高频GPS和强震仪数据在汶川地震参数快速确定中的初步应用

高频GPS可以实时获取地表位移数据,在地震学中有十分重要的现实应用,比如快速获取震中、震级、地震烈度甚至震源破裂过程.本文以汶川地震为例,首先利用近场7个GPS台站数据反演震中位置,由于高频GPS和测震学确认的震相不一致,两种震中结果相距约15.7 km.然后对高频GPS和强震动数据进行了比较分析,我们的统计结果表明,尽管由于工作原理不同,高频GPS数据中的地震动峰值与强震记录相比存在明显差异,但是高频GPS记录的PGA、PGV和PGD同样可以作为计算地震烈度的指标.进而,使用SMBLOC程序对强震记录进行事后的基线偏移校正,得到与实时高频GPS精度相当的地表位移序列.最后,采用移动平均窗口对这些位移数据作平滑,基于最速下降法和OKADA模型,对汶川地震断层破裂的过程进行了回溯性准实时反演.结果表明,汶川地震主断层由西南向东北方向破裂,以14:28:04为基准,在震后20 s提供初始震级M_W7.0,震后70 s震级稳定在M_W7.8,但断层仍在破裂,在震后159 s根据位移波形判断事件基本结束.研究表明,实时地表位移数据可以快速准确获取强震震级和破裂方向,从而使得高频GPS将对现有地震预警系统提供很好的补充.

     

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．      

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.     

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...     

Analysis of strong earthquake ground motion for prediction of response spectra

Prediction of response spectra for earthquake engineering purposes is considered from a new point of view based on the dislocation theory of earthquakes. It is shown that the traditional scaling of response spectra by the predicted peak acceleration should be limited to the high-frequency end of the spectrum, and that the peak acceleration in the near field is not strongly correlated with earthquake magnitude. The amplitude of the long-period end of response spectrum at source to station distances greater than about 10 source dimensions should be scaled with seismic moment, while for distances less than about one source dimension this amplitude should be proportional to the permanent ground displacement. To reconcile the existing extensive data on seismicity of active regions based on magnitude scale, it is shown that magnitude can be used to determine approximately the seismic moment.     

面向地震烈度仪的现地地震动预测模型的构建与验证

利用初期P波预警参数构建现地地震动预测模型,使其在达到设定阈值时快速发出报警信息,是现地地震预警系统面临的一个关键问题,直接关系到发布信息的准确性和及时性。针对地震烈度仪基于微机电系统传感器记录到的数据质量较差,通过两次积分获取的位移存在较大偏差,会引起更多的误报和漏报,本文采用不同阶数(1—4阶)的巴特沃斯滤波器,分别构建了基于P波3 s和全P波段数据的位移幅值PD、速度幅值PV和加速度幅值PA与地震动峰值速度PGV和峰值加速度PGA的现地地震动预测模型,然后利用收集到的川滇示范预警网地震事件记录进行验证。结果表明,对于地震烈度仪微机电系统传感器的记录,采用1阶巴特沃斯滤波器处理、基于全P波段波形拟合获取到的PV与PGV的相关性和PA与PGA的相关性为两种最优现地地震动预测模型。具体应用时,应同时利用两种或两种以上的统计关系进行现地地震动预测,并将实际地震动观测值作为额外的判定条件,以降低误报率和漏报率。     

Earthquake magnitude estimation using the τ c and P d method for earthquake early warning systems

Earthquake early warning (EEW) systems are one of the most effective ways to reduce earthquake disaster. Earthquake magnitude estimation is one of the most important and also the most difficult parts of the entire EEW system. In this paper, based on 142 earthquake events and 253 seismic records that were recorded by the KiK-net in Japan, and aftershocks of the large Wenchuan earthquake in Sichuan, we obtained earthquake magnitude estimation relationships using the τ _c and P _d methods. The standard variances of magnitude calculation of these two formulas are ±0.65 and ±0.56, respectively. The P _d value can also be used to estimate the peak ground motion of velocity, then warning information can be released to the public rapidly, according to the estimation results. In order to insure the stability and reliability of magnitude estimation results, we propose a compatibility test according to the natures of these two parameters. The reliability of the early warning information is significantly improved though this test.     

