中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力初步分析

梁姍姍 鄒立曄 趙 博 劉敬光 劉艷瓊 姬運(yùn)達(dá) 李旭茂 翟璐媛

（中國(guó)北京 100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心）

0 引言

中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)是我國(guó)防震減災(zāi)工作的核心和基礎(chǔ)設(shè)施，為監(jiān)測(cè)地震和開(kāi)展地球科學(xué)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時(shí)，在監(jiān)測(cè)礦震、爆炸、地下核試驗(yàn)等非天然事件方面發(fā)揮了重要作用。因此，對(duì)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力的科學(xué)評(píng)估，已經(jīng)成為基礎(chǔ)而關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容（王亞文等，2017；劉棟等，2018）。地震監(jiān)測(cè)能力評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜工作。關(guān)于區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力研究，科研人員做了大量工作，取得了一些有意義的結(jié)果。王培玲等（2014）用地震目錄中的最小完整震級(jí)來(lái)表征青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力；牟磊育等（2016）根據(jù)京津冀地區(qū)的平均地脈動(dòng)噪聲估算研究區(qū)域監(jiān)測(cè)范圍；王亞文等（2017）利用基于概率的完整性震級(jí)（PMC）方法，對(duì)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)1 001 個(gè)臺(tái)站2008—2015 年實(shí)際產(chǎn)出的地震觀測(cè)資料進(jìn)行研究，分析了指定震級(jí)下限的檢測(cè)概率（PE）和最小完整性震級(jí)MP的分布；屠泓為等（2018）運(yùn)用分時(shí)段累計(jì)頻度、b值曲線和時(shí)間窗滑移等方法，對(duì)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在西寧盆地及鄰近區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行了分析。

文中采用多種常用的評(píng)估辦法，對(duì)中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行研究，研究區(qū)域?yàn)椋?°—55°N，70°—140°E）。按照中國(guó)地震局相關(guān)規(guī)范（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007），計(jì)算中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)1 155 個(gè)測(cè)震臺(tái)站的背景噪聲，并根據(jù)近震震級(jí)公式對(duì)其理論監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行分析；采用2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一編目正式報(bào)目錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際監(jiān)測(cè)能力，將計(jì)算結(jié)果與理論監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行比較分析；利用AK135 一維速度模型，估算中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)理論檢測(cè)時(shí)間；利用華北地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型，估算北京地區(qū)理論定位能力。

1 中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)概況

中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由1 個(gè)國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和31 個(gè)省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)組成。截止到2021 年1 月31 日，全國(guó)可實(shí)時(shí)匯集和交換數(shù)據(jù)的地震臺(tái)站達(dá)1 155 個(gè)，包括國(guó)家測(cè)震臺(tái)站166 個(gè)，區(qū)域測(cè)震臺(tái)站989 個(gè)（圖1）。國(guó)家測(cè)震臺(tái)站和區(qū)域測(cè)震臺(tái)站的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)先匯集到各省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)，然后匯集到國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心。同時(shí)，國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心向31 個(gè)省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)鄰省臺(tái)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)布設(shè)地震計(jì)1 155 臺(tái)（套），其中超寬帶16 臺(tái)、甚寬帶230 臺(tái)、寬頻帶771 臺(tái)、短周期138 臺(tái)，共有6 個(gè)廠商的20 個(gè)型號(hào)儀器在網(wǎng)運(yùn)行；數(shù)采1 155 臺(tái)（套），共有5 個(gè)廠商的8 個(gè)型號(hào)儀器在網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of stations in China Seismic Network

2 監(jiān)測(cè)能力計(jì)算

2.1 理論監(jiān)測(cè)能力

理論地震監(jiān)測(cè)能力為地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)一定區(qū)域范圍內(nèi)能夠記錄到并能測(cè)定震源位置、發(fā)震時(shí)刻等基本參數(shù)的震級(jí)下限。地震臺(tái)網(wǎng)的理論地震監(jiān)測(cè)能力和所屬臺(tái)站的地震記錄能力、臺(tái)站密度等有關(guān)，通常不考慮定位精度（張演等，2016）。

