中國測震臺網地震監測能力初步分析

梁姍姍 鄒立曄 趙 博 劉敬光 劉艷瓊 姬運達 李旭茂 翟璐媛

（中國北京 100045 中國地震臺網中心）

0 引言

中國測震臺網是我國防震減災工作的核心和基礎設施，為監測地震和開展地球科學研究提供了基礎數據；同時，在監測礦震、爆炸、地下核試驗等非天然事件方面發揮了重要作用。因此，對測震臺網地震監測能力的科學評估，已經成為基礎而關鍵的研究內容（王亞文等，2017；劉棟等，2018）。地震監測能力評估是一項復雜工作。關于區域測震臺網的監測能力研究，科研人員做了大量工作，取得了一些有意義的結果。王培玲等（2014）用地震目錄中的最小完整震級來表征青海測震臺網的地震監測能力；牟磊育等（2016）根據京津冀地區的平均地脈動噪聲估算研究區域監測范圍；王亞文等（2017）利用基于概率的完整性震級（PMC）方法，對中國地震臺網1 001 個臺站2008—2015 年實際產出的地震觀測資料進行研究，分析了指定震級下限的檢測概率（PE）和最小完整性震級MP的分布；屠泓為等（2018）運用分時段累計頻度、b值曲線和時間窗滑移等方法，對測震臺網在西寧盆地及鄰近區域的監測能力進行了分析。

文中采用多種常用的評估辦法，對中國測震臺網的地震監測能力進行研究，研究區域為（0°—55°N，70°—140°E）。按照中國地震局相關規范（中國地震局監測預報司，2007），計算中國測震臺網1 155 個測震臺站的背景噪聲，并根據近震震級公式對其理論監測能力進行分析；采用2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日中國地震臺網統一編目正式報目錄數據，計算出實際監測能力，將計算結果與理論監測能力進行比較分析；利用AK135 一維速度模型，估算中國地震臺網理論檢測時間；利用華北地區地殼速度結構模型，估算北京地區理論定位能力。

1 中國測震臺網概況

中國測震臺網由1 個國家測震臺網和31 個省級測震臺網組成。截止到2021 年1 月31 日，全國可實時匯集和交換數據的地震臺站達1 155 個，包括國家測震臺站166 個，區域測震臺站989 個（圖1）。國家測震臺站和區域測震臺站的實時觀測數據先匯集到各省級測震臺網，然后匯集到國家測震臺網中心。同時，國家測震臺網中心向31 個省級測震臺網轉發鄰省臺站的實時數據。中國測震臺網現布設地震計1 155 臺（套），其中超寬帶16 臺、甚寬帶230 臺、寬頻帶771 臺、短周期138 臺，共有6 個廠商的20 個型號儀器在網運行；數采1 155 臺（套），共有5 個廠商的8 個型號儀器在網運行。

圖1 中國測震臺網臺站分布Fig.1 Distribution of stations in China Seismic Network

2 監測能力計算

2.1 理論監測能力

理論地震監測能力為地震臺網對一定區域范圍內能夠記錄到并能測定震源位置、發震時刻等基本參數的震級下限。地震臺網的理論地震監測能力和所屬臺站的地震記錄能力、臺站密度等有關，通常不考慮定位精度（張演等，2016）。

數字地震臺網用速度型記錄測定近震震級的公式為

其中，VS為S 波速度，f為S 波最大振幅所對應的頻率，R(Δ)為量規函數。

設臺站的背景噪聲水平為Vn，單位是μm/s，當信噪比VS/Vn≥2 時，認為地震信號是可辨認的。近震的頻率范圍一般為2—5 Hz。該臺站對震級類型為ML的地震最遠監測距離Δmax可以由公式（1）得到。

臺站能夠記錄的最大地動速度值為

其中，Nmax為數采的最大輸出（counts），取決于數采的字長，Kad為數據采集器的AD 轉換因子，Gm為數據采集器的前放增益，SO為電壓靈敏度。當VS≥Vmax，則臺站記錄限幅，將Vmax代入公式（1），便可求得該臺站對震級為ML的地震最近監測距離Δmin。這樣便可得到各臺站對相應震級的監測距離。之后采用空間逐點掃描法，對研究區域按0.25°×0.25°作網格掃描。對于某一網格點，若該網格點能被至少4 個臺站監測到，則認為臺網對該點具有監測能力，從而可得到臺網理論監測能力分布。

計算理論監測能力前，需要計算每個臺站的背景噪聲（RMS）。為了客觀反映臺站地震監測能力水平，同時消除連續噪聲波形中地震信號的影響，按照研究區域無ML3.0 以上地震發生的篩選條件，選擇2021 年2 月1 日0 時至15 時中國地震臺網1 155 個測震臺站15 h 內記錄的地動噪聲觀測數據，計算短周期段（1—20 Hz）頻率范圍內每個臺站的背景噪聲水平Vn，按照中國地震局制定的《地震測震臺站觀測環境技術要求》，將臺基噪聲（單位是m/s）分為5 類：Ⅰ類臺基噪聲水平：RMS ＜3.16×10-8m/s；Ⅱ類臺基噪聲水平：3.16×10-8m/s ≤RMS ＜1.00×10-7m/s；Ⅲ類臺基噪聲水平：1.00×10-7m/s ≤RMS＜3.16×10-7m/s；Ⅳ類臺基噪聲水平：3.16×10-7m/s ≤RMS ＜1.00×10-6m/s；Ⅴ類臺基噪聲水平：1.00×10-6m/s ≤RMS ＜3.16×10-6m/s。

根據臺基噪聲水平分布（圖2），可以看出，中國測震臺站環境噪聲水平級別呈明顯的分區特征：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臺基噪聲水平較高，主要是由于東部地區人口密集，人類活動對環境噪聲影響較大，且東部地區鄰近海洋，受到潮汐、海浪等自然因素的干擾。

