第十五届世界地震工程大会上世界各国强震动观测及最新进展交流*

谢俊举 李小军

1) 中国地震局地球物理研究所， 北京100081 2) 北京工业大学， 北京100124

引言

第十五届世界地震工程大会(World Conference of Earthquake Engineering, WCEE)于2012年9月24日至28日在葡萄牙里斯本召开。 本次大会共收到了6000多篇摘要， 共约7700个作者， 4000多人注册参会， 与会代表来自7大洲的85个国家。 最终接受论文有3600多篇， 其中1250篇口头报告， 1500多篇张贴报告和900多篇电子报告(e-poster)， 有16个分会同时进行。

四年一届的世界地震工程大会是地震工程领域最有影响力的学术性会议， 由国际地震工程协会(International Association for Earthquake Engineering, IAEE)主办。 本次WCEE共设有9个讨论专题： 现有建筑结构的评估和加固(包括木结构、 学校、 历史建筑和遗产)， 新结构设计， 工程地震(包括地震动、 地质、 地震活动性)， 岩土地震工程， 基础设施和生命线系统， 社会和经济效应，大地震的防范和应急管理， 城市减灾与风险评估以及海啸。

大会期间还设有众多特别专题(Special Sessions)， 美国COSMOS(Consortium of Organizations for Strong-Motion Observation Systems， COSMOS)组织了关于世界范围内强震动观测和数据共享方面的特别专题。 该专题吸引了世界各国的专家， 来自法国、 意大利、 西班牙、 葡萄牙、 日本、 土耳其、 印度、 美国和墨西哥的国际同行和该领域的首席专家分别介绍了本国强震观测和数据采集共享的最新情况。

1 各国强震观测现状与最新进展

1.1 加拿大

加拿大地质调查局[1](Geological Survey of Canada， GSC)在全国范围内布设了超过100台测震仪和超过60台强震加速度仪， 包括57个三分量高敏感宽频带地震台， 40个单分量超短周期台， 18个单分量短周期台， 41个三分量宽频台以及8个次声地脉动台, 在此基础上构建了加拿大国家地震台网(Canadian National Seismograph Network， CNSN)。 其中的高敏感测震仪主要记录小震和远震的微弱地动， 快速获取地震位置和震级； 而强震动加速度计主要观测较大破坏性地震的地震动， 研究地震的破坏性作用特性， 为提升建筑抗震能力设防提供依据。

在强震动观测方面， 加拿大国家强震动观测台网(National Strong Motion Network)近年来得到了很大发展， 原有的绝大部分模拟强震动记录仪器被携带方便且可实时数据传输的数字强震动仪替代。 截止2011年， 加拿大地质调查局在西部的不列颠哥伦比亚省(British Columbia， BC)运行有超过110个强震动台， 其中约105个台使用的是加拿大本国生产的新型IA强震动仪(Internet Accelerometer)， 大多数布设在不列颠哥伦比亚省西南部高地震危险地区的城市中心区[1-2]； 其他部门， 如不列颠哥伦比亚省水利局(BC Hydro)、 不列颠哥伦比亚省运输公司(BC Transmission Corporation)和交通与基础建设部(Ministry of Transportation and Infrastructure BC)在加拿大西部也布设有70套强震动仪， 用于对重要的基础设施进行监测。 在加拿大东部， 地质调查局在地震活跃的夏洛瓦(Charlevoix)地区布设了26台强震动仪， 另外11台布设在大渥太华(Great Ottawa)地区[1, 3]。

1.2 希腊

希腊的强震动观测台网主要由雅典国家观测台地球动力研究所[4](Geodynamic Institute (GEIN) of the National Observatory of Athens) 和希腊工程地震和地震工程研究所[5](Institute of Engineering Seismology and Earthquake Engineering, ITSAK)这两大研究机构运行。 雅典国家观测台地球动力研究所(GEIN)从1972年开始强震动台网的建设， 当时布设了15台SMA-1型模拟强震动加速度计， 到1986年强震动仪数量增加到40个， 从1995年开始逐渐使用A-800型数字强震动仪; 希腊工程地震和地震工程研究所(ITSAK)在1980年代也开始强震动台网的建设， 在希腊全国范围内架设了50个台站[6]。 到2004年， 希腊GEIN和ITSAK两大研究机构运行的台站数量达到了约120个。 大多数强震动仪被布置在城市， 考虑到人口分布密度和希腊全境的地震活动性， 在一些城市(如雅典)还布设了局域强震动观测台阵， 强震动仪数量较台网建设初期已经翻倍， 原有的模拟记录仪被A800/A900， QDR， ETNA和 CMG-5TD等不同型号的数字强震动仪所替代。 同时这两大研究机构开始合作， 共同开发统一的强震动数据格式， 建设共享的国家强震动数据库[7](HEAD version 1.0, a unified HEllenic Accelerogram Database)， 以方便不同研究群体和工程师使用。

