（岩土工程专业论文）福建地区脉动资料的处理与分析.pdf

摘要 脉动这一随时随地都可以观测到的微小振动，因为其特有的 性质而正受到越来越多人的关注。本文首先总结了国内外对脉动的研 究的现状，然后对2 0 0 5 年5 月1 日至2 0 0 6 年8 月1 2 同期间福建省 数字地震监测台网9 个宽频带台站所记录到的脉动进行了研究分析， 主要工作如下： 1 利用福建省数字地震监测台网在2 0 0 5 年5 月1 同至2 0 0 6 年8 月1 2 日期间所记录到脉动资料，分析了福建地区脉动的均方根速度和 卓越频率随时间和空间的变化规律。分析结果表明，9 个宽频带台站 脉动记录的均方根速度的变化表现出很好的一致性，沿海台站记录到 的脉动的幅值要高于内陆台站的记录，在台风期间各个宽频带台站的 均方根速度都有一个明显增大的过程；9 个宽频带台站脉动记录的卓 越频率一般在0 ，3 h z 之间，而且各个宽频带台站脉动i 己录的卓越频率 的变化也表现出很好的一致性；在台风期间，卓越频率都有一个明显 的降低。最后本文研究了脉动均方根速度的变化与福建省内舭2 5 和周边地区m l 4 5 的地震之间的对应关系，发现两者之间并无十分 明显的对应关系。 2 在台风期间，脉动的幅值明显增大，这种被加强的脉动信号也 许能更好的反映出脉动的振动特性，为此，本文特意对2 0 0 6 年8 月桑 美台风期间福建省内9 个宽频带台站的脉动记录进行了分析。结果表 明：垂直向脉动与水平向脉动( 东西向) 之间有很好的相关性，相关 系数可以达到甚至超过0 8 ，而且水平向脉动与垂直向脉动之间相位 差为似，且垂直向脉动比水平向脉动超前；脉动在传播过程中，引起 地表介质的质点作逆椭圆运动，而且椭圆上部质点的运动方向指向海 洋一侧；在0 卜o 5 h z 频带范围内，水平向脉动( 东西向) 与垂直向 脉动的幅值谱谱比一般在0 5 - 0 8 之间，这和理论上推导得到的自由 表面上的瑞利波的幅值谱谱比( 0 5 4 一o 7 9 ) 有一个很好的吻合而且 0 卜0 5 h z 频带范围内谱比的均值一般在0 7 左右，和理论上得到的 泊松介质自由表面的瑞利波水平向与垂直向幅值比( 0 6 8 ) 很接近： 因此，本文认为瑞利波是脉动的主要成分。 3 基于中国地震局地震预测研究所郑斯华等人所做的根据环境噪 声提取面波格林函数的方法，以5 分钟为一间隔，计算2 5 天内不同 台 站垂直向脉动记录之间相关系数并将其累加，通过累加结果估计了福 建地区面波的传播速度，分析中发现，该方法得到的结果比较稳定， 台风不会对该方法的结果产生明显的影响，计算得到的福建地区6 个 宽频带台站之间面波的传播速度在2 7 - 3 2 k m s 之间，和实际观测得 到的面波的传播速度比较接近，这说明该方法可用于对地下介质特性 变化的近实时监测。 4 为了搞清台风期间脉动的衰减特性，本文在p e t e rd b r o m i r s k i 等人的研究基础上，假设福建省数字地震监测台网所记录到的脉动主 要是由于近海的某一片区域所产生的。，然后在这一假设的基础上，计 算了桑美台风期自j 脉动的衰减规律，结果表明，脉动的振动幅值的衰 减和瑞利波的衰减很相似，基本上也是按照l 广- 规律衰减，这从衰 ，r 减特性上表明脉动的主要成分为瑞利波。 5 根据前人所做的研究，本文假设脉动主要由洋面上海浪驻波产 生的，海浪驻波高度的变化引起了海底压力的变化，进而产生了脉动。 本文在这种假设的基础上。通过理论分析，得到了海浪有效波高与脉 动均方根速度之自j 的关系，并利用福州台的脉动记录估计了福州近海 海浪的有效波商，分析发现，理论上推导得到的海浪的有效波高和实 际记录到的有效波高相差不大，两者处于同一个数量级，这就从另一 个角度为脉动主要是由于海浪的活动引起的这一假设提供了有力的支 持。 最后，作者对全文的研究工作进行了总结，讨论了今后应该进行 的研究工作。 关键词：脉动：均方根速度：卓越频率；相关系数；瑞利波；台风 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h em i c r o s e i s m s 批p a i da t t 硎o nt or 黼p e o p l eb e c a u s eo f i t ss p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c sd e s p i t ei ti st i n ya n dc a nb eo b s e r v e de v e r y w h e r ea ta n ym o m e n t i nt h i s p 獬t h ec u l t c m r e s e a r c ho ft h em i e r o s e i s m si s b r i e f l y s u m m a r i z e da n dt h e m i e r o s e i s m sr e c o r d e db yt h es e i s m i c ：m o n i t o r i n gn e t w o r ko ff u j i a np r o v i n c