基于Kik-net井下基岩强震动记录的持续地震预警震级估算方法

基于地震预警中不同预警参数估算的震级差别很大,且原因不清楚,使得震级估算的准确性难以得到保证。利用井下基岩观测点的强震动记录可以最大限度减少场地条件的影响,震级估算具有干扰小、质量高的优点。选用日本Kik-net 358个台站井下基岩观测点的14 423条强震动记录数据,通过分析预警参数τ~p_(max)、τ_c、τ_(log)、P_d、IV~2分别在P波初至1 s、2 s、3 s等时段下的震级估算效果,揭示了以前未有解释的造成基于各参数估算的震级差异的原因,并给出一种震级持续估算方法。本文发现:τ~p_(max)受场地条件影响明显,建议采用基岩场地强震动记录数据进行计算;τ_c和τ_(log)受加速度记录积分计算影响容易使得震级估算偏大;P_d采用P波初至4 s进行计算,可以避免6.5～7.2级地震的震级饱和。提出了实时调整预警参数的震级持续估算方法,即基岩强震动记录的初至1 s、2 s P波的τ~p_(max)估算震级,初至3 s P波的P_d估算震级,并以初至4 s地震波的P_d估算震级作为最终的估算震级。     

基于卷积神经网络的地震震级快速估算方法

地震发生后震级的快速准确估算是确保地震预警减灾效果的最重要部分,而基于经验参数的传统方法在准确性和时效性方面各自存在局限性。通过建立多全连接层卷积神经网络模型,选用日本KiK-net和K-NET台网1997年至2019年记录到的3 065次地震的16万4 547条初至波在3—9 s不同时段的频域数据、对应地震事件的震源信息（震中距和震源深度）以及场地信息（v_S30）作为全数据集,对提出的模型进行训练并对估算效果予以评估。结果显示:当初至波截取时段为3 s时,模型震级预测的整体准确率为89.92%,并且随着初至波长度的增大,估算震级的准确率持续提高;当截取时段为9 s时,整体准确率达到96.08%。与传统P_d方法的预估结果相比,结果表明:基于本文提出的多全连接层卷积神经网络模型估算的震级精度有所改善,具有绝对误差标准差和均值更小、时效强等特性,实现了基于单台站记录的端到端震级持续快速估算,能更好地增强地震预警的减灾效果。      

基于深度卷积神经网络的2021年5月21-22日云南漾濞地震和青海玛多地震震级估算

以探索深度卷积神经网络震级估算模型对2021年5月21日云南漾濞和5月22日青海玛多地震预警震级估算的可行性为目标,本文使用P波到达后不同时间窗下的特征参数作为深度卷积神经网络输入进行训练和验证,构建了1~40 s内不同时间窗下的深度卷积神经网络单台震级估算模型,并采用多台加权平均方法对玛多地震主震以及漾濞地震主震、前震和余震共11次地震事件进行实时震级估算.结果表明：在P波到达后1~40 s的不同时间窗下,随着时间窗的增加,深度卷积神经网络单台震级估算模型对训练集和验证集的震级估算误差和标准差逐渐减小,且逐渐趋于稳定;对于云南漾濞M_S6.4主震与青海玛多M_S7.4主震,大部分单台震级估算误差主要分布在±0.5震级单位内;通过多台加权平均方法计算预测震级,漾濞主震与玛多主震在首台触发后2 s时,震级估算结果分别是M6.0和M7.0;同时,随着首台触发后时间的增加,漾濞与玛多主震的震级估算逐渐接近实际震级,且在首台触发后9 s时,漾濞主震和玛多主震的震级估算分别是M6.2和M7.3;在首台触发后1 s时,对于玛多与漾濞地震的前震和余震,多台加权平均震级估算结果也主要分布在±0.5震级单位误差范围内.该方法为中国地震预警系统的震级估算方案提供了潜在可能.

