鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)監(jiān)測效能評估

趙建通 高雙玲 馬寶君 梁阿全 李俊秋

1）中國黑龍江 157009 牡丹江地震臺

2）中國哈爾濱 150090 黑龍江省地震局

0 引言

地震監(jiān)測能力是衡量地震臺網(wǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)（董晨陽等，2018）。為推進(jìn)地震綜合臺站地震監(jiān)測業(yè)務(wù)改革，提升地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測、服務(wù)能力，2019 年鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)新增2 個(gè)觀測子臺。本文對鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)臺基噪聲水平、觀測動(dòng)態(tài)范圍及地震監(jiān)測能力等進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對了解地震臺網(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(shí)意義，并對判斷火山測震臺網(wǎng)能否對火山區(qū)未來噴發(fā)的危險(xiǎn)性和火山災(zāi)害作出準(zhǔn)確評估具有一定的參考價(jià)值。

1 鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)

鏡泊湖火山是我國著名的近代火山，并且是爆發(fā)的休眠火山，共有13 個(gè)火山口（李英波等，2006），火山口主要集中在寧安市小北湖的火山口森林和蛤蟆塘，從火山口內(nèi)壁可觀察到其噴發(fā)類型主要為夏威夷型平靜溢流和斯特朗博利式。火山噴發(fā)物阻塞了牡丹江，形成了我國最大的火山堰塞湖——鏡泊湖（洪漢凈等，2007）。鏡泊湖地區(qū)的莫霍面深度約為35 km，火山口森林之下的地殼厚度為39 km，顯示該地區(qū)加厚的地殼特征。2000 年黑龍江省地震局火山研究所進(jìn)行的大地電磁測深研究表明，地下30 km 左右有高導(dǎo)低阻地質(zhì)體存在。鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)的建立，可為加強(qiáng)火山區(qū)微震觀測及判斷鏡泊湖火山的活動(dòng)情況提供直接依據(jù)。

鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)于2006 年建設(shè)完成并投入使用，其中，森林子臺和小北湖子臺因當(dāng)?shù)厣只馂?zāi)于2010 年停測。為盡快恢復(fù)監(jiān)測工作，2019 年新建2 個(gè)測震子臺，它們位于小北湖林場（小北湖臺）和葦蘆河林場（葦蘆河臺）周邊。

2 觀測條件及儀器概況

鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)5 個(gè)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(dòng)干擾，觀測環(huán)境良好（表1）。

表1 鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)各子臺信息Table 1 Information of each seismic station of volcanic seismic network in Jingpohu

3 噪聲功率譜密度計(jì)算

臺基噪聲功率譜密度數(shù)據(jù)，可用來評估地震臺站臺基背景噪聲的高低，在新臺址勘選時(shí)可作為選臺的依據(jù)。對于已經(jīng)投入正式觀測的臺站，定期測定臺基噪聲，累計(jì)歷史噪聲數(shù)據(jù)，可用來評估地震臺站觀測環(huán)境的變遷。臺基背景噪聲水平會(huì)直接影響地震波形記錄的質(zhì)量，所以分析臺站噪聲水平是判斷地震臺網(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《地震地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004），該要求規(guī)定將臺基背景噪聲為1—20 Hz 頻帶范圍的速度RMS 值作為評估標(biāo)準(zhǔn)，共分為 5 級臺基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），評估的標(biāo)準(zhǔn)為（單位為m/s）

Ⅰ級臺基噪聲水平：RMS ＜3.16×10-8

Ⅱ級臺基噪聲水平：3.16×10-8≤RMS ＜1.00×10-7

Ⅲ級臺基噪聲水平：1.00×10-7≤RMS ＜3.16×10-7

Ⅳ級臺基噪聲水平：3.16×10-7≤RMS ＜1.00×10-6

Ⅴ級臺基噪聲水平：1.00×10-6≤RMS ＜3.16×10-6

選取鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)所有觀測臺大于24 h 的無地震及干擾的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行地動(dòng)噪聲功率譜密度計(jì)算，以判定各臺臺基噪聲水平，結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算得到的臺基噪聲水平Table 2 The calculated base noise level

4 鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力計(jì)算

4.1 采用仿真短周期位移記錄（DD-1）計(jì)算近震監(jiān)測能力

近震震級使用仿真短周期位移記錄（DD-1）的S（或Lg）波最大正度來測定。根據(jù)如下近震震級計(jì)算公式估算地震監(jiān)測能力

其中，A 為臺站記錄的體波最大速度，單位為μm/s；C 為臺基矯正值；R(Δ)為量規(guī)函數(shù)，即震級起算函數(shù)。劉瑞豐等（1996）認(rèn)為，最大地動(dòng)速度和最大地動(dòng)位移振幅間的關(guān)系為

其中，T 為對應(yīng)最大速度周期（劉瑞豐等，1996）。將式（2）帶入式（1），得到可用最大地動(dòng)速度計(jì)算地震監(jiān)測能力的公式

