第十五屆世界地震工程大會上世界各國強震動觀測及最新進展交流*

謝俊舉 李小軍

1) 中國地震局地球物理研究所， 北京100081 2) 北京工業(yè)大學， 北京100124

引言

第十五屆世界地震工程大會(World Conference of Earthquake Engineering, WCEE)于2012年9月24日至28日在葡萄牙里斯本召開。 本次大會共收到了6000多篇摘要， 共約7700個作者， 4000多人注冊參會， 與會代表來自7大洲的85個國家。 最終接受論文有3600多篇， 其中1250篇口頭報告， 1500多篇張貼報告和900多篇電子報告(e-poster)， 有16個分會同時進行。

四年一屆的世界地震工程大會是地震工程領(lǐng)域最有影響力的學術(shù)性會議， 由國際地震工程協(xié)會(International Association for Earthquake Engineering, IAEE)主辦。 本次WCEE共設有9個討論專題： 現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的評估和加固(包括木結(jié)構(gòu)、 學校、 歷史建筑和遺產(chǎn))， 新結(jié)構(gòu)設計， 工程地震(包括地震動、 地質(zhì)、 地震活動性)， 巖土地震工程， 基礎設施和生命線系統(tǒng)， 社會和經(jīng)濟效應，大地震的防范和應急管理， 城市減災與風險評估以及海嘯。

大會期間還設有眾多特別專題(Special Sessions)， 美國COSMOS(Consortium of Organizations for Strong-Motion Observation Systems， COSMOS)組織了關(guān)于世界范圍內(nèi)強震動觀測和數(shù)據(jù)共享方面的特別專題。 該專題吸引了世界各國的專家， 來自法國、 意大利、 西班牙、 葡萄牙、 日本、 土耳其、 印度、 美國和墨西哥的國際同行和該領(lǐng)域的首席專家分別介紹了本國強震觀測和數(shù)據(jù)采集共享的最新情況。

1 各國強震觀測現(xiàn)狀與最新進展

1.1 加拿大

加拿大地質(zhì)調(diào)查局[1](Geological Survey of Canada， GSC)在全國范圍內(nèi)布設了超過100臺測震儀和超過60臺強震加速度儀， 包括57個三分量高敏感寬頻帶地震臺， 40個單分量超短周期臺， 18個單分量短周期臺， 41個三分量寬頻臺以及8個次聲地脈動臺, 在此基礎上構(gòu)建了加拿大國家地震臺網(wǎng)(Canadian National Seismograph Network， CNSN)。 其中的高敏感測震儀主要記錄小震和遠震的微弱地動， 快速獲取地震位置和震級； 而強震動加速度計主要觀測較大破壞性地震的地震動， 研究地震的破壞性作用特性， 為提升建筑抗震能力設防提供依據(jù)。

在強震動觀測方面， 加拿大國家強震動觀測臺網(wǎng)(National Strong Motion Network)近年來得到了很大發(fā)展， 原有的絕大部分模擬強震動記錄儀器被攜帶方便且可實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字強震動儀替代。 截止2011年， 加拿大地質(zhì)調(diào)查局在西部的不列顛哥倫比亞省(British Columbia， BC)運行有超過110個強震動臺， 其中約105個臺使用的是加拿大本國生產(chǎn)的新型IA強震動儀(Internet Accelerometer)， 大多數(shù)布設在不列顛哥倫比亞省西南部高地震危險地區(qū)的城市中心區(qū)[1-2]； 其他部門， 如不列顛哥倫比亞省水利局(BC Hydro)、 不列顛哥倫比亞省運輸公司(BC Transmission Corporation)和交通與基礎建設部(Ministry of Transportation and Infrastructure BC)在加拿大西部也布設有70套強震動儀， 用于對重要的基礎設施進行監(jiān)測。 在加拿大東部， 地質(zhì)調(diào)查局在地震活躍的夏洛瓦(Charlevoix)地區(qū)布設了26臺強震動儀， 另外11臺布設在大渥太華(Great Ottawa)地區(qū)[1, 3]。

