关于构建中国六级地震预测预报预防系统的设想

关于构建中国六级地震预测预报预防系统的设想
 
荣大龙
（2008-10-18，首发于《科学网》）

一、引言
现在，工业、交通、银行等部门到处安装各种各样的安全警报器，例如有了锁和防盗警报器，现在很少有人天天担心小偷来光顾，但是并不意味着不需要公安人员对小偷的预测；每家每户安装总开关、熔断器和漏电防触电保护器，现在很少有人天天担心家中出现短路和触电事故，但是并不意味着配电站不要安装总开关、总熔断器、总漏电防触电保护器和其它测试仪器，并不意味着不需要供电专家预测电力安全运行的隐患问题了；如此等等。
事实上，地震预测预报也可以这样处理，可能最终出路是走共同的如此之类的习惯模式。在这种科学模式下，老百姓，尤其是地震多发区的老百姓就很少再天天担心地震来光顾了。
现在国内外巨大的工业及交通系统，如大型发电厂、大型化工厂、大型供电系统等广泛采用全自动计算机集散控制系统，即DCS系统（计算机分散检测控制、集中管理模式），可靠性安全性大大提高。这是国内外工程决策与控制领域的主流方向。
相比之下，国内外地震预测预报预防系统停留在落后的计算机分散检测（由于受到单一国家经费的限制，站点很少，检测盲点非常多，隐患非常大，这是预测预报准确性差的主要因素之一；而且检测参数可能并不全面）集中决策（不少停留在人工决策阶段）-控制-管理阶段，这种模式在一般现代化工业及交通系统中早已经淘汰了，因为可靠性安全性非常差，非常危险。
无论国内国外的地震预测预报预防系统，应该迅速进行现代化改革，并且应该进行彻底头彻尾、脱胎换骨式的改革，才是根本出路。
二、对中国地震预测预报预防系统的建议
（1）除了国家经费检测站点以外，在所有学校、大型机关、规模工厂、农村的村建立社会基本检测站点（设备经费大约2、3万由各单位承担，监测人员一般由单位门卫人员兼任），这些站点全部计算机自动联网，估计全国要100万个测试点。再加上家庭和个人配置的个人型地震预测预报报警器，那就有几亿个。
（2）建立中央-省（直辖市）-市县（适当增加一些编制）-乡镇（由兼职人员承担）-村（由兼职人员承担）五级地震预测预报预防系统，加上群众的个人型地震报警器，共为六级。
中央-省（直辖市）级地震预测预报预防主要从事地震的中长期和远临性（提前3天到几个月）临震预测预报工作，市县级根据上面的中长期和远临性临震预测预报资料和当地现场实际情况直接操作全自动计算机控制的近临性（提前10分钟到两天）临震预测预报机器，分两次发布：先为网络和电话方式发布，后为直接拉响高音喇叭警报器，情况特别紧急时首先拉响高音喇叭警报器。再加上群众个人型地震预测预报报警器，地震妖魔，尤其是大地震妖魔根本不可能在如此严密的层层设防的天罗地网中漏掉。
三、地震预测研究的顺序与相关技术
以前地震专家的科研方向可能存在一定的问题，贪大求洋，钻牛角尖太多，钻难题太多，把事情复杂化和神秘化，并不从最简单的最基本的最有用的地方入手，而把主要精力放在难度极大提前几个月的远临性地震临震预测预报上，而对提前几分钟的比较简单的近临性地震临震预测预报并不重视，关起门来搞得神乎其神。事实上，地震预测预报是边缘性学科，需要各个领域的人员参加处理。
这种情况，真像一个人在考试时，先做难题目，再做简单的题目，那到后来根本来不及了，慌慌张张两个方面都没有搞好。
现在，地震预测预报领域解决问题的次序应该为：
首先解决容易处理的提前10分钟～两天内的强地震近临性临震预测预报问题，再解决难度极大的提前三天到几个月的强地震远临性临震预测预报问题。