ef r o m m a y1 ，2 0 0 5t oa u g u s t1 2 ，2 0 0 6i sm a i n l yr e s e a r c h e d t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i ss t u d yh a v e b e e ns u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 n 圮m i e r o s e i s m sr e c o r d e d b y t h e s e i s m i c m o n i t o r i n g n e t w o r k o f f u j i a n p r o v i n c e f r o mm a y1 ，2 0 0 5t oa u g u s t1 2 。2 0 0 6i su t i l i z e dt o a n a l y s et h el a w o ft h e r o o t - m e a n - s q u a r ev e l o c i t ya n dt h ep r e d o m i n a t ef r e q u e n c yc h a n g e sw i t ht h el i m ea n d t h es p a c e n l er e s u l ts h o w st h a tt h ec h a n g e so f t h er o o t - m e a n - s q u a r ev e l o c i t yf r o mt h e w i d e - b r o a d b a n dv e l o c i t yr e c o r d si si no fa c c o r dw i t he a c ho t h e r t h em i c r o s e i s m s a m p l i t u d e sr e c o r d e db yt h ei n s h o l es t a l i o l l 种l a r g e rt h a nt h o s er e c o r d e db yt h ei n l a n d s t a t i o na n dg e tl a r g ew h e nt h es t o r mc o m e s n 把p r e d o m i n a t ef r e q u e n c yw h o s e c h a n g e si si no f a c c o r dw i t he a c ho t h e ri sb e t w e e n0 2 - o 4 h za n dg e td o w nw h e nt h e s t o r mc o m e s f i n a l l yt h ep a p e rs t u d i e so nt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec h a n g eo ft h e r o o t - m e a n - s q u a r ea n dt h eo c a l ro ft h ee a r t h q u a k e i t 锄b es i g nt h a tt h e r ei sn o o b v i o u sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m 2 n 屺s t r e n g t h e nm i e r o s e i s ms i g n a l s t h ea m p l i t u d eo f t h em i e r o s e i s m s 越d i f f e m a t f r o mt h e d a i l y n o i s er e m a r k b l yw h e nt h es t o r mo c c u r r e dm a y b er e f l e c tt h e r e l a t i o n s h i po ft h em i e r o s e i s m se l m m c t e f i 蚰c s t h e r e f o r et h em i c r o s e i s mr e c o r d e db y t h es e i s m i cm o n i t o r i n gn e t w o r ko ff u j i a np r o v i n c ed u r i n ga u g u s t2 0 0 6w h e nt h e s a o m a is t o r mc a m ei s i n v e s t i g a t e d i ti n d i c a t et h a tt h e r ei sc o r k i n ge o r r e l a t i v i t y b c t w e c r lt h eh o r i z o n t a lm i c r o s e i s m sa n dt h