趙 楠，江沛春，張光華，夏仕安

(1.六安市地震臺(tái)，安徽 六安 237002；2.六安市地震局，安徽 六安 237002；3.安徽省地震局，安徽合肥 230001）

六安臺(tái)觀測系統(tǒng)儀器速度與加速度記錄波形特征對(duì)比分析

趙 楠1，江沛春2，張光華1，夏仕安3

(1.六安市地震臺(tái)，安徽 六安 237002；2.六安市地震局，安徽 六安 237002；3.安徽省地震局，安徽合肥 230001）

通過對(duì)六安臺(tái)觀測系統(tǒng)速度與加速度記錄臺(tái)基噪聲譜密度以及頻響特性測定，分析了兩個(gè)觀測系統(tǒng)記錄地震波參數(shù)所具特征，并通過震例加以說明，為提高臺(tái)站地震分析能力與開展臺(tái)站烈度速報(bào)工作提供技術(shù)依據(jù)。

速度；加速度；特征參數(shù)；烈度速報(bào)

0 引言

經(jīng)過 “十五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)，我國地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)已達(dá)到規(guī)模化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，地震臺(tái)站在監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)的速報(bào)中擔(dān)任了重要的角色。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，全球大地震明顯活躍，近十年來就發(fā)生了多次8.0～9.0級(jí)的巨大地震，在我國大陸就發(fā)生了四川汶川8.0、青海玉樹7.3破壞性大地震，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，國內(nèi)震害快速評(píng)估系統(tǒng)、烈度速報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)迫在眉睫。目前，很多臺(tái)站將速度與加速度計(jì)通過6通道的數(shù)采實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸?shù)脚_(tái)網(wǎng)中心，如何分析處理其中的加速度數(shù)據(jù)，為大震時(shí)能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)的速報(bào)，是一個(gè)新的課題。

結(jié)合六安臺(tái)的觀測系統(tǒng)，開展微震與強(qiáng)震動(dòng)觀測數(shù)據(jù)特征參數(shù)分析，能夠提高臺(tái)站觀測人員分析數(shù)據(jù)的能力，為日后的烈度速報(bào)儲(chǔ)備知識(shí)。

1 臺(tái)站觀測系統(tǒng)與噪聲分析

1.1 臺(tái)站觀測系統(tǒng)

六安臺(tái)地震觀測系統(tǒng)由EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器 （6通道）、BBVS-60寬頻帶地震計(jì)和BBAS-2加速度計(jì)組成[1]，系統(tǒng)完成臺(tái)站地動(dòng)速度與加速度信號(hào)拾取、采集、存儲(chǔ)或傳輸。六安臺(tái)地震觀測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 六安地震臺(tái)地震觀測系統(tǒng)設(shè)備圖Figure 1 Device diagram of seismic observation system of Lu'An station

1.2 臺(tái)站記錄的噪聲功率譜

我們知道，理論上臺(tái)站速度記錄可用以下公式描述：

加速度記錄可用公式 （2）描述：

其中：AV為速度記錄的最大振幅、Aa為加速度記錄最大振幅、ω為角頻率、Φ為地震波介質(zhì)傳播隨機(jī)初始相位。

也就是說，任意一個(gè)地震過程特征的描述，除與振幅大小，地震波的起始相位有關(guān)外，還與地震動(dòng)的頻譜有關(guān)，因此，有必要分析儀器系統(tǒng)的頻響特性及臺(tái)基噪聲譜密度分布。

首先，我們對(duì)六安臺(tái)BBVS-60與BBAS-2兩個(gè)觀測系統(tǒng)運(yùn)行記錄的地脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行的譜分析[2]。選取了同一個(gè)時(shí)間段 (2012年1月16日04時(shí))兩個(gè)系統(tǒng)記錄的一小時(shí)地脈動(dòng)信號(hào)，用傅里葉頻域變換方法，運(yùn)行程序Cal_20090110噪聲分析處理程序，計(jì)算得到臺(tái)站場地的地動(dòng)速度與加速度在1～40 Hz頻段的噪聲功率譜密度變化曲線，見圖2。