目前， 在地震规划和减灾组织(Earthquake Planning and Protection Organization， EPPO)资助下， 希腊正在开展部署100台新式强震动仪的台网建设项目[8]。 新建台站大都采用Guralp CMG-5TDE型强震动仪， 配备宽频带加速度计、 GPS和24位记录器， 可通过Greek Public Administration Network网络进行连续数据传输； 少数采用QDR型(11 位)和ETNA型(18位)强震动仪， 为触发式电话拨号数据传输。 通过远程遥测连接设备和技术的应用， 强震动观测台网的可靠性会得到进一步增强。

1.3 葡萄牙

葡萄牙最早的强震动记录仪器是1台日本生产的SMAC型和1台Kinemetrics公司生产的SMA-1型加速度计模拟记录仪器。 到2008年， 葡萄牙强震动观测系统运行有32个固定台站， 其中的80%台站(25个)隶属于Instituto Superior Tecnico (IST)， 13个台布设在葡萄牙本土的中部和南部， 12个台布设在Azores 群岛。 台站场地条件大部分(73%)为硬土或基岩场地[9]。 强震动仪大多数是瑞士GeoSIG 公司生产的SSA-320型三分量力平衡式传感器， 配备GSR12、 GSR16和GSR18型记录器， 绝大部分为GSR12型。 有2台为Kinemetrics公司生产的ETNA型强震动仪， 另有1台是Terra Technology 公司生产的IDS-3602型强震动仪。

目前， 在葡萄牙科学基金项目(Portuguese Science Foundation)的资助下， 正计划对强震动观测台网的仪器设备和数据共享进行升级(Scientific Re-equipment Program)， 新建16个强震动台站， 8个位于葡萄牙本土， 8个布设在亚速尔(Azores) 群岛， 配备AC-63i型GeoSIG加速度仪， 采用GPS授时和ADSL数据连接。 同时对目前运行的台站进行存储容量和ADSL数据连接升级。

1.4 西班牙

西班牙的强震动台网建设开始于1980年代， 最初由西班牙国家地球物理研究所(Instituto Geografico Nacional of Spain)布设了几台Kinemetrics公司生产的SMA-2型强震动仪， 后又安装了一批GSR-24型强震仪。 到2008年， 布设的强震动仪达到108台， 全部位于西班牙地震活动性较高的地区， 强震动仪量程分别有0.5 g、 1.0 g和2.0 g三种[10]。

目前西班牙强震动观测台网共有113个固定台， 有81个台可通过ADSL或Model进行远程数据传输， 并配备GPS。 采用的强震动仪多数为GeoSIG公司生产， 包括69台GSR-18型， 7台GSR-18型和3台GMS-24型; 其余为Kinemetrics公司生产的SMA-2(31台)和SMA-1(2台)型强震动仪。 台站多布设于城市地区， 强震动观测仪器安装在低层建筑物(例如西班牙各地市议会和市政办公楼)的地下室内。 最近20年西班牙布设了超过100台数字强震动仪， 这些台站获取到了震级在1.3～6.3之间的超过447条记录, 极大丰富了西班牙国内的强震动数据库[10-11]。

1.5 意大利

意大利强震动台网(Italian Strong Motion Network)的建设最早开始于1972年(图1)， 隶属于意大利紧急情况应对管理局[12](Dipartimento della Protezione Civile， DPC) ， 用于记录全国范围内的中等及高强度地震， 到1997年， 该台网共有 237个模拟台站， 大多数为Kinemetrics公司生产的 SMA-1型强震动仪。 从1998年开始， 原始的模拟记录仪逐步更新为新式的数字强震动仪， 这些仪器都架设在高烈度和地震风险的地区。 到2007年， 意大利强震动台网已经有168个数字强震动观测台站(其中156个配备GSM或GPRS， 可进行实时数据传输)， 另有130个模拟台站。