ev e r t i c a lm i e r o s e i s m s 锄dt h ec o r r e l a t i v e c o e f f i c i e n tc a ne v e ne x c e e d0 8s o m e t i m e s f u r t h e r m o r e t h ev e r t i c a lm i c r o s e i s m si s l m t l 丽o l rt ot h eh o r i z o n t a lm i c r o s e l s 舶a n dt h ep h a s ed i t f e r e l a e ei s 二1 1 赡p a r t i d e0 1 1 2 t h es u l f a t eo f t h ee a r t ht _ e 】m o v e da sac o u n t e r - c l o c k w i s ee l l i p s ew h e nt h em i c r o s e i s m s t r a n s m i t 1 1 1 er a t i oo ft h ea m p l i t u d eo ft h em i c r o s e i s m so l r lt h eh o r i z o n t a la n do r lt h e v e r t i c a li sa b o u t0 7i n 【0 1 , 0 5 1 1 - i zb a n d t h e r e f o r e , w et h i n kt h em a i nc o m p o n e n to f m i c r o s e i s m si sr a y l e i g hw a v l 器 3 a c c o r d i n gt ot h em e t h o do f e x t r a c 衄t h eg r e e n sf u n e t i o nf r o mt h ec o n e l a t i o no f t h em i c r o s e i s m st h a tp r o f e s s o rz h e n gs i h l i b i nt h ei n s t i t u t eo fe a r t h q u a k es c i e n c e c h i n ae a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o nh a sg i v e nu s ，u s i n gt h er e s u l t so ft h es u mo ft h e c o r r e l a t i o nt o e f f i c i e n tb e t w e e nt h em i c r o s e i s mo nt h ev e r t i c a lc h a n n e lt h a tr e c o r d e d f r o mt w os i t e t oe s t i m a t et h ev e l o c i t i e so ft h es u r f a c ew a v ei nf u j i a n , w ef o u n dt h e v e l o c i t i e so ft h es u r f a c ew a v ei sb e t w e e ni n2 7 3 2 k a n s , w h i c hi sc l o s et ot h e o b s e r v a t i o n 4 i no r d e rt om a k et h ea t t e n u a t i o no ft h em i c r o s e i s m sc l e a r l yw h e nt h et h es t o r m o c c u r r e d , w eu s et h ec o n c l u s i o no f p e t e rd b l o m i l 幽t oe s t i h l a t et h ea t t e n u a t i o no f t h e m i c r o s e i s m s f i r s t l y ，w es u p p o s et h ed o m i n a n ts o u r c eo ft h em i c r o s e i s m si sn e a rt h e e a s to fc h i n as e a , n o ti nt h eo p e no c e a nw h e r et h eh i g h e s tw a v e so c c u r r e d t h e nb a s e o nt h i ss u p p o s et om a k es a l et h ed i s t a l l c eo fm i e r o s e i s m sl l a n s f e r r e da n dt oc a l c u l a t e t h ea t t e n u a t i o no ft h em i c r o s e i s m s i ti sp r o v e dt h a tt h em i c r o s e i s m sa t t e n u a t ea s 专a n a 酏删甜m 恤一。