圖2 六安臺(tái)BBVS-60與BBAS-2系統(tǒng)記錄臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線Fig2 Base noise power spectrum density curve recorded by Lu'an Station Systems BBVS-60 and BBAS-2

結(jié)果兩個(gè)系統(tǒng)記錄噪聲譜在1～40 Hz頻段譜均呈正向趨勢(shì)，變化形態(tài)相同，說明兩個(gè)系統(tǒng)近場記錄地脈動(dòng)頻譜在同頻段相似。但BBAS-2系統(tǒng)在10 Hz附近變化則相對(duì)恒定，而BBVS-60系統(tǒng)記錄地動(dòng)噪聲在1 Hz附近低于BBAS-2系統(tǒng)。整體而言，BBAS-2系統(tǒng)噪聲水平要高于BBVS-60系統(tǒng)，相差達(dá)10 dB以上。

因此，BBAS-2系統(tǒng)更適合近場地震記錄，尤其是較大 （M≥5.0）地震記錄，而BBVS系統(tǒng)適合記錄近場微小 （M≥1.0）或遠(yuǎn)場較大地震記錄。

2 儀器標(biāo)定信號(hào)分析

儀器標(biāo)定的作用是檢測系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，測定觀測系統(tǒng)頻響特性是否滿足地震觀測要求。不同系統(tǒng)標(biāo)定方法與要求不同，但測定結(jié)果有相同、相似之處，也有不同之處，這需要我們對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)和處理結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析，這樣才能夠?qū)ε_(tái)站記錄的不同物理量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行有用的處理，達(dá)到真正把臺(tái)站的地震觀測記錄數(shù)據(jù)應(yīng)用到實(shí)際的地震學(xué)研究、烈度速報(bào)與工程應(yīng)用中。

BBVS-60系統(tǒng)標(biāo)定通常采取階躍和正弦信號(hào)標(biāo)定進(jìn)行系統(tǒng)的周期、阻尼和頻響特性測定，為臺(tái)站記錄地震的到時(shí)、震相、振幅與周期相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析處理的可信度提供依據(jù)[3]。

BBAS-2強(qiáng)震動(dòng)系統(tǒng)常規(guī)則采用方波標(biāo)定測定儀器系統(tǒng)的頻率特性與阻尼性質(zhì)，分析強(qiáng)震系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。下圖3為兩個(gè)系統(tǒng)UD(Z)向階躍標(biāo)定和方波標(biāo)定記錄波形。

圖3 BBVS-60的UD階躍標(biāo)定波形Fig.3 UD step calibration waveform of BBVS-60

圖4 BBAS-2的Z分量方波標(biāo)定波形Fig.4 Z-componentsquarewavecalibrationwaveformof BBAS-2

采用Cal_20090110標(biāo)定分析處理程序進(jìn)行標(biāo)定信號(hào)幅頻特性計(jì)算測定，圖4為六安臺(tái)兩個(gè)觀測系統(tǒng)UD向地震計(jì) （加速度計(jì)）頻響特性曲線。

由圖4可知，BBVS-60系統(tǒng)地震計(jì)在1～40 Hz頻段幅頻平坦、相位線性；而BBAS-2系統(tǒng)則在10～80 Hz頻段幅頻基本平坦，相位同樣線性，不同系統(tǒng)頻響特征在高頻段明顯?？紤]到采集器采樣率通常為100 Hz，兩個(gè)系統(tǒng)基本都能清晰記錄近場地震過程。但是BBAS-2加速度計(jì)低頻端頻響不夠理想，不適宜遠(yuǎn)場地震記錄。

測定參數(shù)結(jié)果：BBVS-60系統(tǒng)UD向，周期60.359s，阻尼0.7094，主二階極點(diǎn)：-0.073841±0.073371i；BBAS-2系統(tǒng)Z分量，周期0.052s，阻尼0.7080，主二階極點(diǎn)：-59.099576±-0.396239i。

