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...     

基于强震动记录测定近场地震参数方法研究

本文基于大理州的23个强震动台2007年以来记录的11组3.5级以上近场地震共51条强震记录,根据数字地震仪台网系统测定地震参数的基本原理,讨论了通过强震动台网测定近场地震参数的方法,并对测定近场地震参数的计算机软件MDEPS系统的编制进行了介绍。     

基于强震动记录的地震生命损失快速评估方法

随着我国强震动观测数据数量和质量的大幅提高, 破坏性地震发生后所观测到的强震动记录也在试验性地转化为仪器烈度数据． 本文将强震动记录引入应急性的生命损失快速评估, 借助已有的地震应急灾害损失快速评估模型的表达方法, 提出了一种将仪器烈度概率密度函数和生命损失函数相结合的地震人员伤亡快速评估方法． 通过确定仪器烈度的概率密度, 并结合四川地区已有房屋建筑易损性研究成果, 建立了考虑建筑地震易损性并与烈度相关的地震生命损失快速评估函数, 并利用汶川地震的强震动记录对本文提出的生命损失快速评估方法进行评估计算. 结果表明, 该方法的计算结果与实际震害损失结果颇为一致, 说明了该方法的可行性, 因而能够及时为地震应急救援提供可靠信息．      

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τc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.     

基于强震动记录的汶川地震场地效应研究

场地效应一直以来是地震工程领域研究的热点。利用数值模拟和理论计算的方法进行这方面的研究已极为普遍。由于不需要太多的假设和简单的计算过程,基于强震动记录的场地效应分析方法越来越得到认可而被广泛应用。2008年汶川地震中,我国强震动观测网络(NSMONS)在主震和余震中分别获得了大量高质量的自由场加速度记录。这些记录为研究汶川地震场地效应提供了良好契机。本文以此为基础数据,从场地类别划分、场地反应广义反演和场地反应非线性识别3方面开展研究,旨在拓宽强震动记录在我国科学研究和工程实践领域的应用范围,推进强震观测事业的发展。主要工作如下:(1)在总结了目前国内外3种常用的HVSR场地分类方法优缺点的基础上,提出了一种新的分类方法——谱比熵权决策法,改进了现有方法。采用这4种方法划分了汶川地震中54个强震动固定台站和66个流动台站的场地类别。通过比较不同分类结果的差异,验证了新方法较以往方法更具合理性。(2)提出了一种新的基于HVSR形状的场地分类标准。在汶川地震强震动流动台站的场地分类中,证实了新标准可提高分类准确率,有效地解决了以往方法当HVSR曲线出现多个峰值或没有峰值的情况下无法适用的局限性。另外分类结果还表明,HVSR方法识别的场地自振周期TG与台站高程存在一定的相关性,总体上,高海拔地区的台站场地TG相对较小。(3)选取了28个强震动台站在汶川地震余震中的96个地震中获取的602组记录,采用广义反演法(GIT法)分离了其震源、路径、场地3项因素。针对台站062WUD,采用标准谱比法(SSR法)估计其场地反应并与GIT法的结果进行比较,显示两者较为一致,验证了广义反演结果的可靠性。将GIT法获得的28个台站的场地反应与HVSR法获得的结果进行比较,发现HVSR法计算的台站场地卓越频率与GIT法较一致,但场地反应幅值大都低于GIT法,验证了HVSR法能很好地估计场地卓越频率但会低估场地反应幅值的已有认识。在对数刻度下回归了1.0~5.0Hz、5.0~10.0Hz及1.0~10.0Hz频率段内的平均场地放大因子与上地表土层20m深度的等效剪切波速VS20值的线性关系,结果显示两者具有较好的相关性。(4)在运用广义反演法对汶川地震场地非线性反应进行识别与分析的过程中,定义了一种新的表示场地至地震源(site-to-source)距离的形式——凹凸体距,并验证了其相比目前常用的破裂距、断层距和震源距更能科学近似地表示大震中场地至地震源的距离,解决了广义反演方法不适用于大地震的局限性。(5)提出了将S变换应用于场地地震反应的非线性识别与分析的研究思路,与GIT法和HVSR法分别对33个强震动台站在汶川地震主震中的场地地震反应进行非线性识别与分析。结果表明,当地震动PGA300cm/s2或PGV20cm/s时,场地地震反应出现明显的非线性现象,对应台站051AXT、051GYS、051GYZ、051JYC、051JYD、051JYH、051JZW、051MXN、051SFB和062WUD,在汶川地震主震中产生了显著的场地非线性反应。通过与GIT法和HVSR法的研究结果进行比较,证实S变换在时域内可有效地进行场地反应的非线性识别,并且较频域方法具有能识别非线性发生的具体时间的优点。(6)在对汶川地震场地地震反应进行非线性识别过程中,分析了GIT法和HVSR法获得的弱、强地面运动作用下的场地卓越频率之比RFp与地震动水平PGA、PGV以及场地系数VS20、VS30之间的相关性。结果显示,RFp与PGA、PGV存在较强的正相关性,却与VS20、VS30弱相关。提出了一种新的定义场地反应非线性程度的参数——ADNL,计算了各台站的ADNL值以及其他类似参数fNL、DNL和PNL,并与地震动参数PGA进行经验回归分析,结果显示,各参数与PGA都存在强烈相关性。     