例如，一般房屋的跨塌预测也有近临性跨塌预测预报问题和远临性跨塌预测预报问题。要进行房屋的近临性跨塌预测，可以安装基于压力、位移等传感器的报警器，最短的逃生时间仅几秒，即房顶的自由落体时间；而房屋的远临性跨塌预测是非常困难的，谁知道这座房屋何年何月跨塌，不确定因素非常多。
虽然当前人类不能看到地底下几公里的情况，但是也已经摸索到了一定的规律。要进行地震的近临性临震预测，可以安装基于地磁场、地振动、地应力等传感器的报警器，地震发生前夕，尤其是大发生前夕，地磁场、地应力等参数变化非常大，很容易检测到，最短的逃生时间可以达到10多分钟以上（根据北川中学的发现），即大地块的在阻力巨大的松散物体中的落体时间，客观世界物体的运动状态是不能突变的，能量的状态也是不能突变的，状态的转换必须有过渡过程时间（一般物体的化学爆炸过渡过程时间比较短，而巨大物体的惯性很大，机械运动的状态转换过渡过程时间一般都比较长），这是自然规律。而要进行地震的远临性临震预测是非常困难的，因为不确定因素非常多。
越是接近事件的发生进行预测越简单并且越准确，越是远离事件的发生进行预测越复杂并且越不准确。这是千真万确的自然法则，一般随机性自然事件和社会事件的预测都遵循这个自然法则。检测点越多越准确，检测盲点越少越准确，所以要搞“群测群防”。“群测群防”的现代术语就是“密集分布式检测决策控制”，可靠性高而风险性低。
必须24小时不间断监测，采样时间可以定为1秒，不漏掉每一个异常信号。
对于提前10分钟～两天内的强地震近临性临震预测预报工作，应将地磁场参数作为预测用的第一类重要参数（可以低成本大规模布点。例如，地磁场大小和方向抖动幅度-时间t趋势曲线的不断增大处，即趋势曲线急剧弯曲处就是“危险点”，时间紧迫时动用高音喇叭警报系统报警。指南针是初级也是非常有用非常廉价的传感器），将特型振动参数作为预测用的第二类重要参数（也可以低成本大规模布点，大地震发生前夕的地声本质上是振动产生的；而且大地震发生前夕，一般已经有地下物体的非巨大振动形式的摩擦滑动，引起特型振动，这是引起地声的根本原因），将地应力参数作为预测用的第三类重要参数（由于要深挖井，成本非常高，只能极少量布点，因此影响了预测的准确性），将基本振动参数作为预测用的第四类重要参数（也可以低成本大规模布点，大地震发生前一般已经有多次小地震，可以作为预测大地震的参数之一），将特型电磁波参数作为预测用的第五类重要参数（只能极少量布点。大地震发生前夕，一般已经有地下物体的非巨大振动形式的摩擦滑动，甚至有化学反应等，引起红外异常和地光等），将其它参数作为第六类重要参数。
因此，技术关键除了地震预测预报决策理论与技术以外，计算机软硬件控制系统的设计技术、传感器技术（如上面叙述中的特型振动-地声测量技术）、信号检测-分析-处理技术等都是非常重要的。实际上，当今的技术难点主要是传感器技术、信号检测-分析-处理技术和决策控制技术。
这种提前10分钟～两天内的强地震短临性临震预测预报工作，由县市地震局完成。县市地震局应该配备现代化的设备精良的自动化设备，除了人工输入一些必要的信息以外，其余可全自动执行，完成提前10分钟～两天内的强地震近临性临震预测预报工作。
因此，今后应该大大加强处于第一线的县市地震局的力量。
四、关于县市地震局的规模和运行机制方面的一些建议
我们以一个有人口百万的大县为例。该县面积1500平方公里。县地震局编制大约20来人，学历至少本科以上。在县地震局配备现代化的的计算机自动分散检测-集中决策-集中控制-集中管理的网络自动化设备，其中：县地震局内拥有10多台当今工业控制最可靠的同普通PC软硬件百分之百兼容的可编程自动控制器PAC（如美国数字仪器公司的最新机型）；分散检测点包括县地震局直接拥有的若干个检测点，还有500多个“群测群防”点（平均三平方公里有一个测试点，设备经费和人员由各单位承担），全部同县地震局的计算机连网。不要忘记了手工方式的控制，即看到指南针大飞转、地光，听到地声，立即拉响高音喇叭警报器。