四川九寨沟MS7.0地震的地震动分布和衰减特征初步分析

2017年8月8日在四川阿坝州九寨沟县发生了M_S 7.0地震,这是继2008年四川汶川M_S 8.0地震和四川芦山M_S 7.0地震后在此地区发生的又一强震。本研究对此次地震中的66组主震记录进行了常规校正处理,基于此分析了此次地震中典型台站——九寨百合台站的地震动特征,并通过地震动的峰值加速度、反应谱参数分析了近场效应特征。研究结果表明:九寨百合台站的三分量峰值加速度都超过了100 gal,而地震动持时相对较短,并且三分量反应谱在短周期大于Ⅷ度多遇地震设计谱,小于Ⅷ度罕遇地震设计谱;由于九寨沟地震属于典型的走滑型地震,因此地震动参数的方向性特征不明显;九寨沟地震的地震动的峰值加速度以及反应谱谱值小于同等震级的芦山地震,并且小于几个典型衰减关系的预测值。对九寨沟地震的地震动参数特征研究表明,此次地震是一次震级较大、但灾害损毁程度较低的地震。     

建筑物高低层地震反应差异研究

建筑物高低层的地震反应是有差异的.本文对一栋20层钢筋混凝土框架结构进行了平面地震反应分析,并对一栋在汶川大地震中带有器物反应现象的4层钢筋混凝土框架结构进行了三维地震反应分析,得到了各楼层的位移、速度、加速度时程曲线及反应谱曲线.通过对计算结果的分析验证了“随楼层增高,人的感觉和器物的反应越强烈”的现象,初步分析了产...     

the faulting characteristics of 2008 wenchuan ms8.0 earthquake and its relation with strong ground motion

The 2008 M_S8 Wenchuan earthquake occurs on a high angle listric thrust fault. It is the first time that the near and far field strong ground motion was observed for such special type thrust earthquake. This paper jointly interprets the distribution of peak acceleration of ground motion data with seismogenic structure and slip propagating process to investigate how high angle listric thrust fault controls the pattern of strong ground motion. We found that the distribution of peak acceleration of strong ground motion during the Wenchuan earthquake has four distinctive features: 1)The peak acceleration of ground motion inside the Longmenshan fault zone is large, that is, nearly twice as strong as that outside the fault zone; 2)This earthquake produces significant vertical ground motion, prevailing against horizontal components in the near field; 3)The far field records show that the peak acceleration is generally higher and attenuates slower versus station-fault distance in the hanging wall. It is doubtful that the attenuation of horizontal components also has the hanging wall effect since no evidence yet proving that the unexpected high value at long distance need be omitted; 4)As to the attenuation in directions parallel to the source fault(Yingxiu-Beichuan Fault), the far field records also exhibit azimuthal heterogeneity that the peak acceleration of horizontal components decreases slower in the north-northeastern direction in which the co-seismic slip propagates than that in the backward way. However, the attenuation of vertical component displays very weak heterogeneity of this kind. Synthetically considered with shallow dislocation, high dip angle, and prevailing vertical deformation during co-seismic process of the Wenchuan earthquake, our near and far field ground motion records reflect the truth that the magnitude of ground motion is principally determined by slip type of earthquake and actual distance between the slipping source patches and stations. As a further interpretation, the uniqueness of high angle listric thrust results in that the ground motion effects of the Wenchuan earthquake are similar to that due to a common thrust earthquake in some components while differ in the others.     

Earthquake-induced landslide displacement attenuation models and application in probabilistic seismic landslide displacement analysis

A landslide displacement (DLL) attenuation model has been developed using spectral intensity and a ratio of critical acceleration coefficient to ground acceleration coefficient. In the development of the model,a New Zealand earthquake record data set with magnitudes ranging from 5.0 to 7.2 within a source distance of 175 km is used. The model can be used to carry out deterministic landslide displacement analysis,and readily extended to carry out probabilistic seismic landslide displacement analysis. DLL attenuation models have also been developed by using earthquake source terms,such as magnitude and source distance,that account for the effects of earthquake faulttype,source type,and site conditions. Sensitivity analyses show that the predicted DLL values from the new models are close to those from the Romeo model that was developed from an Italian earthquake record data set. The proposed models are also applied to an analysis of landslide displacements in the Wenchuan earthquake,and a comparison between the predicted and the observed results shows that the proposed models are reliable,and can be confidently used in mapping landslide potential.     