將臺站背景噪聲聯合公式（1），計算出中國測震臺站理論監測能力（圖3）。計算理論監測能力時，平均近震震級頻率設為3 Hz，將6 倍的背景噪聲能量作為可檢測的震級下限。從圖3 中可以看出，中國測震臺網在臺站分布密集地區可監測到震級下限為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，其中北京、天津和上海可監測的震級下限為ML1.0。背景噪聲比較大，觀測環境較差的華南、華東地區可監測震級下限為ML2.5 左右。中國測震臺網在臺站稀疏地區可監測的震級下限為ML3.5 左右，例如青藏高原西部、新疆東南部和內蒙古北部邊界地區等。

圖3 中國測震臺網理論監測能力Fig.3 Theoretical monitoring capability of China Seismic Network

2.2 實際監測能力

為了得到中國測震臺網的實際監測能力，選取2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日在研究區域內中國地震臺網統一編目正式報目錄中ML≥0 共301 551 個地震事件（不包含單臺定位）進行實際監測能力計算。在研究區域內以0.1°為單位劃分網格，挑選出各網格內的最小震級，利用軟件求得格點差值，最終得到中國測震臺網實際監測能力（圖4）。

圖4 中國測震臺網實際監測能力Fig.4 Actual monitoring capability of China Seismic Network

在圖4 中，不同的顏色代表各地區不同的完整性震級，完整性震級為地震100%被臺網記錄的等級。完整性震級越小，代表中國測震臺網對該地區地震活動的監測能力越高，反之，則表明對該地區地震活動的監測能力越低。從圖4 中可以看出，除青藏高原西部、新疆南部及內蒙古北部邊界區域以外，中國測震臺網可實現對中國大陸地區ML3.0 以上地震的監測，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的完整性震級較小，大部分在ML1.5 以下。此外，可以從圖4 中看出，中國測震臺網實際監測能力（圖4）與理論監測能力（圖3）整體相符，僅有小部分地區略有差異。如廣東、福建等沿海地區，實際監測能力均略高于理論監測能力。原因可能是本研究計算理論監測能力的方法是依據臺站參數以及對信號的記錄能力，沒有聯系實際地震，得到的結果為理論值，不能完全反映臺網對該區域監測的實際情況；還可能是臺站在不同時間段的背景噪聲有所不同，能監測的最小地震信號也有差別，將臺站對地震信號的記錄情況統一為一個時間段的水平也可能會造成計算結果的誤差；此外，在計算理論監測能力圖時，使用4 個臺站數據測定，而實際監測能力圖中有部分事件采用2 個或者3 個臺站的數據進行計算。這些都有可能造成實際監測能力高于理論監測能力的現象。而西藏地區地震實際監測能力略低于理論監測能力，可能與臺網運行要求的變化、臺站運行率、分析經驗等相關。

2.3 理論監測延時

采用AK135 一維速度模型，估算了使用4 個臺站進行定位所需要的理論時間，即理論監測延時（圖5）。結果表明，理論地震監測延時主要受測震臺站密度影響，空間上存在較強的不均勻性。我國臺站分布密集的首都圈地區理論監測延時在10 s 以內，北京地區在5 s 以內。臺站分布較為密集的華北、華南地區的理論監測延時較短，在15 s 以內。對于臺站稀疏地區，理論監測延時較長，如西藏北部和新疆東南部，用時最長的西藏北部地區監測延時為1 min。

圖5 中國測震臺網理論監測延時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震級值和假定震相讀數誤差值，按區域逐點掃描，計算給定臺網分布下的定位水平誤差估計值和定位垂直誤差估計值。計算時，需要考慮臺網監測范圍、臺站密度和分布，以及地震波傳播路徑上介質特性的差異等。相比地震監測能力，理論地震定位能力需要考慮定位精度（趙仲和，1983；姜長寧，2001）。選擇震級監測下限最小和地震檢測時間最短的北京地區為例，估算該地區理論定位能力。使用張廣偉等（2011）進行華北地區小震精定位的區域速度模型和北京、天津、河北臺網及中國地震局地球物理研究所的國家和區域臺站，計算發生ML4.0 地震時，假定震相讀數誤差為0.2 s，在北京地區地震定位水平誤差約1 km（圖6）。北京地區理論地震定位水平誤差較小，表明該地區理論地震定位能力較強。

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

3 結論

地震監測能力是衡量地震臺網運行質量的重要指標。為更好地了解中國測震臺網現有地震監測能力，利用166 個國家臺站和1 289 個區域臺站的觀測波形數據和目錄數據進行研究，運用常規的理論地震監測能力、實際地震監測能力、理論監測延時等地震監測能力評估方法，對中國測震臺網地震監測能力加以分析，對中國測震臺網的整體地震監測能力進行初步評估。此外，估算了地震震級監測下限最小和地震檢測時間最短的北京地區的理論地震定位能力。結果顯示，中國測震臺網地震監測能力在空間上差異較大。我國中部地區可監測的震級下限較低，臺站分布稀疏的青藏高原西部、新疆東南部和內蒙古北部邊界地區等可監測的震級下限較高。臺站分布較為密集的華北、華南地區理論檢測延時較短，臺站分布稀疏地區理論檢測時間較長，如西藏北部和新疆東南部等地區，說明應該加強青藏高原和邊境地區監測能力。

高質量的中國測震臺網長期平穩有序運行，是提供有價值的地震科學數據的重要保障，也是地震學開展研究的重要基礎。隨著青藏高原地震監測能力提升項目和國家地震烈度速報與預警工程項目的實施，地震監測的技術水平將不斷提高，地震監測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算方面的指導和幫助。