设想：根据中央和省地震局的中长期预测和远临性预测，这个县和附近的9个县的区域内在今后的第100天到第110天内会发生5级地震。
接到这个通知，这10个县，连同周围的其它10个县，人口大约2千万人，面积大约3万平方公里，共20来个县的地震局就立即进入特别状态，人员不够，可临时从别的县市调来。由于是计算机网络全自动检测和搜索，并且检测站点总共有1万个，很快就可精密锁定最异常的某面积不超过10平方公里的区域，即可疑的地震中心，根据多因素模糊决策-控制理论，在接到通知后的第90天，发现有几个因素快进入临界状态，自动化机器就立即进行网络发布，过了六个小时，发现更加危险了，直接驱动高音喇叭警报系统。现假定从采用直接驱动高音喇叭警报系统发布算起，结果1个小时以后发生了5.8级地震，地震中心就是原来90天前就锁定的面积不超过10平方公里的那个区域。
这样的高度自动化的系统，再加上老百姓家中配备的个人型地震报警器，地震妖魔，尤其是大地震妖魔根本不可能在如此严密的层层设防的天罗地网中漏掉。老百姓也放心了。
这类处于最前沿的县一级的地震计算机自动分散检测-集中决策-集中控制-集中管理近临性临震预测预报系统，对于中央和省而言，它们却是分散检测-决策-控制环节，最前沿的临场决断事情由县一级的自动化机器执行，危急关头，有时可人工根据指南针、地声、地光情况直接拉响警报器。老百姓家中的个人型报警器，对于县一级的地震系统而言，这些千千万万的报警器就是千千万万个分散检测-决策-控制环节。预测难度很大的地震远近临性临震预测预报和中长期预测预报工作应该机器自动决策与人工决策相结合，由中央和省地震局完成。因此，就整个大系统而言，这样的系统是非常科学和合理的。
到时，地震局的工作，是非常科学的，是人人羡慕的。
五、关于大规模发展个人型地震仪器和其它地震仪器产业的建议
大规模发展个人型地震仪器和其它地震仪器产业是预测预报预防震和推动地震科学技术进步的最重要的措施之一，也是地震预测预报预防真正地走上良性循环发展道路的根本出路之一。
建议国家大力推行改革和开放政策，鼓励大批企业家和地震专家在这一广阔的领域内竞争，生产出大批琳琅满目的高质量的产品。
这种新兴产业在今后十年里的市场份额，以全球范围而言，估计有几千亿美圆，因为这种产业直接同人类个人和家庭的利益息息相关。凡是老百姓迫切需要的，就有广阔的市场。中国人应该在这一领域内引领世界潮流，为全人类谋取福利！
这种巨大产业可以安排数十万人就业，国家还可以收到大量的税。国家应该执行严格的生产准入证制度，规定2/3的产量必须由四川地震 灾区工厂生产，也鼓励各地企业家到那里办厂。到时，四川某地将成为世界著名的地震仪器城。地震企业家与地震科学家相结合，积极性越来越高，使得产品质量越来越高，反过来可大大推动地震科学技术的发展。这就是良性循环。
所以，这样的事情，何乐而不为！ 
六、当前存在的一些问题
（1）对预测理论与预测技术的认识还比较模糊。
