江蘇省部分地震臺站CMG－3TB地震計監(jiān)測能力對比分析

胡米東

（江蘇省溧陽地震臺，江蘇 溧陽 213332）

0 引言

由于各種原因，地球表面總是存在著微小的振動，例如風(fēng)、寒潮、海浪、交通運(yùn)輸、人和動物的活動等。這些活動都會引起地表面微微的顫動，它們對地震觀測造成干擾從而影響地震觀測的效果。特別是隨著社會的發(fā)展，眾多的工業(yè)生產(chǎn)活動和日益頻繁的交通運(yùn)輸給地震觀測造成了很高的地面干擾背景，使得在地面進(jìn)行地震觀測困難很大。因此如何提高觀測信噪比是觀測研究的重要課題。研究發(fā)現(xiàn)地面干擾背景幅度隨著深度呈現(xiàn)指數(shù)衰減的特點［1］。例如風(fēng)引起的噪聲水平和風(fēng)速、深度有關(guān)；隨深度增大，這種噪聲水平急劇減小。因此為了盡量避免地面噪聲干擾，改善地震波形記錄的信噪比，獲得更多的地震信息，深井地震觀測技術(shù)被越來越多地運(yùn)用到地震觀測中。尤其在表面覆蓋厚且沉積層松散的平原地區(qū)，井下地震觀測在避免外界干擾、提高儀器監(jiān)測靈敏度，以及獲得更多、更真實的地震信息等方面有著突出的優(yōu)越性。江蘇地處沿海地區(qū)，地面干擾相對較大，因此在“十五”項目改造中，CMG－3TB井下地震計在地震臺站被普遍使用。目前，CMG－3TB井下地震計已經(jīng)在部分臺站運(yùn)行了一段時間，為了提高地震計的運(yùn)行效率，了解地震計的性能，有必要對地震計的監(jiān)測能力進(jìn)行一次對比分析。因此，本文將選溧陽臺、鹽城臺和南通臺作為研究對象，對比CMG－3TB 井下地震計在各臺站的監(jiān)測能力。

1 臺站的基本情況介紹

溧陽臺、南通臺和鹽城臺同屬國家基本臺（圖1）?！笆濉逼陂g江蘇省地震局分別對3 個臺站進(jìn)行了設(shè)備改造，目前測震手段均采用GURALP公司生產(chǎn)的CMG－3TB 三分向?qū)掝l帶井下地震計（表1）。經(jīng)過幾年連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)已積累了大量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)和地震事件波形數(shù)據(jù)，在地震監(jiān)測、預(yù)報和科學(xué)研究等方面發(fā)揮著重要的作用。

圖1 臺站位置圖

表1 各臺測震設(shè)備及相關(guān)參數(shù)表

2 地動噪聲計算

要計算地震臺站的監(jiān)測能力，必須首先根據(jù)各臺站的記錄數(shù)據(jù)計算出臺基的真實地噪聲水平，再根據(jù)真實地噪聲水平得到單臺監(jiān)測能力。由于地噪聲是隨機(jī)信號，為便于計算，必須尋找一個具有統(tǒng)計意義的量作為噪聲振幅的統(tǒng)計特征量。比較常用的統(tǒng)計特征量是RMS 值。但目前，國際上對地震臺站臺基噪聲計算也采用臺基地脈動波形數(shù)據(jù)進(jìn)行信號頻譜分析，譜分析是采取通用的地脈動噪聲速度功率譜密度（PV）描繪地動背景噪聲功率譜，單位為分貝（dB），并繪制出在一定頻段內(nèi)記錄臺基地動噪聲速度功率譜密度曲線圖。溧陽臺、鹽城臺和南通臺臺基噪聲計算是各臺站不間斷原始數(shù)據(jù)實測結(jié)果的平均。在數(shù)據(jù)處理時考慮到零點漂移和直流分量的存在，首先進(jìn)行了去直流和去傾處理，在使用傅氏變換進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換時，有限長度的數(shù)據(jù)可能使波譜畸變，采用漢寧窗加窗處理，以減小這一影響。由于地震儀的原始觀測數(shù)據(jù)含有儀器響應(yīng)，為了得到背景噪聲功率譜的絕對量值，計算時扣除了觀測系統(tǒng)的儀器響應(yīng)。根據(jù)USGS（美國地質(zhì)調(diào)查局）Peterson［2］統(tǒng)計全球正常地噪聲得到的全球公認(rèn)的地球高噪聲新模型（NHNM）和地球低噪聲新模型（NLNM），正常地噪聲水平應(yīng)在NHNM 和NLNM的功率譜密度曲線之間?，F(xiàn)已成為人們評價地震臺站臺基背景噪聲水平的基本標(biāo)準(zhǔn)，利用該模型及童汪練的地噪聲分析軟件［3］，對所選用的各臺站三分向的資料進(jìn)行計算與分析。根據(jù)圖示（圖2～圖4），各臺站背景噪聲滿足新皮特森地動加速度高噪聲曲線NHNM 和地噪聲曲線NLNM 模型。3 個臺站水平向和垂直向在高頻段的各項數(shù)據(jù)相差不大，表明臺站附近不存在高頻震動干擾源。