r t h e r a y l e i g h w a v e s 5 b a s e do i lt h er e s e a r c ho ff o r e f a t h e r s ，w es u p p o s e dt h a tt h en o n l i n e a ri n t e r a c t i o no f o p p o s i n gw a v ec o m p o n e n t sh a v i n gn e a r l yt h es a m e 朋馏n u m b e r r e s u l t si nap r e s s u r e e x c i t a t i o ns p e c t r u mt h a tp r o p a g a t e sa w a yf r o mt h es e as u r f a c ea td o u b l et h eo c e a n w a v ef r e q u e n c ya n dc o u p l e si n t o $ e i s l r l i c ：w a v e sa tt h eo c e a nb o t t o m ，t h e nw es p e c u l a t e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h eo c e a nw a v ea n dt h em i c r o s e i s m sd e p e n d i n go r lt h et h e o r y ， a c c o r d i n gt oa n a l y s i s ，t h eo c e a nw a v eh e i g h td e t e r m i n e df r o mt h em i c r o s e i s m s r e c o r d e db yt h es e i s m o m e t e ri nf u z h o uw a sc o r r e s p o n dw i t hh e i g l l to fo c e a nw a v e r e c o r d e db yb u o y sa tc h o n g w u i tp r o v e st h a tt h em i e r o s e i s m si sm a i n l yg e n e r a t e db y t h ea c t i v i t yo f t h eo c e t t nw a v e k e yw o r d s ：m i c r o s e i s m s ；t h er o o t - m e a n - s q u a r ev e l o c i t y ；t h ep r e d o m i n a t e f l e q u e n e y ：t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ；r a y l e i g hw a v e l ；s t o r m ，i v 独创性声明 本人郑重声明。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得生国丝震星工程 杰学班红匮或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名。查星签字日期： 力口f 2 5 学位论文版权使用授权书 本人完全了解生垦地震屋王猩左堂班塞压有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向图家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅：本人授权生鱼地簋屋王撞左堂亟宜匮可以将本学位论 文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索。可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名； 孝军 导师签名 签字日期。丝! ! ：一! 冬厂签字日期：垒! ：丝生一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 由地球内部物质突然错动引起的一般地震，以及人为的一些活动 ( 如爆破，重物下落等) 所引起的地面振动，可以根据地震记录的特 征辨认出来，除去这些震动之外，在所有的观测台的地震记录图上， 还有另外的一些微小的地面运动，通常称其为地脉动，相对与地震记 录而言，这些微小的地面运动又是作为一种干扰出现的，因此也称其 为噪声。 关于地脉动早在1 9 0 8 年，o m o r i 就用高放大倍数的测振仪器观 测到了这种极微弱的振动并对它进行了研究。