“天宫一号”大气质谱信号和地磁M15秒数据磁扰频段的小波分析

本文采用小波变化分别对受磁扰时段的"天宫一号"大气质谱信号和乌鲁木齐台地磁FHDZ-M15秒数据进行频段分析.实验发现"天宫一号"大气质谱信号和地磁M15秒数据信号的频谱优势频段在0.005~0.025 Hz之内,其中主要受干扰的频段为0.01~0.02 Hz.在地磁M15秒数据的预处理数据中,将H分量和F分量的主要磁扰频段滤出,实验结果表明:含有主要磁扰频段的H分量和F分量SNR(信噪比)分别为37.17 d B和32.99 d B,滤出空间主要磁扰频段后的H分量和F分量SNR分别为215.71 d B和245.54 d B,SNR有了很大的提高.地磁M15秒数据信号有了较为明显的改善,提高地磁资料对于地震监控的应用效果.     

“天宫二号”空间实验室大气质谱信号与地磁信号在磁暴干扰下的Hilbert-Huang变换

本文采用Hilbert-Huang变换分别对磁暴干扰下的“天宫二号”空间实验室大气质谱信号和乌鲁木齐地磁基准台FHDZ-M15所产出地磁数据进行特征分析.实验首先采用小波分析方法分析两种信号的能量谱,结果可得:“天宫二号”空间实验室大气质谱信号和M15地磁信号在磁暴时段能量较为集中,且幅值较大.该实验表明两种信号的能量分布成正相关性.基于Hilbert-Huang变换的时频聚集性及处理非平稳信号的能力,实验进一步采用Hilbert-Huang变换对磁暴干扰下的两种信号进行时频特性分析.通过对两种信号的Hilbert-Huang谱分析可得:“天宫二号”空间实验室大气质谱信号和M15地磁信号在磁暴干扰下的频率均主要集中在0.2 Hz之内.同时,Hilbert-Huang谱实验清晰反映出了两种信号能量随时间和频率的分布情况.     

HHT变换在地磁数据处理的应用

采用改进的EMD阈值进行分解,将地磁数据进行阈值滤波后重整;做频率域分析,认为EMD阈值滤波可以有效去除高频干扰,尽可能保留低频信息。对磁静日和磁扰日数据进行EMD消噪,做时频分析,在HHT谱和边际谱清晰呈现地磁信号的动态变化特征及对应的能量变化。     

地磁低点位移频谱特征及机理探讨

以河北省昌黎地震台为例,使用该台地磁Z分量的分钟值数据,分别对比了正常时段、磁暴发生时段、 低点位移时段的主要频率谱值变化特征. 通过多频点功率谱对数拟合,发现在数据长度相等的情况下,相对于正常时段而言磁暴时段各频率的能量明显增强,特别是高频端尤其明显; 而当大范围低点位移发生时,高频端的能量基本与正常时段持平,但4个小时以上的周期功率谱大部分要低于正常段. 通过对多日低点位移时段的FFT累加与正常时段对比后发现,低点位移发生时,8.5小时和13.7小时周期的频谱值增加. 通过与DE-METER卫星观测的电子密度数据空间图象进行对比,发现地磁低点位移的发生与空间Ne的增加有很好的对应性. 最后对这些变化特征及低点位移可能产生的机制进行了探讨.      

一种频率较低的ULF磁扰是地震前兆吗?

北京白家疃台的ULF磁感应仪投入运行以来，经常观测到一种频率比较低的ULF磁场扰动信号，其幅度和周期均随时间变化．由于不同于各种人为电磁源引起的干扰，所以，常常把它作为一种ULF地震电磁发射前兆．然而和磁照图的对比分析表明，这种磁扰信号都出现在磁暴发生期间，而且没有发现观测到这类信号没有磁暴的情形．因而，在目前的认识水平上尚不能把它作为一种ULF地震电磁发射前兆来看待．这种信号的主要特征是:在磁暴期间间断性地出现，每段信号出现的持续时间、信号段出现的频次和扰动幅度与磁暴的类型和磁暴的大小有关系．扰动的波形特征也与磁暴的类型有关．SC型磁暴与GC型磁暴相比，ULF磁扰的幅度较大，持续时间较长；K指数较大的磁暴期间出现的ULF磁扰比K指数较小的磁暴期间的幅度大、频次高、持续时间长，并且扰动信号的频率多变．ULF磁感应仪上的这种暴间磁扰的起始时间及最强信号出现的时段与磁照图上的磁暴的起始时间和最强信号出现的时段相比，不一致的居多数，相同的只有44%左右．扰动信号的周期从几秒到几百秒不等，强度一般介于0.04～8 nT之间．根据对上述信号的功率谱分析，ULF暴间磁扰的优势频率约为0.06 Hz，而且谐波上也有相当的能量分配.      

