六安臺觀測系統(tǒng)儀器速度與加速度記錄波形特征對比分析

趙 楠，江沛春，張光華，夏仕安

(1.六安市地震臺，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）

六安臺觀測系統(tǒng)儀器速度與加速度記錄波形特征對比分析

趙 楠1，江沛春2，張光華1，夏仕安3

(1.六安市地震臺，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）

通過對六安臺觀測系統(tǒng)速度與加速度記錄臺基噪聲譜密度以及頻響特性測定，分析了兩個觀測系統(tǒng)記錄地震波參數(shù)所具特征，并通過震例加以說明，為提高臺站地震分析能力與開展臺站烈度速報工作提供技術(shù)依據(jù)。

速度；加速度；特征參數(shù)；烈度速報

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)測臺網(wǎng)已達(dá)到規(guī)模化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，地震臺站在監(jiān)測臺網(wǎng)的速報中擔(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產(chǎn)損失，國內(nèi)震害快速評估系統(tǒng)、烈度速報系統(tǒng)的建設(shè)迫在眉睫。目前，很多臺站將速度與加速度計通過6通道的數(shù)采實(shí)時采樣數(shù)據(jù)并實(shí)時傳輸?shù)脚_網(wǎng)中心，如何分析處理其中的加速度數(shù)據(jù)，為大震時能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震動參數(shù)的速報，是一個新的課題。

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

1 臺站觀測系統(tǒng)與噪聲分析

1.1 臺站觀測系統(tǒng)

六安臺地震觀測系統(tǒng)由EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器 （6通道）、BBVS-60寬頻帶地震計和BBAS-2加速度計組成[1]，系統(tǒng)完成臺站地動速度與加速度信號拾取、采集、存儲或傳輸。六安臺地震觀測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

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

1.2 臺站記錄的噪聲功率譜

我們知道，理論上臺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)的頻響特性及臺基噪聲譜密度分布。

首先，我們對六安臺BBVS-60與BBAS-2兩個觀測系統(tǒng)運(yùn)行記錄的地脈動信號進(jìn)行的譜分析[2]。選取了同一個時間段 (2012年1月16日04時)兩個系統(tǒng)記錄的一小時地脈動信號，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，計算得到臺站場地的地動速度與加速度在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BBVS-60與BBAS-2系統(tǒng)記錄臺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)果兩個系統(tǒng)記錄噪聲譜在1～40 Hz頻段譜均呈正向趨勢，變化形態(tài)相同，說明兩個系統(tǒng)近場記錄地脈動頻譜在同頻段相似。但BBAS-2系統(tǒng)在10 Hz附近變化則相對恒定，而BBVS-60系統(tǒng)記錄地動噪聲在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_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標(biāo)定進(jìn)行系統(tǒng)的周期、阻尼和頻響特性測定，為臺站記錄地震的到時、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)定信號幅頻特性計算測定，圖4為六安臺兩個觀測系統(tǒng)UD向地震計 （加速度計）頻響特性曲線。

由圖4可知，BBVS-60系統(tǒng)地震計在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。考慮到采集器采樣率通常為100 Hz，兩個系統(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 臺站微震記錄與強(qiáng)震動記錄的區(qū)別

前面所述，六安臺微震觀測主要分析地震波初動、到時、地震最大振幅與對應(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)、地震活動性預(yù)測研究和臺網(wǎng)的地震速報[3]。

強(qiáng)震動觀測數(shù)據(jù)主要是研究地震動過程的最大振動振幅 （記錄場地震動峰值加速度，稱之儀器加速度），最大振幅起始時間、地震動持續(xù)時間，地震動頻譜 (高頻能量集中部分)，這些參數(shù)主要應(yīng)用于地震發(fā)生時描述臺站近場地震影響程度 （場地加速度），也就是常說的地震烈度。就是通過測定臺站記錄地震動計算加速度來估計地震區(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級一個強(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六安臺BBVS-60與BBAS-2系統(tǒng)記錄安慶地震進(jìn)行震相識別、震級測定、震中測定；地震動加速度計算以及持續(xù)時間讀取，其結(jié)果見表1。

安慶4.8級地震波到達(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)警是有足夠的時間。臺站測震記錄測定該地震震級以及震中初步位置，而強(qiáng)震動記錄測定震譜卓越頻率在10 Hz左右，烈度為Ⅳ度，判定該地震對六安地區(qū)影響不大。

5 結(jié)語

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

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

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

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

表2 六安臺BBAS-2系統(tǒng)記錄安慶4.8級地震處理結(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，臺站在測震觀測基礎(chǔ)上增上強(qiáng)震動觀測，除了保證臺站正常的地震監(jiān)測與速報工作外，對開展臺站烈度測定和臺網(wǎng)烈度速報有十分現(xiàn)實(shí)意義，尤其是在那些具有潛在中強(qiáng)以上地震危險的地區(qū)，增加強(qiáng)震觀測臺站更有必要。通過對臺站觀測系統(tǒng)速度與加速度記錄數(shù)據(jù)特征分析，能夠逐步提高臺站人員的地震資料分析能力，同時，也能夠逐步提高臺站人員對強(qiáng)震動系統(tǒng)的熟悉過程。

當(dāng)然，測震臺站大多建在基巖上，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.泉州地震臺數(shù)字地震儀臺址的地脈動噪聲分析[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.