w i e c h e r t 曾经提出脉动 是在激烈的碎浪对陡峭海岸的作用下产生的，根据这个理论， g u t e n b e r g 估计了由激浪的冲击转入沿岸地区的能量，并与造成观测 到的脉动所需的能量做了对比，两者在数量级上大致是相符合的。但 是b y e r l y 曾说，在伯克利看到的脉动有相当一部分可以用附近激浪的 作用来说明，但有时伯克利附近的海浪很强，但脉动却很小，反过来 的情况也有，激浪理论这时就不能做很好的解释。由于在台风期间， 地脉动往往都会有很大的变化，因此也有人( g h e r z i 。w h i p p l e 等等) 认为脉动是由靠近风暴中心地区的大气的振动产生的。1 9 4 6 年时。 g i i m o r e ，b e r n a r d ，m i c h e 等经过对脉动卓越周期和海浪卓越周期的对 比分析之后认为显著的脉动是由海上形成的很大的驻波产生的，脉动 的周期为驻波周期的一半，然而，并不是所有的脉动都是按此方式进 行的。 随着科技和社会的发展，人们开始希望能够借助地脉动的一些性 质来估计场地的性质，例如通过地脉动的谱的特性来估计场地的特性。 我国科学家( 胡聿贤，刘曾武等) 早在上个世纪6 0 年代就丌始用脉动 法来确定场地的卓越周期、设计所需的场地烈度，并掘此来对场地进 行分类。上个世纪7 0 年代，k u b o ，t e r a 和o t s u k a 等人丌始对大于ls 的长周期地脉动进行观测和研究。到了8 0 年代，国外一些研究者开始 利用长周期脉动台阵来观测分析瑞利波相速度，并且得到了不错的结 果。这一时期，国内的一些研究人员( 林学文，李文艺等) 也开始借 助脉动观测来评价场地。这些方法又以n a k a m u r a 的h v 方法影响最大， 但是该方法的假设条件太多，缺乏足够的理论依据，目前在应用方面 仍然存在很大争议。 目前，在国内外，关于地脉动的主要成分仍然有很大的争议，这 一问题实际上自上个世纪五十年代地脉动开始应用于地震工程以来， 就伴随着地脉动应用研究的始终，这也是影响地脉动广泛应用的一个 重要因素。日本学者n o g o s h i 和i g a r a s h i l 9 7 0 年通过计算地脉动的水 平分量和竖向分量的振幅比，发现得到的结果与利用瑞利波进行模型 分析时计算的水平分量和垂直分量的振幅比比较一致，因此他们认为 地脉动的主要成分为瑞利波。还有一些人，如国内的许建聪，简文彬 等在将地脉动应用于地震工程时就将地脉动做为一种以剪切波为主的 体波。如果能够研究清楚地脉动的主要成分到底是体波还是面波，这 无疑会促进地脉动在地震工程中的应用。 同样，产生地脉动的震源的位置对于地脉动应用也有很重要的意 义。目前，关于产生脉动的震源，主要有三种观点，一种认为脉动是 主要是由台站周围的一些不确定的振动产生的，这种震动类似于白噪 声：还有人认为脉动是地下岩体或者岩浆活动产生的，能够反映出地 球内部活动的一些性质；目前最普遍的观点认为脉动是由于洋面上海 浪的活动而产生的。实际上。自上个世纪五十年代起。就有许多学者 开始研究引起地脉动的震源。1 9 7 8 年a s t e n 回顾前人的研究成果，他 把o 5 3 o h z 的脉动分为人工源、海岸的作用、海洋热气旋以及大气 荷载和风的作用，前两种主要是由r a y l e i g h 波组成，第三种由p 波组 成，第四种类型不确定。1 9 9 8 年b a r d 综合了k a m u r a 和s e e 等人的工 作之后认为：长周期的地脉动( 大于2 - 3 秒) 是由远距离的海浪产生 的；中等周期的地脉动( 卜2 秒) 主要是由近海岸的海浪和风产生的； 短周期的地脉动主要由人类的活动产生。但是b a r d 没有对各个频率段 的波的性质作出分析。 为了研究脉动和海浪之间的对应关系，更好的说明脉动产生的机 理和脉动源，d h a m 和t i l m a n n 等人于2 0 0 0 - 2 0 0 2 年在冰岛附近的北大 西洋和t u r r h e m i a n 海海底布设了地震仪，并在海面上很大的范围内安 装了浮标用于记录海浪浪高的变化，经过连续几个月的观测，通过计 算脉动的变化与各个洋面上的海浪变化之间的相关性，他们认为，卓 越频率在0 2 4 h z 左右的噪声是脉动的主要成分，他们产生在远离海岸 线的地方，而l h z 左右的噪声就产生在近海岸。 由于在台风期间，各个台站的噪声都会有一个明显的增大的过程， 因此也有很多人将注意力转向台风的位置、强度、以及中心风速的变 化与脉动变化之间的关系，希望冀此能够揭示脉动源以及脉动的性质。 早在上个世纪三、四十年代，g h e r z i ，b a n e r r j i 等就注意到了台风对 脉动幅值的影响，并对脉动与台风之间的联系做了相关的研究，那时 由于并没有卫星等现代观测台风的手段，人们主要寄希望于通过研究 台风引起的的脉动的变化来实现对台风的定位，但是很多人研究所得 到的结果误差普遍偏大。在2 0 0 1 年，b r o m i r s k i 等人又对1 9 9 1 年底 发生在西北太平洋上的完美风暴所引起的海浪的变化以及风暴期 间的脉动的变化进行了研究，通过对洋面上不同测点的特定周期的海 浪浪高的变化与大陆上一固定台站上记录的特定周期的脉动的变化之 间做相关性分析，发现两者之间具有很好的相关性，通过对两者之间 时间差的研究，他们认为脉动不是产生在海岸线上，也不是产生在开 阔的海域，而是产生于离海岸线有一定的距离，而且海水深度小于一 定深度的特定的洋面上。