基于welch功率谱估计的地磁GM4秒数据频段分析

基于welch算法的经典功率谱估计对新疆区域内乌鲁木齐台、喀什台和且末台的3台GM4磁通门磁力仪磁扰日时段的秒数据进行分析。实验首先分别对3台GM4秒数据的高频数据进行FFT分析,磁扰日时段3台GM4秒数据受磁扰较为明显的频段均集中在0. 005～0. 025 Hz,此频段内振幅较大,突跳点较多。实验基于welch算法的功率谱估计对3台GM4秒数据进行功率谱分析,频率域采用受磁扰较为集中的频段,结果表明:3台GM4秒数据受到的干扰主要为地磁场的高频部分,干扰的频段范围集中在0. 002～0. 006 Hz内,H分量数据波动较大,在该频段内数据曲线出现毛刺和高频震荡现象; D分量在此频段内有轻微波动; Z分量数据整体较为平滑,受扰最小。     

短周期地磁扰动的时空分布特征研究

本文对2008—2010年隆尧地磁台站的地磁水平分量H和磁偏角D的秒数据进行了短时快速傅里叶变换,按连续型地磁脉动Pc2—Pc6所对应的频率范围对频谱进行了频段划分,在此基础上研究了各频段频谱总幅值即短周期地磁扰动的时空分布特征.在时间变化上,同一年中不同频段的幅值具有相似的变化规律,每年的幅变特性与该年对应的Vr指数的时间分布也具有一致的变化形态,仅仅在变化的幅度上存在差异.磁偏角D的幅值和VrD均呈现出显著的季节变化特征,而水平分量H的幅值和VrH却不显著.在空间变化上,各频段幅值均随地磁纬度的增加而增大,随地方时变化呈现出双峰双谷的特征.     

北京地磁台K指数3小时扰幅修正及 K指数计算机标定

我国基本处于磁纬40°以下地区,K指数的3小时扰幅一般取:3-6-12-24-40-70-120-200-300 nT.这一K指数3小时扰幅是以磁纬20.88°的佘山地磁台观测数据为基础,按照Bartels 提出的一系列准则而确定的.然而,由于不同地磁台地磁纬度的不同,K指数的3小时扰幅也需要进行相应的修正.本文以北京地磁台(磁纬29.63°)为例,通过频次比较的方法,分别以佘山台K指数和Kp为标准,根据1994~1999年共6年的北京地磁台H分量分均值数据,给出了一个比较合理的北京地磁台K指数3小时扰幅:3.9-7.8-15.6-31.2-47.5-70-120-200-300 nT.基于这一3小时扰幅,采用修正的FMI方法标定了1997年北京地磁台的K指数.将标定结果与磁暴基础数据库中北京台、佘山台和Kp指数进行频次比对,并进行同一3小时段标定差异统计.数据分析表明,修正后比修正前K指数的标定更加合理.     

地电扰动指数GEI研究

本文应用中国大陆地区11个地电场台站5.5年（2012-01-01—2017-05-31）中磁静日和磁扰日的观测数据,并联系地电场变化敏感响应地下介质非均匀性和空间电磁活动的特点,发展了地电扰动指数,即消除静日地电变化的幅值比地电指数（GEI）.对比各台站的地电指数与地磁指数,87.43%的单台地电指数D与单台地磁指数K在数值上完全相同或相差1,93.75%的单台平均地电指数Ds与单台平均地磁指数[K+0.5]（四舍五入）相同或仅相差1,说明地电指数能用于量化界定地电扰动水平,如同地磁指数量化界定磁扰水平.地电指数将服务于地球电磁环境监测、科学研究等领域,同时也可以用来评估地电场观测数据的质量.     