圖5 BBVS-60的UD幅頻特性曲線Fig.5 UD amplitude-frequency curve of BBVS-60

圖6 BBAS-2的Z幅頻特性曲線Fig.6 Z amplitude-frequency curve of BBAS-2

3 臺(tái)站微震記錄與強(qiáng)震動(dòng)記錄的區(qū)別

前面所述，六安臺(tái)微震觀測主要分析地震波初動(dòng)、到時(shí)、地震最大振幅與對(duì)應(yīng)周期 （或頻率）、不同近震 （≤300 km）地方震 (≤50 km)的震相或遠(yuǎn)震面波震相與尾波衰減等參數(shù)，這些參數(shù)主要應(yīng)用于地震學(xué)、地球物理科學(xué)、地震活動(dòng)性預(yù)測研究和臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)[3]。

強(qiáng)震動(dòng)觀測數(shù)據(jù)主要是研究地震動(dòng)過程的最大振動(dòng)振幅 （記錄場地震動(dòng)峰值加速度，稱之儀器加速度），最大振幅起始時(shí)間、地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間，地震動(dòng)頻譜 (高頻能量集中部分)，這些參數(shù)主要應(yīng)用于地震發(fā)生時(shí)描述臺(tái)站近場地震影響程度 （場地加速度），也就是常說的地震烈度。就是通過測定臺(tái)站記錄地震動(dòng)計(jì)算加速度來估計(jì)地震區(qū)域的烈度，或場地受震影響或破壞程度。

4 震例分析

我們選擇2011年1月19日發(fā)生在安徽安慶4.8級(jí)一個(gè)強(qiáng)有感地震，說明不同系統(tǒng)記錄地震波參數(shù)的特征。六安臺(tái)BBVS-60與BBAS-2系統(tǒng)都很好地記錄了這次地震，見圖5和圖6。

采用相關(guān)分析處理軟件分別對(duì)六安臺(tái)BBVS-60與BBAS-2系統(tǒng)記錄安慶地震進(jìn)行震相識(shí)別、震級(jí)測定、震中測定；地震動(dòng)加速度計(jì)算以及持續(xù)時(shí)間讀取，其結(jié)果見表1。

安慶4.8級(jí)地震波到達(dá)六安地區(qū)約22.71 s，強(qiáng)有感最大震波達(dá)到約40.11 s。對(duì)于地震預(yù)警而言，六安地區(qū)的地震預(yù)警是有足夠的時(shí)間。臺(tái)站測震記錄測定該地震震級(jí)以及震中初步位置，而強(qiáng)震動(dòng)記錄測定震譜卓越頻率在10 Hz左右，烈度為Ⅳ度，判定該地震對(duì)六安地區(qū)影響不大。

5 結(jié)語

由上可知，臺(tái)站在測震觀測基礎(chǔ)上增上強(qiáng)震動(dòng)觀測，除了保證臺(tái)站正常的地震監(jiān)測與速報(bào)工作外，對(duì)開展臺(tái)站烈度測定和臺(tái)網(wǎng)烈度速報(bào)有十分現(xiàn)實(shí)意義，尤其是在那些具有潛在中強(qiáng)以上地震危險(xiǎn)的地區(qū)，增加強(qiáng)震觀測臺(tái)站更有必要。通過對(duì)臺(tái)站觀測系統(tǒng)速度與加速度記錄數(shù)據(jù)特征分析，能夠逐步提高臺(tái)站人員的地震資料分析能力，同時(shí)，也能夠逐步提高臺(tái)站人員對(duì)強(qiáng)震動(dòng)系統(tǒng)的熟悉過程。

圖7 六安臺(tái)BBVS-60系統(tǒng)記錄到1.19安慶4.8級(jí)地震波形Fig.7 LU'AN Station of BBVS-60 system for recording AnQing 4.8 of Seismic velocity waves

