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2018年 49卷 第5期
2018, 49(5): 397-423.
doi: 10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201805001
摘要
PDF 17062KB
摘要:
在美国,超过1.43亿人面临地震风险威胁。如果社会公众能够理解其面临的风险,并采取积极防御措施,地震影响就能显著减小。美国国家现代地震监测系统(ANSS)通过协作对地震与大地测量数据进行汇集与分析,及时发布地震发生及其影响的可靠信息,为地震研究及危险性与风险评估提供数据,这是建立地震韧性国家的重要基础。
作为对ANSS的投资成果,现在对于发生在美国或世界上任何其他地区的任何显著地震事件都能够用一套产品来快速表征,在地震危机来临之际为人们提供态势感知。ANSS监测工作服务于科学研究和地震工程需求,这包括改进人们对建构筑物地震响应的理解。
作为参与美国国家地震减灾计划(NEHRP)的四个联邦机构之一,美国地质调查局(USGS)为ANSS提供了管理与财政支持。2000年,美国国会颁布《国家地震减灾计划》再授权法案(Public Law 106-503)]时,作为该计划的一项支撑设施,创立了ANSS。
ANSS是美国联邦政府、州政府和学术界的合作。由于认识到地震灾害危险性与风险的地区差异性,所以ANSS管理结构强调区域执行与国家集成。其允许与其他联邦和州政府机构以及与关注地震监测的地球科学界和工程界协作。
ANSS推动地方、区域和国家层面各机构间建立合作伙伴关系,共同致力于减轻地震灾害损失。这些合作关系对于ANSS在全国范围内的协调、在区域范围内的规划与执行,以及争取地方支持都是有必要的。许多承办学术机构、部分州政府机构、其他联邦机构、私人基金会和科学组织为ANSS的成长和(或)运行提供了支持。
建设ANSS的需求最初在美国地质调查局(U.S.Geological Survey,1999)题为《美国地震监测评估——国家现代地震监测系统的需求》的出版物中率先提出。这些需求包括加强国内各监测台网间协调、开发新的地震信息产品,以及在全国范围内扩建监测基础设施。2000年以来,ANSS强化了基础设施建设与伙伴关系建立,并开发了新的地震信息产品与服务。虽然现有资助尚未达到ANSS的预期计划,但其1999年所设定的在野外及建筑物、桥梁和其他构筑物中安装7 100个现代化地震观测站点的总体建设目标,截止2016年年底,已经完成了42%。ANSS产品的及时性与有效性提升了政府机构、应急响应人员、公众及工程界与科学界对ANSS能力的期望值。
作为ANSS的投资成果,地震信息服务发生了革命性的变化。ANSS的品牌服务包括:向政府和应急管理人员提供即时地震通知,通过地震通知服务系统以电子邮件或文本形式提供快速通知、震源特征产品、提供实时地震信息的ANSS网站、一套实时态势感知产品(地震动图ShakeMap、地震动图发布系统ShakeCast、全球地震响应即时评估系统PAGER、"你有感么?"DYFI)、ANSS综合地震目录ComCat,以及由工程强地面运动数据中心(CESMD)为工程师提供的产品。
在未来10年中,为了满足预期,ANSS必须在聚焦提升基础服务稳定性的同时确保获得不断创新的能力。ANSS具备在全国范围内进一步提升地震安全性并开展震后响应与处置的能力。本报告描述了一系列特定的发展机遇,并形成了ANSS未来10年的重点工作,包括使ANSS确保地震危机时有备无患,加强城市地区地震安全性,拓展降低地震风险的观测数据获取能力。把握机遇、实现目标,额外的资助也是十分有必要的。
创立伊始,ANSS被视为创新与风险并存。如今已证明,尽管只得到了部分资助,ANSS却是成功的。我们的国家在快速发展,国家的结构体系日趋庞大和复杂,如果耽于成就,接受现状,我们将会面临更多的地震风险。ANSS要充分发挥其在减轻地震灾害损失方面的潜力,就必须不断前行——引发地震的构造力是无情的,它们将永不停息,我们减轻国家地震灾害的努力也将永不停息。