意大利强震动台网被称为RAN(Rete Accelerometrica Nazionale) ， 目前该台网由464个数字强震动观测台站组成， 其中有272个配备GSM数据通信设备， 192个为GPRS传输模式， 直接连接到位于罗马的RAN强震动数据中心， 可进行实时的数据传输[13]。 此外， 紧急情况应对管理局(DPC)还与国家火山和地球物理研究所[14](Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, INGV)等多家观测和研究机构合作， 开发建设意大利的强震动数据库系统[15](Italian Accelerometric Archive, ITACA)， 收集了1000多次地震中获取到的超过2000条三分量强震动波形数据， 其中主要记录来自于紧急情况应对管理局(DPC)从1972到2009年期间获取到的强震动数据， 原始和校正后的强震动波形数据以及反应谱数据都可以通过网站检索和下载。

1.6 法国

法国的强震动观测起步较晚， 最早开始于1980年代， 当时只有少量的SMA-1和SMA-2型模拟记录仪。 观测台网建设则开始于1995年， 由法国Universite Joseph Fourier (UJF)和 University of Nice Sophia Antipolis(UNSA)两所大学的研究机构合作建设， 到2000年全国范围的强震动观测台网(Reseau Accelerometrique Permanent, RAP)初步建成。 截止2003年， 法国RAP强震动观测台网布设的台站数量达到91个[16-17]。

图1 意大利强震动台网(RAN)台站分布。 红色三角为数字台站, 蓝色三角为模拟台站[13]

目前， 法国在全国各个地震区布设的台站数量已超过140个， 包括自由场台站、 结构台阵、 钻孔台站和滑坡监测台站， 分别应用于场地效应、 建筑结构监测和竖井强震动观测等不同研究目的。 这些台阵的建设使得记录到的地震数量有显著增加， 新建的台站具有高灵敏性能， 使得震级ML<2的小震能够被记录到。 目前法国RAP强震动数据库中记录到的最大PGA为0.7 g， 是在法属西印度群岛(French West Indies)附近发生的一次ML=5.4中获取到的[17]。 1995年至今， 法国RAP强震动台网记录到的地震事件达到10 058个， 共获取记录18 888条， 所有强震动数据均由RAP的数据中心[18](RAP National Data Centre)收集并免费发布， 用于地震学、 工程地震和结构抗震的基础研究。

图2 土耳其国家强震动观测台网(National Strong Ground Motion Network of Turkey)台站分布[21]

图3 印度国家强震动台网(India National Strong Motion Instrumentation Network)[27]

1.7 土耳其

土耳其从1973年开始安装了第1台强震动仪， 这也标志着隶属于土耳其减灾委员会地震研究部(Earthquake Research Department (ERD) of the General Directorate of Disaster Affairs (GDDA)) 的全国性强震动观测台网建设的起步。 最初布设的强震动仪为Kinemetrics SMA-1型模拟记录仪， 这些仪器在1976记录到了Denizli地震[19]的主震事件。 此后， 该台网获取到了大量记录， 尤其在1995年后获取到大量强震动加速度记录。 到2009年， 土耳其全国共有327台强震动仪， 全部为数字记录仪， 包括了不同年代安装的不同技术水平的记录仪器。

目前， 土耳其国家强震动观测台网(National Strong Ground Motion Network of Turkey)在土耳其全国共架设有388个强震动台站(图2)， 其中绝大多数为CMG-5TD型强震动仪， 其余分别为QDR、 ETNA、 GSR和SMATH型数字强震动仪[20-21]。 土耳其国家强震动台网包含许多局部台阵系统， 如伊斯坦布尔地震预警系统[22](Istanbul Earthquake Early Warning System, IEEWS)在靠近马尔马拉(Marmara)断层区域架设了12个强震动台， 这些台站通过卫星传输可实现数据实时在线采集， 为灾难性地震提供实时预警； 伊斯坦布尔地震快速响应系统(Istanbul Earthquake Rapid Response System, IERRS)共架设了超过100个强震动台， 均为触发式记录传输方式， 为地震动图和灾害损失评估服务； 马尔马拉海底观测系统(Marmara Sea Bottom Observatory System)从2011年开始共架设了15台站， 采用Guralp型三分量加速度计， 存储容量5 TD， 并配备Guralp 型三分量宽频带测震计， 存储容量3 TD， 其中5个台布设在海底， 同时开展水压、 水底声纳、 温度和流速的测量， 并配备实时摄像头。 此外， 还有坎迪里地震观测和研究所(Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute of Bogaziçi University， KOERI)海啸监测系统， 伊斯坦布尔天燃气公司强震监测网络(IGDAS)以及KOERI 结构监测台阵等[21, 23]。