（2）当今，一般地震局技术员预测地震：一是利用测振仪器，测量大小地震，二是打深井，测量地应力、地位移、地下水情况等，还有用测磁仪器（非指南针，现在老百姓可暂时使用指南针，只是土办法），全国不超过2000个站，由于站点太少，有时技术员拿了个测磁仪器到处跑动测量。他们就是根据这些东西来预测地震的。由于人员少，因此测试面非常局限，结果可想而知。这种落后的方式是不可能将预测预报工作搞好的。所以，最终出路就是如同家家户户安装熔断器来预测电器设备短路事故一样，家家户户安装地震预测预报报警器。再上面就是县里的现代化自动化地震预测预报测试-决策-管理分布式网络系统。现在处于第一线的县里的地震局几乎只是一个传达上面文件的机构而已。
（3）问题在于一个省国家经费设立的地震预测检测站点有几个？上次福建地震时，根据网上反映，福建100个不到，平均一个县只有1个。谁知道四川汶川有几个地震预测检测站点。映秀镇上有无站点？北川中学附近有无站点？这次攀枝花地震中心有无测试站？这些就是要害，就是最重要的弱点。地震预测又不像天气预报。可能在人口密集区域，每2、3平方公里应该有1个站点，地牛才能不会漏网。那么，一个县，至少要500来个。
（4）若站点太少，存在大量的盲点，那么即使水平很高的地震专家也无能为力。就是要预测一个高楼跨塌，也需要在许多点上安装传感器。
（5）现今一些科学家致力于用卫星探测地球的地磁场异常、红外异常等的研究，用于地震的预测预报，但是一般只能用于中长期预测预报，而不能用于地震的短临预测预报。因为，用单个卫星扫视中国所有地区非常困难，而且即使可以，周期也很长。一个县一个卫星不现实。所以行之有效的是：基于地磁场、地声和地振动测量，研制低成本基本地震预测预报仪器，大规模布点，如布点100万个，再适当增加一些其它的测试仪器，计算机联网，形成高度自动化数字化的计算机分布式决策-控制-集中管理系统，是科学进行地震预测预报预防的根本出路。
七、中国特色地震预测预报预防系统
不要以为外国人没有这样做，我们中国人也不能这样改革。
粗略估算：每个县有自动联网的500个检测站，平均一个村一个，其中绝大部分设备经费和管理人员及经费为各单位承担。500个检测站，每个站的设备经费大约2万元，共计1000万；而县地震局中心的设备与几个典型的专业点设备与房子共需要经费1500万，总计2500万。全国有2000来个县，总共1百万个检测站，经费500亿元（不含“群测群防”点的房子和管理人员费用），5年内实现。老百姓的个人型地震预测预报仪器费估计也是500亿，合起来为1000亿。作为一个多地震的大国，作为一个社会主义国家，还是非常划得来的。显然，仅靠国家财政是不可能实现的，只有国家财政、地方财政、“群测群防（分散检测）”点单位财政相结合才能解决。尤其1百万个检测站的房子和管理人员，必须由“分散检测”点单位承担，比如管理人员就由门卫人员兼任，仅是看管一下而已，仪器是高度自动化的，只是一些人工观察的信息需要计算机手工键入。
所谓“群测群防”，亦即“分散检测”的现代含义就是：“密集分布式计算机网络检测-决策-控制-管理系统”。可见，“群测群防”并不是“人海战术，糊弄乱来”。现代说法就是：地震预测预报计算机密集分布式检测-决策-控制系统，再加上群众的个人型报警器。
而象美国那样的国家是很难这样做的。最大的难点是：“每个县有自动联网的500个检测站，平均一个村一个，其中绝大部分设备经费和管理人员及运行经费为各单位承担”，这种方案，在美国是无法实现的，美国在一定程度上是一个“扯皮社会”。而让美国普通老百姓购买个人型地震预测预报仪器，只要质量过关，估计还是会欢迎的。
我们要建立中国特色社会主义和谐社会，应该进行大胆革新与开放、大胆探索与实践。
以后，即使提前几分钟的地震预测预报警报器普及到亿万家庭，还是非常需要地震专家的提前几天到几个月的远临性临震地震预测预报，还有地震中长期预测预报。这叫“多级分层决策与控制”。