基于ArcGIS平台的芦山地震强震动记录分析

利用ArcGIS平台的探索性空间数据分析(ESDA)模块,将四川省强震台所记录的芦山地震强震动进行Histogram、QQplot图、半变异协方差函数云图、Voronoi地图分析,研究芦山地震强震动的特征及原因.结果表明:原始数据不服从正态分布,以宝兴地办、宝兴民治、盐源泸沽、盐源干海等台站记录离群较为明显;经过对数变换后的强震动三分量线性关系较好,宝兴地办台站的记录未出现离群现象,宝兴民治、宝兴明礼等台记录的离群现象不太明显.东西向和南北向的地震动密集度集中在西北角,收敛过渡密度区域位于龙门山山前的大邑断裂附近,与芦山地震的发震构造有较好的一致性;垂直向的地震动记录密集度集中在北部地区,而南部较为稀疏,可能与巴颜喀拉块体前缘整体随应力场变化往南移动有关系.     

昆明地震台地面与井下地震计地震记录震级偏差

选取昆明基准地震台观测山洞内放置的宽频带地震计BBVS-60及井下放置的GL-S60B深井宽频带地震计记录资料,采用新的震级国家标准（GB17740-2017）,对地面及井下地震记录计算M_L、m_b、m_B（BB）、M_S、M_S（BB）等5种震级,得到2种地震计的震级偏差。结果显示,M_L平均偏差0.18,m_b、m_B（BB）平均偏差0,M_S平均偏差-0.02,M_S（BB）平均偏差-0.01。     

强震动记录自适应基线校正方法:汶川地震应用

基线校正是强震动记录数据处理非常关键的环节之一。现有方法大都依赖主观经验,得到的永久位移值存在较大的不确定性,不能实现自动化处理。为此,提出一种自适应的强震动记录基线校正方法,以汶川地震中汶川卧龙台站(051WCW)获取的强震动记录为例叙述新方法的每个环节,并与已有方法进行比较,验证了新方法的计算准确性。最后,将新方法运用于汶川地震主震中,得到了37个强震动台站的永久位移场。通过与Wang等的研究结果比较,发现除3个台站由于数据不全无法比较外,新方法给出的24个台站的最大永久位移无论是数值还是对应方位角都与其一致。表明新方法具有一定的可靠性,同时通过对比也发现新方法存在一定的局限性,还有待进一步改进。     

乌鲁木齐M_S5.1地震强震动观测记录

2013年8月30日乌鲁木齐发生MS5.1地震,新疆烈度速报台网有30个台记录到本次地震产生地面运动,记录最大峰值加速度为162.3 cm/s2。对此次地震强震动特性进行了分析,针对3种不同仪器加速度记录特性进行对比分析。可以看出,3种仪器获取同一地震加速度记录特性基本趋于一致。     

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。     

汶川地震强震动记录分析及应用

地震工程的研究手段主要包括:震害调查、强震观测、模型试验和数值分析.由于大地震本身较少,同时造成严重震害并且获得强震动记录的大地震就更少,一般的研究就更多地集中在利用模型试验和数值分析方面,而基于震害调查和强震观测的研究较少,在国内这一点更为突出,我国虽然是一个遭受地震灾害非常严重并且对地震进行记录和研究最早的国家,但是,在汶川地震之前近断层强震动记录一直非常匮乏.     