主动震源实验对乌鲁木齐台地磁数据的影响初步分析

2013年初在乌鲁木齐西北约80km、北天山北麓的呼图壁县建设名为新疆主动震源野外科学观测的研究站,主动震源试验系统由震源系统、气枪控制系统、气源及控制系统、台网监测系统四部分组成,所用震源为气枪震源,气枪每一炮的能量大约为0.9级地震释放能量.主动震源观测对乌鲁木齐台地磁数据产生干扰,本文从乌鲁木齐台几套地磁观测仪器原理、探头结构和放置方式出发,初步分析了干扰产生机制.(1)地磁M15秒数据的H、D和Z分量每隔15~20分钟产生一个约5秒左右的单脉冲型干扰;H、D、Z三分量干扰同步产生;同一分量不同次数干扰幅度大小不等.出现这些现象的原因可能是由于主动震源气枪从开始充气到充满的时间并不是固定的,每一枪的放枪时间也是人为控制,因此每一枪干扰时间间隔不一致;每一枪的能量不是固定的,在某个范围内变化(约15 MPa),造成不同次之间同一分量干扰幅度大小不等.乌鲁木齐台磁房距离主动源实验场地大约一公里左右,按照地表P波和S波传播速度,到达磁房的P和S波相差不超过0.5秒,M15为秒采样,其分辨率不够高,因此M15记录的数据相当于P波和S波同时达到,因此每次放炮干扰基本都为单脉冲干扰.(2)H、Z分量干扰分别为3、2纳特左右,D分量干扰为5分左右,最大干扰D不超过10分,H、Z不超过5纳特.磁房距离主动震源实验场地只有一公里,但每次放炮实验的震级较小(约0.9级),而一般情况下P波造成的垂直方向震动要小于S波造成的水平方向的左右晃动,这可能是造成Z分量干扰小于水平方向的D和H干扰的原因.(3)M15的F分量不受干扰,认为FHDZM15这套系统的D、H、Z三分量的FGE悬挂式磁通门磁力仪探头由于悬挂部分的悬挂结构是由成十字排列的锡磷青铜片构成,从而使得摆锤在X和Y方向可以自由运动,导致H、D、Z三分量产生同步的干扰,F探头由于置于墩子上而不受干扰.(4)M15分数据由秒数据经过高斯滤波得到,基本不受干扰.(5)乌鲁木齐台的其他地磁相对仪器如GM4和GM3不受主动震源实验的干扰.主动震源观测干扰为一种新类型的地磁干扰源.     

Probability-consistent spectrum and code spectrum

IntroductionInChina,thecombinationofseismicdesigncodewithzoningmapofseismicintensityorgroundmotionparametersisusuallyadoptedtodeterminetheseismicfortificationcriterionforthegeneralindustryandcivilbuildings.Thepresentproceduresareasfollows.Accordingtothepro-jectlocation,thedesignbasicaccelerationofgroundmotionandthedesigncharacteristicperiodofresponsespectrumareobtainedfromthezoningmapofseismicgroundmotionparameters(GeneralAdministrationofQualitySupervision,InspectionandQuarantineofthePeople…     

The relation between the response spectrum and the phase diference spectrum

ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｔｈｅｐｈａｓｅｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓｐｅｃｔｒｕｍＦＥＮＧ－ＸＩＮＺＨＡＯ（赵凤新）ａｎｄＹＵ－ＸＩＡＮＨＵ（胡聿贤）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｔａ...     

基于条件Newmark-Hall三联谱的时程分析选波方法

条件均值谱（CMS）已成为目前国内外广受关注及认可的结构抗震时程分析选波的目标谱,但其无法同时兼顾多个周期点谱加速度具有相同的地震危险水平,对于须考虑多阶振型影响的长周期结构尚存局限。Newmark-Hall三联谱是基于加速度峰值（PGA）、速度峰值（PGV）和位移峰值（PGD）并联合短、中、长周期相关放大系数建立的反应谱,与短、中、长周期结构均具有天然良好的相关性,其与概率地震危险性分析（PSHA）结合较弱及具有经验化特征。将两种反应谱的优势相结合,即将CMS的“条件分布”理念引入Newmark-Hall三联谱,建立了条件Newmark-Hall三联谱（即CN-H）,并提出了以CN-H为目标谱的选波方法（即CN-H方法）。以美国SAC计划设计的3层和9层抗弯钢框架结构为例,将CN-H方法与以CMS为目标谱的选波方法所得结果进行了对比。CN-H方法对于结构反应均值的估计与CMS方法具有一致的准确性,且所得结构反应的离散性也较低,可见CN-H方法对于结构弹塑性时程分析选波具有良好的适用性。     

从反应谱求功率谱的精确方法及其应用

本文对由反应谱求功率谱的近似公式的误差进行了讨论,从而说明了精确求解地震动功率谱的必要性,并从构造函数的特征出发,提出了一类符合要求的构造函数族,同时对其参数的取值加以讨论。最后给出了一个算例,展示了从反应谱求功率谱的精确方法与近似方法在数值上的差别,以及对人造地震动的影响。     

