六安台观测系统仪器速度与加速度记录波形特征对比分析

赵 楠，江沛春，张光华，夏仕安

(1.六安市地震台，安徽 六安 237002；2.六安市地震局，安徽 六安 237002；3.安徽省地震局，安徽合肥 230001）

六安台观测系统仪器速度与加速度记录波形特征对比分析

赵 楠1，江沛春2，张光华1，夏仕安3

(1.六安市地震台，安徽 六安 237002；2.六安市地震局，安徽 六安 237002；3.安徽省地震局，安徽合肥 230001）

通过对六安台观测系统速度与加速度记录台基噪声谱密度以及频响特性测定，分析了两个观测系统记录地震波参数所具特征，并通过震例加以说明，为提高台站地震分析能力与开展台站烈度速报工作提供技术依据。

速度；加速度；特征参数；烈度速报

0 引言

经过 “十五”数字地震观测网络项目建设，我国地震监测台网已达到规模化、网络化、数字化，地震台站在监测台网的速报中担任了重要的角色。进入二十一世纪后，全球大地震明显活跃，近十年来就发生了多次8.0～9.0级的巨大地震，在我国大陆就发生了四川汶川8.0、青海玉树7.3破坏性大地震，造成大量人员伤亡和财产损失，国内震害快速评估系统、烈度速报系统的建设迫在眉睫。目前，很多台站将速度与加速度计通过6通道的数采实时采样数据并实时传输到台网中心，如何分析处理其中的加速度数据，为大震时能实现强震动参数的速报，是一个新的课题。

结合六安台的观测系统，开展微震与强震动观测数据特征参数分析，能够提高台站观测人员分析数据的能力，为日后的烈度速报储备知识。

1 台站观测系统与噪声分析

1.1 台站观测系统

六安台地震观测系统由EDAS-24IP数据采集器 （6通道）、BBVS-60宽频带地震计和BBAS-2加速度计组成[1]，系统完成台站地动速度与加速度信号拾取、采集、存储或传输。六安台地震观测系统构成如图1所示。

图1 六安地震台地震观测系统设备图Figure 1 Device diagram of seismic observation system of Lu'An station

1.2 台站记录的噪声功率谱

我们知道，理论上台站速度记录可用以下公式描述：

加速度记录可用公式 （2）描述：

其中：AV为速度记录的最大振幅、Aa为加速度记录最大振幅、ω为角频率、Φ为地震波介质传播随机初始相位。

也就是说，任意一个地震过程特征的描述，除与振幅大小，地震波的起始相位有关外，还与地震动的频谱有关，因此，有必要分析仪器系统的频响特性及台基噪声谱密度分布。

首先，我们对六安台BBVS-60与BBAS-2两个观测系统运行记录的地脉动信号进行的谱分析[2]。选取了同一个时间段 (2012年1月16日04时)两个系统记录的一小时地脉动信号，用傅里叶频域变换方法，运行程序Cal_20090110噪声分析处理程序，计算得到台站场地的地动速度与加速度在1～40 Hz频段的噪声功率谱密度变化曲线，见图2。

图2 六安台BBVS-60与BBAS-2系统记录台基噪声功率谱密度曲线Fig2 Base noise power spectrum density curve recorded by Lu'an Station Systems BBVS-60 and BBAS-2

结果两个系统记录噪声谱在1～40 Hz频段谱均呈正向趋势，变化形态相同，说明两个系统近场记录地脉动频谱在同频段相似。但BBAS-2系统在10 Hz附近变化则相对恒定，而BBVS-60系统记录地动噪声在1 Hz附近低于BBAS-2系统。整体而言，BBAS-2系统噪声水平要高于BBVS-60系统，相差达10 dB以上。

因此，BBAS-2系统更适合近场地震记录，尤其是较大 （M≥5.0）地震记录，而BBVS系统适合记录近场微小 （M≥1.0）或远场较大地震记录。

2 仪器标定信号分析

仪器标定的作用是检测系统运行是否正常，测定观测系统频响特性是否满足地震观测要求。不同系统标定方法与要求不同，但测定结果有相同、相似之处，也有不同之处，这需要我们对标定数据和处理结果进行认真分析，这样才能够对台站记录的不同物理量地震数据进行有用的处理，达到真正把台站的地震观测记录数据应用到实际的地震学研究、烈度速报与工程应用中。

BBVS-60系统标定通常采取阶跃和正弦信号标定进行系统的周期、阻尼和频响特性测定，为台站记录地震的到时、震相、振幅与周期相关参数进行分析处理的可信度提供依据[3]。

BBAS-2强震动系统常规则采用方波标定测定仪器系统的频率特性与阻尼性质，分析强震系统运行状态。下图3为两个系统UD(Z)向阶跃标定和方波标定记录波形。

图3 BBVS-60的UD阶跃标定波形Fig.3 UD step calibration waveform of BBVS-60

图4 BBAS-2的Z分量方波标定波形Fig.4 Z-componentsquarewavecalibrationwaveformof BBAS-2

采用Cal_20090110标定分析处理程序进行标定信号幅频特性计算测定，图4为六安台两个观测系统UD向地震计 （加速度计）频响特性曲线。

由图4可知，BBVS-60系统地震计在1～40 Hz频段幅频平坦、相位线性；而BBAS-2系统则在10～80 Hz频段幅频基本平坦，相位同样线性，不同系统频响特征在高频段明显。考虑到采集器采样率通常为100 Hz，两个系统基本都能清晰记录近场地震过程。但是BBAS-2加速度计低频端频响不够理想，不适宜远场地震记录。