地震预警震级计算方法研究综述

地震预警系统是减轻地震灾害的有效手段之一,世界上多个国家和地区都已经建立了地震预警系统,并在实际应用中取得了显著的减灾实效.由于地震预警系统应用中的高度时效性要求,预警震级计算是整个地震预警系统中最重要也是最困难的一部分.本文回顾总结了地震预警研究中采用的一些震级计算方法,并将其归纳为三大类算法:与初始周期相关的算法、与初始幅值相关的算法和与初始强度相关的算法.对每种算法都做了详尽介绍和仔细分析,同时列举出与该算法相关的研究成果.通过对这些算法的分析总结并结合我国地震观测台网的实际情况,作者推荐τc、Pd两种方法作为我国地震预警系统建设中优先采用的两种预警震级算法.     

核电站强震动观测与地震预警述评

简要介绍强震动观测和地震预警技术及其在核电站工程中的应用情况.基于有关导则相关要求的介绍,对核电站强震观测系统的一般要求进行说明,分别以Beznau核电站和我国某核电站为例,介绍了强震仪测点的布置情况.以立陶宛Ignalina核电站为例,对地震预警技术在核电站中的应用情况做了分析和探讨.最后,提出了今后核电站地震观测和地震预警中值得关注的有关问题.     

基于2014年云南地区地震的地震预警参数与快速震级估算研究

根据2014年云南地区M6.1盈江地震、M6.5鲁甸地震和M6.6景谷地震的主震、余震P波初期部分的信息,研究了地震震级快速估算中3个预警参数（最大卓越周期τ_p^max、特征周期τ_c和最大位移幅值P_d）与震级的相关性,提出了云南地区的震级估计模型,并对其进行分析,再和其它地区的震级估计模型进行对比和评价。结果表明:3种方法均能在短时间内（2~4 s）有效地进行震级估算,P_d方法估算效果最优,τ_c方法次优,τ_p^max方法较弱。在震级较大的主震震级估计中,3种方法均没有出现明显的震级低估（震级饱和）现象。对于τ_p^max方法,云南地区的估计模型与南加州地区较为接近,但与四川地区区别较大,可能与该方法的计算稳定性有关;而τ_c方法的估计模型则与四川及世界其它地区均较为接近,更具有普适性和稳定性。在地震预警系统的实际应用中,由于云南地区尚未建立密集的地震监测台网系统,因此在短时间内难以得到较为准确的震中距。与震源距相独立的τpmax和τc两种算法则显得较为实用,其中:τ_c方法略优于τ_p^max方法,同时能较好地满足地震预警系统的精度要求,因此推荐使用τc方法应用于云南地区地震预警系统中的快速震级估算。     

面向地震预警的强震动数据处理技术研究

地震事件有突发性、概率低、预测难、破坏大等特点。随着强震动台网的密度和实时传输能力的提高,以强震动观测为基础的地震预警成为重要的防震减灾手段,近年来,在全球发展迅速。本文开展了地震预警系统中的强震动数据处理技术研究,主要完成的研究工作有:(1)利用强震仪自噪声识别方法给出仪器自噪声指标,与在安静基岩上直接记录的自噪声对比,结果表明,在普通环境下用该方法可以得到可靠的强震仪自噪声,可用于判别仪器是否适合预警监测。基线偏置对地震预警系统有严重影响,可以通过基线平移消除。对基线平移后的测试数据分析,发现地表倾斜和迟滞损失是引起基线漂移的重要原因。(2)针对环境噪声易造成系统误触发的情况,研究了用于地震预警系统的单台站抗干扰误触发算法。提取强震动记录和干扰记录触发事件后3s内数据的多个特征值,用于建立地震与干扰两类数据的判别准则。提出使用决策树判别干扰事件的方法,即利用强震动记录和干扰记录的特征值对决策树进行训练,训练后的决策树可以较好地区分地震事件和干扰事件。针对高速铁路地震监测预警系统中的每个台站都配置了两个传感器的情况,提出了利用单台站内两测点相关性进一步剔除干扰方法。将本文方法布设到了高速铁路沿线长期运行,其误报率为0%,同时对地震事件很灵敏。(3)针对一个台站只有一个传感器的情况,对比IIR低通滤波法和小波分析法在本文中的降噪效果;针对高速铁路地震监测预警系统中观测数据的降噪问题,提出利用高速铁路强震观测台站的双传感器配置和独立成分分析法,消除高速铁路行车振动噪声,比滤波法的效果更好。(4)研究地震预警中的地震定位和震级估算方法。综合利用方位角、震相到时、断层位置和地震活动信息,提出合成权重地震定位方法。结果表明,此综合方法提高了地震预警系统的时效性和准确性,但是,计算量大,由此提出,利用多目标寻优方法提高地震定位计算效率。对比3种典型的多目标寻优算法,确定了DEMO算法在本文中具有最快的速度和准确性。采用较多参数的人工神经网络降低震级估计误差,并且使用了大量的KiK-net井下强震动记录统计估计误差,结果表明,误差较小且在已知震中距的情况下,震级估计误差更小,能满足地震预警的需求。(5)针对地震预警自身特点和实际应用条件,给出了预警系统的构架、系统开发流程和关键技术以及系统测试方法等。介绍了本文研究成果和实现技术在我国高速铁路地震监测预警试验系统建设中的应用。     