1.8 墨西哥

墨西哥的强震动观测台站建设开始于1960年代， 当时布置了第1台仪器用于研究大地震的土层反应和结构物影响[24]。 近年来， 墨西哥建成了规模大约450个台站的强震动观测网络， 该台网获取到震级在1.7～8.1共1140次地震中的7800条三分量加速度记录。 但数据只有部分由一些研究所公开发布， 只有很少数的研究人员能够获取到这些数据， 而大多数研究人员和工程师是无法获得的。 基于以上原因， 墨西哥国内的几大研究机构开始合作组建墨西哥的国家强震动数据库[25](Mexican Strong Motion Database)， 形成了统一格式(Mexican Standard Acceleration File)和共享的强震动数据库系统。

1.9 印度

印度从1976年开始逐步在其靠近喜马拉雅的北部和西北部地区架设了大约200台模拟强震动观测台站， 主要由印度理工大学(IITR)的地震工程学部来运行维护。 然而， 由于模拟记录仪的技术比较落后， 安装的大多数强震动加速度仪在1980年代早期就停止了工作。 直到2004年， 在印度国家科学技术部的资助下， 印度开始了国家强震动台网项目(India National Strong Motion Instrumentation Project)的建设[26](图3)。 2007年以后还在德里地区布置了一个小型的局域观测台网， 安装了20台数字强震加速度仪， 其中12台由Kinemetrics公司生产， 8台由瑞士GeoSIG公司生产。

目前印度布设有298台数字强震动加速度仪， 布设在印度北部和东北部的Ⅴ度区和Ⅳ度区(印度国内烈度标准)以及一些人口稠密地区， 平均台间距在40～50 km， 可以确保印度北部和东北部地区发生5级以上地震至少会有超过2个台站获取到记录[26-27]。 其中， 有超过220个台可以通过VSAT或Modem等方式与位于鲁尔基(Roorkee)的数据中心进行连接， 实现远程维护和实时数据采集。 目前， 该台网已获取到最近5年内180次地震的大约500条时程记录， 这些数据通过经过注册后在网站上下载(http:∥pesmos.in/2011/index.php)。

此外， 来自中国、 日本、 美国的专家和强震动观测领域的负责人也对各自国内强震动台网建设状况、 台站分布以及数据采集处理和共享方面进行了汇报和交流。 通过交流， 各国同行对目前世界范围内各国当前的强震动观测和数据共享有了最新的认识和了解。

2 讨论

以上各国的强震动观测和最新进展介绍情况表明， 世界各国都非常重视强震动观测以及强震台网的建设。 一方面， 在地震高危险地区发展高密度强震动观测台网， 增加现有台站的布设密度； 另一方面， 大量运用新技术不断升级现有强震动观测设备， 原有模拟强震动仪被数字强震动仪所替代， 新式的数字强震动仪便于携带， 具有高灵敏度和采样率， 并配备实时数据传输通信装置， 强震动仪也由原来的触发模式改为实时记录传输。 此外， 各国都在开始地震预警和速报台网系统的建设， 为地震减灾提供快速实时的服务， 土耳其和日本[27-29]等国已经开始建设海底地震观测系统， 为海底地震研究以及海啸预警提供服务。 在数据采集和共享方面， 各国都在整合本国内的不同强震动观测机构， 建立统一数据格式的强震动数据库， 方便不同研究群体和工程师使用。

美国COSMOS在本次15WCEE期间组织这次世界范围内强震动观测和数据分享方面的交流特别专题， 旨在增进世界各国目前的强震动观测交流与数据共享， 建立世界范围内统一的强震动数据格式和通用数据库， 为世界各国的强震动观测和基础研究服务， 这也是当前世界范围内强震动动观测、 数据共享和基础研究方面的一种趋势。

参考文献

[1] Cassidy J F， Rosenberger A， Rogers G C， et al. Strong motion seismograph network in Canada. Proceedings of the 9th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Canada. 2007