1.2 希臘

希臘的強震動觀測臺網(wǎng)主要由雅典國家觀測臺地球動力研究所[4](Geodynamic Institute (GEIN) of the National Observatory of Athens) 和希臘工程地震和地震工程研究所[5](Institute of Engineering Seismology and Earthquake Engineering, ITSAK)這兩大研究機構(gòu)運行。 雅典國家觀測臺地球動力研究所(GEIN)從1972年開始強震動臺網(wǎng)的建設， 當時布設了15臺SMA-1型模擬強震動加速度計， 到1986年強震動儀數(shù)量增加到40個， 從1995年開始逐漸使用A-800型數(shù)字強震動儀; 希臘工程地震和地震工程研究所(ITSAK)在1980年代也開始強震動臺網(wǎng)的建設， 在希臘全國范圍內(nèi)架設了50個臺站[6]。 到2004年， 希臘GEIN和ITSAK兩大研究機構(gòu)運行的臺站數(shù)量達到了約120個。 大多數(shù)強震動儀被布置在城市， 考慮到人口分布密度和希臘全境的地震活動性， 在一些城市(如雅典)還布設了局域強震動觀測臺陣， 強震動儀數(shù)量較臺網(wǎng)建設初期已經(jīng)翻倍， 原有的模擬記錄儀被A800/A900， QDR， ETNA和 CMG-5TD等不同型號的數(shù)字強震動儀所替代。 同時這兩大研究機構(gòu)開始合作， 共同開發(fā)統(tǒng)一的強震動數(shù)據(jù)格式， 建設共享的國家強震動數(shù)據(jù)庫[7](HEAD version 1.0, a unified HEllenic Accelerogram Database)， 以方便不同研究群體和工程師使用。

目前， 在地震規(guī)劃和減災組織(Earthquake Planning and Protection Organization， EPPO)資助下， 希臘正在開展部署100臺新式強震動儀的臺網(wǎng)建設項目[8]。 新建臺站大都采用Guralp CMG-5TDE型強震動儀， 配備寬頻帶加速度計、 GPS和24位記錄器， 可通過Greek Public Administration Network網(wǎng)絡進行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸； 少數(shù)采用QDR型(11 位)和ETNA型(18位)強震動儀， 為觸發(fā)式電話撥號數(shù)據(jù)傳輸。 通過遠程遙測連接設備和技術(shù)的應用， 強震動觀測臺網(wǎng)的可靠性會得到進一步增強。

1.3 葡萄牙

葡萄牙最早的強震動記錄儀器是1臺日本生產(chǎn)的SMAC型和1臺Kinemetrics公司生產(chǎn)的SMA-1型加速度計模擬記錄儀器。 到2008年， 葡萄牙強震動觀測系統(tǒng)運行有32個固定臺站， 其中的80%臺站(25個)隸屬于Instituto Superior Tecnico (IST)， 13個臺布設在葡萄牙本土的中部和南部， 12個臺布設在Azores 群島。 臺站場地條件大部分(73%)為硬土或基巖場地[9]。 強震動儀大多數(shù)是瑞士GeoSIG 公司生產(chǎn)的SSA-320型三分量力平衡式傳感器， 配備GSR12、 GSR16和GSR18型記錄器， 絕大部分為GSR12型。 有2臺為Kinemetrics公司生產(chǎn)的ETNA型強震動儀， 另有1臺是Terra Technology 公司生產(chǎn)的IDS-3602型強震動儀。

目前， 在葡萄牙科學基金項目(Portuguese Science Foundation)的資助下， 正計劃對強震動觀測臺網(wǎng)的儀器設備和數(shù)據(jù)共享進行升級(Scientific Re-equipment Program)， 新建16個強震動臺站， 8個位于葡萄牙本土， 8個布設在亞速爾(Azores) 群島， 配備AC-63i型GeoSIG加速度儀， 采用GPS授時和ADSL數(shù)據(jù)連接。 同時對目前運行的臺站進行存儲容量和ADSL數(shù)據(jù)連接升級。

1.4 西班牙

西班牙的強震動臺網(wǎng)建設開始于1980年代， 最初由西班牙國家地球物理研究所(Instituto Geografico Nacional of Spain)布設了幾臺Kinemetrics公司生產(chǎn)的SMA-2型強震動儀， 后又安裝了一批GSR-24型強震儀。 到2008年， 布設的強震動儀達到108臺， 全部位于西班牙地震活動性較高的地區(qū)， 強震動儀量程分別有0.5 g、 1.0 g和2.0 g三種[10]。

