鏡泊湖火山臺網(wǎng)監(jiān)測能力和火山活動性分析

趙建通，馬寶君，梁阿全，李俊秋，高雙玲

（1. 牡丹江地震臺，黑龍江 牡丹江 157009；2. 黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引言

地震監(jiān)測是衡量臺網(wǎng)質(zhì)量的重要指標。地震觀測已發(fā)展到以數(shù)字記錄為特征的新階段，因此國內(nèi)許多專家學(xué)者已由原來對模擬地震記錄的研究轉(zhuǎn)向?qū)?shù)字地震記錄的研究工作。目前國內(nèi)在臺網(wǎng)或臺站的地震監(jiān)測能力方面的部分研究有：洪星等[1]1999年研究了福建省數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)監(jiān)控范圍的估算，用S 波幅度與噪聲背景值的比較方法來確定臺網(wǎng)的近震監(jiān)范圍；李廣平等[2]2001年研究了遼寧遙測數(shù)字地震臺網(wǎng)的實際監(jiān)控能力，得出以近震S 波最大幅度為平均地動噪聲水平6 倍作為近震最低觀測下限；郝春月等[3]2006年研究了中國數(shù)字地震臺網(wǎng)（CDSN） 和IMS/PS 臺陣的監(jiān)測定位能力評估并以遠震P 震相的振幅是背景噪聲振幅的兩倍，面波振幅為P 震相的8 倍（MS6.5 級以上乘以10 倍），來計算CDSN 對遠震的監(jiān)測能力；許康生等[4]2003年研究了高臺地震臺的監(jiān)測能力估計，以最大位移的全振幅為6mm 作為單臺近震、遠震和極遠震監(jiān)控能力的評價指標。為推進綜合臺站地震監(jiān)測業(yè)務(wù)改革，提升臺網(wǎng)地震監(jiān)測和服務(wù)能力，2019年鏡泊湖火山臺網(wǎng)新增兩個觀測子臺。本文將對鏡泊湖火山臺網(wǎng)臺基噪聲水平、觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出及地震監(jiān)測能力、火山活動性等方面進行分析研究，對了解臺網(wǎng)監(jiān)測能力及有針對性地尋求提高臺網(wǎng)觀測質(zhì)量的技術(shù)途徑等具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值[5-6]，并對判斷火山臺網(wǎng)是否能對火山區(qū)未來噴發(fā)的危險和火山災(zāi)害做出準確評估具有一定的參考價值。

1 鏡泊湖火山臺網(wǎng)概況

鏡泊湖火山是我國著名的近代火山 ,鏡泊湖火山位于黑龍江鏡泊湖西北約50 公里，在張廣才嶺海拔1000 米的深山區(qū)。從火山口內(nèi)壁可觀察到噴發(fā)類型主要以夏威夷型平靜溢流和斯特朗博利式?；鹕絿姲l(fā)物阻塞了牡丹江，形成了我國最大的火山堰塞湖鏡泊湖。鏡泊火山是爆發(fā)的休眠火山，在距今 5140a，3490a，2470a 和近10000年前曾相繼發(fā)生規(guī)模較大的噴發(fā)，形成大小不等、形狀不一的13 個火山口，主要集中在寧安市小北湖的火山口森林和蛤蟆塘[7]。這些火山主要由火山彈、巖餅、火山渣、浮巖、火山礫、火山砂等火山碎屑巖和熔巖組成的火山錐體，熔巖分布于火山口周圍，大量充填于河谷。鏡泊湖地區(qū)的莫霍面深度大約35km，火山口森林之下的地殼厚度為39km，顯示該地區(qū)加厚的地殼特征[8]。鏡泊湖火山臺網(wǎng)的建立，對加強火山區(qū)微震觀測及判斷鏡泊湖火山的活動情況提供最直接的依據(jù)。