圖8 六安臺(tái)BBAS-2系統(tǒng)記錄的1.19安慶4.8級(jí)地震加速度波形Fig.8 LU'AN Station of BBAS-2 system for recording AnQing 4.8 of Seismic acceleration waves

表1 六安臺(tái)BBVS-60系統(tǒng)記錄安慶4.8級(jí)地震處理結(jié)果Table 1 LU'AN Station of two systems recording AnQing 4.8 Seismic Processing Result

表2 六安臺(tái)BBAS-2系統(tǒng)記錄安慶4.8級(jí)地震處理結(jié)果Table 2 LU'AN Station of two systems recording AnQing 4.8 Seismic Processing Result

4 結(jié)論與建議

由上可知，臺(tái)站在測震觀測基礎(chǔ)上增上強(qiáng)震動(dòng)觀測，除了保證臺(tái)站正常的地震監(jiān)測與速報(bào)工作外，對(duì)開展臺(tái)站烈度測定和臺(tái)網(wǎng)烈度速報(bào)有十分現(xiàn)實(shí)意義，尤其是在那些具有潛在中強(qiáng)以上地震危險(xiǎn)的地區(qū)，增加強(qiáng)震觀測臺(tái)站更有必要。通過對(duì)臺(tái)站觀測系統(tǒng)速度與加速度記錄數(shù)據(jù)特征分析，能夠逐步提高臺(tái)站人員的地震資料分析能力，同時(shí)，也能夠逐步提高臺(tái)站人員對(duì)強(qiáng)震動(dòng)系統(tǒng)的熟悉過程。

當(dāng)然，測震臺(tái)站大多建在基巖上，因需要是在環(huán)境干擾小、背景噪聲低的地方運(yùn)行，而強(qiáng)震動(dòng)觀測更多需在土層場地、橋梁、大壩等結(jié)構(gòu)方面的觀測。如何兼顧烈度速報(bào)與地震預(yù)警，如何合理規(guī)劃布局、適當(dāng)加密強(qiáng)震觀測臺(tái)站是我們應(yīng)考慮的問題。

本工作中，許多地方得到了安徽省地震局監(jiān)測中心儀器室張學(xué)應(yīng)的幫助與指教，在此表示衷心地感謝。

[1]趙楠，江沛春，張光華，等.BBAS-2強(qiáng)震動(dòng)觀測與資料分析[J].地震地磁觀測與研究，2011，32(S1)，94-98.

[2]林建生，謝文杰，吳淑美，等.泉州地震臺(tái)數(shù)字地震儀臺(tái)址的地脈動(dòng)噪聲分析[J].華南地震，2011，3（1），18-27

[3]中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.地震學(xué)與地震觀測 （試用本）[M].北京：地震出版社.

[4]陳建濤，葉春明.建立南海地震海嘯預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)思[J].華南地震， 2010，30(S1)：145-152.

Comparative Analysis of Velocity and Acceleration Waveforms Characteristics Recorded by Lu'An Station Seismic Observation System

ZHAO Nan1，JIANG Peichun2，ZHANG Guanghua1，XIA Shi'an3

(1.Lu'an Seismic Station,Lu＇an 237002,China；2.Earthquake Administration of Lu'an,Lu＇an 237002,China；3.Earthquake Administration of Anhui Province Hefei 230001,China)

By measuring base noise power spectrum density and frequency response of velocity and acceleration recorded by Lu'An station observation system,this paper analyzes seismic wave parameters characteristics of two observation systems,and further illustrates with earthquake examples,which provides technical basis for improving analysis capability and intensity report operation work in observation stations.

Velocity；Acceleration；Characteristic Parameters；Intensity Report

P315.62

A

1001-8662（2012）03-0081-07

2012-01-10

安徽省地震局2011年合同制課題資助

趙 楠，男，1986年生，助理工程師.主要從事地震監(jiān)測與觀測數(shù)據(jù)分析。E-mail:zhaonan925@sina.com.