务中心( 见 4 . 5)先期已经改造完成0每个台阵的每个台站 ( 一个台阵有 25 个台站) 大约耗资56 250美元用于记录余震和特殊研究的两个便携式台阵( 见 4 . 6)281 . 25合计17 131

60、 . 25由于科技的进步或大批购置仪器设备可以使费用有所降低 。然而在 510 年内 ,投资的基本数量级必须得到保证 ,以实现美国地震系统的现代化 。 系统每年的运行费用大约需要4 700万美元 。稳定运行的支持 。地震台网必须在稳定的资金支持基础上才能运行 。系统每年的运行费用估算如表 2 所示 。表 2美国地震监测系统每年的运行费用项目功能费用/ 万美元地震台网中心 :国家级、区域级和城市级台网运行 ,维护 ,数据处理和信息产出及服务4 050 个点的专用线路 ,每个耗资1 500美元 ,3 000个点的拨 号线路 ,每个耗资1 000美元 分布式的两个数据管理和服务中心 ,每个耗资750

61、 000美元 每年的维护、运行和数据管理3 550通信907 . 5数据管理和服务中心便携式台阵 合计15080 . 04687 . 5城市台站的分布 。地震台站在不同城市分布的初步估计如表 3 所示 。分配的依据是地震危险性程度和人口数量 。实际上这种分配可以根据由州政府和地方政府对城市地震台网发展 的支持力度和其他因素而改变 。附录7 . 6给出了不同类型台站的分布 。表 3不同城市需要布设地震台站的大概数量城市名地震危险性( % G)人口数量( 单位 :百万)危险因子台站数洛杉机 ,加州旧金山 ,加州 西雅图 ,华盛顿州 盐湖城 ,犹他州 安克雷奇 ,阿拉斯加州 圣地亚哥 ,加州波特兰

62、,俄勒冈州 里诺 ,内华达州 孟菲斯 ,田纳西州 圣路易斯 ,密苏里州 圣巴巴拉 ,加州 萨利纳斯 ,加州 圣胡安 ,波多黎各罗沃 ,犹他州 萨克拉曼多 ,加州 拉斯韦加斯 ,内华达州查塔努加 - 诺克斯维尔 ,田纳西州 斯托克顿 - 洛代 ,加州弗雷斯诺 ,加州查尔斯顿 ,南卡罗来纳州 阿尔伯克基 ,新墨西哥州 尤金 ,俄勒冈州埃文斯威 ,印第安纳州 博伊西 ,爱达荷州纽约 ,纽约州波士顿 ,马萨诸塞州 合计889934293525193314105243301917121018121811141176515 . 46 . 53 . 31 . 20 . 32 . 62 . 00 . 31 . 12 . 50 . 40 . 41 . 00 . 31 . 61 . 11 . 10 . 50 . 80 . 50 . 70 . 30 . 30 . 4