河北永清M 4.3地震北京烈度儀臺網(wǎng)記錄分析1

白立新 成云輝 張 杰 馬士振 何榮帥 馮 剛

（北京市地震局，北京 100080）

引言

國內(nèi)外重大地震災(zāi)害救援行動的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，震后政府的快速有效應(yīng)急響應(yīng)是破壞性地震發(fā)生后保持社會穩(wěn)定的重要因素。破壞性地震發(fā)生后，應(yīng)急管理部門、公用事業(yè)和其他相關(guān)管理機(jī)構(gòu)最迫切的需求是了解地震造成破壞的相關(guān)信息，并依此做出快速的應(yīng)急響應(yīng)和科學(xué)的救災(zāi)決策，最大程度減少人員災(zāi)害損失，盡可能在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)社會秩序。傳統(tǒng)的強(qiáng)震動臺網(wǎng)是獲取地震破壞分布信息的手段之一，但是，大規(guī)模、高密度強(qiáng)震動臺網(wǎng)存在著諸如建設(shè)成本高昂和運(yùn)維難度大等困難。Evans等（2005）提出了基于低成本微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）烈度儀建設(shè)地震臺網(wǎng)的設(shè)想，用以彌補(bǔ)傳統(tǒng)強(qiáng)震動臺網(wǎng)由于臺站間距大、獲取的地震災(zāi)害分布信息分辨率低的缺點(diǎn)。近年來，研究人員對烈度儀與傳統(tǒng)強(qiáng)震動儀記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量對比研究，探討了烈度儀用于地震監(jiān)測的可行性和可靠性。觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，烈度儀具備中強(qiáng)以上地震觀測的能力（D’Alessandro等，2013；王浩等，2013；Evans等，2014）。由于烈度儀價(jià)格低廉、布設(shè)方便、維護(hù)成本低，一些國家和地區(qū)近年來相繼開展了高密度烈度儀觀測臺網(wǎng)建設(shè)，以期通過建設(shè)高密度烈度儀臺網(wǎng)提升獲取地震烈度分布信息的時(shí)效性和可靠性（Cochran等，2011；Hsieh等，2014；Clayton等，2015；于海英等，2017；Wu等，2018）。

2015年北京市地震局開展了“簡易烈度儀地震預(yù)警示范項(xiàng)目”建設(shè)，在北京建設(shè)了40個(gè)烈度儀臺站。2018年2月12日河北永清發(fā)生M4.3地震，北京市行政區(qū)范圍內(nèi)普遍有感。地震發(fā)生后，北京市地震局立即對烈度儀臺網(wǎng)獲得的地震動記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，其中，有35個(gè)烈度儀臺站獲得了有效的震動記錄。本文將對北京烈度儀臺網(wǎng)獲得的此次地震記錄進(jìn)行了初步分析。

1 烈度儀臺站

烈度儀臺站均建設(shè)在土層場地上，布設(shè)地點(diǎn)主要為北京地震臺網(wǎng)內(nèi)已經(jīng)停測或無法實(shí)時(shí)傳輸?shù)膹?qiáng)震動臺站，烈度儀采用地面安裝方式。利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)采樣率為100Hz，并通過JOPENS軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集。

2 記錄情況

2018年2月12日河北永清M4.3地震中，北京烈度儀臺網(wǎng)35個(gè)臺站共獲得105條記錄，另外5個(gè)臺站由于電源故障或設(shè)備死機(jī)，未獲取記錄。在此次地震中，北京烈度儀臺網(wǎng)記錄峰值加速度最大的臺站是豐臺地震臺（D0001），峰值加速度10.76cm/s2，方向?yàn)闁|西向，該臺站距震中約61km。距震中最遠(yuǎn)的烈度儀臺站為懷柔三塊石臺（M0004），距震中約158km，峰值加速度為2.13cm/s2。圖1為豐臺地震臺和三塊石臺烈度儀記錄的地震波形。此次地震35個(gè)臺站記錄的初至震相均清晰可辨認(rèn)，顯示烈度儀臺站具備良好的獲取地震記錄的能力。

圖1 烈度儀臺加速度記錄 Fig.1 Accelaration record from the seismic intensity meter station

3 儀器烈度計(jì)算

根據(jù)《儀器地震烈度計(jì)算暫行規(guī)程》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2015），首先對獲取的記錄應(yīng)進(jìn)行基線校正處理，采用4階巴特沃斯（Butterworth）帶通濾波器對每個(gè)分向記錄進(jìn)行0.1—10Hz帶通濾波，通過積分加速度記錄獲得速度時(shí)程。儀器烈度計(jì)算公式如下：

其中，PGA為合成三方向加速度峰值，PGV為三方向合成速度峰值。如果IPGA和IPGV均大于等于6.0，則儀器地震烈度I取IPGV值，否則I取IPGA和IPGV的算術(shù)平均值。