测定参数结果：BBVS-60系统UD向，周期60.359s，阻尼0.7094，主二阶极点：-0.073841±0.073371i；BBAS-2系统Z分量，周期0.052s，阻尼0.7080，主二阶极点：-59.099576±-0.396239i。

图5 BBVS-60的UD幅频特性曲线Fig.5 UD amplitude-frequency curve of BBVS-60

图6 BBAS-2的Z幅频特性曲线Fig.6 Z amplitude-frequency curve of BBAS-2

3 台站微震记录与强震动记录的区别

前面所述，六安台微震观测主要分析地震波初动、到时、地震最大振幅与对应周期 （或频率）、不同近震 （≤300 km）地方震 (≤50 km)的震相或远震面波震相与尾波衰减等参数，这些参数主要应用于地震学、地球物理科学、地震活动性预测研究和台网的地震速报[3]。

强震动观测数据主要是研究地震动过程的最大振动振幅 （记录场地震动峰值加速度，称之仪器加速度），最大振幅起始时间、地震动持续时间，地震动频谱 (高频能量集中部分)，这些参数主要应用于地震发生时描述台站近场地震影响程度 （场地加速度），也就是常说的地震烈度。就是通过测定台站记录地震动计算加速度来估计地震区域的烈度，或场地受震影响或破坏程度。

4 震例分析

我们选择2011年1月19日发生在安徽安庆4.8级一个强有感地震，说明不同系统记录地震波参数的特征。六安台BBVS-60与BBAS-2系统都很好地记录了这次地震，见图5和图6。

采用相关分析处理软件分别对六安台BBVS-60与BBAS-2系统记录安庆地震进行震相识别、震级测定、震中测定；地震动加速度计算以及持续时间读取，其结果见表1。

安庆4.8级地震波到达六安地区约22.71 s，强有感最大震波达到约40.11 s。对于地震预警而言，六安地区的地震预警是有足够的时间。台站测震记录测定该地震震级以及震中初步位置，而强震动记录测定震谱卓越频率在10 Hz左右，烈度为Ⅳ度，判定该地震对六安地区影响不大。

5 结语

由上可知，台站在测震观测基础上增上强震动观测，除了保证台站正常的地震监测与速报工作外，对开展台站烈度测定和台网烈度速报有十分现实意义，尤其是在那些具有潜在中强以上地震危险的地区，增加强震观测台站更有必要。通过对台站观测系统速度与加速度记录数据特征分析，能够逐步提高台站人员的地震资料分析能力，同时，也能够逐步提高台站人员对强震动系统的熟悉过程。

图7 六安台BBVS-60系统记录到1.19安庆4.8级地震波形Fig.7 LU'AN Station of BBVS-60 system for recording AnQing 4.8 of Seismic velocity waves

图8 六安台BBAS-2系统记录的1.19安庆4.8级地震加速度波形Fig.8 LU'AN Station of BBAS-2 system for recording AnQing 4.8 of Seismic acceleration waves

表1 六安台BBVS-60系统记录安庆4.8级地震处理结果Table 1 LU'AN Station of two systems recording AnQing 4.8 Seismic Processing Result

表2 六安台BBAS-2系统记录安庆4.8级地震处理结果Table 2 LU'AN Station of two systems recording AnQing 4.8 Seismic Processing Result

4 结论与建议

由上可知，台站在测震观测基础上增上强震动观测，除了保证台站正常的地震监测与速报工作外，对开展台站烈度测定和台网烈度速报有十分现实意义，尤其是在那些具有潜在中强以上地震危险的地区，增加强震观测台站更有必要。通过对台站观测系统速度与加速度记录数据特征分析，能够逐步提高台站人员的地震资料分析能力，同时，也能够逐步提高台站人员对强震动系统的熟悉过程。

当然，测震台站大多建在基岩上，因需要是在环境干扰小、背景噪声低的地方运行，而强震动观测更多需在土层场地、桥梁、大坝等结构方面的观测。如何兼顾烈度速报与地震预警，如何合理规划布局、适当加密强震观测台站是我们应考虑的问题。

本工作中，许多地方得到了安徽省地震局监测中心仪器室张学应的帮助与指教，在此表示衷心地感谢。

[1]赵楠，江沛春，张光华，等.BBAS-2强震动观测与资料分析[J].地震地磁观测与研究，2011，32(S1)，94-98.

[2]林建生，谢文杰，吴淑美，等.泉州地震台数字地震仪台址的地脉动噪声分析[J].华南地震，2011，3（1），18-27

[3]中国地震局监测预报司.地震学与地震观测 （试用本）[M].北京：地震出版社.

[4]陈建涛，叶春明.建立南海地震海啸预警系统的构思[J].华南地震， 2010，30(S1)：145-152.

Comparative Analysis of Velocity and Acceleration Waveforms Characteristics Recorded by Lu'An Station Seismic Observation System

ZHAO Nan1，JIANG Peichun2，ZHANG Guanghua1，XIA Shi'an3

(1.Lu'an Seismic Station,Lu＇an 237002,China；2.Earthquake Administration of Lu'an,Lu＇an 237002,China；3.Earthquake Administration of Anhui Province Hefei 230001,China)

By measuring base noise power spectrum density and frequency response of velocity and acceleration recorded by Lu'An station observation system,this paper analyzes seismic wave parameters characteristics of two observation systems,and further illustrates with earthquake examples,which provides technical basis for improving analysis capability and intensity report operation work in observation stations.

Velocity；Acceleration；Characteristic Parameters；Intensity Report

P315.62

A

1001-8662（2012）03-0081-07

2012-01-10

安徽省地震局2011年合同制课题资助

赵 楠，男，1986年生，助理工程师.主要从事地震监测与观测数据分析。E-mail:zhaonan925@sina.com.