鲁甸地震强震动记录与地震动衰减模型的对比研究

利用2014年鲁甸M_S6.5地震断层距小于300 km的32个自由场地观测台站的地震动加速度记录,分析了地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)的空间分布特征,并对已有地震动衰减模型中的NGA-West2四个模型和1个中国川藏区模型进行了比较分析.研究表明,地震动PGA和PGV衰减最快的方向与断层主破裂方向一致.在整个断层距(R_rup)范围内大多数台站的地震动PGA、PGV和加速度反应谱值(Sa(T=0.1、5.0 s))均位于NGA-West2四个模型预测曲线的±1倍标准差之外.PGA、PGV和Sa(T=5.0 s)的事件内残差均值在-1.43~-0.74之间.Sa(T=0.01~5.0 s)事件内残差均值在整个距离范围内均表现出系统性偏负.NGA-West2四个模型的PGA事件内残差的空间分布特征相似,其最大正值和最大负值分布区域的震源-场地方位角约为-90°和90°,与主破裂断层方向垂直,所处地势较为平坦且台站场地V_S30相对较大.NGA-West2四个模型总体上会较大地高估鲁甸地震整个断层距范围内各个周期尤其是短周期(T < 1.0 s)的地震动加速度反应谱值.考虑本地区实际地震资料的中国川藏区地震动衰减模型也会在一定程度上高估鲁甸地震大多数台站的地震动加速度反应谱值,但是相对于NGA-West2四个模型,其预测值更接近鲁甸地震的实际观测值.

     

基于ITD的强震动加速度记录数据处理方法

基于本征时间尺度分解算法(ITD)对比了二次拟合法、EMD算法对人工合成地震波的处理结果,证明了ITD算法对于强震动加速度记录数据的基线校正有较好的校正效果;进一步基于ITD算法对台湾集集地震和某强震动台阵未校正加速度记录进行处理,并采用带通滤波方法进行进一步滤波处理和变换得到校正后的加速度、傅里叶频谱、反应谱;最后通...     

广西北流Ms5.2地震强震动记录分析

对广西北流5.2级地震中获取的强震动记录进行数据校正、带通滤波处理,计算分析各强震动台记录幅值、震动持时及地震动反应谱特性,并根据水平向合成峰值加速度PGA_H相应的烈度值绘制地震仪器烈度图。结果表明,此次地震记录最大峰值加速度的台站为玉林乌石台,仪器烈度达6度;持时在1.9～32.8 s之间,不随震中距增大而增大;地震动加速度反应谱集中在2～9 Hz,对震中区域低矮钢混结构房子有影响,高层建筑危险性不大。     

河北昌黎M4.2地震强震动记录分析

2015年9月14日河北昌黎发生M 4.2和M 3.3地震,发震时刻相差13 min,震中位置基本一致,共有12个强震动台站记录到M 4.2地震近地场地面运动,采用反应谱和傅里叶谱处理分析此次地震强震动记录,并对比土层台和基岩台强震动记录特征,由强震动数据得出最小震中距台站的仪器烈度约为Ⅴ度,与烈度速报和灾害评估宏观烈度基本一致,体现出强震动台网建设的作用和效果。