一、强震动的背景知识#

1.什么是强震动观测#

强震动观测是一种通过地震仪（主要是加速度计）记录地震波在地震发生时地表或地下的强烈运动的技术。这种观测主要关注地震动的强度、频率和持续时间，特别是那些能够造成建筑物和结构损害的强烈地震。强震动观测是地震工程学研究的基础，是工程地震学研究的重要内容。观测记录提供了地震动和结构地震反应的详细信息。随着强震仪和观测技术发展，观测记录还应用于烈度速报、地震预警、震害快速评估、地震应急反应及结构振动控制、结构健康诊断等领域。

基础知识#

1.1地震烈度和地震震级#

• 地震烈度 描述地震在某个特定地点的效应，如建筑损毁程度和人们的感受。这种度量不是直接从地震仪记录中得到的，而是通过观察地震对环境和建筑的影响评定的。
• 地震震级 是量度地震释放总能量的一个度量，它是通过地震波在地震仪上记录的振幅和地震波到达地震仪的距离来计算的。

1.2地震加速度计的使用和数据记录#

地震加速度计可以精确记录地震波的加速度，这些数据对于理解地震的动力学和建立精确的地震动预测模型至关重要。加速度数据的分析帮助地震工程师评估建筑结构在地震中的响应，并指导抗震设计的改进。

1.3地震烈度的历史和现代应用#

地震烈度是通过观测地面破坏、人的反应和建筑损害程度来评估地震影响的传统方法。历史上，如罗西-福雷尔烈度表和麦卡利烈度表对地震烈度进行分级，而现代更常使用欧洲宏观地震烈度（EMS）标准。烈度评估不仅有助于历史地震的研究，也是现代地震应急响应和规划的重要组成部分。

1.4地震动的记录与分析#

强地震动的记录主要通过地震加速度计完成，这些仪器能够记录下地震波在三个方向上（通常是两个水平方向和一个垂直方向）的加速度。地震动的数据分析包括对记录的地震波形的分析，评估其持续时间、峰值加速度、速度、位移等参数。

1.5地震波的类型和特性#

地震波主要分为体波和面波。体波包括P波（纵波，速度最快，能够穿透地球内部）和S波（横波，仅在固体中传播）。面波在地表附近传播，通常振幅较大，破坏性较强。地震波的传播速度和振幅受到地质结构的影响，比如在沉积盆地中可能被显著放大。

1.6地震动的复杂性和传播特性#

地震波的振幅、频率和持续时间是影响建筑物设计和结构完整性的关键参数。地震波通过不同的地质结构（如沉积盆地或岩石层）时，其强度和特性可能会显著变化。通过地震仪器记录的数据，科学家可以研究地震波如何在地球内部传播，以及地质结构如何影响地震波的放大或衰减。

1.7地震损害与建筑设计#

地震造成的建筑损害与建筑的设计、建筑材料、施工质量以及所处的地质环境有关。抗震设计是结构工程的一个重要方面，需要考虑地震动的潜在强度和建筑物的动力响应。

1.8地震预测与风险评估#

地震预测涉及识别可能的地震发生时间、地点及其强度。尽管准确预测地震的具体时间和地点目前仍具挑战性，科学家通过地震统计、历史记录和地震前兆（如地震群的发生）进行风险评估。地震风险评估包括地震危险性分析和对特定区域可能受到的地震影响的评估，通常涉及地震场景模拟和损害概率模型。

1.9强震网络与数据利用#

强震网络是指一系列策略性部署的地震加速度计网络，目的是捕获强地面运动，提供数据支持地震学研究和工程应用。这些数据对于更新地震动预测方程、改进建筑规范和发展更有效的城市规划策略至关重要。

2.强震动观测的目的和意义#

强震动观测是认识强地震动特征和各类工程结构地震反应特性的主要手段。强震动观测的主要目的是获取地震波对建筑物、桥梁、大坝等结构的实际影响数据，以便更好地了解和评估地震对这些结构的破坏力，对地震动的特性(强度、频谱、持续时间)、影响范围及各种工程结构的地震反应进行观测，获取真实可靠的强地面运动记录和工程结构地震反应资料，为研究强地面运动的特性和工程结构抗震设计方法与技术提供重要的基础资料，以达到减轻地震灾害的最终目标。

3.强震动观测和测震观测的区别和联系#

3.1区别#

测震观测主要关注的是地震本身的参数，如震源的位置、震级、震源深度等，而强震动观测则专注于地震引起的地面运动的强度和影响。测震观测通常使用地震计，适用于记录远场的较小震动；而强震动观测通常使用加速度计，适用于记录近场的强烈震动。

3.2联系#

两者都是地震监测的重要组成部分，彼此之间有着密切的联系。强震动数据可以辅助解释测震数据，反之亦然。在实际应用中，这两种观测方法通常是互补的，共同为地震科学研究、地震工程设计以及灾害防御和减轻提供数据支持。

4.我国强震动观测的现状#

4.1观测站的数量和分布#

我国共有强震动加速度观测站2975个，包括1965个强震动加速度计观测站和1010个强震动烈度仪观测站。这些观测站主要分布在人口密集和地震活动频繁的地区，如首都圈、四川、云南、新疆等地区。

