利用国家数字地震台网记录计算汶川地震余震峰值加速度....pdf

第6期 总第354期 国 际 地 震 动 态No 6 SerialNo1 354 2008年6月RecentDevelopments inWorld SeismologyJune 2008 利用国家数字地震台网记录计算汶川 地震余震峰值加速度分布图 3 俞瑞芳 俞言祥 肖 亮 徐伟进 中国地震局地球物理研究所 北京 100081 摘 要 数字地震台网可实时获取地震记录 因此可据此快速计算地震动参数 如峰 值加速度 峰值速度的分布图 为震后救灾提供参考依据 本文对国家数字地震台网的 地震记录 采用插值型求导公式中的两点公式计算加速度时程 并通过计算原始记录和 仿真加速度时程的幅值谱 检验了结果的可靠性 最后对汶川大地震后的两个强余震进 行了计算和分析 作出了峰值加速度分布图 关键词 国家数字地震台网 峰值加速度 中图分类号 P315 9 文献标识码 A 引言 破坏性地震发生后 迅速判明灾情及其 分布范围是地震应急救灾的前提 强震动强 度及分布与地震灾情密切相关 美国和日本 等国建成了ShakeMap或类似的系统 可在 地震发生后快速给出地震动分布图象 但我 国还没有类似的实用系统 国家数字地震台 网及全国各区域地震台网的地震记录是实时 传输的 在一些地区台网密度也较高 其记 录经适当处理后也可快速给出地震动强度及 其分布情况 为抗震救灾提供参考 数字地震台网的记录在其频带范围内是 速度型 应用于地震参数测定 并为地震 学 地球物理学和地震预测等提供基础研究 数据 而强震观测台网的记录则主要是加速 度型 目的在于为工程抗震设计研究及确定 不同地区地震动强度等方面提供基础资料 随着地震监测和强震观测领域的拓宽和相互 3 收稿日期 2008206203 渗透 利用数字化宽频带速度型地震记录 以下简称速度记录 仿真加速度时程 寻求 数字化地震仪和实时传输强震仪的相互替代 也是一个值得研究的课题 关于加速度时程的仿真技术 国内外一 些专家学者已做过一些相应研究 金星 等 1 2 利用所发展的单自由度体系地震反应 的时域递归方法 系统研究了由数字加速度 记录实时仿真地动速度和地动位移的问题 从理论和数值计算上取得了理想的结果 但 这种方法中需要考虑单自由度的特性 姚兰 予等 3 利用傅里叶分析方法对宽频带数字 地震记录的仿真进行了研究 这种方法和使 用仪器的特性有关 可应用于经常发生的中 强地震 对造成速度记录限幅的特大地震是 不适用的 此外 刘瑞丰等 4 用傅里叶分析 利用宽频带数字地震记录进行仿真计算 但 频域方法是不可以用于实时处理的 何少林 等 5 利用 Z变换构造数字滤波器传递函数 并用差分方程构造递归滤波器来恢复真实地 面运动 但并未给出实际的计算公式 Kana2 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved mori等 6 利用美国强震台网 对实时由速度 记录通过单边差分方法计算位移等问题做过 研究 但是其计算精度和相位仍存在问题 鉴于以上的情况 本文的主要目的是对 地震台网记录到的速度记录 采用插值型求 导公式的两点公式计算加速度时程 并通过 计算原始记录和仿真加速度时程的幅值谱 检验了结果的可靠性 最后对2008年5月 12日汶川大地震后的两个强余震进行了计 算和分析 本研究将拓宽现有数字地震台网 观测资料的使用范围 并可利用数字地震台 网实时传输的特点 为快速判定灾害范围提 供参考 1 基本方法 在微分学中 函数的导数是通过导数定 义或求导法则求得的 当给定的函数是数值 形式时 就必须用数值方法求函数的导数 当函数 f x 以数值形式给出 yi f xi i 1 2 n 用插值多项式Pn x 作为 f x 的近似函数 f x Pn x 由于多 项式的导数容易求得 我们取Pn x 的导数 P n x 作为 f x 的近似值 这样建立的数 值公式 f x P n x 1 统称为插值型的求导公式 其截断误差可用插值多项式的余项得 到 即 Rn x i f x P n x f n 1 n 1 n 1 x i 2 选用不同的值n 就可以得到不同的计算公 式 本文分析采用两点公式 n 2 对地震 台网记录的速度记录分析处理 得到相应的 加速度时程 若设记录到的一组地震速度记录为 a t 时间间隔为 t 那么过点ti ti 1做线 性插值多项式为P1 t 则 P1 t t ti 1 t a ti t ti t a ti 1 3 两边求导数得 P 1 t 1 t a ti 1 a ti 4 这样就可得相应的加速度值 t i 为 t i 1 t a ti 1 a ti 5 2 加速度时程的仿真计算与检验 2 1 数据来源及计算方法 本文从四川 陕西和甘肃布设的宽频带 和甚宽频带地震台网中挑选了如图1所示的 36个距震中较近台站记录到的水平向 东西 和南北向 速度记录用于加速度的分析 使 用资料的采样率为100 sps 频率范围分别 为 0 03 50 Hz 宽带 和0 008 20 Hz 甚 宽带 根据采样定理 最低采样频率必须 是信号频率的两倍 即如果给定了采样频 率 那么能够正确显示信号而不发生畸变的 最大频率 尼奎斯特频率 是采样频率的一 半 根据本文所选资料的采样率和频率范 围 可以肯定数据记录的可靠性 图1 地震台站分布情况 采用公式 5 对36个台站上记录到的 两个水平方向的速度记录进行加速度时程的 5第6期 俞瑞芳等 利用国家数字地震台网记录计算汶川地震余震峰值加速度分布图 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 仿真分析 得到相应于速度记录的加速度时 程 t i 并计算绝对加速度时程的峰值 t i