江西地震預(yù)警臺網(wǎng)測震儀、強震儀及烈度儀記錄噪聲與地震事件分析比較＊

董 俊 項月文 李清武

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

2) 江西省地震局，江西南昌 330026

0 引言

基于國家地震烈度速報與預(yù)警工程建設(shè)的江西子項目，已建成由25 個基準站、58 個基本站和52 個一般站組成的江西地震預(yù)警臺網(wǎng)，這些臺站依次采用的是測震儀、強震儀、烈度儀3 類觀測儀器[1]。為有效發(fā)揮地震預(yù)警系統(tǒng)功能作用，除臺網(wǎng)合理布局、加密站點因素外，測震儀、強震儀與烈度儀觀測數(shù)據(jù)相互高度融合是一個重要的技術(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，對觀測數(shù)據(jù)進行匹配度分析非常重要。

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

1 觀測數(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臺及臨近一般站為觀測研究場址。選擇儀器是江西地震預(yù)警臺網(wǎng)使用的GLS60 測震儀（JIA 臺）、TDA-33M 強震儀（QYQHD 臺）及ES-T 烈度儀（D0003 臺）。表1 是3 種類型觀測儀器主要技術(shù)參數(shù)。在選擇記錄數(shù)據(jù)時，排除振動干擾事件和斷記影響，選取2023 年2 月20 日的24 小時連續(xù)記錄背景噪聲進行分析。

表1 3 種類型觀測儀器主要技術(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

測震儀記錄速度物理量，而強震儀和烈度儀記錄加速度物理量。為便于測震儀、強震儀和烈度儀記錄數(shù)據(jù)的比較分析，將測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3 種類型儀器記錄數(shù)據(jù)進行分道和噪聲計算，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 種類型儀器記錄場址地脈動噪聲波形圖。

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

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

計算場址地脈動噪聲的加速度均方根值（RMS），用RMS 值衡量臺基背景噪聲水平：

式中，Xi為某點實測地動加速度信號數(shù)值，n為觀測數(shù)據(jù)采集頻點總數(shù)。

計算3 種類型儀器各分向地脈動加速度噪聲RMS 值（表2），明顯可見，測震儀記錄站址背景噪聲RMS 值最小，強震儀記錄噪聲水平比測震儀高出近3 倍，而烈度儀記錄的噪聲水平整體比強震儀高出近1 個數(shù)量級，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工程建筑會產(chǎn)生重大影響，值得我們關(guān)注。我們對3 種類型儀器記錄數(shù)據(jù)進行噪聲功率譜分析，結(jié)果如圖2 所示，測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)警臺網(wǎng)使用儀器來自多個廠家，為排除儀器自身差異性對數(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，但2 個廠家烈度儀噪聲功率譜差異不超過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)對比，差異不是十分明顯。本文認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態(tài)范圍差異，在記錄大地震時可能會有所影響，但這對測震儀、強震儀和烈度儀這3 類儀器之間的對比分析結(jié)果影響不大。

圖3 江西地震預(yù)警臺網(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，使用目前我國地震臺網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的MSDP 軟件進行地震定位處理[9]（圖4），3 種型號儀器清晰的記錄到這次地震事件，它們的P 波初動用于地震定位，且定位殘差都很小，無明顯區(qū)別，但S 波初動只有測震儀的波形數(shù)據(jù)能夠確定。測定震級（ML）時，7 個基本站強震儀測定結(jié)果（BS001～2.9 級、BN001～2.4 級、BX003～2.5 級、BG001～3.1 級、BQ001～3.0 級、DS001～3.0 級、BA001～3.5 級）、1 個一般站烈度儀測定結(jié)果（B0007～2.6級）與4 個基準站測震儀測定結(jié)果（DAY～1.9 級、GAZ～1.8 級、LON～2.3 級、WAA～2.2 級）比較，存在明顯偏差。

圖4 江西地震預(yù)警臺網(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

分析認為，強震儀、烈度儀記錄地震可用于地震定位，但震級測定則應(yīng)以測震儀記錄數(shù)據(jù)為準，強震儀、烈度儀記錄數(shù)據(jù)測定震級僅作參考。

3 討論

通過對江西預(yù)警臺網(wǎng)測震儀、強震儀和烈度儀3 種類型儀器記錄數(shù)據(jù)的對比分析，認為臺網(wǎng)運行的強震儀和烈度儀存在較大零點漂移現(xiàn)象，而測震儀記錄數(shù)據(jù)較平穩(wěn)；烈度儀記錄噪聲水平總體上高出強震儀1 個量級，而強震儀記錄噪聲水平比測震儀高3 倍左右；不同頻帶測震儀都能夠有效地完整記錄較寬頻帶內(nèi)的背景噪聲，強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，無法有效記錄場址地脈動噪聲。另外，對不同廠家同類型儀器的對比分析，發(fā)現(xiàn)存在不同廠家烈度儀的動態(tài)范圍差異，在記錄大地震時可能會有影響，但儀器本身差異性對測震儀、強震儀和烈度儀這3 種儀器間的對比分析影響不大。

通過對記錄地震事件的分析與研究，認為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 波初動信號可用于地震定位，而S 波初動只有測震儀波形數(shù)據(jù)能夠確定，用于震級測定；而強震儀和烈度儀記錄的最大振幅僅用于儀器烈度、場址烈度測定及震級估計。

綜上所述，江西預(yù)警臺網(wǎng)使用的測震儀性能優(yōu)于強震儀，強震儀性能優(yōu)于烈度儀；雖然3 種類型儀器功能作用不同，測震儀主要用于地震定位、震級等四要素測定，而強震儀、烈度儀主要用于場址烈度測定與評估，但這3 類儀器均可用于地震定位；在測定震級時，以測震儀測定結(jié)果為準，強震儀、烈度儀記錄數(shù)據(jù)測定結(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)，對優(yōu)化臺網(wǎng)布局、提高地震速報、烈度速報、災(zāi)害評估工作具有積極意義。

致謝

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