自2020年以來，中國地震預(yù)警臺網(wǎng)（CEEWN）通過密集部署微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器和力平衡加速度計(jì)（FBA），獲取了海量強(qiáng)震動觀測數(shù)據(jù)，為近斷層地震動研究和區(qū)域地震動模型（GMM）構(gòu)建提供了新機(jī)遇，然而低成本MEMS傳感器的可靠性仍需驗(yàn)證。

圖1 預(yù)警臺網(wǎng)MEMS記錄可用頻帶確定方法

（1）建立了針對預(yù)警臺網(wǎng)MEMS加速度記錄的噪聲水平和可用頻帶進(jìn)行評估的標(biāo)準(zhǔn)化流程。通過記錄噪聲水平分析、可用頻帶評估及其影響因素研究，系統(tǒng)評估了CEEWN數(shù)據(jù)質(zhì)量及其影響因素。基于11次4級以上地震事件中7種MEMS和6種FBA儀器獲取的9,007條三分量記錄，對比考察了儀器性能、布設(shè)方式、信號強(qiáng)弱、噪聲水平等對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

1）MEMS和FBA兩類傳感器均呈現(xiàn)隨峰值地面加速度（PGA）增大，記錄的可用頻帶變寬的特點(diǎn)，其中FBA具有更寬的有效帶寬（背景噪聲水平介于10-4–0.1 cm/s2，反映環(huán)境噪聲特征）；2）MEMS記錄呈現(xiàn)以儀器噪聲為主導(dǎo)的聚集型噪聲分布，可劃分為兩類：低噪聲儀器（0.04–0.06 cm/s2）和與美國加州社區(qū)地震網(wǎng)絡(luò)（CSN）噪聲水平相當(dāng)?shù)母咴肼晝x器；3）壁掛式布設(shè)較地面布設(shè)平均噪聲水平提升1–1.5倍，但垂直分量噪聲有微弱降低。

圖2 預(yù)警臺網(wǎng)MEMS和FBA記錄噪聲水平的分布及對可用頻帶的影響（弱震動 PGA < 10 gal時(shí)）：MI3000、REMOS-SIT4和GL-P2B是對應(yīng)的MEMS烈度計(jì)型號，左、中、右三列分別為東-西（EW）、北-南（NS）和上-下（UD）分量的觀測結(jié)果

基于儀器性能差異，將中國地震預(yù)警臺網(wǎng)（CEEWN）中七種MEMS傳感器劃分為兩類。記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量分析表明，CEEWN低噪聲儀器性能優(yōu)于加州社區(qū)地震網(wǎng)絡(luò)（CSN）采用的Phidget設(shè)備，其優(yōu)勢源自兩個(gè)方面：（1）技術(shù)參數(shù)優(yōu)勢：CEEWN傳感器較CSN設(shè)備具有更優(yōu)的儀器自噪聲特性與更寬動態(tài)范圍；（2）布設(shè)環(huán)境差異：CSN的MEMS傳感器部署于洛杉磯市區(qū)（住宅、辦公及學(xué)校等場所），處于較高環(huán)境噪聲水平；而CEEWN設(shè)備主要安裝在城郊/農(nóng)村地區(qū)的通信基站設(shè)施內(nèi)，整體環(huán)境噪聲水平較低。

圖3 預(yù)警臺網(wǎng)7種MEMS烈度計(jì)采用壁掛式安裝時(shí)記錄的可用帶寬(a)-(c)與噪聲水平(e)-(f)。圖中左、中、右三列分別對應(yīng)東-西（EW）、北-南（NS）和上-下（UD）分量的分析結(jié)果。

（2）提出了基于噪聲水平和可用頻帶的中國預(yù)警臺網(wǎng)MEMS記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量分級體系和評估方法。研究構(gòu)建了MEMS記錄四級分類體系——甚寬帶（VBBR）、寬帶（BBR）、窄帶（NBR）和剔除（REJ），并給出各分類對應(yīng)的PGA閾值。基于所建立的MEMS數(shù)據(jù)質(zhì)量分類閾值加速度PGA及校準(zhǔn)地震動模型（GMM），分別為低噪聲與高噪聲MEMS儀器構(gòu)建了兩組可用距離Rmax限值。該限值根據(jù)震級和臺站場地條件確定，適用于整個(gè)觀測網(wǎng)絡(luò)。

本研究進(jìn)一步表明：雖然MEMS記錄在弱震動觀測中較之高性能FBA儀器存在數(shù)據(jù)質(zhì)量劣勢（表現(xiàn)為有效頻帶范圍受限及噪聲水平偏高），但其在強(qiáng)震動信號記錄采集方面表現(xiàn)優(yōu)異。大振幅的近場強(qiáng)震動記錄對工程應(yīng)用尤為重要。中國大范圍密集布設(shè)的MEMS觀測網(wǎng)，具備捕捉即將發(fā)生的大地震近場強(qiáng)震動的獨(dú)特優(yōu)勢，這對研究復(fù)雜震源破裂動力學(xué)、場地非線性響應(yīng)及區(qū)域地震動模型（GMM）研發(fā)至關(guān)重要。本研究構(gòu)建了MEMS數(shù)據(jù)質(zhì)量分類（CEEWN低噪聲/高噪聲儀器）與工程適用數(shù)據(jù)集篩選的實(shí)用框架，提升了中國MEMS臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的利用效率，便利了全球范圍內(nèi)MEMS強(qiáng)震動觀測的跨境數(shù)據(jù)使用和共享。

圖4 中國地震預(yù)警臺網(wǎng)低噪聲與高噪聲的兩類MEMS儀器記錄的最大可用距離Rmax-震級關(guān)系以及與加州CSN臺網(wǎng)的對比

研究結(jié)果發(fā)表在國際土動力學(xué)和地震工程《SDEE》：Wang, W. C. Xie, J. J.* & Li, X. J. Usability of records by China earthquake early warning network for ground motion modeling. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 196 (2025): 109497. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2025.109497.

【作者簡介】

第一作者：王文才，男，博士研究生，主要從事強(qiáng)震動觀測、強(qiáng)震動特性和場地影響研究。Email: haocaiww@163.com

通訊作者：謝俊舉，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事強(qiáng)地面運(yùn)動、場地影響和工程抗震設(shè)防地震動研究。Email: xiejunjv05@mails.ucas.ac.cn