圖2 溧陽臺臺基地噪聲功率譜曲線

圖3 鹽城臺臺基地噪聲功率譜曲線

圖4 南通臺臺基地噪聲功率譜曲線

3 理論監(jiān)測能力計算

單臺監(jiān)測能力是指主要記錄震相可以被辨認(rèn)必須達(dá)到的震級下限及其不能超出的地理范圍（由于江蘇省地震局對非國家基準(zhǔn)臺站遠(yuǎn)震分析不做要求，因此本文僅對臺站近震監(jiān)測能力進(jìn)行分析）。目前尚無計算地震臺站監(jiān)控能力的統(tǒng)一約定［4］。但一般其基本假設(shè)與臺基條件、周圍環(huán)境的噪聲水平、儀器的放大倍率（或響應(yīng)靈敏度）等因素有關(guān)。在計算單臺監(jiān)控能力時，第1步確定地震儀所記錄的地震波形在什么情況下震相是清晰可辨的，通常以清晰可辨震相的記錄幅值與脈動記錄幅值的比值為標(biāo)準(zhǔn)，這個比值要根據(jù)實際的記錄來確定。一般認(rèn)為，S波最大振幅為平均地動噪聲水平的4～6倍，系統(tǒng)對地震事件的檢測和對初至震相的識別毫無問題［5］。結(jié)合各臺站實際資料分析，當(dāng)ML≤2.5 時，取S波最大振幅為平均地動噪聲水平的4倍；當(dāng)ML＞2.5時，取S波最大振幅為平均地動噪聲水平的6倍。第2步以臺基地動噪聲水平（表2）與實際記錄設(shè)定相應(yīng)比值標(biāo)準(zhǔn)；第3步統(tǒng)計臺站近震范圍最大振幅相應(yīng)周期與震中距的關(guān)系，確定相應(yīng)的周期；第4步根據(jù)近震震級公式，用量規(guī)函數(shù)反推單臺控制距離。

為考慮各臺站近震范圍內(nèi)地震最大振幅相應(yīng)周期與震中距的關(guān)系，對各臺站臺近震范圍（△＜1 000km）CMG－3TB 儀器安裝后記錄的地震進(jìn)行了統(tǒng)計分析（表3）。

根據(jù)相應(yīng)的比值和周期統(tǒng)計結(jié)果，利用近震震級公式并與實際觀測資料的測定結(jié)果相結(jié)合的分析方法可獲得表4的相應(yīng)結(jié)果。