鏡泊湖火山臺網(wǎng)于2006年建設(shè)完成并投入使用，其中火山臺網(wǎng)原地下森林子臺和小北湖子臺位于母樹林場境內(nèi)，屬地林場為了防止火災(zāi)，切斷了林場一切供電設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，導(dǎo)致兩子臺于2010年停測。為盡快恢復(fù)監(jiān)測工作2019年增建2 個測震子臺，分布于小北湖林場（小北湖臺） 和葦蘆河林場周邊（葦蘆河子臺）。至此，鏡泊湖火山區(qū)域地震監(jiān)測能力得以提升。

鏡泊湖火山臺網(wǎng)五個觀測子臺均分布于火山口周圍，都具備電源、網(wǎng)絡(luò)等觀測條件，周邊無大型震動干擾，觀測環(huán)境良好。其中小北湖子臺是牡丹江地區(qū)唯一一個井下地震觀測的臺站，井深60 米，其余均為地表觀測，如表1所示。

表1 鏡泊湖火山臺網(wǎng)各子臺信息

2 噪聲功率譜計算

2.1 功率譜的定義

臺基噪聲功率譜是用來評估地震臺站臺基背景噪聲的高低，臺基背景噪聲水平直接影響地震波形記錄的質(zhì)量，所以臺站噪聲水平是分析臺網(wǎng)監(jiān)測能力的重要環(huán)節(jié)之一。地動噪聲功率譜計算方法如下所示：

設(shè)時間函數(shù)f（t）為地震記錄中的位移，應(yīng)用傅里葉變換，將其變換到頻率域中得到F（ω），則f（t）功率譜F（ω）之間的關(guān)系如下：

根據(jù)儀器種類及零極點和增益參數(shù)，計算數(shù)字地震儀的地動噪聲功率譜密度。

2.2 資料選取及計算

臺基噪聲功率譜密度測試的數(shù)據(jù)，是用來評估地震臺站臺基背景噪聲的高低，背景噪聲包含地震計本身噪聲、環(huán)境噪聲和地脈動噪聲。背景噪聲反映了臺站的臺基水平，在新臺址勘選時作為選臺的依據(jù)。對于已經(jīng)投入正式觀測的臺站，進行定期測定臺基噪聲，其累計的歷史噪聲數(shù)據(jù)，用來評估臺站觀測環(huán)境的變遷。臺基背景噪聲水平直接影響地震波形記錄的質(zhì)量，所以臺站噪聲水平是分析臺網(wǎng)監(jiān)測能力的重要環(huán)節(jié)之一。中國地震局已經(jīng)制定了“地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求”，規(guī)定臺基背景噪聲在1～20Hz 頻帶范圍的速度RMS 值作為評估標準。共分為 5 級臺基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），下面列出評估的標準（單位：m/s）：

Ⅰ級臺基噪聲水平：RMS＜3.16x10-8m/s；

Ⅱ級臺基噪聲水平：3.16×10-8m/s≤RMS＜1.00×10-7m/s；

Ⅲ級臺基噪聲水平：1.00×10-7m/s≤RMS＜3.16×10-7m/s；

Ⅳ級臺基噪聲水平：3.16×10-7m/s≤RMS＜1.00×10-6m/s；

Ⅴ級臺基噪聲水平：1.00×10-6m/s≤RMS＜3.16×10-6m/s。

我們選取鏡泊湖火山臺網(wǎng)所有觀測臺大于24 小時的無地震及干擾的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行地動噪聲功率譜密度計算，用于判定各臺臺基噪聲水平，結(jié)果如表2 所示。

表2 各臺計算得到的臺基噪聲水平

2.3 觀測動態(tài)范圍分析

觀測動態(tài)范圍受臺站地振動噪聲水平和地震計系統(tǒng)的影響，是臺站觀測系統(tǒng)的重要技術(shù)參數(shù)，直接決定了臺站可完整記錄地震事件大小的范圍。

同時選取五個臺站2020年01 月8 日01—02 時的觀測數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到每個臺站的背景噪聲值和有效動態(tài)范圍結(jié)果，如表3 所示。