目前西班牙強震動觀測臺網(wǎng)共有113個固定臺， 有81個臺可通過ADSL或Model進行遠程數(shù)據(jù)傳輸， 并配備GPS。 采用的強震動儀多數(shù)為GeoSIG公司生產(chǎn)， 包括69臺GSR-18型， 7臺GSR-18型和3臺GMS-24型; 其余為Kinemetrics公司生產(chǎn)的SMA-2(31臺)和SMA-1(2臺)型強震動儀。 臺站多布設于城市地區(qū)， 強震動觀測儀器安裝在低層建筑物(例如西班牙各地市議會和市政辦公樓)的地下室內(nèi)。 最近20年西班牙布設了超過100臺數(shù)字強震動儀， 這些臺站獲取到了震級在1.3～6.3之間的超過447條記錄, 極大豐富了西班牙國內(nèi)的強震動數(shù)據(jù)庫[10-11]。

1.5 意大利

意大利強震動臺網(wǎng)(Italian Strong Motion Network)的建設最早開始于1972年(圖1)， 隸屬于意大利緊急情況應對管理局[12](Dipartimento della Protezione Civile， DPC) ， 用于記錄全國范圍內(nèi)的中等及高強度地震， 到1997年， 該臺網(wǎng)共有 237個模擬臺站， 大多數(shù)為Kinemetrics公司生產(chǎn)的 SMA-1型強震動儀。 從1998年開始， 原始的模擬記錄儀逐步更新為新式的數(shù)字強震動儀， 這些儀器都架設在高烈度和地震風險的地區(qū)。 到2007年， 意大利強震動臺網(wǎng)已經(jīng)有168個數(shù)字強震動觀測臺站(其中156個配備GSM或GPRS， 可進行實時數(shù)據(jù)傳輸)， 另有130個模擬臺站。

意大利強震動臺網(wǎng)被稱為RAN(Rete Accelerometrica Nazionale) ， 目前該臺網(wǎng)由464個數(shù)字強震動觀測臺站組成， 其中有272個配備GSM數(shù)據(jù)通信設備， 192個為GPRS傳輸模式， 直接連接到位于羅馬的RAN強震動數(shù)據(jù)中心， 可進行實時的數(shù)據(jù)傳輸[13]。 此外， 緊急情況應對管理局(DPC)還與國家火山和地球物理研究所[14](Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, INGV)等多家觀測和研究機構(gòu)合作， 開發(fā)建設意大利的強震動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[15](Italian Accelerometric Archive, ITACA)， 收集了1000多次地震中獲取到的超過2000條三分量強震動波形數(shù)據(jù)， 其中主要記錄來自于緊急情況應對管理局(DPC)從1972到2009年期間獲取到的強震動數(shù)據(jù)， 原始和校正后的強震動波形數(shù)據(jù)以及反應譜數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng)站檢索和下載。

1.6 法國

法國的強震動觀測起步較晚， 最早開始于1980年代， 當時只有少量的SMA-1和SMA-2型模擬記錄儀。 觀測臺網(wǎng)建設則開始于1995年， 由法國Universite Joseph Fourier (UJF)和 University of Nice Sophia Antipolis(UNSA)兩所大學的研究機構(gòu)合作建設， 到2000年全國范圍的強震動觀測臺網(wǎng)(Reseau Accelerometrique Permanent, RAP)初步建成。 截止2003年， 法國RAP強震動觀測臺網(wǎng)布設的臺站數(shù)量達到91個[16-17]。

圖1 意大利強震動臺網(wǎng)(RAN)臺站分布。 紅色三角為數(shù)字臺站, 藍色三角為模擬臺站[13]