我們認(rèn)為當(dāng)S 波振幅為背景噪聲振幅的6 倍時(shí)，地震波P、S 波震相清晰可辨，故按照背景噪聲的6 倍作為S 波可分辨的最小位移。由于臺基校正值很小且在計(jì)算的誤差范圍之內(nèi)，所以，認(rèn)定C=0。選取無地震事件、無強(qiáng)震動(dòng)、無強(qiáng)人為干擾的大于24 h 觀測數(shù)據(jù)波形進(jìn)行背景噪聲計(jì)算，得到各臺EW、NS 向的地動(dòng)噪聲RMS。

4.2 計(jì)算結(jié)果

選取各臺EW、NS 向地動(dòng)噪聲RMS 值的6 倍為S 波最大振幅（曹舸斌等，2019），通過對研究區(qū)歷年地震信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出最大振幅響應(yīng)周期與震中距間的關(guān)系（表3）。

表3 最大振幅響應(yīng)周期與震中距間的關(guān)系Table 3 Relationship between the maximum amplitude response period and epicenter distance

因鏡泊湖火山測震臺網(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30 km 已滿足監(jiān)測要求，所以只計(jì)算200 km 范圍內(nèi)的監(jiān)測能力即可。將上述設(shè)定條件帶入式（3）進(jìn)行計(jì)算，得到臺網(wǎng)的近震監(jiān)測能力（表4）。

表4 震中距與測定最小震級間的關(guān)系Table 4 Relationship between epicenter distance and the minimum magnitude

4.3 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，通過分析可以給出發(fā)震時(shí)間、震級和震中距，但是由單臺定位得到的地震信息是不準(zhǔn)確的（郝春月等，2006），理論上，需要3 個(gè)或3 個(gè)以上臺站記錄到此次地震（何少林，2003），再通過交切法計(jì)算出地震的震中位置。為了與原鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力進(jìn)行對比，取第3 個(gè)子臺震級作為現(xiàn)臺網(wǎng)對該節(jié)點(diǎn)的可監(jiān)測震級下限，繪制監(jiān)測能力圖[圖1（a）]；采用相同方法繪制新增2 個(gè)觀測子臺前的鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力圖[圖1（b）]。

圖1 鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力對比（a）新增2 個(gè)子臺后；（b）新增2 個(gè)子臺前Fig.1 Comparison of monitoring capability of volcanic seismic network in Jingpohu

目前，鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)由5 個(gè)觀測子臺組成，根據(jù)“3 個(gè)地震臺可定位地震信息，第4 個(gè)地震臺用于修正”的原則，我們選取第4 個(gè)子臺震級作為臺網(wǎng)對該節(jié)點(diǎn)的可監(jiān)測震級下限，繪制監(jiān)測能力圖（圖2），圖2 更能真實(shí)反映臺網(wǎng)監(jiān)測能力。

圖2 鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力Fig.2 The monitoring capability of volcanic seismic network in Jingpohu

5 討論

對鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)各子臺計(jì)算得到的背景噪聲有效值均小于3.16×10-8m/s，5 個(gè)子臺臺基都屬于“Ⅰ級臺基噪聲水平”，符合國家選址要求，其較小的臺基背景噪聲，可滿足火山區(qū)微震監(jiān)測工作的要求。

通過圖1 的新增2 個(gè)子臺前后監(jiān)測能力對比可以看到，鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)在火山區(qū)的監(jiān)測能力得到很大提升。完成了從最多3 個(gè)臺定位到現(xiàn)在最多5 個(gè)臺定位的轉(zhuǎn)變，使可定位的地震信息更精確。5 個(gè)火山機(jī)構(gòu)（蛤蟆塘、迷魂陣、火口森林、大干泡、五道溝火山機(jī)構(gòu)）周圍可監(jiān)測的最小震級也從ML0.0—0.3 下降到ML-0.5—0.0。

由圖2 可以看出，鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)對5 個(gè)火山機(jī)構(gòu)理論監(jiān)測能力不低于ML0.0，個(gè)別區(qū)域可以監(jiān)測到ML-0.5 以下地震，對于火山周邊50 km 范圍內(nèi)理論監(jiān)測能力不低于ML0.5，100 km 范圍內(nèi)不低于ML0.6。上述結(jié)果主要是根據(jù)臺網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況給出的基本評價(jià)。因臺網(wǎng)為30 km 小孔徑臺網(wǎng)，所以，30 km 范圍內(nèi)其監(jiān)測能力完全滿足火山區(qū)域監(jiān)測需求。

由圖2 還可見，火山機(jī)構(gòu)西側(cè)監(jiān)測能力相對較弱。經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，西側(cè)地形復(fù)雜且人煙稀少，供電、通訊、交通等均得不到保障，并且緊鄰吉林省省界，所以，在西側(cè)增加觀測子臺的方案不可行。但鏡泊湖火山測震臺網(wǎng)較好的觀測條件可以滿足很多觀測手段的觀測要求，后續(xù)可以利用現(xiàn)有觀測子臺的條件，增加其他觀測手段，不斷提升監(jiān)測能力。