利用加速度或速度记录快速测定矩震级的一种新方法

根据峰值加速度、速度、位移对构造环境剪应力场和地震矩的依赖关系,导出了直接计算矩震级的公式．用北京怀来小台网（速度记录）、唐山强震观测台网（加速度记录）和北京地区台网（速度记录）的地震记录资料,检验了这些公式的可用性．结果表明,利用加速度或速度记录测定的矩震级与常规方法（根据位移谱高度）测定的矩震级十分接近．证明了这些公式的正确性,从而拓宽了用于测定震级的资料类型,即不仅限于位移记录,速度和加速度记录都可用于测定震级．     

地震震中实时动态定位的方法研究

在地震早期预警系统中具破坏性地震震中的确定速度十分重要.本文提出了地震发生后根据1个、2个、3个台站P波到时记录进行动态、近实时确定地震发生区域、线区间和震中位置的方法.方法充分考虑了地震触发台站和非触发台站分布与地震波传播规律的一致性和差异性特征,提高了震中定位结果的精度.对由79个台站组成的山东虚拟测震台网2009-2010年期间记录的425次网内地震进行了快速定位,结果表明对发生在网内的地震可在要求时间内给出比较准确的震中位置,可满足预警地震速报时效性和精度的双重要求.     

潜在地震滑坡危险区区划方法

不同地区地震活动的强度和频率是不同的.基于地震危险性分析的地震滑坡危险研究在综合了地震烈度、位置、复发时间等因素的基础上,考虑了地震动峰值加速度时空分布的特点,可以有效地应用于潜在地震滑坡危险区区划.以汶川地震灾区为研究对象,根据研究区的地质构造、地震活动特点等划分出灾区的潜在震源区,对该区进行地震危险性分析,并在此基础上采用综合指标法做出基于地震危险性分析的地震滑坡危险性区划.所得地震滑坡危险性区划按照滑坡危险程度分为高危险、较高危险、较低危险和低危险四级,表示未来一段时间内研究区在遭受一定超越概率水平的地震动作用下,不同地区地震滑坡发生的可能程度. 本文给出的地震滑坡危险性区划结果中,汶川地震滑坡崩塌较发育的汶川、北川、茂县等部分区域均处于高危险或较高危险区域;在对具有较高DEM精度的北川擂鼓镇地区所作的地震滑坡危险性区划中,汶川地震中实际发生的地震滑坡灾害与地震滑坡危险区划结果表现出较好的一致性.对区域范围而言,基于地震危险性分析的地震滑坡区划,可为初期阶段的土地规划使用及重大工程选址提供参考.     

山脊地形效应的强震动观测研究

根据强震动观测、实验研究与数值模拟结果表明,山脊地形对地震动具有显著影响。文章基于汶川地震主震及余震的三个地形效应观测台阵记录的三分量地震动加速度时程,经基线校正后计算得到各观测点的地面峰值加速度、峰值加速度比和反应谱比,分析山脊地形对地震地面运动的影响。结果表明：山脊地形对地震地面运动的影响显著,其地形地震效应随山脊地形的不同而变化,且地形效应具有方向性;水平向地形效应显著于垂直向;谱比是周期相关的,在所分析的周期范围内谱比不总是大于1.0。     

强干扰环境下有效数字地震信号的提取

城市扩张和人类活动所带来的环境干扰已经越来越严重地影响到地震监测,给地震参数的确定和其他地球物理研究造成不确定性。本研究以处于高环境噪声的防灾地震台记录的2008年5月12日汶川地震波形资料为例,给出如何采用数字信号处理手段从强干扰环境下提取到地震波有效信号,并按方位角和出射角方向对地震信号各分向信号进行了分解与组合,最后归纳出提取有效信号的一般过程。     