數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)用速度型記錄測(cè)定近震震級(jí)的公式為

其中，VS為S 波速度，f為S 波最大振幅所對(duì)應(yīng)的頻率，R(Δ)為量規(guī)函數(shù)。

設(shè)臺(tái)站的背景噪聲水平為Vn，單位是μm/s，當(dāng)信噪比VS/Vn≥2 時(shí)，認(rèn)為地震信號(hào)是可辨認(rèn)的。近震的頻率范圍一般為2—5 Hz。該臺(tái)站對(duì)震級(jí)類型為ML的地震最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離Δmax可以由公式（1）得到。

臺(tái)站能夠記錄的最大地動(dòng)速度值為

其中，Nmax為數(shù)采的最大輸出（counts），取決于數(shù)采的字長(zhǎng)，Kad為數(shù)據(jù)采集器的AD 轉(zhuǎn)換因子，Gm為數(shù)據(jù)采集器的前放增益，SO為電壓靈敏度。當(dāng)VS≥Vmax，則臺(tái)站記錄限幅，將Vmax代入公式（1），便可求得該臺(tái)站對(duì)震級(jí)為ML的地震最近監(jiān)測(cè)距離Δmin。這樣便可得到各臺(tái)站對(duì)相應(yīng)震級(jí)的監(jiān)測(cè)距離。之后采用空間逐點(diǎn)掃描法，對(duì)研究區(qū)域按0.25°×0.25°作網(wǎng)格掃描。對(duì)于某一網(wǎng)格點(diǎn)，若該網(wǎng)格點(diǎn)能被至少4 個(gè)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到，則認(rèn)為臺(tái)網(wǎng)對(duì)該點(diǎn)具有監(jiān)測(cè)能力，從而可得到臺(tái)網(wǎng)理論監(jiān)測(cè)能力分布。

計(jì)算理論監(jiān)測(cè)能力前，需要計(jì)算每個(gè)臺(tái)站的背景噪聲（RMS）。為了客觀反映臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)能力水平，同時(shí)消除連續(xù)噪聲波形中地震信號(hào)的影響，按照研究區(qū)域無(wú)ML3.0 以上地震發(fā)生的篩選條件，選擇2021 年2 月1 日0 時(shí)至15 時(shí)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)1 155 個(gè)測(cè)震臺(tái)站15 h 內(nèi)記錄的地動(dòng)噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算短周期段（1—20 Hz）頻率范圍內(nèi)每個(gè)臺(tái)站的背景噪聲水平Vn，按照中國(guó)地震局制定的《地震測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》，將臺(tái)基噪聲（單位是m/s）分為5 類：Ⅰ類臺(tái)基噪聲水平：RMS ＜3.16×10-8m/s；Ⅱ類臺(tái)基噪聲水平：3.16×10-8m/s ≤RMS ＜1.00×10-7m/s；Ⅲ類臺(tái)基噪聲水平：1.00×10-7m/s ≤RMS＜3.16×10-7m/s；Ⅳ類臺(tái)基噪聲水平：3.16×10-7m/s ≤RMS ＜1.00×10-6m/s；Ⅴ類臺(tái)基噪聲水平：1.00×10-6m/s ≤RMS ＜3.16×10-6m/s。

根據(jù)臺(tái)基噪聲水平分布（圖2），可以看出，中國(guó)測(cè)震臺(tái)站環(huán)境噪聲水平級(jí)別呈明顯的分區(qū)特征：中部和西部城市的噪聲水平最低；東部沿海城市及東北地區(qū)臺(tái)基噪聲水平較高，主要是由于東部地區(qū)人口密集，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境噪聲影響較大，且東部地區(qū)鄰近海洋，受到潮汐、海浪等自然因素的干擾。

將臺(tái)站背景噪聲聯(lián)合公式（1），計(jì)算出中國(guó)測(cè)震臺(tái)站理論監(jiān)測(cè)能力（圖3）。計(jì)算理論監(jiān)測(cè)能力時(shí)，平均近震震級(jí)頻率設(shè)為3 Hz，將6 倍的背景噪聲能量作為可檢測(cè)的震級(jí)下限。從圖3 中可以看出，中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在臺(tái)站分布密集地區(qū)可監(jiān)測(cè)到震級(jí)下限為ML1.5，例如華北大部、甘肅、陜西、四川、云南大部、新疆西北部等地區(qū)，其中北京、天津和上?？杀O(jiān)測(cè)的震級(jí)下限為ML1.0。背景噪聲比較大，觀測(cè)環(huán)境較差的華南、華東地區(qū)可監(jiān)測(cè)震級(jí)下限為ML2.5 左右。中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在臺(tái)站稀疏地區(qū)可監(jiān)測(cè)的震級(jí)下限為ML3.5 左右，例如青藏高原西部、新疆東南部和內(nèi)蒙古北部邊界地區(qū)等。

