長三角區(qū)域地震監(jiān)測能力分析＊

王 鵬，魏 薇，蔡旭榮，劉 菲，王成睿

（上海市地震局，上海 200062；上海佘山地球物理國家野外觀測研究站，上海 200062）

長江三角洲位于中國東部，構(gòu)造上處在華北克拉通東南部和揚(yáng)子克拉通東北部的交匯處，是中國東部最重要的古構(gòu)造活動區(qū)之一。兩大地塊在印支-早燕山期的碰撞，形成了近東西走向的大別—蘇魯造山帶和東北—南西走向的郯廬斷裂帶[1]。在地貌上，長江三角洲及蘇北為平原，皖浙為丘陵低山[2]。蘇錫滬地區(qū)有新生代玄武巖零星分布。地震活動以4 級左右的地震為主，主要發(fā)生在長江口和太湖。蘇南有晚第三紀(jì)玄武巖大面積出露，中強(qiáng)地震較活躍。皖南、浙西北、浙東北地區(qū)，地震活動性較弱。

長三角地區(qū)測震臺網(wǎng)經(jīng)“九五”“十五”“十一五”建設(shè)，地震監(jiān)測能力顯著提高，2008 年后測震臺站數(shù)量和臺站布局基本穩(wěn)定。目前長三角地區(qū)的江蘇測震臺網(wǎng)有40 個(gè)臺站，安徽66 個(gè)，浙江54 個(gè)，上海13 個(gè)，共計(jì)173 個(gè)臺站向中國地震局傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)接收鄰近省市臺站的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，可使用測震臺站數(shù)量達(dá)到288 個(gè)。測震臺站分布表現(xiàn)為兼顧人口和地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)，即在人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的蘇南、浙北以及上海，臺站分布稍密，在郯廬斷裂帶經(jīng)過的蘇北地區(qū)、礦震頻發(fā)的安徽霍山以及浙南水庫地區(qū)臺站分布也較密集。而在覆蓋層較厚的蘇中沿海地區(qū)，人口分散的皖浙山區(qū)，臺站相對稀疏，如圖1 所示，導(dǎo)致長三角地區(qū)的地震監(jiān)測能力仍存在區(qū)域不平衡的問題。

圖1 地震和臺站分布

地震監(jiān)測能力是指地震臺網(wǎng)對一定區(qū)域范圍內(nèi)地震定位精度，是地震臺網(wǎng)定位的能力，可用最小完整性震級（Mc，Magnitude of completeness）——在一定時(shí)空范圍內(nèi)所有地震被臺網(wǎng)百分百記錄到的最低震級表示。它是地震災(zāi)害評估、地震活動性分析和地震預(yù)測的研究基礎(chǔ)。Mc 一般會隨著地震臺站數(shù)量增多而減小，它的變化會導(dǎo)致地震統(tǒng)計(jì)數(shù)目的變化而影響相關(guān)研究。因此，必須科學(xué)計(jì)算最小完整性震級。

目前計(jì)算最小完整性震級主要使用以下3類方法：第一類是基于古登堡-里克特（G-R，Gutenberg-Richter）的震級-頻度關(guān)系[3]；第二類是根據(jù)震級衰減關(guān)系和噪聲水平計(jì)算理論監(jiān)測能力；第三類是不依賴或半依賴假定的方法，如基于概率的完整性震級PMC 方法（Probability-based Magnitude of Completeness）[4]和貝葉斯完整性震級BMC （ Bayesian Magnitude of Completeness）方法[5-6]。

基于概率的完整性震級PMC 方法使用測震臺網(wǎng)產(chǎn)出的地震觀測報(bào)告來評估監(jiān)測能力，由于觀測報(bào)告如實(shí)地反映了測震臺網(wǎng)的性質(zhì)，且囊括了各種影響因素，如測震臺網(wǎng)的臺站分布、臺基噪聲、觀測系統(tǒng)靈敏度、儀器動態(tài)范圍以及臺站運(yùn)行率等，使得分析結(jié)果更加貼近實(shí)際，且具有不依賴于假定震級分布關(guān)系、計(jì)算簡單、適用于少弱震地震等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外研究人員的廣泛應(yīng)用——NANJO 等[7]、劉芳等[8]及王鵬等[9]，利用PMC 方法分別對瑞士臺網(wǎng)、內(nèi)蒙古臺網(wǎng)及上海臺網(wǎng)的監(jiān)測能力進(jìn)行了科學(xué)評估，并對優(yōu)化臺網(wǎng)布局給出建議。

1 PMC 方法原理

PMC 方法假設(shè)臺站周圍的地震滿足泊松分布，利用臺網(wǎng)地震觀測報(bào)告內(nèi)的震相參數(shù)和目錄文件，根據(jù)近震震級定義和能力衰減關(guān)系，在一定震源距范圍內(nèi)，用臺站記錄到的地震數(shù)目除以地震總數(shù)，得到單臺地震的監(jiān)測概率。然后利用4 個(gè)以上臺站能記錄到的聯(lián)合概率合成出臺網(wǎng)的最小完整性震級，具體原理參見文獻(xiàn)[4]。

2 數(shù)據(jù)來源

選取27°N～36°N，114°E～125°E 為研究區(qū)域，從中國地震局編目網(wǎng)站下載2009—2020年長三角地區(qū)測震臺網(wǎng)的觀測報(bào)告，選取ML大于等于0.1 以上地震，刪除震群及單臺定位記錄后，得到2 722 個(gè)地震，如圖2 所示，地震震級ML范圍為0.2～5.4，平均地震震源深度為9.4 km，如圖2 所示。除浙江地震分布較稀疏外，其他3 個(gè)省市地震分布較密集。本研究利用上述資料，采用PMC 方法，計(jì)算288 個(gè)臺站的單臺監(jiān)測概率、臺網(wǎng)合成監(jiān)測概率以及最小完整性震級，進(jìn)而分析臺網(wǎng)監(jiān)測的能力，并對優(yōu)化臺網(wǎng)布局提出建議。

