河南地區地震目錄最小完整性震級探討

高家乙 閆 睿 謝健健

（中國鄭州 450016 河南省地震局）

0 引言

地震目錄最小完整性震級Mc是指地震監測區域范圍內，能夠被完整記錄到的地震震級下限（何宗海，1994）。地震記錄的完整性很大程度上依賴于區域地震臺網的布局、密度和地震監測能力等（王瓊等，2011），地震臺站空間分布的非均勻性、震相數據信噪比以及定位過程中的人為選擇等因素對地震目錄完整性都有影響（Woessner et al，2005；蔣長勝等，2008）。因此，開展地震目錄最小完整性震級研究，也是評估測震臺網監測能力的有效手段之一。

最初常用震級—頻度關系（G—R關系）進行科學統計，根據經驗目測取線性分布的最小震級值作為最小完整性震級Mc。近年發展起來的計算方法包括定性評估的震級—序號法、定量評估的最大曲率法（maximum curvature method，簡稱MAXC）等。前人（李志海等，2011；馮建剛等，2012；劉麗芳等，2012；王霞等，2014；王亮等，2015）已應用這些方法對不同地區地震目錄最小完整性震級進行研究。

河南地區（31°—37°N，110°—117°E）地質構造上跨華北地塊、秦嶺大別造山帶和揚子地塊等3個一級大地構造單元，這3個一級大地構造單元由10個二級、29個三級大地構造單元組成，其構造演化具有多旋式不均衡發展的特點，斷裂整體上具有“兩個斷裂方向展布、四組斷裂體系”的特征（王志鑠，2017）。河南地區地震構造探查與城市活動斷層探測工作發現，晚更新世、全新世以來的活動斷裂多分布在豫晉陜和豫魯冀交界。河南地區小震多，震源淺，烈度高，地震活動帶密布，河北平原地震帶、山西地震帶、汾渭地震帶在河南地區都有延伸。而地震目錄是地震研究工作中最基礎的資料，因此開展河南地區地震目錄最小完整性震級評估較為重要。

1 方法

古登堡—里克特（G—R）關系（Gutenberg et al，1944）是指假定在相對固定區域內，地震活動的震級M和頻度N滿足

固定了常數a、b后，由擬合度最好的直線段即可經驗性地確定1個震級區間，同時認為該區間內地震目錄是完整的，其震級下限即最小完整性震級Mc。

之后發展起來的計算方法多以G—R關系為基礎，其中，震級—序號法是按發震時間先后將地震排序，考察不同震級的地震數密度分布來定性分析Mc，地震數密度較大位置所對應的震級為最小完整性震級，使用地震序號主要是為避免“叢集事件”的影響（蔣長勝等，2011）。最大曲率法是將震級—頻度曲線的一階導數最大值作為Mc。

本文采用G—R關系曲線法、震級—序號法和最大曲率法計算最小完整性震級Mc，探討河南地區地震目錄完整性在不同時期的特征。

2 資料

2.1 河南地震監測臺網概況

2000年之前，河南地震監測臺網全部為模擬記錄；1997年啟動了地震監測系統數字化技術改造“九五”項目，2002年1月1日正式投入觀測；隨著“十五”數字化地震觀測網絡項目的完成，2008年以后數字化地震臺網迅速擴充，且大部分臺站臺基為地面基巖，配備寬頻帶和甚寬頻帶地震計；在河南東部覆蓋層較厚地區，臺站多為井下臺，配備短周期和寬頻帶地震計。目前，河南地震臺網中心可匯集處理來自河南全省28個測震臺站和通過連接國家地震臺網中心的流服務器從鄰省6個測震臺網（山東、安徽、河北、山西、湖北、陜西）獲取的31個測震臺站的實時波形數據，河南地區地震臺站分布較均勻（圖1）。

圖1 2008—2020年11月河南地區地震震中和地震臺站分布Fig.1 The distribution of earthquakes and observation stations in the Henan region