圖3 中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)理論監(jiān)測(cè)能力Fig.3 Theoretical monitoring capability of China Seismic Network

2.2 實(shí)際監(jiān)測(cè)能力

為了得到中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)能力，選取2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日在研究區(qū)域內(nèi)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一編目正式報(bào)目錄中ML≥0 共301 551 個(gè)地震事件（不包含單臺(tái)定位）進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)能力計(jì)算。在研究區(qū)域內(nèi)以0.1°為單位劃分網(wǎng)格，挑選出各網(wǎng)格內(nèi)的最小震級(jí)，利用軟件求得格點(diǎn)差值，最終得到中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)能力（圖4）。

圖4 中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)能力Fig.4 Actual monitoring capability of China Seismic Network

在圖4 中，不同的顏色代表各地區(qū)不同的完整性震級(jí)，完整性震級(jí)為地震100%被臺(tái)網(wǎng)記錄的等級(jí)。完整性震級(jí)越小，代表中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)對(duì)該地區(qū)地震活動(dòng)的監(jiān)測(cè)能力越高，反之，則表明對(duì)該地區(qū)地震活動(dòng)的監(jiān)測(cè)能力越低。從圖4 中可以看出，除青藏高原西部、新疆南部及內(nèi)蒙古北部邊界區(qū)域以外，中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)ML3.0 以上地震的監(jiān)測(cè)，其中華北大部、甘肅、陜西、四川、云南大部、新疆北部和南部沿海地區(qū)的完整性震級(jí)較小，大部分在ML1.5 以下。此外，可以從圖4 中看出，中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)能力（圖4）與理論監(jiān)測(cè)能力（圖3）整體相符，僅有小部分地區(qū)略有差異。如廣東、福建等沿海地區(qū)，實(shí)際監(jiān)測(cè)能力均略高于理論監(jiān)測(cè)能力。原因可能是本研究計(jì)算理論監(jiān)測(cè)能力的方法是依據(jù)臺(tái)站參數(shù)以及對(duì)信號(hào)的記錄能力，沒(méi)有聯(lián)系實(shí)際地震，得到的結(jié)果為理論值，不能完全反映臺(tái)網(wǎng)對(duì)該區(qū)域監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況；還可能是臺(tái)站在不同時(shí)間段的背景噪聲有所不同，能監(jiān)測(cè)的最小地震信號(hào)也有差別，將臺(tái)站對(duì)地震信號(hào)的記錄情況統(tǒng)一為一個(gè)時(shí)間段的水平也可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的誤差；此外，在計(jì)算理論監(jiān)測(cè)能力圖時(shí)，使用4 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)測(cè)定，而實(shí)際監(jiān)測(cè)能力圖中有部分事件采用2 個(gè)或者3 個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。這些都有可能造成實(shí)際監(jiān)測(cè)能力高于理論監(jiān)測(cè)能力的現(xiàn)象。而西藏地區(qū)地震實(shí)際監(jiān)測(cè)能力略低于理論監(jiān)測(cè)能力，可能與臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行要求的變化、臺(tái)站運(yùn)行率、分析經(jīng)驗(yàn)等相關(guān)。

2.3 理論監(jiān)測(cè)延時(shí)

采用AK135 一維速度模型，估算了使用4 個(gè)臺(tái)站進(jìn)行定位所需要的理論時(shí)間，即理論監(jiān)測(cè)延時(shí)（圖5）。結(jié)果表明，理論地震監(jiān)測(cè)延時(shí)主要受測(cè)震臺(tái)站密度影響，空間上存在較強(qiáng)的不均勻性。我國(guó)臺(tái)站分布密集的首都圈地區(qū)理論監(jiān)測(cè)延時(shí)在10 s 以內(nèi)，北京地區(qū)在5 s 以內(nèi)。臺(tái)站分布較為密集的華北、華南地區(qū)的理論監(jiān)測(cè)延時(shí)較短，在15 s 以內(nèi)。對(duì)于臺(tái)站稀疏地區(qū)，理論監(jiān)測(cè)延時(shí)較長(zhǎng)，如西藏北部和新疆東南部，用時(shí)最長(zhǎng)的西藏北部地區(qū)監(jiān)測(cè)延時(shí)為1 min。