在国内，金星，康兰池等也利用2 0 0 5 年发生 的几次对福建省造成重大影响的台风期间福建省地震台网的脉动记录 研究了脉动的均方根和卓越周期随着台风的变化( 如中心风速的变化、 位置的变化、移动速度的变化等) 而发生的变化，并建立了两个模型， 其中一个模型用来描述脉动的均方根速度与台风的强度、台站与台风 中心的距离之间的关系；另一个模型用来描述脉动的卓越周期与台风 中心风速、台风移动速度以及台风移动方向之间的关系。 至于脉动和地震有没有关联，1 9 7 1 年，傅承义曾提出了“红肿理 论”，他认为在大地震来临之前的一段时间，地球内部的岩体的破裂活 动会加剧，如果脉动是由地球内部岩体和岩浆活动引起的，那么在大 地震之前，脉动应该就会变的比平时剧烈作为一种探讨，本文也研 究了一下脉动的幅值与能量的对应关系。 总结前人的研究不难发现，由于对脉动的性质，引起脉动的震源 还不能完全确定，这就影响了脉动在现实地震工程中的应用。尽管前 人对地脉动做了大量的研究，但是仔细分析他们的研究不难发现他 们往往仅是利用了一个台站或者很少几个台站的记录进行了研究，而 且研究时间也不是很长，一般长的有几个月，短的则就有几天甚至几 个小时。这么短的时间的观测资料能否代表全年、几年甚至几十年的 脉动就很值得探讨。另外，仅仅利用一个或者很少的几个台站的1 庀录， 只能反映出很小的一片区域的脉动的性质，不能反映大区域的脉动的 变化，也不能反映出很大的一片区域上的脉动之蚓的关系。因此，对 更大区域的脉动同时进行更长时间的观测就显的很有必要。 脉动虽然微小，但是它却使精确记录地面振动的问题变得复杂起 来，在脉动振动强烈的地区，从地震记录上可以分辨出来的最小震级 的地震就自然而然的变大。在同一时间，不同的地点或者相同的地点， 不同的时间，脉动的振幅特性，周期特性等等肯定都会有很大的变化， 这种变化受场地、周围环境、气压以及风暴潮等众多因素的影响，如 果能搞清楚地脉动随时间和空间的变化规律，就能让我们对现有的地 震台站的记录的优劣、可识别地震的最小震级做出一个判断，还能对 以后新建台站台址的选取，台基的选取，仪器的选取等等给出一个合 理的指导，另外，知道了脉动随时间和空间的变化，就可以更加有效 而有针对性的去除地震记录中噪声的干扰，更加精确的记录地震时地 面运动的信息，也就能更好的把地震记录应用到实际中来。 现在，对于脉动的源以及脉动的性质仍然存在很大的争议，如果 能够对于脉动的产生机理、传播特性有个明确的解释，并能够对脉动 主要成分的性质研究清楚的话，那么对于脉动在地震工程中应用将是 很大的促进。 波速异常的研究现在已经被应用于地震预报，但是目前波速的测 定往往需要依赖于地震记录或者人工爆破记录以及其他的一些人工振 动的方法，这就有很大的局限性，但是，脉动是随时随地都有记录， 如果能利用脉动记录测定出面波在地下不同深度的传播速度，这就很 好的克服了上述的局限性，对地震预报、地球物理勘探等等都是一个 很大的促进。 1 2 本文的研究内容及组织安排 本文的研究工作主要是围绕福建省数字地震监测台网实时记录的 分析与处理这一线索展开的。 第一章对以往的国内外的关于脉动方面的研究做了简单的回顾， 说明本文课题的研究背景及意义。 第二章对福建省数字地震监测台网做了简单的介绍，对整个福建 省地震台网的近1 年多来的脉动记录进行了分析处理，计算了脉动的 均方根速度以及卓越频率，研究了脉动随时问和空间的变化。 第三章着重分析了2 0 0 6 年8 月6 日至1 2 日期间发生的2 0 0 6 年度 第8 号台风( 中文名“桑美”) 期间的脉动信号，研究表明脉动记录水 平向与垂直向之间有很好的相关性，而且相位相差兰质点的运动轨 z 迹为一个逆时针的椭圆；此外，还对脉动的方位角进行了估计。 第四章通过对各个台站垂直分量之间做相关性分析，并对相关系 数进行累加，依此来估计福建省地震监测台网各个宽频带台站之间面 波的传播速度。 第五章利用p e t e rd b r o m i r s k i 等人研究得到的结论，着重分析 了2 0 0 6 年桑美台风期间的脉动幅值的变化，利用桑美台风期间脉动变 化的特征对脉动的衰减做了研究。 第六章在理论与经验的基础上，通过脉动的记录预测了海浪的波 高。 第七章对全文的研究工作进行了总结，并提出有待进一步研究的 问题。 第二章福建地区脉动资料的处理 第二章福建地区脉动资料的处理 2 1福建省数字地震监测台网简介 2 1 1福建省地震监测台网简介 福建省数字地震监测台网( 图2 1 ) 在1 9 9 8 年建成并投入使用， 目前由2 9 个数字遥测地震子台，二个无线中继站，一个有线中继站和 一个台网处理中心组成。2 9 个台站分布于全省9 个地市，台站密度 5 0 - l o o k m 左右，最近台距1 4 k m ，台网孔径长轴4 5 4 k m ，短轴3 5 0 k m ，主 要布设在福州、厦门、泉州、漳州等沿海县市。