一种用于地震预警系统的实时地震震级估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型的用于地震预警系统的地震震级的估计方法，尤其涉及一种 用于克服中大型地震动中震级饱和问题，估计实时震级的谱反演方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，世界各地大
[0003] 地震日益频繁，甚至会引发海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。在我国，历史上 也发生过很多破坏性很大的地震，以08年的四川大地震为甚，由此可见，地震灾害对人们生 命财产安全造成了极大的威胁。
[0004] 地震预警系统，是指在地震发生后，利用地震波传播速度小于电波传播速度的特 点，提前对地震波尚未到达的地方进行预警。如果能够利用地震测站获取的地震信息，对地 震震级进行快速评估，就可以在地震波到达之前发出预警。
[0005] 地震震级是通过仪器给出地震大小的一种量度，我国目前普遍采用的方法是由仪 器观测同时用地震波波形通过统计得到的经验公式来确定震级的大小，该方法有三个主要 的缺点。
[0006] (1)震级饱和问题。从上述描述中可以看出，不同震级代表了地震时在不同频域中 地震辐射波能的大小，Ml、Mb、Ms这三种主要震级代表地震时约0.1-20S周期范围地震的能量 大小，对于大于20s的地震波能量就反映不出了。因此确定上述震级对应的地震仪只能反映 一定频带范围内的地震，而在此范围之外，由于仪器性能限制，无法测出地震发生时所辐射 的周期大于20s的地震波(特别是大震级7.0面波震级以后），所确定的震级并不能反映实际 地震的大小，即出现了 "震级饱和"现象。
[0007] (2)物理意义不清晰。目前采用的震级估计方法仅由仪器指针摆动的幅值确定，没 有明确的物理意义，无法深刻揭示地震震级与频度之间的关系。
[0008] (3)不具有实时性。目前采用的震级估计方法耗时较长，对于一个地震分析往往需 要1-3分钟才能较为准确的得出其震级，无法实际应用于地震预警系统。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于克服中大型地震动中震 级饱和问题，估计实时震级且应用于地震预警系统的方法。
[0010] 为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0011] -种用于地震预警系统的实时地震震级估计方法，利用地震矩求出的矩震级，即： 检测到信号后每间隔Is估算出相对应的矩震级，随着时间增长至20s左右得出与实际震级 非常接近的估计震级，当地震在A点发生后，附近的B测站的操作包括以下步骤：
[0012] 1)当第一个测站检测到地震动信号的第一秒时间内，采样频率为100Hz则有100个 样点，进行滤波以及去零漂处理后可以得出该地震动第一秒信号的时间-加速度曲线，进行 两次积分处理即可得出该地震动第一秒信号的时间-位移曲线，再进行快速傅里叶变换可 以得出在频域下的频率-位移幅值(f-Ω)曲线，该曲线在对数坐标系下有如下关系：
[0013]
[0014] (1)
[0015] 式中，Ω 〇为地震谱零频时的振幅;f。为拐角频率;1!和γ均为衰减常数;Q为独立频 率因子;t为地震波传播时间。
[0016] 在频率-位移幅值曲线对数坐标系下，对于小于拐角频率的频率值，其对应的位移 幅值几乎趋于一个平台（见图3)，该平台与y轴的交点即零频时的振幅值Ω〇。
[0017] 而零频时的振幅值Ω 〇与地震矩存在如下关系：
[0018]
[0019] (2)
[0020]式中Mo为地震矩(Ν · m) ;pr为台站当地土密度(kg/m3) ;ps为震源地土密度(kg/m3); r为震源距(km) ;cr为台站处剪切波速(m/s) ;cs为震源处剪切波速(m/s); Ω 〇为地震谱零频 时的振幅;Rc( = 〇. 63)为平均辐射常数;Fs (= 2)为自由液面反射常数。
[0021 ]得出地震矩之后利用公式(3)估算出相应的矩震级Mw，马上以矩震级Mw形式向相关 机构发出地震预警信号；
[0022] logMo=1.5Mw+9.05
[0023] (3)
[0024] 式中Mw即为矩震级;Mo为地震矩；
[0025] 2)余下的η秒钟内，在每1秒重复上述步骤操作得出实时的地震震级，持续地发出 地震预警信号。
[0026]本发明的有益效果在于：
[0027] 本发明利用地震矩从而求出的矩震级能有效克服中大型地震(Μ>6)中出现的震级 饱和问题，而且地震矩与地震动中零频时的振幅Ω 〇有明确联系，具有明确的物理意义。而 且该方法具有实时性，检测到信号后每间隔Is均能估算出相对应的矩震级，随着时间增长 至20s左右就能得出与实际震级非常接近的估计震级，能有效应用于地震预警系统。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明具体实施方法的操作流程示意图；
[0029]图2是地震预警系统示意图；
[0030] 图3是5个测站对于某地震在双对数坐标系下的频率-位移幅值。