通過計(jì)算，產(chǎn)出了本次地震的儀器烈度分布圖，結(jié)果顯示烈度儀臺站儀器烈度最大的為豐臺地震臺，儀器烈度為Ⅲ度，分布于平原區(qū)的烈度儀臺站儀器烈度多為Ⅱ度，北部山區(qū)儀器烈度為Ⅰ度（圖2），顯示出儀器烈度隨震中距增加而逐漸減小的特征。

圖2 烈度儀臺站儀器烈度分布 Fig.2 The distribution of intensities from intensity meter stations

4 與強(qiáng)震動臺站記錄對比分析

為驗(yàn)證烈度儀臺站獲取地震動記錄的能力以及記錄結(jié)果的可靠性，在南口中學(xué)臺（11NKZ）、大華山臺（11DHS）和三塊石臺（11SKS）安裝了烈度儀，烈度儀臺編號為K0001（南口中學(xué)臺）、N0004（大華山臺）和M0004（三塊石臺）。3個(gè)臺站的強(qiáng)震動儀數(shù)據(jù)采集器型號均為Reftek 130-ren，加速度傳感器型號為SLJ-100；烈度儀為北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GL-P2B型烈度儀。烈度儀和強(qiáng)震動儀主要性能指標(biāo)見表1。在此次地震中3個(gè)臺站的強(qiáng)震動儀和烈度儀均獲得了記錄，11NKZ、11DHS和11SKS臺站的震中距分別為108km、106km和158km。

表1 烈度儀和強(qiáng)震動儀主要參數(shù)指標(biāo) Table1 The main specifications of seismic intensity meters and acceleration meters

圖3為強(qiáng)震動儀與烈度儀的原始記錄波形，數(shù)據(jù)記錄按同一起始時(shí)刻截取。由圖3可見，強(qiáng)震動儀與烈度儀記錄的地震波形及峰值加速度十分相近，相應(yīng)通道記錄的峰值最大偏差均小于0.1cm/s2。為定量評價(jià)強(qiáng)震動儀與烈度儀獲取的地震記錄在時(shí)域和頻域上的相關(guān)程度，采用式（3）計(jì)算強(qiáng)震動儀與烈度儀記錄的時(shí)域皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)，用式（4）計(jì)算強(qiáng)震動儀與烈度儀記錄的幅度平方相干系數(shù)。

其中，rxy為相關(guān)系數(shù)，反映的是兩過程在時(shí)域上的線性相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)越接近于1，相關(guān)性越強(qiáng)，conv（x，y）為x和y的協(xié)方差，σx、σy分別為x和y的標(biāo)準(zhǔn)偏差；Cxy為幅度平方相干系數(shù)，反映的是兩過程在各頻率上分量間的線性相關(guān)程度，Cxy為1時(shí)，表示2個(gè)時(shí)程信號完全相干，Pxy為x和y的互功率譜密度，Pxx，Pyy分別為x和y的自功率譜密度。

通過計(jì)算得到南口中學(xué)臺（11NKZ，K0001）EW、NS、UD分向的皮爾森相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.98、0.97；大華山臺（11DHS，N0004）EW、NS、UD分向的相關(guān)系數(shù)分別為0.96、0.97、0.92；三塊石臺（11SKS，M0004）EW、NS、UD分向的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.96、0.89。計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)震動儀與烈度儀的地震記錄在時(shí)域上是強(qiáng)相關(guān)的。

圖4為3個(gè)臺站的強(qiáng)震動儀與烈度儀記錄在頻域上的相干性結(jié)果，其中南口中學(xué)臺和大華山臺強(qiáng)震動儀與烈度儀的3個(gè)分向的波形記錄在1—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強(qiáng)相關(guān)性，而三塊石臺強(qiáng)震動儀與烈度儀的3個(gè)分向的波形記錄在2—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強(qiáng)相關(guān)性。三塊石臺站（11SKS、M0004）的相干頻帶小于其它2個(gè)臺站，可能與震中距較大（158km）、地震記錄信號衰減過大有關(guān)。

圖3 同臺址烈度儀與強(qiáng)震動儀原始記錄波形 Fig.3 Uncorrected record of seismic intensity meter and acceleration meter at same station

圖4 同臺址強(qiáng)震動儀與烈度儀原始記錄幅度平方相干性結(jié)果 Fig.4 Magnitude squared coherence between seismic intensity meter and acceleration meter at same station

圖5對比了同臺址強(qiáng)震動儀與烈度儀記錄的3個(gè)分向數(shù)據(jù)的信噪比，結(jié)果顯示，在0.1—20Hz范圍內(nèi)，3個(gè)烈度儀臺站事件（用實(shí)線表示，下同）與噪聲（用虛線表示，下同）的信噪比遠(yuǎn)低于同臺址的強(qiáng)震動儀記錄事件與噪聲的信噪比，尤其是低頻信號記錄能力明顯比同臺址的強(qiáng)震動儀低。