max 用于了解强余震的峰值加速度 分布规律 2 2 江油6 0级余震分析 北京时间2008年5月18日01时08 分 四川江油市 32 1 N 105 0 E 发生 MS6 0级余震 根据上述36个台站记录到 的速度记录 对水平向 东西和南北 记录进 行了计算 图2给出了经过计算得到的峰值 加速度的分布图 图中的数据是每个台站两 个方向峰值加速度值的较大值 图2 四川江油市6 0级余震峰值加速度分布图 2 3 青川6 4级余震分析 北京时间2008年5月25日16时21 分 四川青川县 32 6 N 105 4 E 发生 MS6 4级余震 图3给出了根据上述36个 台站记录到的速度记录 计算得到的对水平 向峰值加速度的分布图 此图中的数据仍然 是每个台站两个方向峰值加速度值的较大 值 2 4 本文方法的检验 为了检验以上加速度求解方法的可靠 性 本文计算了36个台站上速度记录的幅 值谱 并将其转换为加速度谱 与由加速度 时程计算得到的幅值谱相对比 具体方法和 步骤如下 1 首先将速度记录截取幅值较大部分 的8192个数据点 共81 92 s 2 按照本文所给出的方法 计算每条 速度型记录的加速度时程 并采用傅里叶变 换 计算相应于加速度时程的幅值谱 3 对速度型地震仪记录进行傅里叶变 换 然后将第k个频率fk所对应的谱值乘以 2i fk转换成加速度谱 并与步骤 2 所得傅 氏谱结果进行对比 4 对不同频段上两种方法得到的幅值 6国 际 地 震 动 态 2008年 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图3 四川青川县6 4级余震峰值加速度分布图 谱进行统计分析 对由速度记录转换得到的幅值谱和对由 加速度时程计算得到的幅值谱对比分析可以 看出 它们的频谱特性 在低频部分 两条 曲线非常一致 在高频部分符合程度较差一 些 此外 相对误差大的点均位于傅氏谱值 小的频段 为了全面了解这两种算法的误差 情况 我们对72条记录的幅值谱在不同频 段的相对误差进行了统计分析 表1给出了 相对误差在不同频段内的均值 表1 幅值谱相对误差均值 频率 Hz相对误差 0 55 8 5 103 4 10 2012 3 20 3068 6 30 5052 2 3 结论 通过本文的计算和分析 可得到如下结 论 1 本文提出的从测震台网的速度记录 获得加速度记录的计算方法简单可行 并具 有一定的精度 能够快速估计峰值加速度的 分布规律 2 该方法拓宽了测震台网数字波形记 录的应用范围 不仅可用于地震应急的快速 响应 还可用于地震工程和科学研究 致谢 本文资料来源于中国数字测震台网数据 备份中心 在此表示感谢 作者电子信箱 俞瑞芳 yrfang126 126 com 7第6期 俞瑞芳等 利用国家数字地震台网记录计算汶川地震余震峰值加速度分布图 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 参 考 文 献 1 金星 马强 李山有 四种计算地震反应数值方法的比较研究 地震工程与工程振动 2003 23 1 182 30 2 金星 马强 李山有 利用数字化速度记录实时仿真位移与加速度时程 地震工程与工程振动 2004 24 6 9214 3 姚兰予 聂永安 赵靖华 等 利用强震台网记录获得加速度波形的方法研究 中国地震 2004 20 1 39246 4 刘瑞丰 陈培善 党京平 等 宽频带数字地震记录仿真的应用 地震地磁观测与研究 1997 18 3 7212 5 何少林 李海亮 数字地震数据的处理研究 真实地面运动的复原 地震地磁观测与研究 1997 18 6 52258 6 Kanamori H Maechling P Hauksson E Continuous monitoring of strong motion parameters Bull Seismol Soc Am 1999 89 1 3112316 Mapping PGA Contours From China National D igital Seism ic Network Records Yu Ruifang Yu Yanxiang Xiao L iang and XuW eijin Institute of Geophysics CEA Beijing 100081 China Abstract Records of China NationalDigital Seis mic Networks are real2ti me transmitted so it is possible to rapidly assess ground motion distribution after strong earthquake occurred and to serve the earthquake emergency response and disaster relief In this paper an interpolative differential method was applied to the digital seismic records to recover ground acceleration time histories This method s reliability was then verified by comparing the amplitude spectra of original record with em2 ulative acceleration time history The peak ground acceleration PGA distribution maps of two st