目前， 法國在全國各個地震區(qū)布設的臺站數(shù)量已超過140個， 包括自由場臺站、 結(jié)構(gòu)臺陣、 鉆孔臺站和滑坡監(jiān)測臺站， 分別應用于場地效應、 建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測和豎井強震動觀測等不同研究目的。 這些臺陣的建設使得記錄到的地震數(shù)量有顯著增加， 新建的臺站具有高靈敏性能， 使得震級ML<2的小震能夠被記錄到。 目前法國RAP強震動數(shù)據(jù)庫中記錄到的最大PGA為0.7 g， 是在法屬西印度群島(French West Indies)附近發(fā)生的一次ML=5.4中獲取到的[17]。 1995年至今， 法國RAP強震動臺網(wǎng)記錄到的地震事件達到10 058個， 共獲取記錄18 888條， 所有強震動數(shù)據(jù)均由RAP的數(shù)據(jù)中心[18](RAP National Data Centre)收集并免費發(fā)布， 用于地震學、 工程地震和結(jié)構(gòu)抗震的基礎研究。

圖2 土耳其國家強震動觀測臺網(wǎng)(National Strong Ground Motion Network of Turkey)臺站分布[21]

圖3 印度國家強震動臺網(wǎng)(India National Strong Motion Instrumentation Network)[27]

1.7 土耳其

土耳其從1973年開始安裝了第1臺強震動儀， 這也標志著隸屬于土耳其減災委員會地震研究部(Earthquake Research Department (ERD) of the General Directorate of Disaster Affairs (GDDA)) 的全國性強震動觀測臺網(wǎng)建設的起步。 最初布設的強震動儀為Kinemetrics SMA-1型模擬記錄儀， 這些儀器在1976記錄到了Denizli地震[19]的主震事件。 此后， 該臺網(wǎng)獲取到了大量記錄， 尤其在1995年后獲取到大量強震動加速度記錄。 到2009年， 土耳其全國共有327臺強震動儀， 全部為數(shù)字記錄儀， 包括了不同年代安裝的不同技術(shù)水平的記錄儀器。

目前， 土耳其國家強震動觀測臺網(wǎng)(National Strong Ground Motion Network of Turkey)在土耳其全國共架設有388個強震動臺站(圖2)， 其中絕大多數(shù)為CMG-5TD型強震動儀， 其余分別為QDR、 ETNA、 GSR和SMATH型數(shù)字強震動儀[20-21]。 土耳其國家強震動臺網(wǎng)包含許多局部臺陣系統(tǒng)， 如伊斯坦布爾地震預警系統(tǒng)[22](Istanbul Earthquake Early Warning System, IEEWS)在靠近馬爾馬拉(Marmara)斷層區(qū)域架設了12個強震動臺， 這些臺站通過衛(wèi)星傳輸可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時在線采集， 為災難性地震提供實時預警； 伊斯坦布爾地震快速響應系統(tǒng)(Istanbul Earthquake Rapid Response System, IERRS)共架設了超過100個強震動臺， 均為觸發(fā)式記錄傳輸方式， 為地震動圖和災害損失評估服務； 馬爾馬拉海底觀測系統(tǒng)(Marmara Sea Bottom Observatory System)從2011年開始共架設了15臺站， 采用Guralp型三分量加速度計， 存儲容量5 TD， 并配備Guralp 型三分量寬頻帶測震計， 存儲容量3 TD， 其中5個臺布設在海底， 同時開展水壓、 水底聲納、 溫度和流速的測量， 并配備實時攝像頭。 此外， 還有坎迪里地震觀測和研究所(Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute of Bogazi?i University， KOERI)海嘯監(jiān)測系統(tǒng)， 伊斯坦布爾天燃氣公司強震監(jiān)測網(wǎng)絡(IGDAS)以及KOERI 結(jié)構(gòu)監(jiān)測臺陣等[21, 23]。

1.8 墨西哥

墨西哥的強震動觀測臺站建設開始于1960年代， 當時布置了第1臺儀器用于研究大地震的土層反應和結(jié)構(gòu)物影響[24]。 近年來， 墨西哥建成了規(guī)模大約450個臺站的強震動觀測網(wǎng)絡， 該臺網(wǎng)獲取到震級在1.7～8.1共1140次地震中的7800條三分量加速度記錄。 但數(shù)據(jù)只有部分由一些研究所公開發(fā)布， 只有很少數(shù)的研究人員能夠獲取到這些數(shù)據(jù)， 而大多數(shù)研究人員和工程師是無法獲得的。 基于以上原因， 墨西哥國內(nèi)的幾大研究機構(gòu)開始合作組建墨西哥的國家強震動數(shù)據(jù)庫[25](Mexican Strong Motion Database)， 形成了統(tǒng)一格式(Mexican Standard Acceleration File)和共享的強震動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