2.2 地震目錄

由于1970年以后河南地震觀測臺網才開始現代地震觀測，因此收集河南地區（31°—37°N，110°—117°E）1970—2020年11月地震目錄作為研究資料。該資料綜合了河南及鄰省地震月報目錄、河南省歷史地震數據復核目錄和地震編目目錄，共記錄地震38 790個，其中，ML0—0.9地震10 181個；ML1.0—1.9地震20 745個；ML2.0—2.9地震6 875個；ML3.0—3.9地震 869個；ML4.0—4.9地震107個；ML≥5.0地震13個（圖1）。

3 地震目錄最小完整性震級計算

根據河南地震監測和臺站建設發展歷程，將1970年以來地震目錄分為4個時段繪制G—R關系曲線（圖2）。由圖2可見，1970—1979年，由于地震臺站數量較少，因此記錄到的地震數量亦明顯偏少，最小完整性震級Mc約為ML2.5；1980—2001年河南地震監測臺網處于較穩定的模擬觀測時期，地震監測能力有所提升，另外，得益于歷史地震數據復核工作補充完善了1981—2001年地震目錄，Mc約為ML2.3；2002—2007年由于大量模擬觀測臺站停測，地震記錄存在較嚴重缺失，Mc約為ML2.6；2008年以后，隨著地震臺網數字化升級改造完成以及新建臺站投入觀測，地震監測能力大幅提升，Mc約為ML1.5。

圖2 河南地區不同時段地震目錄震級—頻度關系（a）1970—1979年；（b）1980—2001年；（c）2002—2007年；（d）2008—2020年Fig.2 G-R relation curves of earthquake catalogs in different periods in the Henan region

采用震級—序號法和最大曲率法對1970年以來河南地區地震目錄最小完整性震級進行評估，由于ML＜1.0地震記錄嚴重缺失，故以ML1.0作為起算震級（圖3）。由圖3可見，震級—序號法所得最大地震數密度處，同最大曲率線基本一致；但對比不同時段最大地震數密度可以發現，1970—2007年地震數較2008年以后明顯偏少，尤其是1970—1979年臺站數量較少和2002—2007年模擬觀測儀器大規模停測導致地震目錄嚴重缺失；而震級—序號法和最大曲率法只是反映對應時段地震數最大密度的位置，故計算得到的1970—2007年最小完整性震級偏小，而由G—R關系曲線指示的該時段最小完整性震級更加合理[圖2（a）、2（b）、2（c）]。

2008年以來，經過“十五”數字化地震觀測網絡項目改造后數字化監測臺網投入運行，并開始地震目錄的編目工作，地震數明顯增多[圖2（d）、圖3]。震級—序號法和最大曲率法計算結果顯示，2008年以后最小完整性震級平穩下降，河南地區ML≥1.5地震目錄基本完整。

圖3 震級—序號法和最大曲率法評估1970年以來河南地區地震目錄最小完整性震級Fig.3 The minimum magnitude of completeness in the Henan region derived by the serial number method and MAXC method

4 結論

以河南地區（31°—37°N，110°—117°E）1970—2020年11月地震目錄作為研究資料，采用G—R關系曲線法、震級—序號法和最大曲率法分別計算不同時段的最小完整性震級。結果顯示，震級—序號法和最大曲率法的計算結果具有較好的一致性，但由于1970—2007年地震數明顯缺失，故計算結果偏小。G—R關系曲線法分時段統計結果顯示，1970—1979年由于研究區內臺站數量少，Mc約為ML2.5；1980—2001年河南地震監測臺網處于較穩定的模擬觀測時期，地震監測能力有所提升，Mc約為ML2.3；2002—2007年大量模擬觀測臺站停測導致地震記錄嚴重缺失，Mc上升至ML2.6左右。2008—2020年11月，G—R關系曲線法、震級—序號法和最大曲率法均顯示Mc約為ML1.5，這得益于地震臺網數字化升級改造完成以及新建臺站投入觀測，故地震監測能力大幅提升。河南地區地震目錄最小完整性震級的測定，可為區域地震活動性研究和地震危險性分析等工作提供參考。

震級—序號法和最大曲率法計算程序來自中國地震局地球物理研究所蔣長勝研究員，在此深表感謝。