引言

国内外重大地震灾害救援行动的经验和教训表明,震后政府的快速有效应急响应是破坏性地震发生后保持社会稳定的重要因素。破坏性地震发生后,应急管理部门、公用事业和其他相关管理机构最迫切的需求是了解地震造成破坏的相关信息,并依此做出快速的应急响应和科学的救灾决策,最大程度减少人员灾害损失,尽可能在较短的时间内恢复社会秩序。传统的强震动台网是获取地震破坏分布信息的手段之一,但是,大规模、高密度强震动台网存在着诸如建设成本高昂和运维难度大等困难。Evans等(2005)提出了基于低成本微机电系统(MEMS)烈度仪建设地震台网的设想,用以弥补传统强震动台网由于台站间距大、获取的地震灾害分布信息分辨率低的缺点。近年来,研究人员对烈度仪与传统强震动仪记录的数据进行了大量对比研究,探讨了烈度仪用于地震监测的可行性和可靠性。观测实验结果表明,烈度仪具备中强以上地震观测的能力(D’Alessandro等,2013王浩等,2013Evans等,2014)。由于烈度仪价格低廉、布设方便、维护成本低,一些国家和地区近年来相继开展了高密度烈度仪观测台网建设,以期通过建设高密度烈度仪台网提升获取地震烈度分布信息的时效性和可靠性(Cochran等,2011Hsieh等,2014Clayton等,2015于海英等,2017Wu等,2018)。

2015年北京市地震局开展了“简易烈度仪地震预警示范项目”建设,在北京建设了40个烈度仪台站。2018年2月12日河北永清发生M 4.3地震,北京市行政区范围内普遍有感。地震发生后,北京市地震局立即对烈度仪台网获得的地震动记录数据进行了处理,其中,有35个烈度仪台站获得了有效的震动记录。本文将对北京烈度仪台网获得的此次地震记录进行了初步分析。

1 烈度仪台站

烈度仪台站均建设在土层场地上,布设地点主要为北京地震台网内已经停测或无法实时传输的强震动台站,烈度仪采用地面安装方式。利用无线网络进行数据实时传输,数据采样率为100Hz,并通过JOPENS软件系统实现数据汇集。

2 记录情况

2018年2月12日河北永清M 4.3地震中,北京烈度仪台网35个台站共获得105条记录,另外5个台站由于电源故障或设备死机,未获取记录。在此次地震中,北京烈度仪台网记录峰值加速度最大的台站是丰台地震台(D0001),峰值加速度10.76cm/s2,方向为东西向,该台站距震中约61km。距震中最远的烈度仪台站为怀柔三块石台(M0004),距震中约158km,峰值加速度为2.13cm/s2图 1为丰台地震台和三块石台烈度仪记录的地震波形。此次地震35个台站记录的初至震相均清晰可辨认,显示烈度仪台站具备良好的获取地震记录的能力。


图 1 烈度仪台加速度记录 Fig. 1 Accelaration record from the seismic intensity meter station
3 仪器烈度计算

根据《仪器地震烈度计算暂行规程》(中国地震局监测预报司,2015),首先对获取的记录应进行基线校正处理,采用4阶巴特沃斯(Butterworth)带通滤波器对每个分向记录进行0.1—10Hz带通滤波,通过积分加速度记录获得速度时程。仪器烈度计算公式如下:

$ {{I}_{\text{PGA}}}=3.17\text{lg}\left(\text{PGA} \right)+3.59 $ (1)
$ {{I}_{\text{PGV}}}=3.00\text{lg}\left(\text{PGV} \right)+9.77 $ (2)

其中,PGA为合成三方向加速度峰值,PGV为三方向合成速度峰值。如果IPGAIPGV均大于等于6.0,则仪器地震烈度IIPGV值,否则IIPGAIPGV的算术平均值。