     

用前3秒P波估计地震大小的早期预警方法是否适用于短周期记录？-1999年集集地震序列的模拟实验

现有的地震早期预警系统大多采用宽频带记录或强震记录, 然而很多地震台站仍然使用短周期地震仪. 用短周期地震记录估计大地震震级时会出现饱和的现象早已众所周知. 但需要研究的问题是tau;c和Pd方法估计地震震级时出现饱和的震级到底是多少.为研究使用短周期记录进行地震早期预警的可能性,本文使用1999年集集地震序列的强震数据（包括主震和31次余震）进行模拟实验,所选地震序列的震级在4级到7.6级范围内. 用强震记录与短周期地震仪响应函数的卷积模拟短周期记录,利用其前3秒波形计算参数tau;c和Pd,并与用原始的强地面运动记录计算得到的结果进行比较. 结果表明, 在一定程度上,短周期地震记录仍可用作地震的早期阈值预警,并且Pd方法直到6.5级才出现饱和,好于tau;c方法.      

基于卷积神经网络的地震预警震级持续估算方法研究

为提高地震预警震级快速持续估算结果的准确性,本文构建了基于多种地震动特征参数的卷积神经网络震级估算CNN-M模型.该模型基于日本KiK-net强震动观测记录,利用其P波触发后3～ 10s时间窗内的幅值参数、周期参数、烈度参数、信噪比参数共11种地震波特征参数以及震中距参数作为输入.本文所建立的CNN-M模型随着地震发生...     

基于支持向量机的2021年2月13日日本福岛近海Mj7.3级地震震级估算

2021年2月13日日本福岛县近海发生M_j7.3级地震,触发了日本气象厅地震预警系统,系统在首台触发后5.6s发出震级为M_j6.3级的预警第1报,首台触发后10s对公众发布警报、预警震级为M_j6.4级。基于多类型特征参数输入的机器学习支持向量机震级估算模型（SVM-M）,利用2021年2月13日日本福岛县近海M_j7.3级地震获取的日本K-net强震动观测数据,分析SVM-M模型在该次地震中首台触发初期（首台触发后1~10s）的震级估算效能。结果表明:SVM-M震级估算模型,在首台触发后1s即可给出M_j6.3级的震级估算结果,与日本气象厅在首台触发后5.6s发布的预警第1报震级相同;随着时间窗的增加,首台触发后5s和10s,SVM-M模型的震级估算结果分别是M_j6.7级和M_j6.6级,均大于日本气象厅首台触发后10s对公众发布警报的预警震级。该次地震的离线模拟结果表明:SVM-M模型可在地震发生初期有效提高地震预警震级确定的准确性和时效性。     

2021年5月21日云南漾濞地震及5月22日青海玛多地震的支持向量机震级估算

2021年5月21日及5月22日,云南漾濞县与青海玛多县分别发生破坏性地震,主震震级分别为M_s6.4级与M_s7.4级。本文基于机器学习中的支持向量机方法,以多类型特征参数为输入建立地震预警震级估算模型SVM-M,离线模拟云南漾濞M_s5.6级前震、M_s6.4级主震以及青海玛多M_s7.4级主震的连续震级估算。结果表明:对于云南漾濞M_s5.6级前震,支持向量机方法在首台触发后1s可估算震级为5.6级,且随着首台触发时间的增加,估算震级一直在实际震级附近波动;对于云南漾濞M_s6.4级主震和青海玛多M_s7.4级主震,随着首台触发时间的增加,支持向量机方法对于大震低估问题得到了有效的改善,且震级估算结果逐渐接近实际震级。同时,这3次地震的震级估算离线模拟表明:引入震源距的支持向量机方法（SVM-M1模型）对于震级估算有更好的稳定性,且在地震预警系统的震级估算中有着潜在的应用前景。     

使用双频谱的比值方法推测岩手山正下方的Q-1S值

前言 1998年9月3日16时56分,在岩手县北部发生了6.1级(日本气象厅所发布的震级)地震.从这次地震的强震仪的记录可以看出,通过岩手山正下方的地震波受到强烈衰减.     