表3 臺網(wǎng)各子臺有效動態(tài)范圍

由上表可以看出，在同一時刻五套儀器各頻率對應(yīng)的動態(tài)范圍都存在差異。在0.2Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz 點處，動態(tài)范圍最大的均為葦蘆河臺，最小的均為紅海林臺，兩者相差分別是7.8dB、6.5dB、6.8dB、8.3dB、10.9dB。在10Hz 點處，葦蘆河臺和鏡泊山莊臺都為129.8dB。在20Hz 點處，動態(tài)范圍最大的為鏡泊山莊臺，最小的為紅海林臺，兩者相差8.7dB。通過總結(jié)得出，葦蘆河臺觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍在各頻率都表現(xiàn)優(yōu)秀，紅海林臺各頻率都表現(xiàn)相對最差。

3 鏡泊湖火山臺網(wǎng)監(jiān)測能力計算

3.1 數(shù)據(jù)選取

我們計算鏡泊湖火山臺網(wǎng)監(jiān)測能力使用的方法是基于近震震級公式，通過臺基背景噪聲水平，計算出每個臺網(wǎng)子臺能監(jiān)測到的最小震級。數(shù)據(jù)選取無地震事件及強震動或強人為干擾的大于24 小時觀測數(shù)據(jù)波形，選擇頻帶1-20Hz，計算觀測數(shù)據(jù)的均方根值。根據(jù)近震震級計算公式進行估算地震監(jiān)測能力[9]，公式如下：

劉瑞豐老師認為，最大地動速度和最大地動位移振幅關(guān)系為：

將（4） 式帶入（3） 式，得到可用最大地動速度計算地震監(jiān)測能力的公式（5）：

式中，A 為臺站記錄的體波最大速度，單位為微米/秒，T 對應(yīng)最大速度周期。本文認為當S 波為背景噪聲幅度的6 倍時，地震波P 波和S 波震相清晰可辨。我們將按照背景噪聲的6 倍作為S 波可分辨的最小位移，C 為臺基校正值。由于臺基校正值很小而且在計算的誤差范圍內(nèi)，所以認定C=0，R（Δ）為量規(guī)函數(shù)，即震級起算函數(shù)（表4）。我們使用王麗艷等[10]（2016） 提供的中國東北地區(qū)量規(guī)函數(shù)R（Δ）表查找對應(yīng)的R（Δ）值。利用上面計算得到的各臺兩水平向的地動噪聲RMS 值帶入（5）式后計算得到各臺可監(jiān)測到的最小震級。

3.2 計算結(jié)果

選取各臺網(wǎng)水平向地動噪聲RMS 值的6 倍為S 波最大振幅。通過對區(qū)域內(nèi)歷年地震信息統(tǒng)計分析，得出最大振幅響應(yīng)周期與震中距的關(guān)系（表4）。

表4 最大振幅響應(yīng)周期與震中距的關(guān)系

因鏡泊湖火山臺網(wǎng)主要用于監(jiān)測鏡泊湖火山地震，屬于小孔徑監(jiān)測臺網(wǎng)，監(jiān)測范圍200km 已滿足監(jiān)測要求，所以我們只計算該范圍內(nèi)的監(jiān)測能力即可。將上述設(shè)定條件帶入式（5） 進行計算，并且按照與實際觀測資料的測定結(jié)果相結(jié)合的方式計算得臺網(wǎng)的近震監(jiān)測能力，如表5 所示。

表5 震中距和測定最小震級的關(guān)系

3.3 監(jiān)測能力圖繪制

一般地震發(fā)生后，地震儀記錄到地震信息后，通過分析可以給出地震的時間、地震級和震中距，但是我們依舊認為單臺定位得到的地震信息是不準確的。理論上需要三個或者以上臺站記錄到此次地震，通過交切法計算出地震的震中位置。按測定地震參數(shù)的精度要求，我們?nèi)〉谒膫€子臺震級作為臺網(wǎng)對該節(jié)點的可監(jiān)測能力震級下限為前提，繪制監(jiān)測能力圖，如圖1 所示。

圖1 鏡泊湖火山臺網(wǎng)監(jiān)測能力Fig.1 Monitoring capability of Volcanic Seismic Network in Jingpohu