在美国,超过1.43亿人面临地震风险威胁。如果社会公众能够理解其面临的风险,并采取积极防御措施,地震影响就能显著减小。美国国家现代地震监测系统(ANSS)通过协作对地震与大地测量数据进行汇集与分析,及时发布地震发生及其影响的可靠信息,为地震研究及危险性与风险评估提供数据,这是建立地震韧性国家的重要基础。
作为对ANSS的投资成果,现在对于发生在美国或世界上任何其他地区的任何显著地震事件都能够用一套产品来快速表征,在地震危机来临之际为人们提供态势感知。ANSS监测工作服务于科学研究和地震工程需求,这包括改进人们对建构筑物地震响应的理解。
作为参与美国国家地震减灾计划(NEHRP)的四个联邦机构之一,美国地质调查局(USGS)为ANSS提供了管理与财政支持。2000年,美国国会颁布《国家地震减灾计划》再授权法案(Public Law 106-503)]时,作为该计划的一项支撑设施,创立了ANSS。
ANSS是美国联邦政府、州政府和学术界的合作。由于认识到地震灾害危险性与风险的地区差异性,所以ANSS管理结构强调区域执行与国家集成。其允许与其他联邦和州政府机构以及与关注地震监测的地球科学界和工程界协作。
ANSS推动地方、区域和国家层面各机构间建立合作伙伴关系,共同致力于减轻地震灾害损失。这些合作关系对于ANSS在全国范围内的协调、在区域范围内的规划与执行,以及争取地方支持都是有必要的。许多承办学术机构、部分州政府机构、其他联邦机构、私人基金会和科学组织为ANSS的成长和(或)运行提供了支持。
建设ANSS的需求最初在美国地质调查局(U.S.Geological Survey,1999)题为《美国地震监测评估——国家现代地震监测系统的需求》的出版物中率先提出。这些需求包括加强国内各监测台网间协调、开发新的地震信息产品,以及在全国范围内扩建监测基础设施。2000年以来,ANSS强化了基础设施建设与伙伴关系建立,并开发了新的地震信息产品与服务。虽然现有资助尚未达到ANSS的预期计划,但其1999年所设定的在野外及建筑物、桥梁和其他构筑物中安装7 100个现代化地震观测站点的总体建设目标,截止2016年年底,已经完成了42%。ANSS产品的及时性与有效性提升了政府机构、应急响应人员、公众及工程界与科学界对ANSS能力的期望值。
作为ANSS的投资成果,地震信息服务发生了革命性的变化。ANSS的品牌服务包括:向政府和应急管理人员提供即时地震通知,通过地震通知服务系统以电子邮件或文本形式提供快速通知、震源特征产品、提供实时地震信息的ANSS网站、一套实时态势感知产品(地震动图ShakeMap、地震动图发布系统ShakeCast、全球地震响应即时评估系统PAGER、"你有感么?"DYFI)、ANSS综合地震目录ComCat,以及由工程强地面运动数据中心(CESMD)为工程师提供的产品。
在未来10年中,为了满足预期,ANSS必须在聚焦提升基础服务稳定性的同时确保获得不断创新的能力。ANSS具备在全国范围内进一步提升地震安全性并开展震后响应与处置的能力。本报告描述了一系列特定的发展机遇,并形成了ANSS未来10年的重点工作,包括使ANSS确保地震危机时有备无患,加强城市地区地震安全性,拓展降低地震风险的观测数据获取能力。把握机遇、实现目标,额外的资助也是十分有必要的。
创立伊始,ANSS被视为创新与风险并存。如今已证明,尽管只得到了部分资助,ANSS却是成功的。我们的国家在快速发展,国家的结构体系日趋庞大和复杂,如果耽于成就,接受现状,我们将会面临更多的地震风险。ANSS要充分发挥其在减轻地震灾害损失方面的潜力,就必须不断前行——引发地震的构造力是无情的,它们将永不停息,我们减轻国家地震灾害的努力也将永不停息。
2018, 49(5): 424-451.
doi: 10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201805002
摘要:
近来,地震可预测性研究再受关注.在其鼓舞下,我们提出一种基于警报的地震预测检验方法.该检验方法基于Molchan图,该图依据漏报率以及警报所占时空比例绘制.
近来,地震可预测性研究再受关注.在其鼓舞下,我们提出一种基于警报的地震预测检验方法.该检验方法基于Molchan图,该图依据漏报率以及警报所占时空比例绘制.