地震预警PGV-Pd关系参数的距离分段特征

地震预警系统需要在破坏性的地震波到来前快速估算地震参数和地震动参数,以对可能出现的地震灾害进行预测,对重要工程、人员密集区域发布警报信息.以Pd估测PGV的方法是地震预警研究涉及的一种重要问题,该方法利用初至P波触发后前几秒的峰值位移（Pd）对最终地震动峰值速度（PGV）进行估算,以满足预警的需要.本文对2016年在日本发生的熊本地震及其前震、余震的震中距100 km以内、矩震级大于4级、井下基岩PGA>5 cm·s^-2和地表PGA>20 cm·s^-2的Kik-net强地震动记录进行处理分析,用于研究以Pd估测PGV的方法.将获得的强地震动数据按震中距从0~100 km平均划分为5个区段,在记录时间3~10 s范围内将Pd的计算取8个时间窗,分别对每个震中距区段、每一个Pd的时间窗下的PGV-Pd数据进行线性拟合,最终提出了一套应对不同震中距对位移幅值连续追踪测定PGV的算法.对每一个震中距区段的研究表明,震中距会对PGV-Pd关系产生影响.对5次地震进行验证分析,认为基于基岩记录估测基岩PGV的准确度高于基于地表记录估测地表PGV的准确度;对震中距进行分段的PGV估测方法准确度高于不考虑震中距因子的估测方法.最后拓展了将井下基岩Pd估测井下基岩PGV这种原地地震预警方法,使其能够为异地P波预警方法服务.

     

地震预警震级确定方法研究

地震预警技术是减轻地震灾害损失的有效手段之一．地震预警系统中,地震震级计算是最重要也是最困难的部分之一．利用日本KiK-net台网和四川汶川余震共142次地震事件的记录,分别采用tau;c和Pd方法统计得到了地震预警震级的计算公式,震级计算的方差分别为0.62和0.56个震级单位．为消除震级计算过程中出现的震级饱和现象,作者拓展了Pd方法,提出了一套对位移幅值连续追踪测定的算法．当时间窗长度为10 s时,采用该方法的震级计算方差仅为0.37个震级单位,充分满足地震预警系统的需求．同时,该方法也实现了信息的连续过渡,提高了对现有信息的利用率．最后,还对位移幅值Pd用于地震动峰值PGV的估计以及不同特征参数间的相容性等内容进行了讨论．      

地震预警中两种利用卓越周期估算震级方法的比较

利用地震P波初始信息快速估算震级是地震预警系统中的重要部分之一,文中详细介绍了地震预警研究中常用的两种卓越周期估算震级方法:τpmax方法和τc方法。为了评估这两种方法哪一种震级估算精度更高,文中通过设置不同的估算震级时间窗以及不同的滤波频带,利用震级范围4.1～7.9的22次地震的强震观测记录对这两种方法进行了比较分析。比较的结果表明:本文计算得到的τpmax值和τc值与震级之间均存在线性比例关系,与前人的研究结果一致;在相同的0.075～3 Hz带通滤波条件下,利用P波触发后3 s地震记录计算的τc值可获得最优的震级估计结果,τc与震级的相关系数为0.78,标准差为0.16。仅经过0.075 Hz高通滤波得到的τpmax值与震级的线性相关度比0.075～3Hz带通滤波得到的τpmax值与震级的线性相关度低,而是否经过低通滤波对τc值与震级的线性比例关系没有影响。建议在地震预警系统中优先采用3 sτc方法作为震级估算方法。     

