董 俊 項(xiàng)月文 李清武

1) 江西九江揚(yáng)子塊體東部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，江西九江 332006

2) 江西省地震局，江西南昌 330026

0 引言

基于國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程建設(shè)的江西子項(xiàng)目，已建成由25 個(gè)基準(zhǔn)站、58 個(gè)基本站和52 個(gè)一般站組成的江西地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)，這些臺(tái)站依次采用的是測(cè)震儀、強(qiáng)震儀、烈度儀3 類觀測(cè)儀器[1]。為有效發(fā)揮地震預(yù)警系統(tǒng)功能作用，除臺(tái)網(wǎng)合理布局、加密站點(diǎn)因素外，測(cè)震儀、強(qiáng)震儀與烈度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)相互高度融合是一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)[2]。因此，了解和掌握這3 種儀器性能差異和數(shù)據(jù)特征，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配度分析非常重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)測(cè)震儀、強(qiáng)震儀和烈度儀同步觀測(cè)做了不少試驗(yàn)和對(duì)比分析。例如：以在美國(guó)北部、歐洲和中國(guó)數(shù)字臺(tái)網(wǎng)CDSN，QCN，MyShake 和P-alert 項(xiàng)目為例，闡述了MEMS 烈度儀在國(guó)內(nèi)外地震預(yù)警領(lǐng)域中的發(fā)展及應(yīng)用[3]。通過(guò)對(duì)同一臺(tái)基上強(qiáng)震儀與地震儀記錄地震數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震觀測(cè)和非強(qiáng)震觀測(cè)在一定頻帶范圍內(nèi)是可以相互替代的，實(shí)時(shí)傳輸?shù)膹?qiáng)震記錄通過(guò)仿真成速度時(shí)程或者位移時(shí)程可以用于地方震及近震的監(jiān)測(cè)[4]。通過(guò)背景噪聲對(duì)陡河地震臺(tái)布設(shè)的3 類儀器進(jìn)行了性能優(yōu)劣性對(duì)比[5]。以2015 年河北昌黎ML4.5 地震為例所做的烈度儀記錄與強(qiáng)震及測(cè)震記錄的對(duì)比分析，認(rèn)為烈度儀臺(tái)站記錄與強(qiáng)震臺(tái)站和測(cè)震臺(tái)站記錄具有一定的一致性和相關(guān)性[6]。用強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)河北ML3.0 以上地震進(jìn)行定位分析，其結(jié)果符合地震定位相關(guān)要求[7]。而河北臺(tái)網(wǎng)通過(guò)對(duì)預(yù)警和測(cè)震數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，預(yù)警系統(tǒng)用于地震定位的發(fā)震時(shí)刻和震中位置時(shí)基本符合要求[8]。上述研究大多是基于某一單一儀器，或某兩種儀器的對(duì)比分析，江西地區(qū)此類觀測(cè)研究還是空白。本項(xiàng)目擬應(yīng)用江西子項(xiàng)目建設(shè)的測(cè)震儀、強(qiáng)震儀、烈度儀3 類儀器的記錄數(shù)據(jù)，分析這3 類儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)特征和性能指標(biāo)，并對(duì)這3 類儀器同步觀測(cè)記錄到的地震事件進(jìn)行分析研究。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲分析

1.1 儀器參數(shù)與數(shù)據(jù)選取

本研究選擇吉安基準(zhǔn)臺(tái)及臨近一般站為觀測(cè)研究場(chǎng)址。選擇儀器是江西地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)使用的GLS60 測(cè)震儀（JIA 臺(tái)）、TDA-33M 強(qiáng)震儀（QYQHD 臺(tái)）及ES-T 烈度儀（D0003 臺(tái)）。表1 是3 種類型觀測(cè)儀器主要技術(shù)參數(shù)。在選擇記錄數(shù)據(jù)時(shí)，排除振動(dòng)干擾事件和斷記影響，選取2023 年2 月20 日的24 小時(shí)連續(xù)記錄背景噪聲進(jìn)行分析。

表1 3 種類型觀測(cè)儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of three types of observation instruments