通过计算,产出了本次地震的仪器烈度分布图,结果显示烈度仪台站仪器烈度最大的为丰台地震台,仪器烈度为Ⅲ度,分布于平原区的烈度仪台站仪器烈度多为Ⅱ度,北部山区仪器烈度为Ⅰ度(图 2),显示出仪器烈度随震中距增加而逐渐减小的特征。


图 2 烈度仪台站仪器烈度分布 Fig. 2 The distribution of intensities from intensity meter stations
4 与强震动台站记录对比分析

为验证烈度仪台站获取地震动记录的能力以及记录结果的可靠性,在南口中学台(11NKZ)、大华山台(11DHS)和三块石台(11SKS)安装了烈度仪,烈度仪台编号为K0001(南口中学台)、N0004(大华山台)和M0004(三块石台)。3个台站的强震动仪数据采集器型号均为Reftek 130-ren,加速度传感器型号为SLJ-100;烈度仪为北京港震仪器设备有限公司生产的GL-P2B型烈度仪。烈度仪和强震动仪主要性能指标见表 1。在此次地震中3个台站的强震动仪和烈度仪均获得了记录,11NKZ、11DHS和11SKS台站的震中距分别为108km、106km和158km。

表 1 烈度仪和强震动仪主要参数指标 Table 1 The main specifications of seismic intensity meters and acceleration meters

图 3为强震动仪与烈度仪的原始记录波形,数据记录按同一起始时刻截取。由图 3可见,强震动仪与烈度仪记录的地震波形及峰值加速度十分相近,相应通道记录的峰值最大偏差均小于0.1cm/s2。为定量评价强震动仪与烈度仪获取的地震记录在时域和频域上的相关程度,采用式(3)计算强震动仪与烈度仪记录的时域皮尔森(Pearson)相关系数,用式(4)计算强震动仪与烈度仪记录的幅度平方相干系数。

$ {{r}_{xy}}=\frac{\text{conv(}x\text{, }y\text{)}}{{{\sigma }_{x}}{{\sigma }_{y}}} $ (3)
${{C}_{xy}}=\frac{|{{P}_{xy}}{{|}^{2}}}{{{P}_{xx}}{{P}_{yy}}} $ (4)

图 3 同台址烈度仪与强震动仪原始记录波形 Fig. 3 Uncorrected record of seismic intensity meter and acceleration meter at same station

其中,rxy为相关系数,反映的是两过程在时域上的线性相关程度,相关系数越接近于1,相关性越强,conv(xy)为xy的协方差,σxσy分别为xy的标准偏差;Cxy为幅度平方相干系数,反映的是两过程在各频率上分量间的线性相关程度,Cxy为1时,表示2个时程信号完全相干,Pxyxy的互功率谱密度,PxxPyy分别为xy的自功率谱密度。

通过计算得到南口中学台(11NKZ,K0001)EW、NS、UD分向的皮尔森相关系数分别为0.98、0.98、0.97;大华山台(11DHS,N0004)EW、NS、UD分向的相关系数分别为0.96、0.97、0.92;三块石台(11SKS,M0004)EW、NS、UD分向的相关系数分别为0.97、0.96、0.89。计算结果表明强震动仪与烈度仪的地震记录在时域上是强相关的。

图 4为3个台站的强震动仪与烈度仪记录在频域上的相干性结果,其中南口中学台和大华山台强震动仪与烈度仪的3个分向的波形记录在1—20Hz频率范围内具有强相关性,而三块石台强震动仪与烈度仪的3个分向的波形记录在2—20Hz频率范围内具有强相关性。三块石台站(11SKS、M0004)的相干频带小于其它2个台站,可能与震中距较大(158km)、地震记录信号衰减过大有关。


图 4 同台址强震动仪与烈度仪原始记录幅度平方相干性结果 Fig. 4 Magnitude squared coherence between seismic intensity meter and acceleration meter at same station

图 5对比了同台址强震动仪与烈度仪记录的3个分向数据的信噪比,结果显示,在0.1—20Hz范围内,3个烈度仪台站事件(用实线表示,下同)与噪声(用虚线表示,下同)的信噪比远低于同台址的强震动仪记录事件与噪声的信噪比,尤其是低频信号记录能力明显比同台址的强震动仪低。