地磁场异常是进行地震近临性临震预测的重中之重的第一类参数　　

荣大龙　　

（2008-10-18，首发于《科学网》）　　

绝大部分地震预测前兆参数可归结为地磁场参数，地磁场异常是进行地震近临性临震预测的重中之重的第一类参数。可以证明：地磁场异常是所有地震发生的必要条件，而大的地磁场异常是地震发生的充分条件。　　

一、引言　　

在地震发生之前，当地地壳内已经有各种异常的物理和化学状态变化。地震的孕育一般历经：慢速变化（可比喻为地块出现裂纹，历时几个月到几年）-快速变化（可比喻为地块裂纹快速撕裂，历时几天到几个月）-特快速变化（可比喻为地块裂纹大部分撕裂，历时几小时到几天）-超特快速变化（可比喻为地块已经彻底撕裂，正在加速下落，产生巨大摩擦，引起发声振动，如地声；因巨大摩擦，引起温度急剧升高，红外异常，地光，历时几分钟到几小时）-地震爆发 （可比喻为地块下落时同另一个坚硬的大地块产生激烈的机械碰撞）五个阶段。　　

在前四个阶段，当地地壳内的状态变化可以归结为：当地地壳内物体的机械运动（非巨大振动形式的机械运动）、热运动、物理相变（固态、液态和气态等）、化学反应状态产生了异常。进一步不难归结为：当地地壳内任意一点物质的化学成分、密度、速度和温度的状态产生了异常。　　

二、“地磁场异常是所有地震发生的必要条件”的简要证明　　

令P=（X，Y，震）为某地震区域内下部地壳中的任意一点，P点处物质同地震有关的主要物质性状参数有：化学成分C（X，Y，Z，t），密度ρ（X，Y，Z，t），速度（矢量，具有大小和方向）V（X，Y，Z，t），温度θ（X，Y，Z，t）。在平静期，参数C、ρ、V和θ同时间t无关，因此P点处多余的电子数（由于电子的热迁移原理，地心处缺少电子，带正电荷，而地表处出现多余的电子带负电）恒定，运动方向恒定，因此当地地壳内总的地电流的大小和方向不变，从而当地的地磁场（大小和方向）恒定。显然，在地震发生之前的孕育阶段、正在发生时和结束以后的自平衡期，参数C、ρ、V和θ中至少有一个产生变化，也就是跟随t的变化而变化，C、ρ和θ都直接同多余的电子数有关，从而使得总的地电流的大小产生变化，间接地使得总的地电流的方向产生变化，总的使得地磁场产生变化；而V的变化使得总的地电流的方向产生变化，总的使得地磁场产生变化。因此，这几种情况都使得地磁场产生变化。一般，在地震孕育的超特快速变化（历时几分钟到几小时）和正在发生时（一般为几秒到几分钟），地磁场（大小和方向）异常非常激烈。必要性得证。　　

三、“大的地磁场异常是地震发生的充分条件”的简要证明　　

一般在地磁场测试传感器（如基于指南针原理和别的测试原理）附近存在干扰磁场，太阳黑子所引起的磁暴可以改变地磁场大小的1%左右，对地磁场的方向也会干扰，这是无法避免的；附近有含铁物品、家用电器，干扰可以很大，但是只要安装正确，这些干扰是很容易避免的；来自外面空中的由工厂设备、无线电通讯等引起的干扰信号，这是无法避免的，但是这些干扰信号，相对较弱；当地的气候、季节变化，也会使得地磁场变化，但是影响相对较弱。正因为有了这些干扰因素，绝对不能说，当地的地磁场变化了，必然有地震发生，因为这些磁场干扰信号很难同小地震引起的地磁场异常相区分。但是，相对于大地震和特大地震孕育的特快速变化期（一般为几分钟到几小时）和正在发生时（一般为几秒到几分钟）所产生的地磁场异常，这些干扰信号是微不足道的。例如，2008年5月12日，北川中学初二（1）班发现地震发生前13分钟，教具指南针大飞转，显然，别的干扰信号没有那么大的能力。大的地磁场异常是地震发生的充分性得证。　　