圖5 中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)理論監(jiān)測(cè)延時(shí)Fig.5 Theoretical detection time of China Seismic Network

2.4 理論地震定位能力

理論地震定位能力是指給出某一ML震級(jí)值和假定震相讀數(shù)誤差值，按區(qū)域逐點(diǎn)掃描，計(jì)算給定臺(tái)網(wǎng)分布下的定位水平誤差估計(jì)值和定位垂直誤差估計(jì)值。計(jì)算時(shí)，需要考慮臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)范圍、臺(tái)站密度和分布，以及地震波傳播路徑上介質(zhì)特性的差異等。相比地震監(jiān)測(cè)能力，理論地震定位能力需要考慮定位精度（趙仲和，1983；姜長(zhǎng)寧，2001）。選擇震級(jí)監(jiān)測(cè)下限最小和地震檢測(cè)時(shí)間最短的北京地區(qū)為例，估算該地區(qū)理論定位能力。使用張廣偉等（2011）進(jìn)行華北地區(qū)小震精定位的區(qū)域速度模型和北京、天津、河北臺(tái)網(wǎng)及中國(guó)地震局地球物理研究所的國(guó)家和區(qū)域臺(tái)站，計(jì)算發(fā)生ML4.0 地震時(shí)，假定震相讀數(shù)誤差為0.2 s，在北京地區(qū)地震定位水平誤差約1 km（圖6）。北京地區(qū)理論地震定位水平誤差較小，表明該地區(qū)理論地震定位能力較強(qiáng)。

圖6 北京地區(qū)理論地震定位水平誤差Fig.6 Horizontal error of theoretical seismic positioning in Beijing area

3 結(jié)論

地震監(jiān)測(cè)能力是衡量地震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)。為更好地了解中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)能力，利用166 個(gè)國(guó)家臺(tái)站和1 289 個(gè)區(qū)域臺(tái)站的觀測(cè)波形數(shù)據(jù)和目錄數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，運(yùn)用常規(guī)的理論地震監(jiān)測(cè)能力、實(shí)際地震監(jiān)測(cè)能力、理論監(jiān)測(cè)延時(shí)等地震監(jiān)測(cè)能力評(píng)估方法，對(duì)中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力加以分析，對(duì)中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的整體地震監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行初步評(píng)估。此外，估算了地震震級(jí)監(jiān)測(cè)下限最小和地震檢測(cè)時(shí)間最短的北京地區(qū)的理論地震定位能力。結(jié)果顯示，中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力在空間上差異較大。我國(guó)中部地區(qū)可監(jiān)測(cè)的震級(jí)下限較低，臺(tái)站分布稀疏的青藏高原西部、新疆東南部和內(nèi)蒙古北部邊界地區(qū)等可監(jiān)測(cè)的震級(jí)下限較高。臺(tái)站分布較為密集的華北、華南地區(qū)理論檢測(cè)延時(shí)較短，臺(tái)站分布稀疏地區(qū)理論檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，如西藏北部和新疆東南部等地區(qū)，說(shuō)明應(yīng)該加強(qiáng)青藏高原和邊境地區(qū)監(jiān)測(cè)能力。

高質(zhì)量的中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)長(zhǎng)期平穩(wěn)有序運(yùn)行，是提供有價(jià)值的地震科學(xué)數(shù)據(jù)的重要保障，也是地震學(xué)開(kāi)展研究的重要基礎(chǔ)。隨著青藏高原地震監(jiān)測(cè)能力提升項(xiàng)目和國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目的實(shí)施，地震監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平將不斷提高，地震監(jiān)測(cè)能力的空間分布將更加均勻合理。

感謝趙仲和研究員在背景噪聲計(jì)算方面的指導(dǎo)和幫助。