基于深层卷积神经网络的震级快速估算方法

当前地震预警中的震级估算方法是通过初至几秒地震波的特征参数与震级的经验关系来实现的, 这些特征参数依赖于人的经验和主观判断, 没有充分利用初至地震波中与震级相关的信息, 制约了震级估算效果.对此, 本文利用深层卷积神经网络(Deep Convolutional Neural Networks, CNN)直接从初至地震波中自动提取特征, 实现端到端的震级快速估算.CNN方法以单台站的初至竖向地震波作为主输入, 震中距、震源深度以及V_s30作为辅助输入, 震级作为输出.利用日本和智利的大量地表强震记录对CNN方法进行训练(98257条记录)、验证(31429条记录)和测试(40638条记录), 利用美国和新西兰的强震记录进行泛化性能测试(583条记录), 并与应用最为广泛的峰值位移Pd方法进行对比.结果表明, 当初至地震波时长为3s时, 在4~6.4级范围内, CNN方法估算震级的准确率是Pd方法的1.5倍, 在6.5~9级范围, CNN方法估算震级的准确率是Pd方法的1.2倍; 当初至地震波从3s增加到10s时, CNN方法能够随着地震波时长的增加不断提高估算震级的准确率, 并且始终高于Pd方法, 特别是对于4~6.4级地震, CNN方法在初至3s地震波时估算震级的准确率是Pd方法在初至10s地震波时的1.2倍; 随着地震波时长的增加, CNN方法对于震级饱和问题的改善效果优于Pd方法; CNN方法具有较好的泛化能力, 在训练数据集之外的区域, 比Pd方法估算震级更准确.相比于人为定义的特征参数, CNN方法从初至地震波中自动学习到了与震级更为相关的特征, 这些特征极大地改善了震级估算的准确性和时效性, 可以为地震预警系统提供更快速更准确的震级估算.

     

基于修正岩土体强度参数的简化纽马克位移法地震滑坡危险性快速评估技术

地震滑坡危险性评估可为震后应急响应等提供科学的决策依据。纽马克位移法可不依赖同震滑坡编目快速评估同震滑坡危险性。工程岩体物理力学参数是该方法的核心参数之一,但其赋值过于单一,难以反映复杂地质背景下岩体强度的空间差异性。针对上述问题,本文在分析地震滑坡影响因子的基础上,选择距断层距离、高程和距水系距离作为影响岩体强度的评价指标并建立岩体强度评价模型,获得区域岩体强度修正系数,进而修正传统方法的临界加速度。结合震后的即时地震动峰值加速度,采用简化纽马克位移法计算边坡累积位移,开展地震滑坡危险性快速评估,并以汶川M_W7.9地震的地震滑坡危险性评估为例验证本文方法。结果表明,相对于传统方法,本文方法划分的地震滑坡危险区与同震滑坡分布更加一致。     

基于汶川主震及余震的预警参数与震级相关性研究

地震预警作为一种能够有效减轻地震灾害的手段已经被世界上越来越多的国家和地区所研究,并在实际应用中取得了显著的减灾实效.利用汶川主震及其余震P波和S波初期部分的信息,研究了最终地震震级与4个预警参数的相关性.考察的4个参数是位移幅值(Pd)、速度平方积分(IV2)、P波卓越周期和特征周期(τp和τc).使用的数据集时间跨度从2008年5月12日至2008年10月4日,共计218次震级大于等于4级的地震事件,包括主震8.0、最大余震6.5和7次大于等于6.0级的事件.Pd、IV2和τc在震级小于等于6.5级时与最终震级具有较好的相关性,没有出现震级饱和现象,验证了前人的统计结果.但是在估算主震震级时,都存在不同程度的低估现象,IV2参数尤其明显.另外,Pd和IV2统计曲线在M6级附近存在着一个斜率变化,并且Pd结果与前人统计结果相差较大.τp的统计结果表明该参数不适合应用到汶川地区的地震预警系统中.     

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。