強震觀測

強震觀測

強震觀測是地震觀測的重要組成部分,其主要目的是獲取強震發生時地面震動的記錄,為及時有效地組織抗震救災及建立大震應急系統提供科學依據。

(圖)強震觀測地震現場

簡介

強震觀測資料可作為城市大型建築抗震設計的依據,為城市抗震設防提供可靠的數據支持。現實生活中,強震觀測手段已被廣泛運用,如在大橋及一些高層建築物上安裝強震觀測儀,以獲取記錄數據用於分析結構的抗震性能,以便更準確地實施工程抗震加固及為同類新構築物進行抗震設計。

早在十九世紀90年代,有位在東京帝國工程學院任教的地理學家,叫約翰•米尼。他和同事共同發明了第一台能夠精確測量地震強度的測震儀,這種儀器能記錄有關地震的數據。

但是僅僅過了幾年,一場意外的火災,不但燒毀了米尼的家和實驗室。而且燒毀了米尼所收集十餘年的地震數據,但是他並沒有因此而氣餒。在他返回了家鄉———英國以後,米尼繼續從事有關地震的研究工作。到十九世紀初,米尼已經有了一套完整的研究地震的方法。米尼在當時的大不列顛王國內的許多地方共設立了27個測量地震的測量儀器網。直到1913年米尼逝世,全世界已經建立了40個用來監測地震發生的觀測站。

功能

監測、捕捉來自地殼深處的強震信息。

目的和意義

地震預報和防震減災是科學家的目標,而開展這些研究的基礎是對地震的觀測,強震觀測是地震觀測的一個重要組成部分。

強震觀測可為震後快速評估震害和抗震救災服務。利用數字強震觀測網的準實時性,在地震發生後可迅速給出各台站的強震觀測結果,進而定量地給出監視地區的地震活動強度,為及時地和有效地組織抗震救災,乃至建立大震應急系統提供科學依據。強震觀測直接為抗震設防服務。強震記錄是重大工程、構築物抗震設防的依據。強震數據是確定地震動衰減規律、研究場地的土層反應、進行地震危險性分析和地震區劃、震害預測的基礎,設定於工程結構中的強震儀取得的強震記錄數據可用於分析結構的抗震性能,為工程抗震加固和為同類新構築物抗震設計提供科學依據。強震觀測資料也可為地震學基礎研究服務。如它可用於震源模式、震源參數、發展機理、地震波傳播規律等等的研究,特別是近場強地面地震動和震源破裂過程細節的研究。

自20世紀60年代以來,地震工程學的發展促使強震觀測有了大的飛躍,數位技術的引進又使強震觀測進入了一個新時代。由於強震觀測的重要意義,多地震已開發國家加強了強震的觀測和研究。迄今為止,全球強震儀已超過7500台。1994年1月,美國南加州北嶺6.7級地震獲得加速度記錄230條。1995年1月日本阪神地震,165個觀測點獲得了276個主震加速度記錄。我國強震觀測起步較晚,再者投資有限,至今全國設定的強震儀數量不多,且多數是模擬記錄,在數量和觀測技術上遠低於世界平均水平。上海數字強震觀測網是中國最早建立的數字強震網,它的建立對上海的抗震救災、抗震防震起著積極作用。目前國內很多發達地區或城市都開始注重強震觀測網的建設。

國際現狀

(圖)唐山大地震唐山大地震

地震研究中使用地震儀,著重於認識地震現象的規律和地球內部的構造。從工程觀點提出對地震運動的測量是在1923年日本關東大地震之後。日本著名地震學家末廣恭二(Kyoji Suyehiro)首先設計了一個記錄地震加速度時間過程的儀器方案;之後,美國在1932年研製了第一台定名為USCGS型的強震加速度儀,並於次年將第一批4台USCGS儀器安裝於南加州地區。1933年3月10日在加州長灘地震中取得了世界上第一個地震加速度記錄。之後,強震觀測逐漸引起地震工程界與地震界的廣泛重視,到目前,全球已布設了大約1萬5千多個強震台。
美國 全國有5000多台強震儀,其中USGS所轄台網約1000台;加州 4000台以上。Tri-Net台網有實時監測台80台、撥號台100台,擴建目標是670台。1999年USGS提出的ANSS計畫,擬在26個受地震影響較大的大城市內布設6000台強震儀(3000布設於自由地表、3000布設於結構,僅洛杉磯市就布設1300台)。
日本 全國已布設強震儀5000多台。其中日本氣象廳的烈度速報台網有574個強震台、K-Net有線遙測強震台網有1000個數字強震儀台(台站間距約為25公里)、KiK-Net井下強震台網有522個井下強震台、日本消防廳FDA從1996年開始實施了一個在3225個社區各布設一個帶有加速度擺烈度計的計畫。在台灣集集大地震發生後,日本政府又提出了再增加2000台數字強震儀的新計畫。
伊朗 1000台以上,墨西哥:430台(1995年)。
智利、冰島、澳大利亞 等國家也有一定規模的強震觀測台網
中國台灣地區 共布設強震儀1500餘台,都市區內台站間距約3公里米,為世界之最。
A. 台灣中央氣象局地震測報中心,700 多個自由場強震台(其中 76 個台實時遙測),56 個建築物、橋樑台陣。
B. 台灣中央研究院地球科學研究所,SMART2 台陣(花蓮,40個自由場點、4台井下),LSST 土—結相互作用台陣(花蓮, 37台強震儀,結構為核反應堆安全殼1/4模型)。
中國大陸 工力所是中國最早開展強震觀測的單位,1962年在新豐江水庫主壩上建立了中國第一個實驗性強震觀測站。1966年邢台地震和1976年唐山大地震後,強震觀測台網有了較大的發展。到“九五”末期,全國固定強震台405個(其中自由地表188台、結構166台、烈度速報152台、其它3台)、流動強震儀 200餘台。在“九五”期間設立的強震觀測項目有: (1)9501項目:固定台70個,流動台30個, 其它10個。(2)首都圈防震減災示範區:固定台120個,流動台20個。(3)專用台陣:唐山響嘡三維場地影響台陣(擴建),中國地震局防災大樓遙測結構台陣(57道) (4)國家強震數據中心(中國地震局工程力學研究所)。