• 强震动（加速度计）观测站共有 1965 个，主要采用触发式记录（部分采用连续观测），观测频带为直流（DC）～80 赫兹，观测幅值范围为±2g。观测站主要分布在人口较为密集的地震重点监视防御区及周边地区。在一级强震动监控区内，平均间距约 25 千米；在二级强震动监控区内，平均间距约 40 千米。分布情况如图 1.4 所示
• 强震动（烈度仪）观测站共有 1010 个，全部采用连续观测，主要分布在首都圈、福建、川滇和川西地震烈度速报与预警试验示范区，其中首都圈示范区 370 个、福建示范区 300 个、川滇示范区 270 个，川西示范区70 个。分布情况如图 1.5 所示。

4.2观测技术#

强震动加速度观测站主要采用触发式记录方式，观测频带为直流（DC）至80赫兹，幅值范围为±2g。烈度仪观测站则采用连续观测，能够提供持续的地震动和烈度数据。由于测震观测的对象包括地球脉动、天然地震、各类诱发地震、塌陷地震、固体潮汐等，其信号频带范围从数百赫兹到数千秒，跨越7个数量级；信号幅度从纳米级到数十米级，跨越11个数量级，因此测震仪器的主要发展趋势包括：向更宽频带、更大动态范围、更低仪器噪声的方向展。如超宽频带地震仪工作低频端小于0.003赫兹（周期大于360秒），高频端在50赫兹以上，仪器自身噪声在频带范围内小于10-10米/秒。向立体观测设备发展。包括井下观测、海洋观测、空间（次声）观测等，形成对地震的立体观测能力。向小型化、一体化、智能化和低功耗、低成本方向发展。观测模式对大范围的常规观测，主要是向自动观测发展，测震站网布局大体采用兼顾均匀的密集化发展模式。对特定科学研究，常采用特定布局的台阵模式。

4.3监控区域划分#

根据地震活动性、人口密度和经济发展程度，强震动监控区分为一级和二级。一级监控区包括首都圈、四川、云南、新疆等地区，而二级监控区包括辽宁、山东、福建等地区。

4.4数据的应用#

通过综合利用加速度计和烈度仪的观测数据，可以在地震发生后2小时内生成地震动参数和烈度分布图。这些数据对于地震预警和应急响应具有重要价值。

4.5覆盖范围和监测能力#

在首都圈地区，地震监测能力达到1.0级；省会城市地区达到1.5级；东部大部分区域达到2.0级；西部大部分区域达到2.5级。这表明我国强震动观测网络已具备较高的地震监测和快速响应能力。

5强震动观测的仪器#

强震动观测使用多种仪器来记录地震中的地面振动。以下是一些常见的强震动观测仪器：

• 拾振器（加速度计）：拾振器直接测量地震运动的装置。它们记录地面的加速度变化，从而提供有关地震强度和频率的信息。
• 地震记录器：地震记录器控制强震动仪的工作状态，并记录拾振器测量的测点运动。这些记录器可以记录地震事件的持续时间、震级和其他参数。
• 光纤加速度计：这是一种新型的强震动观测仪器，利用光纤传感器来测量地面振动。它具有高精度和灵敏度，适用于工程地震学研究和结构监测。
• 力平衡加速度计：这是一种传统的强震动观测仪器，用于测量地面的加速度。它在频带范围内获取强震动记录，需要进行仪器校正以提高精度。
• 烈度计：虽然不是直接测量地面振动的仪器，但烈度计用于评估地震对建筑物和人类活动的影响。它们记录地震震感的强度，通常以烈度等级表示。

6.强震动观测记录的特征#

强震动观测记录了地面在地震期间的强烈运动，这些记录对于了解地震对结构和建筑的影响至关重要。强震动观测的特征通常包括以下几点：

• 加速度：强震动观测主要通过加速度计记录地面加速度，这是因为加速度是评估地震对建筑物和其他结构物影响的关键参数。加速度记录可以显示地震力如何随时间变化。
• 三个方向的记录：通常强震动观测设备会记录三个方向的运动，即水平方向的两个正交分量（通常是东西和南北方向）和一个垂直方向的分量。这种三维观测提供了地震波在不同方向上影响的完整视图。
• 高频带宽：强震动观测通常涵盖较宽的频带，能够捕捉从低频到高频的地震波。这对于分析不同类型的结构响应非常重要，因为不同的建筑或结构可能对不同频率的震动有不同的敏感度。
• 高采样率：为了详细记录地震期间的快速变化，强震动记录通常具有较高的采样率（例如每秒数百到数千次），这确保了数据的详细度和准确性。
• 动态范围：强震动记录设备设计有足够的动态范围，以捕捉从非常小的地震波到可能引起重大破坏的大地震的波动。动态范围的设计确保了在不损失数据质量的情况下记录极端地震事件。
• 触发机制：许多强震动观测站采用触发机制开始记录，即只有当地震活动超过预设阈值时，仪器才开始详细记录，以优化存储和数据管理。