1.9 印度

印度從1976年開始逐步在其靠近喜馬拉雅的北部和西北部地區(qū)架設了大約200臺模擬強震動觀測臺站， 主要由印度理工大學(IITR)的地震工程學部來運行維護。 然而， 由于模擬記錄儀的技術(shù)比較落后， 安裝的大多數(shù)強震動加速度儀在1980年代早期就停止了工作。 直到2004年， 在印度國家科學技術(shù)部的資助下， 印度開始了國家強震動臺網(wǎng)項目(India National Strong Motion Instrumentation Project)的建設[26](圖3)。 2007年以后還在德里地區(qū)布置了一個小型的局域觀測臺網(wǎng)， 安裝了20臺數(shù)字強震加速度儀， 其中12臺由Kinemetrics公司生產(chǎn)， 8臺由瑞士GeoSIG公司生產(chǎn)。

目前印度布設有298臺數(shù)字強震動加速度儀， 布設在印度北部和東北部的Ⅴ度區(qū)和Ⅳ度區(qū)(印度國內(nèi)烈度標準)以及一些人口稠密地區(qū)， 平均臺間距在40～50 km， 可以確保印度北部和東北部地區(qū)發(fā)生5級以上地震至少會有超過2個臺站獲取到記錄[26-27]。 其中， 有超過220個臺可以通過VSAT或Modem等方式與位于魯爾基(Roorkee)的數(shù)據(jù)中心進行連接， 實現(xiàn)遠程維護和實時數(shù)據(jù)采集。 目前， 該臺網(wǎng)已獲取到最近5年內(nèi)180次地震的大約500條時程記錄， 這些數(shù)據(jù)通過經(jīng)過注冊后在網(wǎng)站上下載(http:∥pesmos.in/2011/index.php)。

此外， 來自中國、 日本、 美國的專家和強震動觀測領(lǐng)域的負責人也對各自國內(nèi)強震動臺網(wǎng)建設狀況、 臺站分布以及數(shù)據(jù)采集處理和共享方面進行了匯報和交流。 通過交流， 各國同行對目前世界范圍內(nèi)各國當前的強震動觀測和數(shù)據(jù)共享有了最新的認識和了解。

2 討論

以上各國的強震動觀測和最新進展介紹情況表明， 世界各國都非常重視強震動觀測以及強震臺網(wǎng)的建設。 一方面， 在地震高危險地區(qū)發(fā)展高密度強震動觀測臺網(wǎng)， 增加現(xiàn)有臺站的布設密度； 另一方面， 大量運用新技術(shù)不斷升級現(xiàn)有強震動觀測設備， 原有模擬強震動儀被數(shù)字強震動儀所替代， 新式的數(shù)字強震動儀便于攜帶， 具有高靈敏度和采樣率， 并配備實時數(shù)據(jù)傳輸通信裝置， 強震動儀也由原來的觸發(fā)模式改為實時記錄傳輸。 此外， 各國都在開始地震預警和速報臺網(wǎng)系統(tǒng)的建設， 為地震減災提供快速實時的服務， 土耳其和日本[27-29]等國已經(jīng)開始建設海底地震觀測系統(tǒng)， 為海底地震研究以及海嘯預警提供服務。 在數(shù)據(jù)采集和共享方面， 各國都在整合本國內(nèi)的不同強震動觀測機構(gòu)， 建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式的強震動數(shù)據(jù)庫， 方便不同研究群體和工程師使用。

美國COSMOS在本次15WCEE期間組織這次世界范圍內(nèi)強震動觀測和數(shù)據(jù)分享方面的交流特別專題， 旨在增進世界各國目前的強震動觀測交流與數(shù)據(jù)共享， 建立世界范圍內(nèi)統(tǒng)一的強震動數(shù)據(jù)格式和通用數(shù)據(jù)庫， 為世界各國的強震動觀測和基礎研究服務， 這也是當前世界范圍內(nèi)強震動動觀測、 數(shù)據(jù)共享和基礎研究方面的一種趨勢。

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