1.2 數(shù)據(jù)處理分析

測(cè)震儀記錄速度物理量，而強(qiáng)震儀和烈度儀記錄加速度物理量。為便于測(cè)震儀、強(qiáng)震儀和烈度儀記錄數(shù)據(jù)的比較分析，將測(cè)震儀速度記錄采用微分方法轉(zhuǎn)換為加速度記錄，統(tǒng)一3 種類型觀測(cè)儀器的輸出物理量。之后，使用數(shù)據(jù)處理噪聲分析專門軟件對(duì)3 種類型儀器記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分道和噪聲計(jì)算，分道結(jié)果為EW 向、NS 向、UD 向。圖1 是經(jīng)微分及分道處理后的3 種類型儀器記錄場(chǎng)址地脈動(dòng)噪聲波形圖。

圖1 3 類儀器噪聲記錄Fig.1 Three types of instrument noise records

從圖1 可知，強(qiáng)震儀和烈度儀記錄波形存在明顯的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，測(cè)震的記錄波形較平穩(wěn)。

計(jì)算場(chǎng)址地脈動(dòng)噪聲的加速度均方根值（RMS），用RMS 值衡量臺(tái)基背景噪聲水平：

式中，Xi為某點(diǎn)實(shí)測(cè)地動(dòng)加速度信號(hào)數(shù)值，n為觀測(cè)數(shù)據(jù)采集頻點(diǎn)總數(shù)。

計(jì)算3 種類型儀器各分向地脈動(dòng)加速度噪聲RMS 值（表2），明顯可見(jiàn)，測(cè)震儀記錄站址背景噪聲RMS 值最小，強(qiáng)震儀記錄噪聲水平比測(cè)震儀高出近3 倍，而烈度儀記錄的噪聲水平整體比強(qiáng)震儀高出近1 個(gè)數(shù)量級(jí)，采樣率均為100 Hz。

表2 3 類儀器噪聲記錄RMS 值Table 2 RMS values of three types of instrument noise records

從頻域分析，也可以反映地震波形的性質(zhì)，特別是某些頻域的振幅對(duì)工程建筑會(huì)產(chǎn)生重大影響，值得我們關(guān)注。我們對(duì)3 種類型儀器記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲功率譜分析，結(jié)果如圖2 所示，測(cè)震儀記錄的噪聲功率譜值為-160～-110 dB，位于高噪聲模型（NHNM）與低噪聲模型（NLNM）之間，而強(qiáng)震儀記錄的噪聲功率譜值為-130～-90 dB，只有大于0.1 Hz 的高頻段位于NHNM 附近，而烈度儀記錄的噪聲功率譜值為-90～-60 dB，幾乎完全在NHNM 曲線上方。

圖2 3 類儀器的噪聲功率譜Fig.2 Noise power spectra of three types of instruments

1.3 儀器自身差異性分析

由于江西地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)使用儀器來(lái)自多個(gè)廠家，為排除儀器自身差異性對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的影響，筆者選取了2023 年2 月20 日00:00—24:00 江西預(yù)警臺(tái)網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)，比較了不同廠家同類型儀器的噪聲功率譜密度曲線（圖3），發(fā)現(xiàn)只有泰德公司和瑞祺皓迪公司生產(chǎn)的烈度儀記錄數(shù)據(jù)噪聲功率譜能夠看出較明顯區(qū)別：泰德廠家的烈度儀噪聲功率譜值都集中在紅線上面部分，整體都比瑞祺皓迪廠家烈度儀噪聲功率譜值（下面紅線部分）要高出一點(diǎn)，但2 個(gè)廠家烈度儀噪聲功率譜差異不超過(guò)10%。港震、深研院等其他生產(chǎn)廠家之間同類型的儀器數(shù)據(jù)對(duì)比，差異不是十分明顯。本文認(rèn)為不同廠家同類型儀器自身存在有差異性，特別是其中2 款烈度儀顯示出略有差別的噪聲功率譜密度曲線，反映了兩款儀器的動(dòng)態(tài)范圍差異，在記錄大地震時(shí)可能會(huì)有所影響，但這對(duì)測(cè)震儀、強(qiáng)震儀和烈度儀這3 類儀器之間的對(duì)比分析結(jié)果影響不大。

圖3 江西地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)烈度儀噪聲功率譜疊繪圖Fig.3 Stacked drawing of noise power spectra of intensity meters in Jiangxi Earthquake Early Warning Network