圖2 震源深度統(tǒng)計(jì)

3 地震監(jiān)測能力

選擇至少被4 個(gè)臺站記錄到的地震事件，利用PMC 方法，計(jì)算每個(gè)臺站的單臺監(jiān)測概率。圖3 展示了長三角測震臺網(wǎng)4 個(gè)臺站的原始震級-距離點(diǎn)陣圖和監(jiān)測概率圖。從上到下依次為江蘇南京臺（NJ2）、安徽蒙城臺（MCG）、浙江寧波臺（NⅠB）、上海天馬山臺（TMS）。

圖3 測震臺網(wǎng)單臺監(jiān)測概率

由圖3 可知，上海天馬山臺、浙江寧波臺和安徽蒙城監(jiān)測能力較強(qiáng)，對小地震敏感，其中佘山臺對20 km范圍內(nèi)ML0.6 級地震可100%監(jiān)測，蒙城臺能100%監(jiān)測150 km 范圍內(nèi)ML1.3 級地震，而江蘇南京臺僅能監(jiān)測20 km 內(nèi)ML1.3 級地震，監(jiān)測能力稍弱。對于較大震級地震，4 個(gè)地震臺站能100%記錄到的地震范圍和震級差異明顯：南京臺能監(jiān)測150 km 處3.3 級地震，蒙城臺能監(jiān)測220 km處3.3級地震，寧波臺能監(jiān)測150 km處1.9 級地震，天馬山臺能監(jiān)測220 km 處3.5 級地震，即監(jiān)測范圍超過220 km 后3.5 級以上地震不能100%被監(jiān)測到。南京臺和天馬山臺地震監(jiān)測能力在0.8～2.5級范圍內(nèi)，隨震級的增加而增大，符合一般臺站地震監(jiān)測能力變化的特點(diǎn)；蒙城臺和寧波臺分別在1.3 級和1.9 級時(shí)，監(jiān)測概率發(fā)生陡崖式增大，這是因?yàn)檎鹬锌臻g分布不均所致：在蒙城臺150～220 km 范圍內(nèi)的金寨附近地震較多；寧波臺監(jiān)測到的地震主要集中在100～150 km 范圍江浙滬交界處。4 個(gè)地震臺都存在當(dāng)震級大于某個(gè)值后，監(jiān)測概率不再隨震級的增大而增加，可能是因?yàn)榇蟮卣饠?shù)目較少所致。

地震臺網(wǎng)對不同深度地震的監(jiān)測能力不同，因此在討論監(jiān)測能力時(shí)必須說明震源深度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本研究中地震的震源深度大多位于3～15 km（如圖2 所示），所以只研究長三角測震臺網(wǎng)對10 km 深度地震的監(jiān)測能力。圖4 展示了長三角地區(qū)基于概率的完整性震級MP的分布特征，表現(xiàn)為：在江蘇北部近山東一側(cè)的宿遷、連云港地區(qū)，地震監(jiān)測能力較強(qiáng)，完整性震級MP能達(dá)到1.2。在臺站密布的江蘇南部、浙江北部、上海西部，監(jiān)測能力也較強(qiáng)，完整性震級MP較小，最小值為ML0.8。在江蘇中部高郵、鹽城、大豐等地監(jiān)測能力較低，MP為1.5～2.0。上海其他地區(qū)地震監(jiān)測能力相對較弱，為ML1.0～1.2。浙江全省的地震監(jiān)測能力達(dá)到了ML1.8，杭州至珊溪水庫一帶監(jiān)測能力較強(qiáng)，達(dá)到ML1.3。浙東臨海地區(qū)監(jiān)測能力稍弱，為ML1.4～1.8。安徽地震監(jiān)測能力達(dá)到了全省ML1.8 級，安徽的中部、南部，蚌埠—合肥—六安一帶監(jiān)測能力較強(qiáng)達(dá)到ML1.4 級。安徽北部與河南、江蘇中部鄰近地區(qū)監(jiān)測能力較弱，為ML1.6～1.8。

圖4 完整性震級MP 分布

4 結(jié)論

利用PMC 方法計(jì)算江蘇測震臺網(wǎng)的地震監(jiān)測能力，可以反映地震臺站對地震的實(shí)際監(jiān)測情況。由于地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力受臺站密度和臺站狀態(tài)的影響，長三角地區(qū)測震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力存在不均勻現(xiàn)象，在臺站密布的蘇北和江浙滬交界地區(qū)，地震最小完整性震級為ML0.8～1.2，而在臺站稀疏、覆蓋層較厚的蘇中地區(qū)，安徽大部及浙江沿海地區(qū)，監(jiān)測能力稍弱，最小完整性震級為ML1.5～2.0。

在完整性震級MP分布圖中，臺站密布的安徽霍山地區(qū)、浙江珊溪水庫和灘坑水庫地區(qū)，地震監(jiān)測能力僅為1.5 和1.3 級，這可能與事實(shí)不符。經(jīng)分析地震觀測報(bào)告發(fā)現(xiàn)，上述地區(qū)的地震目錄中最小地震震級為ML1.0，這可能是因?yàn)檎?、皖兩省的編目?guī)定限制了1.0 級以下地震數(shù)據(jù)的使用。