存在問題

(1)台網規模太小,(2)觀測設備陳舊、儀器性能落後,(3)台站場地資料不完整,(4)觀測技術的研究開發投入嚴重不足。 在“十五”期間,中國地震局計畫投入2000台數字強震儀來建設國家數字強震台網。

發展動態

一、台網規模迅速擴大
發展強震觀測台網需要巨額投資,經費不足制約了許多國家和地區強震觀測的發展。但是,隨著經濟的不斷發展,強地震造成的經濟損失越來越嚴重。1994年1月美國北嶺6.7級地震造成了300億美元的經濟損失,一年後的日本阪神地震造成的經濟損失更高達1000億美元。這使許多國家和地區的政府和研究機構清醒地認識到,作為減輕地震災害的一項重要基礎工作,必須進一步加強強震觀測台網建設。因而,大幅度增加了強震觀測的經費投入,提高台網的布設密度,擴大台網的覆蓋面積。如日本在台灣集集大地震發生後,感到現有的台網密度仍需進一步提高,於是提出了再增加2000台數字強震儀的新計畫。中國在“十五”期間也擬加大對強震觀測台網建設的投資。

二、大震預警系統和應急控制系統迅速發展
將布設在震源區的密集強震台網獲得的記錄數據通過電話線或無線電傳送到一定距離外的大城市或重要工程,就可以在大地震到達前數秒至數十秒內發出警報,及時採取應急措施,減輕生命財產損失。除了這種實時監測的大震預警系統外,還有一種準實時監測系統,一般通過撥號電話傳送地震信息,可在地震發生後數分鐘內快速確定地震震中和震級以及地震影響範圍與大小等,以便有關部門採取應急行動。數字強震台網和觀測技術的迅速發展為建立大震預警系統和地震應急控制系統提供了技術基礎。許多國家和地區已設計和實施了建立這種系統的計畫,並取得了一些初步成果。
1、日本:緊急地震檢測和警報系統UrEDAS,已在鐵路新幹線上廣泛套用。
2、墨西哥:地震警報系統SAS。1995年9月4日Guerrero地區發生7.3級地震,SAS系統在地震波到達墨西哥市前72秒鐘發布了警報,大大減少了人員的傷亡和經濟損失。
3、美國 :Tri-Net台網,地震動參數網上速報。
4、台灣 :地震動信息速報系統(76台數字強震儀);為台北市提供地震預警服務的花蓮實時強震觀測系統。
5、核電站系統:世界上幾乎所有的核電站都布設有強震觀測與地震預警系統。

三、基於強震台網的震害快速評估系統
利用強震觀測記錄對建築物和結構的震後安全狀況進行快速評估,用以指導震後應急反應和修復計畫,是強震觀測的又一發展方向。目前,類似的系統主要有:
1、日本東京煤氣公司:1994年運行的煤氣管道系統震害破壞狀態評估系統SIGNAL(331台譜烈度計);1998年1月開始建立的高密度實時地震監測系統SUPREM(3600台新型譜烈度計)。

2、日本橫濱市實時地震災害評估系統 READY:主要包括1997年建成的密集強震監測子系統(包括150台數字強震儀和9個井下擺),1998年建成的實時地震災害評估子系統,1999年建成的破壞信息收集子系統。

3、美國科學家開發的建築物震後安全快速評估系統,它基於強震儀記錄的建築物地震反應和已有的專家知識。該系統在台灣許多建築物上布設。

四、建立地震工程綜合試驗場
選擇地震活動性高的合適場地,進行詳細的場地地質勘探和測試,建造典型試驗結構與模型,布設各種強震觀測台陣,以求最大可能獲得不同場地的地震動觀測數據和結構地震反應觀測數據,檢驗和改進現有的各種理論分析和抗震設計方法。這是推動和加快地震工程學進一步發展的最有效措施。

日本早在70年代就建立了小型的實驗場。東京大學生產技術研究所在千葉實驗室內建造了2棟結構模型,觀測地震時模型的實際反應。90年代初,歐洲科學家在希臘Thessaloniki附近的沉積穀地建立了歐洲第一個以場地影響與結構地震反應觀測為主的地震工程試驗場EuroSeisTest(結構模型為兩個有磚石填充和無磚石填充的五層簡易樓房)。

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