2 地震事件分析

以2022 年12 月3 日3 時(shí)40 分發(fā)生在江西贛州市大余縣境內(nèi)的一次地震為例，使用目前我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的MSDP 軟件進(jìn)行地震定位處理[9]（圖4），3 種型號(hào)儀器清晰的記錄到這次地震事件，它們的P 波初動(dòng)用于地震定位，且定位殘差都很小，無(wú)明顯區(qū)別，但S 波初動(dòng)只有測(cè)震儀的波形數(shù)據(jù)能夠確定。測(cè)定震級(jí)（ML）時(shí)，7 個(gè)基本站強(qiáng)震儀測(cè)定結(jié)果（BS001～2.9 級(jí)、BN001～2.4 級(jí)、BX003～2.5 級(jí)、BG001～3.1 級(jí)、BQ001～3.0 級(jí)、DS001～3.0 級(jí)、BA001～3.5 級(jí)）、1 個(gè)一般站烈度儀測(cè)定結(jié)果（B0007～2.6級(jí)）與4 個(gè)基準(zhǔn)站測(cè)震儀測(cè)定結(jié)果（DAY～1.9 級(jí)、GAZ～1.8 級(jí)、LON～2.3 級(jí)、WAA～2.2 級(jí)）比較，存在明顯偏差。

圖4 江西地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)記錄的12 月3 日大余地震Fig.4 Dayu earthquake recorded on December 3，2022 by Jiangxi Earthquake Early Warning Network

分析認(rèn)為，強(qiáng)震儀、烈度儀記錄地震可用于地震定位，但震級(jí)測(cè)定則應(yīng)以測(cè)震儀記錄數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，強(qiáng)震儀、烈度儀記錄數(shù)據(jù)測(cè)定震級(jí)僅作參考。

3 討論

通過(guò)對(duì)江西預(yù)警臺(tái)網(wǎng)測(cè)震儀、強(qiáng)震儀和烈度儀3 種類型儀器記錄數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，認(rèn)為臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行的強(qiáng)震儀和烈度儀存在較大零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，而測(cè)震儀記錄數(shù)據(jù)較平穩(wěn)；烈度儀記錄噪聲水平總體上高出強(qiáng)震儀1 個(gè)量級(jí)，而強(qiáng)震儀記錄噪聲水平比測(cè)震儀高3 倍左右；不同頻帶測(cè)震儀都能夠有效地完整記錄較寬頻帶內(nèi)的背景噪聲，強(qiáng)震儀只能有效記錄大于0.1 Hz 的自然噪聲。相比之下，烈度儀記錄的僅僅是設(shè)備本身的噪聲，無(wú)法有效記錄場(chǎng)址地脈動(dòng)噪聲。另外，對(duì)不同廠家同類型儀器的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)存在不同廠家烈度儀的動(dòng)態(tài)范圍差異，在記錄大地震時(shí)可能會(huì)有影響，但儀器本身差異性對(duì)測(cè)震儀、強(qiáng)震儀和烈度儀這3 種儀器間的對(duì)比分析影響不大。

通過(guò)對(duì)記錄地震事件的分析與研究，認(rèn)為3 種類型儀器都能夠清晰有效記錄地震事件波形，記錄到的P 波初動(dòng)信號(hào)可用于地震定位，而S 波初動(dòng)只有測(cè)震儀波形數(shù)據(jù)能夠確定，用于震級(jí)測(cè)定；而強(qiáng)震儀和烈度儀記錄的最大振幅僅用于儀器烈度、場(chǎng)址烈度測(cè)定及震級(jí)估計(jì)。

綜上所述，江西預(yù)警臺(tái)網(wǎng)使用的測(cè)震儀性能優(yōu)于強(qiáng)震儀，強(qiáng)震儀性能優(yōu)于烈度儀；雖然3 種類型儀器功能作用不同，測(cè)震儀主要用于地震定位、震級(jí)等四要素測(cè)定，而強(qiáng)震儀、烈度儀主要用于場(chǎng)址烈度測(cè)定與評(píng)估，但這3 類儀器均可用于地震定位；在測(cè)定震級(jí)時(shí)，以測(cè)震儀測(cè)定結(jié)果為準(zhǔn)，強(qiáng)震儀、烈度儀記錄數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果僅作參考。因此，合理使用3 種類型儀器的記錄數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化臺(tái)網(wǎng)布局、提高地震速報(bào)、烈度速報(bào)、災(zāi)害評(píng)估工作具有積極意義。

致謝

文中部分程序來(lái)自福建地震臺(tái)林彬華博士，在此表示感謝；對(duì)審稿專家提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)，一并表示感謝。