依據(jù)《儀器地震烈度計(jì)算暫行規(guī)程》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2015）對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行0.1—20Hz帶通濾波，計(jì)算了3個(gè)臺站的儀器烈度。11NKZ、K0001臺站儀器烈度計(jì)算結(jié)果為Ⅱ度，11DHS、N0004、11SKS、M0004臺站儀器烈度為Ⅰ度，表明強(qiáng)震動儀與烈度儀的儀器烈度具有較高的一致性。

為了解烈度儀獲取加速度記錄的可積分性，通過積分計(jì)算3個(gè)臺站的強(qiáng)震動儀和烈度儀記錄的速度和位移時(shí)程，并采用4階巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行濾波。依據(jù)幅度平方相干性結(jié)果，11NKZ、K0001和11DHS、N0004臺站濾波頻帶取1—20Hz，11SKS、M0004臺站濾波頻帶取2—20Hz。濾波后，強(qiáng)震動儀與烈度儀的峰值加速度均有所降低，表明地震記錄存在一定程度的高頻成分。采用式（3）計(jì)算了3個(gè)臺站的的強(qiáng)震動儀與烈度儀加速度記錄積分后獲得的速度和位移的相關(guān)系數(shù)，其中11NKZ與K0001臺站EW、NS、UD分向的速度記錄相關(guān)系數(shù)為0.99、0.99、0.98；位移記錄相關(guān)系數(shù)為0.99、0.99、0.99。11DHS與N0004臺站EW、NS、UD分向的速度記錄相關(guān)系數(shù)為0.99、0.96、0.97；位移記錄相關(guān)系數(shù)為0.96、0.97、0.97。11SKS與M0004臺站EW、NS、UD分向的速度記錄相關(guān)系數(shù)為0.98、0.98、0.96；位移記錄相關(guān)系數(shù)為0.97、0.97、0.97。

圖5 同臺址未校正烈度儀與強(qiáng)震儀記錄的信號及噪聲譜 Fig.5 Singnal and noise spectra of intensity meter and acceleration meter at same station

計(jì)算結(jié)果表明，強(qiáng)震動儀與烈度儀的地震記錄積分后獲得的速度和位移在時(shí)域上是強(qiáng)相關(guān)的，烈度儀加速度時(shí)程具有一定的可積分性。圖6給出了3個(gè)臺站的垂直向校正加速度記錄以及積分得到的速度和位移時(shí)程。

圖6 烈度儀與強(qiáng)震動儀校正記錄波形 Fig.6 Corrected record of seismic intensity meter and acceleration meter at same station

5 結(jié)論

本文對2018年2月12日河北永清M4.3地震的北京烈度儀臺網(wǎng)記錄情況進(jìn)行了討論，對同臺址強(qiáng)震動儀和烈度儀的記錄波形進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：

（1）距震中158km的臺站清晰地記錄了此次地震，北京烈度儀臺網(wǎng)具備記錄中強(qiáng)地震的能力。

（2）同臺址強(qiáng)震動儀和烈度儀地震記錄在時(shí)域上是強(qiáng)相關(guān)的，南口中學(xué)臺（11NKZ、K0001）和大華山臺（11DHS、N0004）強(qiáng)震動儀與烈度儀3個(gè)分向的波形記錄在1—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強(qiáng)相關(guān)性，而三塊石臺（11SKS、M0004）強(qiáng)震動儀與烈度儀3個(gè)分向的波形記錄在2—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強(qiáng)相關(guān)性。三塊石臺（11SKS、M0004）的相干頻帶小于其它2個(gè)臺站，可能是因其震中距較大，導(dǎo)致地震信號衰減過大。

（3）強(qiáng)震動儀的信噪比遠(yuǎn)高于同臺址的烈度儀，烈度儀記錄低頻信號能力明顯低于同臺址強(qiáng)震動儀。

（4）烈度儀產(chǎn)出的儀器烈度結(jié)果與強(qiáng)震動儀一致。

（5）烈度儀加速度時(shí)程具有一定的可積分性。

綜上所述，在烈度儀設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，烈度儀臺可用于進(jìn)行烈度速報(bào)，通過建設(shè)價(jià)格相對低廉的烈度儀臺網(wǎng)提高烈度速報(bào)時(shí)效性是一條可行的途徑。在建設(shè)烈度儀臺網(wǎng)時(shí)，需考慮烈度儀的動態(tài)范圍指標(biāo)，避免烈度儀臺站功能單一化。

致謝：本文采用了北京市強(qiáng)震動臺網(wǎng)提供的地震數(shù)據(jù)，中國地震局工程力學(xué)研究所國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心提供的強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理軟件，并利用matplotlib開源軟件進(jìn)行圖件繪制；審稿專家提出了寶貴的修改建議，在此一并表示感謝。