当然，随着信号分析与处理技术、硬件滤波和软件滤波技术的进一步发展，可能到时连小地震产生的地磁场异常信号也可以从杂乱无章的地磁场信号中方便地检测和分离出来。　　

四、绝大部分地震预测前兆参数可归结为地磁场参数　　

不难理解：其它的一些预测监测地震的前兆参数，如地振动、地声、地应力、地温、地下水、地位移、地气、地电阻等的任何一个参数都可归结到地壳中参数C、ρ、V和θ中某几个的变化，从而都可归结到地磁场参数的变化。但是，反推理是不行的，就是地磁场参数的变化必定有地振动、地声、地应力、地温、地下水、地位移、地气、地电阻中的每一个产生变化，例如太阳黑子所引起的地磁场参数的变化同地振动、地声、地应力、地温、地下水、地位移、地气、地电阻等毫无关联。　　

还有预测监测地震的前兆参数，如地光、红外异常、地电流、地电场、地电压、电磁波等，根据基本电磁感应定律，它们都是同地磁场紧密相关的。　　

至于作为预测监测地震前兆之一的动物异常，实际上是前面一些参数的异常引起的。　　

因此，绝大部分地震预测前兆参数可归结为地磁场参数。　　

五、地磁场异常是进行地震近临性临震预测的重中之重的第一类参数　　

为什么可以说“地磁场异常是进行地震近临性临震预测的重中之重的第一类参数”呢？　　

（1）绝大部分地震预测前兆参数可归结为地磁场参数。　　

（2）地磁场参数的实际工业化测量不必进入地球内部进行，在技术上容易实现，适合大规模低成本布点。预测预报的准确性同布点密度成正比。若中国有100万个农村村的话，那么一个村用一个地震测试点是比较合适的。显然，测试仪器的低成本也是非常重要的。甚至，基于这种低成本地磁场参数测量可以做成10分钟临震报警器，推广到中国亿万家庭。　　

（3）其它容易测量并且可大规模低成本布点有：地振动测量（根据地震纵波横波传播速度不同可研制提前几秒的地震报警器）　　

（4）还要研究，一旦成功可以大规模低成本布点有：地声测量。在地震孕育的超特快速变化阶段，可比喻为地块已经彻底撕裂，正在加速下落，产生巨大摩擦，引起发声振动。这种特型机械振动是必定存在的。一旦研究成功可以大规模低成本布点。　　

（5）其它的一些前兆参数，有的很难实现，有的安装比较麻烦，有的成本太高而不适合大规模布点。　　

因此，地磁场异常是进行地震近临性临震预测的重中之重的第一类参数，地磁场状况真实地反映了地球（地球是地球上所有动植物包括人类的母亲）的身体状况。　　

六、地震预测预报的多因素决策与控制　　

由于预测监测地震的前兆参数有几十种，所以地震预测预报系统实际上是多因素决策与控制系统。面对这几十种前兆参数，往往觉得眼花缭乱、无所适从，千头万绪到底那一个是头？　　

我们要对这些参数排队，从重要性、经济性、测试可行性等方面进行全面考虑和运作，可以得出：　　

地磁场异常是进行地震近临性临震预测的重中之重的第一类参数（决策与控制的权重最大），地声测量为第二类参数，地应力测量为第三类参数，地振动测量为第四类参数，其余为第五类参数。将几十种前兆参数降解为五类，而后再降解为一类（地磁场异常）。　　

如此进行处理，似乎地震近临性临震预测，亦即地震的短临预测预报还是可以实现的。　　

因此，现今一些科学家致力于用卫星探测地球的地磁场异常、红外异常等的研究，用于地震的预测预报，但是一般只能用于中长期预测预报，而不能用于地震的短临预测预报。因为，用单个卫星扫视中国所有地区非常困难，而且即使可以，周期也很长。一个县一个卫星不现实。所以行之有效的是：基于地磁场、地声和地振动测量，研制低成本基本地震预测预报仪器，布点100万个，再适当增加一些其它的测试仪器，计算机联网，形成高度自动化数字化的计算机分布式决策-控制-集中管理系统，是科学进行地震预测预报预防的根本出路。