表2 各臺站臺基噪聲水平

表3 各臺站近震范圍最大振幅相應(yīng)周期與震中距的關(guān)系

表4 各臺站CMG－3TB記錄的地震監(jiān)測能力

4 結(jié)果驗證

通過上述分析可知，溧陽臺、鹽城臺和南通臺CMG－3TB地震儀的理論監(jiān)測能力為：ML1.5 和ML2.0的監(jiān)測范圍分別達(dá)到了150km 和310km、140km 和280km、120km 和260km。但由于上述辦法在計算中的設(shè)定條件和實際地脈動噪聲測量之間有一定的差異，所以所得的結(jié)果只能粗略地反映單臺的監(jiān)測能力范圍，因而應(yīng)采用把設(shè)定條件下的計算結(jié)果與實際觀測資料為基礎(chǔ)的測定結(jié)果相互驗證的方法，才能使得監(jiān)測能力的測定更為合理。為了驗證理論監(jiān)測能力的科學(xué)性，將對以上2個震級相對應(yīng)距離范圍內(nèi)的地震震中分布圖進(jìn)行對比分析。具體方法為：利用MAPSIS軟件繪制江蘇省地震局臺網(wǎng)2010年7月—2012年4月編目的地震目錄與溧陽臺、鹽城臺和南通臺同一時段地震目錄在上述2個地震震級范圍內(nèi)的地震震中分布圖，并進(jìn)行對比。

圖5 溧陽臺、鹽城臺、南通臺理論監(jiān)測ML1.5震中分布圖

圖6 溧陽臺、鹽城臺、南通臺實際監(jiān)測ML1.5震中分布圖

圖7 溧陽臺、鹽城臺、南通臺理論監(jiān)測ML2.0震中分布圖

圖8 溧陽臺、鹽城臺、南通臺實際監(jiān)測ML2.0震中分布圖

通過對ML1.5和ML2.0兩個等級地震震中分布圖（圖5～圖8）對比，可得知溧陽臺、鹽城臺、南通臺在ML1.5等級方面對理論監(jiān)測能力區(qū)域范圍的地震有很好的記錄效果，其中溧陽臺和南通臺理論監(jiān)測震中分布圖與實際監(jiān)測分布圖完全一致。在ML2.0 等級方面，溧陽臺、鹽城臺和南通臺的ML2.0～ML2.9實際監(jiān)測地震數(shù)目分別達(dá)到理論監(jiān)測地震數(shù)目的86.4%、85%和85%。其原因與江蘇省地震局臺網(wǎng)中心在省屬臺站地震月報編寫方面對省外震級較小的地震不做強(qiáng)制要求有關(guān)，各臺站一般對省外震級較小地震不編入地震月報，因而導(dǎo)致了臺站實際監(jiān)測地震數(shù)目比理論監(jiān)測數(shù)目偏小。因此證明我們對溧陽臺、鹽城臺和南通臺監(jiān)測范圍的計算是比較正確的，各臺站對理論監(jiān)測范圍的地震有很好的監(jiān)測能力。

5 結(jié)論

上述有關(guān)研究結(jié)果對了解溧陽臺、鹽城臺和南通臺區(qū)域范圍內(nèi)地震的監(jiān)測能力有一定的意義，對根據(jù)各臺站實際監(jiān)測能力開展相應(yīng)的地震監(jiān)測工作具有一定的幫助。同時研究結(jié)果對進(jìn)一步研究各臺站CMG－3TB井下地震計監(jiān)測能力的差異有一定的幫助。

［1］ 李克.地震學(xué)與地震觀測（試用本）／全國地震臺站觀測崗位資格培訓(xùn)系列教材［M］.北京：地震出版社，2007.

［2］ Peterson J.Observations and Modeling o f Seismic background Noise［J］.USGS Open File Report，1993：322.

［3］ 北京港震機(jī)電有限責(zé)任公司.數(shù)字地震儀參數(shù)測定軟件使用手冊［Z］.北京：北京港震機(jī)電有限責(zé)任公司，2005.

［4］ 林建生，張有明，陳俊鋒，等.泉州地震臺數(shù)字地震儀的監(jiān)測能力分析［J］.華南地震，2010，30（4）：10－16.

［5］ 李克.地震學(xué)與地震觀測（試用本）／全國地震臺站觀測崗位資格培訓(xùn)系列教材［M］.北京：地震出版社，2007.