[2] Rosenberger A, Rogers G C, Cassidy J F. The new real-time reporting strong motion seismograph network in southwest BC: More strong motion instruments for less money. Proceedings of the 9th Canadian Conference on Earthquake Engineering, Ottawa, Canada. 2007

[3] GSC. Geological Survey of Canada. http:∥www.earthquakescanada.nrcan.gc.ca

[4] ITSAK. Institute of Engineering Seismology and Earthquake Engineering. http:∥www.itsak.gr/

[5] GEIN. Geodynamic Institute of the National Observatory of Athens. http:∥www.gein.noa.gr/

[6] Kalogeras S. A strong motion database in Greece. Natural Hazards, 2002, 26: 265-277

[7] Theodulidis N, Kalogeras I, Papazachos C, et al. HEAD 1.0: A Unified Hellenic Accelerogram Database. Seism. Res. Lett., 2004, 75(1): 36-45

[8] Margaris B, Skarlatoudis A, Savvaidis A, et al. Strong-motion networks in Greece and their efficient use in the derivation of regional ground-motion predictive models. Earthquake Data in Engineering Seismology, 2011, 14, Part 1: 71-80

In this study, the direct optical band gap of the samples fabricated at three different substrate temperatures is determined by using Tauc’s equation[5] through UV–vis measurements and by plotting (α v)2 versus photon energy (v) as:

[9] Vilanova S P, Ferreira M A, Oliveira C S. PAD-1.0 Portuguese Accelerometer Database, CD-ROM Edition. Seism. Res. Lett., 2009, 80(5): 839-844

[10] Julio Mezcua, Rosa M. García Blanco, Juan Rueda. On the strong ground motion attenuation in Spain. Bull. Seism. Soc. Amer., 2008, 98(3): 1343-1353

[11] IGN. Instituto Geografico Nacional of Spain. http:∥www.ign.es/

[12] DPC. Dipartimento della Protezione Civile. http:∥www.protezionecivile.gov.it/jcms/en/ran.wp

[13] Gorini A, Nicoletti M, Marsan P, et al. The Italian strong motion network. Bull. Earthquake Engineering, 2010, 8(5): 1075-1090

[14] INGV. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. http:∥istituto.ingv.it/

[15] ITACA. Italian Accelerometric Archive. http:∥itaca.mi.ingv.it/ItacaNet/

[16] Pequegnat C, Gueguen P, Hatzfeld D, et al. The French accelerometric network (RAP) and national data centre (RAP-NDC). Seism. Res. Lett., 2008, 79(1): 79-89

[17] Berge-Thierry C, Fels J F, Dervin P, et al. The French permanent accelerometric network: Technological and parametrical choices, scientific goals and results. Workshop on Strong Motion Record Processing, Consortium of Organizations for Strong-Motion Observation Systems (COSMOS), Richmond, CA, May 26-27. 2004

[18] RAP. Reseau Accelerometrique Permanent. http:∥www-rap.obs.ujf-grenoble.fr/

[21] KYH. National Strong Ground Motion Network of Turkey. http:∥kyh.deprem.gov.tr/indexen.htm

[22] Erdik M, Fahjan Y, Ozel O, et al. Istanbul earthquake rapid response and the early warning system. Bull. Earthquake Engineering, 2003, 1(1)： 157-163

[23] ESD. European Strong Motion Database. http:∥www.isesd.hi.is/ESD_Local/CdRom/cdrom1.htm

[24] Espinosa Aranda J M, Jiménez A, Ibarrola G, et al. Mexico city seismic alert system. Seism. Res. Lett., 1995, 66 (6)： 42-53

[25] MSMD. Mexican Strong Motion Database. http:∥www.unam.mx/db/english/bmfs_ing.html

[26] Kumar A, Mittal H, Sachdeva R, et al. Indian strong motion instrumentation network. Seism. Res. Lett., 2012, 83(1): 59-66

[27] PESMOS. Department of Earthquake Engineering, Indian Institute of Technology Roorkee. http:∥pesmos.in

[28] Sato M, Ishikawa T, Ujihara N, et al. Displacement above the hypocenter of the 2011 Tohoku-Oki earthquake. Science, 2011, 332： 1395-1396

[29] K-NET. The NIED strong-motion seismograph networks. http:∥www.k-net.bosai.go.jp/

[30] KiK-net. The NIED strong-motion seismograph networks. http:∥www.kik-net.bosai.go.jp/