求解反应谱的小波方法及汶川地震反应谱分析

采用四阶基数B-样条小波模拟地震动加速度时程,进而建立一种求地震反应的通用方法,解的误差仅来自于对地震动加速度时程的模拟。并用小波分解,将地震波分解为不同周期成分之和,以各分量最大加速度值的大小来衡量其在原波中的比重,可以清楚看到距震中不同远近地震波的性态,并做定量分析和观察各分量卓越周期的变化。求地震波及各分量的反应谱,从各分量的标准加速度反应谱中,可以看到地震波不同周期分量对体系固有周期的影响,这是以往做不到的。将上述方法应用于汶川8.0级地震加速度记录,研究不同地震记录的性态。     

Hysteretic energy spectrum and damage control

The inelastic response of single‐degree‐of‐freedom (SDOF) systems subjected to earthquake motions is studied and a method to derive hysteretic energy dissipation spectra is proposed. The amount of energy dissipated through inelastic deformation combined with other response parameters allow the estimation of the required deformation capacity to avoid collapse for a given design earthquake. In the first part of the study, a detailed analysis of correlation between energy and ground motion intensity indices is carried out to identify the indices to be used as scaling parameters and base line of the energy dissipation spectrum. The response of elastoplastic, bilinear, and stiffness degrading systems with 5 per cent damping, subjected to a world‐wide ensemble of 52 earthquake records is considered. The statistical analysis of the response data provides the factors for constructing the energy dissipation spectrum as well as the Newmark–Hall inelastic spectra. The combination of these spectra allows the estimation of the ultimate deformation capacity required to survive the design earthquake, capacity that can also be presented in spectral form as an example shows. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Coherency of rupture and seismic spectrum

In considering the seismic spectrum, one of the methods to incorporate irregularity of fault motion statistically is to introduce the concept of coherency of fracture. In a classic paper,Aki (1967) investigated the scaling law of seismic spectrum on the basis of a statistical model in which an exponentially decaying function is fitted to the autocorrelation function of the dislocation velocity. It is found, however, thatAki's model does not necessarily express irregular fault motion, but corresponds to a smooth dislocation. We show that an analytical function of dislocation velocity gives the same autocorrelation function and the same seismic spectrum as those ofAki's model. In actual fault motion, there is considerable evidence which indicates that the dislocation is not continuous and smooth over the whole fault plane, but is often segmented in several parts. In order to take into consideration this feature we introduce a generalized autocorrelation function of the dislocation velocity in which many coherent fractures smaller than the size of the fault dimension are included. It is shown that the more small-scale coherent fractures, the larger the seismic wave energy in the high frequency range.Kanamori andAllen (1986) showed that a large ratio of seismic wave energy relative to the seismic moment means a large effective stress drop. On the other hand, it is well known that when a fault plane is segmented in several parts, stress drop becomes large (e.g.,Madariaga, 1979;Rudnicki andKanamori, 1981). These two results are fused in our model, because we find that large seismic wave energy is obtained when the fault motion includes small-scale fractures.Kanamori andAllen (1986) also showed that there is a tendency for earthquakes with long repeat times to have a large effective stress drop. Our model implies that a fracture corresponding to earthquakes with long recurrence intervals is more complex, and the strength is large, as also suggested byCao andAki (1986) using a numerical simulation. It should be noted that to the zeroth order, an approximate scaling relation is observed among earthquakes, which means that a large earthquake consists of a relatively large-scale coherent fracture. This fact seems to suggest that the condition of occurrence of a large earthquake is related to the maturing of a source region in which a large coherent fracture becomes feasible.     

Biot response spectrum

The response spectrum method (RSM) in earthquake engineering was conceived and then fully developed by M.A. Biot (1905–1985) during the period of about 10 yr, between 1932 and 1942. On the occasion of the 100th anniversary of Biot's birth, this paper reviews his contributions to earthquake engineering, and then briefly outlines the milestones in the later evolution of the RSM, and the eventual introduction and acceptance of the method by the engineering disciplines in the early 1970s. The role of the Biot spectrum in the formulation of design codes is illustrated briefly, using examples from code development in California. Finally, the limitations of the linear response superposition method are discussed, and future directions for the development of earthquake-resistant design tools are suggested.     

Selection and modification of ground motion records using Newmark-Hall spectrum as target spectrum for long-period structures

Input ground motions have significant impacts on the uncertainty of structural responses in time-history analysis. In this study, records were selected and scaled for the evaluation of mean structural responses according to the target spectrum. The Newmark-Hall spectrum is closely related to seismic response of short, medium and long-period structures, so it was taken as the target spectrum here. The nonlinear time-history analyses of 9-story and 20-story steel moment-resisting frame structures ...