2018, 49(5): 452-465.
doi: 10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201805003
摘要:
通常用于地震勘探的商用数据采集系统都是一些很昂贵的设备。本文中,我们开发了一种低成本的数据采集系统(Geophonino),用来记录来自垂直地震检波器的地震信号。该信号首先通过INA155仪表放大器,这个放大器适用于诸如地震噪声这样的低振幅信号,以及一个基于MAX7404开关电容滤波器的反混叠滤波器。然后,放大和滤波后的信号经过Arduino Due数字化和处理并写入SD存储卡中。将Geophonino设置为连续写入,其中采样频率、振幅增益和寄存时间可由用户定义。完整的原型是一个开源和开放硬件的系统。我们已经把写入的信号与从不同的商用数据采集系统和不同种类的地震检波器获得的信号进行了比较测试。得到的结果显示被测试的测量值之间具有良好的相关性,表明可以将Geophonino作为低成本的地震数据采集替代系统。
通常用于地震勘探的商用数据采集系统都是一些很昂贵的设备。本文中,我们开发了一种低成本的数据采集系统(Geophonino),用来记录来自垂直地震检波器的地震信号。该信号首先通过INA155仪表放大器,这个放大器适用于诸如地震噪声这样的低振幅信号,以及一个基于MAX7404开关电容滤波器的反混叠滤波器。然后,放大和滤波后的信号经过Arduino Due数字化和处理并写入SD存储卡中。将Geophonino设置为连续写入,其中采样频率、振幅增益和寄存时间可由用户定义。完整的原型是一个开源和开放硬件的系统。我们已经把写入的信号与从不同的商用数据采集系统和不同种类的地震检波器获得的信号进行了比较测试。得到的结果显示被测试的测量值之间具有良好的相关性,表明可以将Geophonino作为低成本的地震数据采集替代系统。
2018, 49(5): 466-482.
doi: 10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201805004
摘要:
地震效应与地震发生地的地质特性密切相关,会加强该地区的地表运动,尤其是软土地区。加强的程度与共振频率相关,可通过水平与垂直谱比法(H/V谱比法)测量地震噪声从而估算共振频率。本文设计了一种低成本用户友好型数据采集系统(Geophonino-3D),用于记录三分量地震噪声。可开发的系统由信号调节电路和安装有SD Shield(用于存储数据)的Arduino Due组成。本设备首先在实验室中对其实验灵敏度、内部噪声稳定性、通道一致性进行了测试,评估了其是否适用于H/V谱比法。随后,通过在阿利坎特省(西班牙东南部)8个土壤特性不同的场地记录地震噪声,进行了实验验证。根据比较商用地震记录仪测出的功率谱密度和H/V峰值,评估了所开发数据采集系统的性能。所得结果表明本数据采集系统适用于应用H/V谱比法记录地震噪声。Geophonino-3D采用开源和开放硬件系统,部件价格远低于其他商用设备,对于资金短缺的研究团队来说,这是明显的进步。
地震效应与地震发生地的地质特性密切相关,会加强该地区的地表运动,尤其是软土地区。加强的程度与共振频率相关,可通过水平与垂直谱比法(H/V谱比法)测量地震噪声从而估算共振频率。本文设计了一种低成本用户友好型数据采集系统(Geophonino-3D),用于记录三分量地震噪声。可开发的系统由信号调节电路和安装有SD Shield(用于存储数据)的Arduino Due组成。本设备首先在实验室中对其实验灵敏度、内部噪声稳定性、通道一致性进行了测试,评估了其是否适用于H/V谱比法。随后,通过在阿利坎特省(西班牙东南部)8个土壤特性不同的场地记录地震噪声,进行了实验验证。根据比较商用地震记录仪测出的功率谱密度和H/V峰值,评估了所开发数据采集系统的性能。所得结果表明本数据采集系统适用于应用H/V谱比法记录地震噪声。Geophonino-3D采用开源和开放硬件系统,部件价格远低于其他商用设备,对于资金短缺的研究团队来说,这是明显的进步。
2018, 49(5): 483-495.
