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地震信号检测网络的基础知识（二）

2020.9.29

确定地震强度的方法有很多7。这些方法使用从以往地震中收集的数据，创建自己的地震动预测方程（GMPE）来预测强度值。推导出的方程式至少使用一个地震动参数或地震动参数的组合，即峰值地震动位移（PGD）、峰值地震动速度（PGV）和峰值地震动加速度（PGA）。早期方程主要基于PGA，有几种使用了PGV和PGD。虽然GMPE使用多个数据库中的数据来建立相关性，但不同模型得出的值仍然差异很大。例如，使用Wald的GMPE，10 cm／s2的PGA值得出的MMI值为3．2。而根据Hershberger的GMPE，10 cm／s2的PGA值对应的MMI值为4．43。请注意，大多数GMPE遵循幂律，MMI值每增加一级，PGA值需要指数式增加。式1给出了Wald和Hershberger创建的相关性方程。

式1显示了地震动预测方程：（a） Wald；（b）．Hershberger。8

MMI ＝ 2．2log（PGAmax）＋ 1 （1）

MMI ＝ 2．33log（PGA）＋ 1．5

日本气象厅（JMA）设计了一种地震强度量表，它可以根据强运动三轴加速度数据来计算9。每个轴的加速度时间信号都信息傅立叶变换。图2所示的带通滤波器（由周期效应滤波器、高截止和低截止滤波器组成）应用于每个轴的频率信号。图中还给出了每个子过滤器的数学表示。

图2．计算JMA强度所用加速度计输出信号的带通滤波器：（a）周期效应滤波器方程；（b）高截止滤波器方程；（c）低截止滤波器方程。9

对每个轴的滤波后频率信号进行傅立叶逆变换之后，计算所有三个轴的相应时域信号矢量和的大小。累计持续0．3秒或更长时间的最高加速度值被指定为a0。然后使用式2从a0计算仪器地震强度，即利用持续时间至少为0．3秒的最高加速度求解JMA地震强度方程9。

IJMA ＝ 2loga0 ＋ 0．94

其中：

IJMA ＝ JMA地震强度（2）

a0 ＝持续0．3秒或更长时间的最高加速度

地震频谱强度

地震强度衡量特定位置感受到的地震的影响，而频谱强度（SI）则衡量地震对特定结构施加的破坏性能量的大小10。SI值利用式3所示方程根据速度响应谱来计算。高刚性结构的速度法向周期为1．5 s至2．5 s。SI值针对的是震动速度谱，因此能够轻松区分地震活动与地震或其他来源。所以，SI值可以用作地震对建筑物结构健康影响的标准。此外，与JMA地震强度相比，SI值涉及的计算较为简单，这使其更适合低功率应用。

式3给出了频谱强度方程，即震动速度响应谱对建筑物法向速度周期的积分11。

其中：

SI ＝频谱强度（3）

Sv（T，h）＝频率范围h和周期T的震动速度谱

地震震级

地震震级（简称震级）表示地震在震源处释放的能量。其值不取决于测量位置。实际上，它只有一个真实值，即按照里氏量表指定的数字。有记录的最强地震是1960年代袭击智利瓦尔迪维亚的地震，震级为9．4至9．6。

地震震级与强度之间的相关性尚未完全界定清楚。明确界定二者之间的关系取决于许多因素，包括震源的深度、震源周围的地质组成、震中与测量设备之间的地形类型、设备位置或其距震中的距离等。例如，2017年5月发生在俄勒冈州海岸附近的地震被确定为4级。根据2017年7月的USGS震动图12，蒙大拿州感到的地震强度为5至6级，爱达荷州也感到了相同的地震，但强度只有2至3级。这表明，即使爱达荷州比蒙大拿州更靠近震中，但这并不一定意味着前者感到的地震影响会更强烈。

地震检测

地震检测是指测量和分析地震波的过程。地震波不仅指地震产生的运动，施加在地面上的任何力，即便是人在地面上走路那么小的力，都可能引起足以产生地震波的扰动。地震监测应用感兴趣的地动范围非常大。地震产生的地动可能像纸一样薄，也可能像房屋一样高。

地动可以通过位移、速度和加速度来表征。地动位移通过地球表面行进的距离来衡量。位置变化可以是水平的，也可以是垂直的。地动速度指地表面移动的速度，而地动加速度指地动速度相对于时间的变化速度。地动加速度是确定地震过程中引起结构应力的最重要因素。GeoSIG的一份演示材料中显示了震级、地震动和强度之间的关系13。

用于地震检测的设备属于专用设备。涉及地震检测的应用可以根据其频率范围进行分类。因此，仪器的频率响应曲线必须适合其使用场景。GeoSIG的一张图表显示了不同地震检测应用及其涵盖的频率13。

地震信号

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