地震閾值監(jiān)測(cè)技術(shù)中的震級(jí)校正①

王 燕，劉俊民，王曉明，王海軍，唐恒專(zhuān)，李 靚，唐 偉

（禁核試北京國(guó)家數(shù)據(jù)中心和北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

0 引言

閾值監(jiān)測(cè)技術(shù)是Norsar在1989年提出的一種利用地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)反映臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力變化的方法［1］，已應(yīng)用到全面禁止核試驗(yàn)條約組織的國(guó)際數(shù)據(jù)中心（International Data Center，簡(jiǎn)稱IDC）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，建立了IDC的閾值監(jiān)測(cè)（Threshold Monitoring，簡(jiǎn)稱TM）系統(tǒng)。TM系統(tǒng)中用短時(shí)平均值（Short Term Average，簡(jiǎn)稱STA）值代替A／T估計(jì)震級(jí)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得知STA值與震相實(shí)際振幅之差近似為一個(gè)常數(shù)，它們之間存在一個(gè)線性關(guān)系［2］，但由于臺(tái)站的儀器響應(yīng)不一定是速度平坦的，并且在計(jì)算中用到的濾波頻帶常常不同于計(jì)算震級(jí)時(shí)所用頻帶0.8～4.5Hz，所以要對(duì)該線性關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步校正，以期彌補(bǔ)上述原因所產(chǎn)生的偏差。2006年我國(guó)禁核試國(guó)家數(shù)據(jù)中心參考IDC TM技術(shù)，建立了國(guó)家數(shù)據(jù)中心TM系統(tǒng)。目前國(guó)家數(shù)據(jù)中心TM系統(tǒng)部分臺(tái)站數(shù)據(jù)來(lái)自IDC，其震級(jí)校正參數(shù)可以拷貝IDC TM系統(tǒng)中的臺(tái)站參數(shù)；另一部分臺(tái)站屬于新增地震臺(tái)站，不在IDC的臺(tái)站列表中，其震級(jí)校正參數(shù)需要標(biāo)定。本文作者曾利用最小二乘法對(duì)新疆部分臺(tái)站計(jì)算震級(jí)所需參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定［3］，其局限性在于所得到的參數(shù)只適用于新疆區(qū)域地震震級(jí)的估算。本文在研究TM系統(tǒng)的新增臺(tái)站參數(shù)配置方法的基礎(chǔ)上，提出關(guān)于TM系統(tǒng)新增地震臺(tái)站的震級(jí)校正參數(shù)的計(jì)算方法，得到的標(biāo)定參數(shù)可適用于區(qū)域震及遠(yuǎn)震震級(jí)的估計(jì)，解決以前方法的局限性。

1 震級(jí)校正參數(shù)計(jì)算方法

對(duì)指定臺(tái)站計(jì)算震級(jí)校正參數(shù)，首先在最近較長(zhǎng)且運(yùn)行穩(wěn)定的一段時(shí)間記錄數(shù)據(jù)中選取信噪比較高的事件及相關(guān)數(shù)據(jù)，其次計(jì)算平均噪聲水平，然后選取合適的濾波頻帶，最后才能計(jì)算出震級(jí)校正參數(shù)。為了敘述方便和直觀，本節(jié)以新疆巴里坤臺(tái)站（代碼為BLK）為例，配置震級(jí)校正參數(shù)和對(duì)應(yīng)的最佳濾波頻帶，所選事件范圍為2007年一年的數(shù)據(jù)，選擇信噪比大于15的事件，共有217個(gè)。

1.1 平均噪聲水平計(jì)算

該過(guò)程主要是為了驗(yàn)證臺(tái)站數(shù)據(jù)是否可用，主要分為三個(gè)步驟：第一，截取臺(tái)站記錄到事件的P波到時(shí)前的一段噪聲數(shù)據(jù)；第二，對(duì)這些事件噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行窄帶濾波；第三，計(jì)算噪聲數(shù)據(jù)的log（STA）。圖1給出了通過(guò)以上步驟計(jì)算的BLK臺(tái)的平均噪聲水平，其中黑色點(diǎn)組成的一條條豎線代表了217個(gè)事件的噪聲數(shù)據(jù)在不同頻帶下計(jì)算的log（STA）值，黑色曲線代表了這些值的均值，上下兩條黑色虛線分別限定了±1σ的區(qū)間。由該圖可以看出BLK臺(tái)地震事件背景噪聲在各個(gè)窄帶內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)突變，變化比較平滑，也就是說(shuō)明我們選擇的217個(gè)地震事件的數(shù)據(jù)是可用的。

圖1 BLK臺(tái)平均噪聲水平Fig.1 The average noise of BLK station.