4 鏡泊湖火山活動性分析

鏡泊湖火山由五個火山機構(gòu)（蛤蟆塘、迷魂陣、火口森林、大干泡、五道溝） 組成，共有13 個火山口。距上次火山噴發(fā)已10000年。經(jīng)過對2006年臺網(wǎng)建設(shè)以來火山區(qū)域所有可定位地震的統(tǒng)計，可定位地震30 件，火山區(qū)地震活動較少，并且無ML1.6 以上地震。其中2017年監(jiān)測到可定位地震為13 次，是次數(shù)最多的一年，但都是由山莊子臺單臺定位得到的地震信息，震源位置精度不高。我們結(jié)合黑龍江省地震局正式地震目錄和鏡泊湖火山臺網(wǎng)記錄到的地震目錄統(tǒng)計出了自2008年以來所有的地震信息，繪制了M-t 圖（圖2）。由圖2 可以看出近兩年地震數(shù)量及震級并未出現(xiàn)增加跡象，因此，我們認為鏡泊湖火山活動性相對平靜，短期內(nèi)無火山噴發(fā)可能。但是在2000年黑龍江省地震局火山研究所進行的大地電磁測深研究表明，地下30km 左右有高導(dǎo)低阻地質(zhì)體存在。為進一步確定鏡泊湖火山的活動情況，2002年由中國地震局地球物理勘探中心布設(shè)臨時地震監(jiān)測臺網(wǎng)對鏡泊湖火山進行了近4 個月的監(jiān)測，共記錄到39 次地震，其中可定位的事件有13 個，多發(fā)于火山口森林至鏡泊湖段，在火山口森林則有3 次火山事件。鑒于先前對火山區(qū)域的勘查工作及2010年和2017年的地震數(shù)量，后期應(yīng)繼續(xù)保持對火山地震的監(jiān)測工作。

圖2 鏡泊湖火山區(qū)域歷史地震M-t 圖Fig.2 M-t map of historical earthquakes in Jingpohu volcano area

5 總結(jié)與討論

鏡泊湖火山臺網(wǎng)各子臺背景噪聲有效值均遠遠小于3.16x10-8m/s，五個子臺臺基都屬于“Ⅰ級臺基噪聲水平”，符合國家選址要求，其優(yōu)秀的臺基背景噪聲，可清晰完整記錄火山區(qū)微震活動，滿足火山區(qū)微震監(jiān)測工作。

由圖1 可以看出臺網(wǎng)對五個火山機構(gòu)理論可監(jiān)測到最小ML-0.5 地震，個別區(qū)域甚至可以監(jiān)測到最小ML-1.4 地震，對于火山周邊30km理論可監(jiān)測到最小ML0.5 地震，100km 理論可監(jiān)測到ML0.6 以上地震，200km 理論可達到最小ML0.8 地震，完全滿足火山區(qū)域監(jiān)測需求。因為鏡泊湖火山臺網(wǎng)屬于小范圍監(jiān)測臺網(wǎng)，主要用于監(jiān)測火山口周圍30km 的微震活動，從圖中我們可以看出，目前鏡泊湖火山臺網(wǎng)監(jiān)測能力已滿足監(jiān)測需要。

鏡泊湖火山整體處于平靜時期，短期內(nèi)不會有火山噴發(fā)，但鑒于火山下方35km 有高導(dǎo)低阻地質(zhì)體存在，火山仍有噴發(fā)的可能，仍需進行密切監(jiān)測。

通過監(jiān)測能力圖可以看出，下一步如需提高臺網(wǎng)監(jiān)測能力，應(yīng)在火山機構(gòu)西側(cè)建立監(jiān)測臺站。但經(jīng)實地考察，西側(cè)地形復(fù)雜且人煙稀少，供電、通訊、交通得不到保障，并且緊鄰吉林省省界，所以此方案不可行。不過可以利用現(xiàn)有觀測子臺條件，增加其它觀測手段，達到提升監(jiān)測能力的效果。