高频GNSS实时地震学与地震预警研究现状

为实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变,如何提高地震灾害监测预警和风险防范能力成为我们关注的重点.本文给出了国际上GNSS位移记录、强震动加速度记录、测震速度记录在地震预警中的应用现状,并总结了各自的特点,归纳出围绕高频GNSS地震学在震级与破裂过程实时反演中的几个需要进一步研究的关键问题：（1）引入北斗系统,基于高频GNSS（GPS/BDS）双系统的实时位移解算方法来提高实时单站位移解算精度,使实时解算精度达到厘米级;（2）开展强震仪加速度记录基线偏移校正研究,弥补地震近场GNSS站密度不足问题;（3）强震仪加速度记录与GNSS位移记录特点不同,开展强震仪加速度数据与GNSS位移数据实时融合处理研究,快速获得包含丰富地震形变和速率的波形数据;（4）测震学方法可快速估算震级,但是在强震发生时会出现震级饱和现象,造成震级估算偏低.需要开展基于GNSS位移时间序列的多种方法相结合的实时震级估算方法研究,通过与地震学方法比较和结合,来得到精度高、计算快的震级估值算法;（5）基于高频GNSS、断层初始模型快速选取、断层尺度、参数自适应调整是快速判断断层破裂方向的基础,在断层破裂过程自适应准实时反演算法方面需要进一步加强.通过国内外研究现状调研、分析,表明基于高频GNSS地震学的震级快速确定、震源破裂过程准实时反演算法的发展将对我国地震预警系统从"二网融合"到"三网融合"提供坚实的技术支撑.     

基于烈度数据点的历史强震参数估计研究

由于地震仪器记录的历史较短,不足以据短时间、小尺度范围内的地震资料搞清地震活动的规律,因而对历史地震的研究非常重要。尤其是6.5级以上的历史强震,其参数的不确定性,直接对地震活动性规律和地震安全性评价等问题产生重大影响。根据6.5级以上强震烈度分布特征,本文提出了基于烈度数据点的考虑断层破裂长度的烈度椭圆分布模型,在此基础上联立椭圆数学方程确定了强震参数估计方法,并采用蒙特卡洛方法定量分析了所得参数的不确定性,结果表明:本文计算得到的震级精度在1级以内,震中计算精度可达2类。进而对华北地区5个历史强震参数进行了估算。本文直接采用数学模型分析烈度数据点来估算历史地震震级与震中,故减少了历史地震参数确定上的主观性,提高了科学性。由于在建模过程中,8.0级以上特大地震的资料太少,因此本方法只适用于6.5~8.0级的历史强震。     

基于人工神经元网络和多特征参数的预警震级估算

预警震级测定是地震预警的关键技术环节之一。在满足地震预警系统时效要求的前提下,以国内现有的人工神经元网络构架为基础,考虑采用更多的特征参数,对实时持续计算确定预警地震震级的方法进行研究。通过对日本部分实际强震数据进行持续估算预警震级与实际震级间的偏差情况,对预警震级和实际震级进行线性拟合,提出对预警震级结果的修正公式,进一步完善本方法快速估算预警震级的准确程度。     

宁夏永宁M4.6级地震强震记录分析

2012年11月20日10时24分在宁夏银川市永宁县发生M4.6级地震,宁夏强震动台网共有33个强震台站记录到了该次地震的地面运动,记录的最大加速度峰值为303.2cm/s2。这是宁夏“十五”数字强震动台网投入使用以来记录到的最大、获取强震记录最多的一次省内地震。本文通过对此次强震记录的地震波频谱特征、衰减关系、震源机制、发震构造进行分析、研究。     

基于钻孔应变地震波记录确定地震面波应变震级

近年发展的高采样率的钻孔应变仪可以记录到地震波造成的水平应变,是动态库仑应力研究的重要手段.利用钻孔应变仪记录的应变地震波确定地震震级,是一个重要的科学课题.本文收集了我国10个应变台站四分量钻孔应变仪2020年1—3月记录的10 Hz采样应变地震波资料,共选出震级M≥4.0的浅源地震68个,用最小二乘法求得应变震级公式为M_ε=lgE_max+1.65lg(Δ)+1.43.对于6.5级以下的地震,计算得到的应变震级■_ε与中国地震台网中心公布的震级M_CENC基本一致:■,但本研究中的两个7级地震,应变震级出现了震级饱和现象.本文的基本结论是:应变定震级是可行的,但对于两个7级地震的饱和现象需要进一步深入研究,因为它们不但涉及震级确定,而且涉及远震动态库仑应力触发地震的研究.今后要对更多的大震钻孔应变波形记录进行分析.     