其中永安、邵武、厦 门、龙岩、南平、福州，长汀、永春、福鼎等9 个台站采用f b s 一3 宽频带地震计，另外2 0 个台站采用短周期地震计，其中1 1 个为 j v c - v l o o 短周期地震计，9 个为f s s - 3 短周期地震计。经过扩建加密 数字地震台后的数字地震台网，使全省范围内的地震台站布局更加合 理，在全省范围内9 0 的地区地震监测能力可以达到m 。2 0 级，闽东南 全国地震监测防御区的监控能力达到m l l 5 级。 台站通过d d n 专线、扩频微波实时传递数字地震信息，监控软件 自动地脉动情况按每小时一个文件进行保存，然后由分析人员人工将 记录文件用v c d 光盘( 2 0 0 6 年1 月1 日起改为d v d 光盘) 刻盘存档， 每十二小时一张光盘，数据格式为：宰d a t ，然后交由专门人员进行保 管。本文所使用的数据就是从这些光盘中获得。 2 1 2f b s 一3 b 地震计简介 本文在实际研究时，主要分析了福建省数字地震监测台网中的9 个宽频带台站( 分别为永安台、邵武台、厦门台、龙岩台、南平台、 福州台、长汀台、永春台和福鼎台) 的脉动记录，这9 个台站的仪器 均选用f b s 一3 b 型宽频带地震计，这种地震计是由北京港震机电技术 有限公司在f b s 一3 a 的基础上改进生产而成的新一代地震计。f b s - 3 b 型地震计是一种宽频带、高灵敏度、大动态范围力反馈式速度地震计， 整机采用三分向一体式结构，且e w 、n s 和u d 分向的敏感轴两两相交， 从而构成空间测量坐标。f b s - 3 b 型地震计采用了自振周期为2 秒的机 械摆，采样率5 0 h z ，配置高灵敏度的电磁换能器，并应用了电子反馈 技术，将机械摆的观测频带拓宽到2 0 s e c 2 0 h z 。其主要工作参数见 表2 1 。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 表2 1f b s 一3 仪器主要性能指标 图2 - 1福建遥测台站分布图 一6 一 第一章福建地区脉动资料的处理 2 2 台网数据资料的预处理 2 2 1地脉动速度的计算 地震局编目人员将由地震软件每小时自动生成出来的d a t 文件 每1 2 小时刻录成一张v c d 光盘( 2 0 0 6 年1 月1 日以后改为d v d 光盘， 每3 5 天刻录l 张) ，牢d a t 是一种数据文件格式，它是由二进制数 组成，经过e d s p - i a s 软件转换成十进制数值后，所得数值的单位为 c o u n t s 。可由下式计算的其真实的地动速度： 输出地动速度v c l - m l s ，= 毳疆毒襄会毳曩美今乏寰 ( 2 一1 ) 2 2 2 记录的基线校正 e d a s - c 2 4 数据采集器采用了一阶数字高通滤波器，滤去采集信号 中的直流成分及长周期漂移，经过处理后，记录的较长周期成分被滤 掉，但仍存在一定的基线漂移现象，为此本文采用如下方法对记录进 行校正： ，t 。，( ，) = 唯，) 一e k ， ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，k ，o ) 为未校正的地面速度记录在第j 个台站第k 个时间段t 时刻的值，玩。( r ) 为校正后的地面速度记录在第j 个台站第 k 个时间段t 时刻的值，e k ，为第j 个台站在第k 个时i 日j 段的原始记录 的均值。 图2 2 为以5 分钟为一个时间段，计算得到的永安台脉动原始记 录一天的速度均值变化图，从图中可以看出，速度的均值并不为0 ， 而是偏离0 线有一定的距离，在不同的时间段计算得到的速度均值e k ， 并不相同，甚至有比较大的变化，因此，对各个台站的脉动原始记录 进行基线校正还是非常有必要的。 删如a 驴 图2 - 2 永安台一天的速度均值变化图 2 3 台网数据资料的时域分析 2 3 1 均方根速度分析 一般的，对于连续信号，均方根速度的计算公式为 r y = ( j 1 ，2 ( f ) d t ) 1 0 ( 2 3 ) 将( 2 - 3 ) 式离散化，设离散时间间隔为，f 也即为采样间距， 设第j 个台站记录到的宽频带速度记录为v ，( f ) ( 校正后) ，滑动窗长为 瓦，则第k 个时间段所包含的离散速度值为( v ，j ( f ) ，v 卅( ，：) ，v ，( ，。) ) ， 则其均方根速度为： vm ：( 上曼v i 2 卅( f 埘 v 业2 ( 寺薹。1 ，卅( 埘灼 其中i n 为该时间段内采样点的个数： ( 2 - 4 ) iv_t_目 研= ( 2 - 5 ) 均方根v 。的物理意义就是第- ，个台站第七个时间段内平均能量的 一种度量。这样，随着时间的移动，就可以得到不同台的均方根速度 随时间的一条变化曲线。本文在计算时选取瓦为5 分钟。图2 - 3 至图 2 - 6 就是计算结果。其中图2 - 3 和图2 - 4 所显示的为6 个宽频带台站 垂直向脉动记录计算结果，图2 - 5 ，图2 - 6 为两个窄频带台站垂直向 脉动记录的计算结果。 