doi: 10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201805005
摘要:
本文介绍了爱达荷国家实验室地震台网和全球其他地震台网目前使用的三种不同数字化仪的性能测试。三种数字化仪分别是Symmetric Research的PAR4CH,以及DAQSystems公司的DAQ24USB-5V和DAQ24USB-XR。本文讨论了每种数字化仪的理论响应,以及如何计算滤波器系数。将实验中确定的灵敏度与制造商报告中的灵敏度进行比较,通过进行噪声测试来更好地了解这些数字化仪的局限性。三个数字化仪使用的数字滤波器是多种N阶sinc滤波的组合;因此,通过N个单位矩形函数的卷积计算出滤波器系数。我们测量出具有增益性能的仪器灵敏度,并与制造商报告中的灵敏度进行比较。数字化仪DAQ24USB-5V和DAQ24USB-XR的电路板对于1~16之间的增益设置有着更高的准确度(小于0.6%),对于32和64的较高增益设置则准确度较低(大于1%)。PAR4CH电路板在本研究的三块电路板中的准确度最低(约为5%)。噪声测试表明,在每秒100个采样点的较低采样率下,DAQ24USB-5V具有最低的自噪声,并在1~20Hz的范围是平坦的,而DAQ24USB-XR在较低采样率下具有较高的自噪声,但在10Hz后变平坦。PAR4CH具有最平坦的噪声模型,但是其自噪声却比DAQ24USB-5V大30dB左右。在更高的采样率,即每秒约500个采样点,DAQ24USB达到200Hz左右的时候都非常平坦,之后却开始下降,而DAQ24USB-XR从10Hz到奈奎斯特频率都相对平坦,因此表明DAQ24USB-XR更适合需要较高采样率的应用。
本文介绍了爱达荷国家实验室地震台网和全球其他地震台网目前使用的三种不同数字化仪的性能测试。三种数字化仪分别是Symmetric Research的PAR4CH,以及DAQSystems公司的DAQ24USB-5V和DAQ24USB-XR。本文讨论了每种数字化仪的理论响应,以及如何计算滤波器系数。将实验中确定的灵敏度与制造商报告中的灵敏度进行比较,通过进行噪声测试来更好地了解这些数字化仪的局限性。三个数字化仪使用的数字滤波器是多种N阶sinc滤波的组合;因此,通过N个单位矩形函数的卷积计算出滤波器系数。我们测量出具有增益性能的仪器灵敏度,并与制造商报告中的灵敏度进行比较。数字化仪DAQ24USB-5V和DAQ24USB-XR的电路板对于1~16之间的增益设置有着更高的准确度(小于0.6%),对于32和64的较高增益设置则准确度较低(大于1%)。PAR4CH电路板在本研究的三块电路板中的准确度最低(约为5%)。噪声测试表明,在每秒100个采样点的较低采样率下,DAQ24USB-5V具有最低的自噪声,并在1~20Hz的范围是平坦的,而DAQ24USB-XR在较低采样率下具有较高的自噪声,但在10Hz后变平坦。PAR4CH具有最平坦的噪声模型,但是其自噪声却比DAQ24USB-5V大30dB左右。在更高的采样率,即每秒约500个采样点,DAQ24USB达到200Hz左右的时候都非常平坦,之后却开始下降,而DAQ24USB-XR从10Hz到奈奎斯特频率都相对平坦,因此表明DAQ24USB-XR更适合需要较高采样率的应用。
2018, 49(5): 496-514.
doi: 10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201805006
摘要:
地震记录中时间的精确性对于现代处理技术至关重要。然而,对于由无法直接通信的仪器组成的台阵来说,仪器之间的时钟同步是很困难的。通过全球定位系统(GPS)进行时间同步是陆上的一个选择,但不能用于水下测量,因为电磁信号在水中不能有效传播。如果时钟漂移是线性的,那么可以通过部署前后的全球定位系统同步来估计海底地震仪的时间校正。但对于很多应用来说,这还不够,因为在长时间的实验中,这种漂移的非线性部分可以达到数十到数百毫秒。我们提出两种技术方法来提取同步记录的海底仪器在部署完成之后的时间记录差异。这两种技术都是基于对地震背景噪声的互相关分析,即使时钟漂移是非线性的,也都是有效的。第一种称为时间对称性分析(TSA),易于应用但需要合适的解释,以使噪声互相关函数在时间上是对称的;第二种基于重复地震分析方法,没有这种限制。本文分别讨论了两种方法的优缺点。通过在两组海底地震仪数据集的实际应用,表明两种方法都可以将仪器时钟同步误差控制到约5ms以下(主周期的百分之几)。
地震记录中时间的精确性对于现代处理技术至关重要。然而,对于由无法直接通信的仪器组成的台阵来说,仪器之间的时钟同步是很困难的。通过全球定位系统(GPS)进行时间同步是陆上的一个选择,但不能用于水下测量,因为电磁信号在水中不能有效传播。如果时钟漂移是线性的,那么可以通过部署前后的全球定位系统同步来估计海底地震仪的时间校正。但对于很多应用来说,这还不够,因为在长时间的实验中,这种漂移的非线性部分可以达到数十到数百毫秒。我们提出两种技术方法来提取同步记录的海底仪器在部署完成之后的时间记录差异。这两种技术都是基于对地震背景噪声的互相关分析,即使时钟漂移是非线性的,也都是有效的。第一种称为时间对称性分析(TSA),易于应用但需要合适的解释,以使噪声互相关函数在时间上是对称的;第二种基于重复地震分析方法,没有这种限制。本文分别讨论了两种方法的优缺点。通过在两组海底地震仪数据集的实际应用,表明两种方法都可以将仪器时钟同步误差控制到约5ms以下(主周期的百分之几)。