一种基于贝叶斯理论的P波双参数地震预警方法

为了及时、准确、可靠地发出地震预警信息,本文提出了一种基于贝叶斯理论的地震P波双参数预警方法.选取中国地震台网中心记录的四川地区的355条地震数据,统计P波触发后前3 s的P波平均周期τc和位移幅值Pd,结合贝叶斯理论建立震级和峰值加速度的预测模型,并以震级M4.5和峰值加速度为120 cm/s2为预警阈值,建立了地震...     

最大卓越周期估算震级方法的优化研究

震级估算是地震预警系统(EEWs)的核心任务。基于最大卓越周期参数(^p_max)的震级估算方法被广泛研究和应用,但^p_max计算细节被忽视,导致^p_max的震级估算效果存在较大的差异。为此,利用日本的大量井下强震记录,对^p_max计算涉及的滤波范围、滤波阶数和平滑系数的设置进行优化,提出了^p_max的优化计算方法,即滤波范围选用高通0.001 Hz,滤波阶数为1阶,平滑系数取0.95。利用日本和智利的初至3～6 s P波对比分析优化后的^p_max和优化前的^p_max以及_c的震级估算效果,结果表明:优化后的^p_max与震级的相关性和震级估算的误差均好于优化前的^p_max和_c。本文给出的^p_max优化计算方法,可以显著地改善^p_max在EEWs中的震级估算效果。     

一种基于位移源谱的地震预警快速震级估算方法及影响因素研究

地震预警(EEW)系统是防震减灾中最有效的方法之一,对地震震级的估算是非常重要且困难的。目前,比较成熟的地震震级估算方法主要有基于最大卓越周期τpmax、特征周期τc和位移幅值最大值Pd的震级估算方法,但这些方法存在一个重要缺陷,即对大地震(M_w≥6.5)的震级估算会出现震级低估现象,也称为震级饱和~([1-2])。为克服上述缺陷,借鉴位移源谱方法,探讨了基于单台站P波位移源谱开展地震震级估算的适用性,进一步研究了震源距和场地条件对该方法估算地震震级可靠性的影响,得到了该方法的最佳适用范围。研究通过用多组地震记录检验,表明了位移源谱方法能较好的估算大地震震级,可以有效地解决震级估算时震级饱和问题,此外,在不同震源距和场地条件下,该方法均能提供稳定的震级估算。虽然对于中小地震,位移源谱方法在短时窗下的震级估算有系统性的误差,但是长时窗震级估算中克服了震级饱和现象,同时具有精度高和离散性小的独特优点,具有普遍适用性和稳定性,适用于地震预警系统。     

近场P波频谱分布及震级确定方法

通过研究国内12个4~7级地震的近场P波前3秒加速度波形记录的频谱分布, 我们发现, 对于较大的地震, 近场通常接收到的低频信息比较稳定, 尤其是1 Hz以下的信号。 通过对3秒初至P波震相加速度记录的低频窄带滤波及对传统震级公式的改造, 我们得到了4个低频段的震级计算公式M₁, M₂, M₃, M₄及预警震级计算结果M_n。 将其应用到日本13个4~7级的地震中, 并对比目前主流Pd震级计算方法, 我们的结果离散度与可靠性更好。 因此, 可认为我们得到的震级公式是较可靠的一种估算近场震级的方法, 并且可以应用到地震预警中。