[0031] 图4是2011.3.11东日本大地震FKS016测站的整个地震记录；
[0032]图5是图1滤波及去零漂后检测到P波信号后20s的地震加速度数据。
[0033]图6是图2中加速度经过两次积分得出的地震位移数据。
[0034]图7是图3中位移数据进行傅里叶变换在双对数坐标系下的频率-位移幅值。
[0035]图8是以2011.03.11东日本大地震M9.0-个测站为例利用零频时的振幅求出的矩 震级及各参数列表。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明作进一步具体描述。
[0037] 本发明是一种新型的用于克服中大型地震动中震级饱和问题，估计实时震级并应 用于地震预警系统的谱反演方法，具体操作流程如图1所示。
[0038]实施例1: 一种新型的用于地震预警系统的实时地震震级估计方法，以2011年东日 本大地震为例，包括以下步骤：
[0039] 步骤1:如图2，当地震在A点发生后，附近的B测站将连续接收到地震动信号，该信 号为加速度信号。
[0040] 步骤2:在B测站，每间隔一秒对该地震动信号进行分析，经过滤波和去零漂处理后 作出时间-加速度曲线，如图5。
[0041 ] 步骤3:对时间-加速度曲线进行两次积分处理即可得出该信号的时间-位移曲线， 如图6。
[0042] 步骤4:对时间-位移曲线进行快速傅里叶变换得出在频域下的频率-位移幅值(f-Ω)曲线，如图7。
[0043] 步骤5:频率-位移曲线在双对数坐标系下有公式（1)的关系，利用公式（1)可求出 零频时的振幅值Ω〇。
[0044] 步骤6:利用公式(2)可用零频时的振幅值Ω 〇求出相应的地震矩Mo。
[0045] 步骤7:得出地震矩后，利用公式(3)即可估算出相应的矩震级Mw，马上向C、D、E、F 各个地方发出地震预警信号。
[0046] 步骤8:每间隔1秒重复上述步骤操作，即可得出实时的地震震级，持续地发出地震 预警信号。若利用多个测站的信号可以求出其平均值，能更加接近实际震级，如图8。
[0047]本发明的有益效果在于：
[0048]本发明利用地震矩从而求出的矩震级能有效克服中大型地震(M>6)中出现的震级 饱和问题，而且地震矩与地震动中零频时的振幅Ω 〇有明确联系，具有明确的物理意义。而 且该方法具有实时性，检测到信号后每间隔Is均能估算出相对应的矩震级，随着时间增长 至20s左右就能得出与实际震级非常接近的估计震级，能有效应用于地震预警系统。
【主权项】
1. 一种用于地震预警系统的实时地震震级估计方法，利用地震矩求出的矩震级，即：检 测到信号后每间隔Is估算出相对应的矩震级，随着时间增长至20s左右得出与实际震级非 常接近的估计震级，当地震在A点发生后，附近的B测站的操作包括以下步骤： 1) 当检测到地震动信号的第一秒时间内，进行滤波以及去零漂处理得出该地震动第一 秒信号的时间-加速度曲线;进行两次积分处理即可得出该地震动第一秒信号的时间-位移 曲线，再进行快速傅里叶变换可以得出在频域下的频率-位移幅值(f-Ω)曲线，该曲线在对 数坐标系下有如下关系：式中，Ω 〇为地震谱零频时的振幅;f。为拐角频率;1!和γ均为衰减常数;Q为独立频率因 子;t为地震波传播时间； 因零频时的振幅值Ω 〇与地震矩存在如下关系：式中Mo为地震矩(N · m) ;pr为台站当地土密度(kg/m3) ;ps为震源地土密度(kg/m3) ;r为 震源距(km) ;cr为台站处剪切波速(m/s) ;cs为震源处剪切波速(m/s); Ω〇为地震谱零频时的 振幅;Rc(=0.63)为平均辐射常数;Fs( = 2)为自由液面反射常数； 得出地震矩之后利用公式(3)估算出相应的矩震级Mw，马上以矩震级1形式向相关机构 发出地震预警信号； logM〇=1.5Mw+9.05 (3) 式中Mw即为矩震级;Mo为地震矩； 2) 余下的η秒钟内，在每1秒重复上述步骤操作得出实时的地震震级，持续地发出地震 预警信号。2. 根据权利要求1所述的用于地震预警系统的实时地震震级估计方法，其特征在于，所 述η秒钟的具体长短依实际地震的震级升高延长自然，一般情况下 η不超过20。3. 根据权利要求1所述的用于地震预警系统的实时地震震级估计方法，其特征在于，当 采用多个测站的信号时，以多个测站的矩震级Mw的平均值发出地震预警信号，能更加接近 实际震级。
【专利摘要】本发明公开了一种用于地震预警系统的实时地震震级估计方法，利用地震矩求出的矩震级，即：检测到信号后每1秒估算出相对应的矩震级，随着时间增长至20s左右得出与实际震级非常接近的估计震级。本发明利用地震矩从而求出的矩震级能有效克服中大型地震(M>6)中出现的震级饱和问题，而且地震矩与地震动中零频时的振幅Ω0有明确联系，具有明确的物理意义。本发明方法具有实时性，检测到信号后每间隔1s均能估算出相对应的矩震级，随着时间增长至20s左右就能得出与实际震级非常接近的估计震级，能有效应用于地震预警系统。
【IPC分类】G01V1/30
【公开号】CN105676286
【申请号】CN201610049554
【发明人】张建经, 李鸿杰
【申请人】西南交通大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月25日