图 5 同台址未校正烈度仪与强震仪记录的信号及噪声谱 Fig. 5 Singnal and noise spectra of intensity meter and acceleration meter at same station

依据《仪器地震烈度计算暂行规程》(中国地震局监测预报司,2015)对数据记录进行0.1—20Hz带通滤波,计算了3个台站的仪器烈度。11NKZ、K0001台站仪器烈度计算结果为Ⅱ度,11DHS、N0004、11SKS、M0004台站仪器烈度为Ⅰ度,表明强震动仪与烈度仪的仪器烈度具有较高的一致性。

为了解烈度仪获取加速度记录的可积分性,通过积分计算3个台站的强震动仪和烈度仪记录的速度和位移时程,并采用4阶巴特沃斯带通滤波器对数据记录进行滤波。依据幅度平方相干性结果,11NKZ、K0001和11DHS、N0004台站滤波频带取1—20Hz,11SKS、M0004台站滤波频带取2—20Hz。滤波后,强震动仪与烈度仪的峰值加速度均有所降低,表明地震记录存在一定程度的高频成分。采用式(3)计算了3个台站的的强震动仪与烈度仪加速度记录积分后获得的速度和位移的相关系数,其中11NKZ与K0001台站EW、NS、UD分向的速度记录相关系数为0.99、0.99、0.98;位移记录相关系数为0.99、0.99、0.99。11DHS与N0004台站EW、NS、UD分向的速度记录相关系数为0.99、0.96、0.97;位移记录相关系数为0.96、0.97、0.97。11SKS与M0004台站EW、NS、UD分向的速度记录相关系数为0.98、0.98、0.96;位移记录相关系数为0.97、0.97、0.97。

计算结果表明,强震动仪与烈度仪的地震记录积分后获得的速度和位移在时域上是强相关的,烈度仪加速度时程具有一定的可积分性。图 6给出了3个台站的垂直向校正加速度记录以及积分得到的速度和位移时程。


图 6 烈度仪与强震动仪校正记录波形 Fig. 6 Corrected record of seismic intensity meter and acceleration meter at same station
5 结论

本文对2018年2月12日河北永清M 4.3地震的北京烈度仪台网记录情况进行了讨论,对同台址强震动仪和烈度仪的记录波形进行了对比,结果表明:

(1)距震中158km的台站清晰地记录了此次地震,北京烈度仪台网具备记录中强地震的能力。

(2)同台址强震动仪和烈度仪地震记录在时域上是强相关的,南口中学台(11NKZ、K0001)和大华山台(11DHS、N0004)强震动仪与烈度仪3个分向的波形记录在1—20Hz频率范围内具有强相关性,而三块石台(11SKS、M0004)强震动仪与烈度仪3个分向的波形记录在2—20Hz频率范围内具有强相关性。三块石台(11SKS、M0004)的相干频带小于其它2个台站,可能是因其震中距较大,导致地震信号衰减过大。

(3)强震动仪的信噪比远高于同台址的烈度仪,烈度仪记录低频信号能力明显低于同台址强震动仪。

(4)烈度仪产出的仪器烈度结果与强震动仪一致。

(5)烈度仪加速度时程具有一定的可积分性。

综上所述,在烈度仪设备稳定运行的前提下,烈度仪台可用于进行烈度速报,通过建设价格相对低廉的烈度仪台网提高烈度速报时效性是一条可行的途径。在建设烈度仪台网时,需考虑烈度仪的动态范围指标,避免烈度仪台站功能单一化。

致谢: 本文采用了北京市强震动台网提供的地震数据,中国地震局工程力学研究所国家强震动台网中心提供的强震数据处理软件,并利用matplotlib开源软件进行图件绘制;审稿专家提出了宝贵的修改建议,在此一并表示感谢。
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