1.2 濾波頻帶選取

對(duì)于不同的臺(tái)站收集到的事件經(jīng)窄帶濾波后計(jì)算信噪比（SNR）。圖2顯示了BLK臺(tái)對(duì)于不同震中距的事件在不同頻率上的SNR，可以看出所選的BLK臺(tái)事件在震中距上還是比較完備的，在影區(qū)97～120度上沒(méi)有事件。對(duì)于震中距小于17度的事件來(lái)說(shuō)信噪比好的頻帶在0.8至3Hz，對(duì)于震中距在17～97度的事件來(lái)說(shuō)為0.8～2.0Hz，而對(duì)于震中距大于103度的事件來(lái)說(shuō)為0.8～1.5Hz。綜合考慮，對(duì)于BLK臺(tái)，在震中距0～180度上選擇信噪比好的頻帶為0.8～2.0Hz。

1.3 震級(jí)校正參數(shù)計(jì)算

圖2 BLK臺(tái)不同震中距上的信噪比Fig.2 The signal and noise ratio in different epicentral distance of BLK station.

圖3給出了在不同頻帶下的BLK臺(tái)的震級(jí)校正值。在0.8～4.5Hz下，各個(gè)事件的震級(jí)校正平均值為0.06，方差為0.069；在0.8～2.0Hz頻帶下，校正平均值為0.11，方差為0.097。雖然頻帶0.8～4.5Hz的結(jié)果要比0.8～2.0Hz的結(jié)果偏差要小，但由上節(jié)分析可以看出對(duì)于BLK臺(tái)，信噪比好的頻帶是0.8～2.0Hz，因此選擇該頻帶內(nèi)的震級(jí)校正值。

圖3 BLK臺(tái)不同頻帶下的震級(jí)校正值Fig.3 Magnitude correction factors in different filter bands at BLK station.

2 震級(jí)標(biāo)定參數(shù)的應(yīng)用

按照上述震級(jí)標(biāo)定參數(shù)計(jì)算過(guò)程，分別給出了新疆部分地震臺(tái)站的最佳濾波頻帶和對(duì)應(yīng)的震級(jí)標(biāo)定參數(shù)，如表1所示。

表1 新疆部分地震臺(tái)站的震級(jí)校正參數(shù)

為了驗(yàn)證上述臺(tái)站的震級(jí)標(biāo)定參數(shù)，本文采用2006年6月6日新疆一次地震和2005年10月24日發(fā)生在巴基斯坦的一次天然地震的數(shù)據(jù)資料來(lái)分析標(biāo)定后的新疆臺(tái)站組成的臺(tái)網(wǎng)對(duì)兩次事件的監(jiān)測(cè)能力。表2給出了這兩次事件的詳細(xì)信息。

表2 地震事件信息

圖4是利用上述震級(jí)校正參數(shù)針對(duì)2006年6月6日新疆事件和2005年10月24日巴基斯坦事件分別給出的臺(tái)網(wǎng)一小時(shí)內(nèi)對(duì)這兩個(gè)定點(diǎn)區(qū)域的閾值曲線。圖4（a）250s左右震級(jí)閾值出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)榇藭r(shí)剛好是此次地震的時(shí)間，臺(tái)網(wǎng)所測(cè)震級(jí)閾值曲線的峰值為2.75級(jí)，與此次事件的震級(jí)2.7級(jí)相一致；圖4（b）50s左右震級(jí)閾值出現(xiàn)峰值，該值為4.75級(jí)，與巴基斯坦地震發(fā)生的時(shí)間和震級(jí)相一致。

圖4 一小時(shí)內(nèi)臺(tái)網(wǎng)對(duì)兩次不同事件的閾值曲線Fig.4 Threshold monitoring curves of the network in one hour for two events.

3 結(jié)論

TM系統(tǒng)新增臺(tái)站參數(shù)配置直接影響臺(tái)網(wǎng)即時(shí)評(píng)估結(jié)果。通常情況下總是按一定規(guī)則先配置臺(tái)站相關(guān)的客觀參數(shù)，如臺(tái)站位置參數(shù)、傳感器類(lèi)型、響應(yīng)函數(shù)等。關(guān)鍵的震級(jí)校正參數(shù)，需要對(duì)最近較長(zhǎng)時(shí)間的臺(tái)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比大量已知震級(jí)的事件（如參考權(quán)威機(jī)構(gòu)地震目錄），以確定臺(tái)站用于計(jì)算震級(jí)的優(yōu)勢(shì)頻帶以及震級(jí)校正值。本文的這種方法為NDC TM系統(tǒng)新疆地區(qū)部分臺(tái)站確定了震級(jí)校正參數(shù)表，實(shí)踐證明該表的使用使得NDC TM系統(tǒng)給出的臺(tái)網(wǎng)即時(shí)監(jiān)測(cè)能力與實(shí)際情況一致。

［1］Ringdal F，Kv?rna T.Seismic Threshold Monitoring for Continuous Assessment of Global Detection Capability［J］.Bull.Seism.Soc.Am.1999，89（4）：946－959.

［2］Tormod Kv?rna.Advanced Regional Array Studies，Section 2.Optimized Threshold Monitoring of the Novaya Zemlya Test Site［R］.Norway：Norsar，2001.

［3］王燕，王海軍，劉俊民.地震閾值監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2007，29（4）：1－3.

［4］Lyla Taylor，Tormod Kv?rna，F(xiàn)rode Ringdal.Threshold Monitoring Operations Manual［R］.Norsar Contribution No.639，1998.