迎 e ： 、_ ， 乏 叱 y o a - u d _ 10 月 51 0 x i m 铂d 一1 0 局 2 53 0 51 01 5为 t ，( 天) 图2 - 3 永安，邵武、厦门台2 0 0 5 年l o 月份均方根速度变化图 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 图2 - 4 龙岩、南平、福州台2 0 0 5 年1 0 月份均方根速度变化| ! | 东山2 0 0 5 年1 0 月8 日- 4 7 日 t 螽孥 麟蕊 凳 寨 彰 螽 鬟罐? 蹬， 蒸 ￥器 t ，天 图2 - 5 东山台2 0 0 5 年l o 月8 日一1 7 日均方根速度变化图 一1 0 一 一鼍n)扔王 (se了j毋至叱 第二章福建地区脉动资料的处理 泉州2 0 0 5 年1 0 月8 日- 1 7 日 i 一j ；黼 ：i ： 黼 ：乓0 ：，7 囊： 乞 臀v 猎 缒：簸麓轰 ：“一： 算；审麓fw亨_厌 2-泉州台2005年10月份均方根速度变化图图2-：永安台脉动记录幅值谱图一1 -一，=)暑茁 中固地震局丁= 程力学研究所坝i + 学位论文 从图2 3 至图2 6 可以看出，窄频带仪器的记录表现出明显的以 一天为一个周期的变化规律，而宽频带台站的记录就没有这种特征， 而且窄频带台站脉动记录的均方根速度值要明显的小于宽频带台站脉 动记录均方根速度值。选取一宽频带的噪声记录，计算其傅立叶幅值 谱，如图2 7 ；图2 - 7 为永安台一个小时脉动记录的幅值谱图，从图 中可以看出，脉动的卓越频率在0 3 h z 左右，而窄频带仪器的有效频 带范围为卜2 0 h z ，所以窄频带仪器的记录并不能反映出真实的脉动的 性质和变化规律。另一方面，这也说明，脉动在卜2 0 h z 范围内遵循以 l 天为一个周期的变化规律，而且是白天脉动的幅值要比晚上的大， 这个频率范围内的脉动可能是由于人类的活动而造成的。 由于ls 左右的短周期地震计并不能很好的记录到脉动的主要成 分，因此本文主要是对福建省数字地震监测台网中的9 个宽频带台站 的脉动记录数据进行了分析。9 个宽频带台站均使用f b s 一3 b 地震计 和e d a s c 2 4 型地震数据采集器。关于f b s 一3 b 型地震计的主要性能 参见2 1 2 以及表2 1 。 2 3 2 脉动记录中地震、爆破等干扰的去除 本文所研究的是脉动，因此地震、爆破以及其他的一些人为活动 所引起的振动对本文的研究来说就是一种干扰，这些干扰的存在很可 能会对真实反映脉动的性质和变化产生影响，从图2 3 和图2 - 4 中可 以看出，各个台的均方根速度均很有规律的变化，各图中都有一条很 清晰的主线，除此之外，还有一些散点在这条主线之上，通过与实时 波形的对照，这些散点所对应的时f a j 段都包含有地震、爆破或者一些 外界的不确定的干扰，我们要研究噪声，在处理时就应当把这些干扰 和地震去掉，剩下的才是研究所需要的脉动。为了去掉这些干扰点， 本文采用处理方法如下： 考虑到记录到的地震和干扰实际上都是在噪声基础上的叠加，所 求得的均方根速度也都散落在噪声均方根速度基线之上为此，本文 以一天为一个时间段，对一天中计算得到的2 8 8 个均方根速度值按大 小排序，选取其中最小的1 5 0 个值，可以认为这1 5 0 个值就是完全由 噪声引起的，计算这1 5 0 个值的均值以和方差吒，采用判别式： v 珂，女( f ) 以+ 5 吒 ( 2 - 6 ) 第二章福建地区脉动资抖的处理 其中v ”时( f ) 为第n 天内第j 个台站均方根速度的第i 个值，如果 ( 2 - 6 ) 式成立，则认为该时间段的均方根速度没有受到干扰和地震的 影响，如果( 2 - 6 ) 式不能成立，则认为该时间段内的均方根速度受到 了地震或者干扰的影响，这时就需要对该时间段的均方根速度做些修 正之后才可以看作脉动的均方根速度。这种修正一般都采用插值的方 法进行处理，本文在实际处理时，为简单起见，当( 2 - 6 ) 式不能成立 时，直接取前一时间段的均方根速度值作为该时间段的均方根速度值， 即： 当( v ，t 【f ) 。+ 5 仃 ) 时 矿”j , k ( f ) = 1 ，”j , k ( f ) 当( v j , t ( f ) a 。+ 5 t 7 。) 时 ( 2 - 7 ) 矿j ，k ( f ) = v ”，k ( f 一1 ) ( 2 - 8 ) 式中的哥”，( f ) 为修正后的第n 天内第j 个台站均方根速度的第i 个值； 修正之后，每个台站每个小时都会得到1 2 个均方根速度值，采用 式( 2 - 9 ) 对这1 2 个值进行计算，可得到该台站该小时的均方根速度 值； v 一2 ( 2 - 9 ) 式( 2 - 9 ) 中，v j i 代表第j 个台站第n 个小时的均方根速度值， v 朋( d 代表第j 个台站第n 个小时第i 段的均方根速度值。 以下图形如不加特别说明，都是采用上述方法去除地震和干扰之 后，并利用( 2 - 9 ) 式计算出每一个小时的均方根速度值后所得到的图 中国地震局工程力学研究所硕l 学位论文 形。 图2 8 至图2 1 0 显示的是福建省数字地震监测台网中的9 个宽频 带台站自2 0 0 5 年5 月1 日到2 0 0 6 年7 月3 1 日期间垂直向脉动记录的 均方根速度变化图，在这期间，还发