描述和量化地震影响的关键参数#

• 峰值加速度（PGA）：表示地面加速度的最大值。它是评估地震强度和潜在破坏性的一个关键参数，对于结构设计和地震安全评估尤为重要。
• 峰值速度（PGV）：指地震波中记录到的最大地面速度。速度的大小可以反映地震波的能量传输效率，对于建筑物的破坏分析和地震响应分析有重要意义。
• 峰值位移（PGD）：指地面位移的最大值，它展示了地面在地震过程中的最大移动距离，是评估地震引起的永久地形变化的重要参数。
• 持续时间（duration）：这是地震强烈震动持续的时间。持续时间长短可以影响地震引起的疲劳损伤程度，对结构的破坏也有直接影响。
• 反应谱（response spectra）：描述在不同频率下，单自由度振子（模拟建筑或其他结构）的最大响应。反应谱是设计抗震结构中不可或缺的工具，帮助工程师评估建筑在特定地震动作用下的潜在响应。
• 断层附近的长周期脉冲信号：在地震工程和减灾中极具研究和应用价值。这些脉冲信号可能由地震引起的永久位移（fling-step）和破裂方向性导致，能产生非常大的峰值加速度，对理解结构的地震响应至关重要。
• 下图是实际记录的数据集特征（2020年以来全国大陆M4.0级及以上地震强震动参数数据集https://data.earthquake.cn/datashare/report.shtml?PAGEID=ground_motion_list）

7强震记录的处理流程#

处理强震记录的典型流程包括以下几个步骤：

7.1数据采集#

强震记录首先由安装在关键位置的加速度计收集，这些设备能够捕捉地面在三个正交方向（通常是水平方向的两个方向和一个垂直方向）上的运动。

7.2数据预处理#

• 去除基线漂移：通过适当的数学处理方法（如高通滤波）去除由于仪器倾斜或其他非地震因素引起的基线漂移。
• 校准：确保记录数据反映真实的地面运动，需要对仪器进行校准，校正可能存在的任何仪器响应偏差。

7.3滤波#

使用滤波器（如Butterworth滤波器）处理数据，去除噪声和不需要的频率成分，保留对建筑结构安全评估更关键的频率范围。

7.4积分处理#

有时需要将加速度数据积分转换为速度或位移数据，特别是在需要评估结构的动态响应时。这要求在积分前确保数据的零偏准确性。

7.5峰值参数提取#

从处理后的数据中提取关键参数，如最大地面加速度（PGA）、最大地面速度（PGV）和最大地面位移（PGD）。

7.6应用地震动预测方程#

使用地震动预测方程（GMPEs）等工具，基于提取的参数评估特定地点的地震风险。

7.7生成响应谱#

对于地震工程应用，生成各种阻尼比的地震响应谱是常见的步骤，这有助于评估不同类型建筑在地震中的潜在响应。

7.8数据归档与共享#

强震动数据经过处理和验证后，通常会被存储和归档，供未来的研究和工程应用使用。这些数据也可能被上传到公共数据库，以便研究者和工程师访问和使用。

二、当前强地面运动预测的先进技术和方法#

随着科技的进步，到了现代二十年代，预测强地面运动的技术和方法已经取得了显著的发展。现代地震学和工程实践中对强地面运动的预测更加依赖高级技术、更精细的地震数据和复杂的计算模型。以下是当前最先进的预测强地面运动的关键领域：

1.地震早期预警系统#

地震早期预警系统在全球许多地震活跃地区已经部署，例如日本、墨西哥和加利福尼亚。这些系统利用地震波的速度差异（P波和S波），通过在地震发生后尽可能快地检测到P波（速度较快但破坏性较小的地震波），来为人们和系统提供几秒到几十秒的预警时间，从而采取预防措施减少伤亡和财产损失。

2.高分辨率地震监测网#

使用更密集的地震监测网络，包括地面和井下地震仪，可以提供更详细的地震波数据。这些数据有助于地震学家更精确地映射断层线、地下结构和地震波速度的变化，从而改善地震动模型的准确性。

3.数值模拟和物理模型#

利用高性能计算资源，地震学家可以模拟复杂地质结构下的地震波传播过程。这些模型包括三维地震波传播模拟，可以预测不同地震源参数和地质条件下的地震动。此外，这些模型还可以用于研究地震波在城市地区复杂地质环境中的影响，如地震波在沉积盆地中的放大效应。

4.机器学习和人工智能#

AI技术已经被应用于地震数据的分析，提高了地震预测和地震动预测的准确性。机器学习模型能够从历史地震记录中学习，识别地震波形特征和地震前兆，从而提前几分钟到几小时预测可能的地震事件。

5.地震动预测方程（GMPEs）的更新和改进#

地震动预测方程是评估特定地点地震影响的核心工具。这些方程现在包括了更广泛的地震案例数据库和更复杂的地质及地震参数，提高了预测的准确性和可靠性。

6.与公共安全基础设施的整合#

强地面运动预测技术与城市基础设施的整合越来越紧密，如交通控制系统、核电站和桥梁。这些系统被设计为能在地震即将发生时自动采取措施，如自动停车、关闭燃气管线和电网，以减少地震带来的直接影响。