長清M4.1地震應急流動觀測臺的組建與評估

吳 雙，李樹鵬，胡旭輝，王 良

（山東省地震局，山東 濟南 250000）

“十三五”項目建設完成后，山東省內已建成布局基本合理的數字化測震觀測系統，該系統可以滿足日常地震速報工作的要求，但對微震事件或局部地區的非天然地震事件的監控能力仍顯不足。在較大地震發生后，對余震活動進行有效跟蹤監測是地震應急工作的首要任務。但往往因為臺站的密度不夠，無法準確定位余震，在一定程度上影響到震后趨勢判斷，而應急流動臺的架設就可以有效地彌補局部地區監測能力不足，從而提高地震定位精度（張清等，2019）。

1 地震流動觀測啟動工作

根據中國地震臺網測定，2020年2月18日17時7分在山東省濟南市長清區（36.47°N，116.64°E）發生了M4.1地震，震源深度10 km。震中距平陰縣城26 km，距肥城市區34 km，距濟南市區41 km。按照地震應急響應工作安排，山東省地震局出動現場流動監測隊，負責在震區架設流動臺，對余震活動進行監測。根據中國地震局學科管理相關要求，地震計、數據采集器、通信設備、供電設備等均要做好檢測工作，包括備用儀器、電纜等均要存放于應急庫房，以備不時之需。

2 流動臺的組建

2.1 組網

流動臺的布設是應急流動觀測的重要環節，根據以往經驗，流動觀測臺站應圍繞地震震中布設，而且流動臺和現有固定臺要合理的對震中形成包圍分布，同時還需要考慮地震構造帶的走向、地震破裂方向和震中遷移情況（張璐等，2019）。根據長清地震震中位置，同時考慮到流動臺臺址應避開陡坡、風口、局部地形起伏變化大的地點以及可能影響觀測的震動源，經過對震中現場的勘察，選定了賈莊（LJIN）、小屯（L3704）、顧小莊（L3705）、五峰山（L3706）4個環境噪聲低、儀器能安全運行、通信供電條件良好的觀測點架設流動臺，加上長清（CHQ）固定臺，本次地震固定臺和流動臺聯合組網的流動監測臺網完成，可以較好地包圍余震活動區（謝江濤等，2019）。濟南長清4.1級地震應急流動觀測聯合組網臺站的空間分布如圖1，各應急流動觀測臺站的具體信息如表1。

圖1 濟南長清M4.1地震流動臺組網分布圖

表1 濟南長清M4.1地震應急流動臺信息表

2.2 系統調試

地震計、數據采集器的參數配置和性能檢測決定了流動臺在數據處理中的有效性。流動臺架設完成后，工作人員對其進行參數配置，確認流動臺授時正確，并進行正弦、脈沖標定，測試地震計性能是否良好，且流動臺采樣率一般設為100 sps。4個流動臺地震計正弦標定、脈沖標定如圖2。4個流動臺正弦標定和脈沖標定結果如表2，結果顯示4個流動臺工作狀態均正常。表2中觀測系統靈敏度計算公式為：觀測系統靈敏度＝地震計電壓靈敏度/數采轉換因子。以L3704流動臺垂直向為例進行計算，采集電壓為±10 V，地震數據采集器轉換因子為74.5 nV/Count，地震計垂直向電壓靈敏度為999.01 V·s/m，通過公式計算得出L3704流動臺垂直向的觀測靈敏度為13 409.53 Count·s/μm。

圖2 流動臺正弦標定和脈沖曲線圖

表2 4個流動臺的標定結果

3 流動臺的噪聲水平分析

噪聲水平是衡量地震臺站觀測環境質量的指標，也是衡量地震臺站觀測的地震波形數據質量的重要因素（王松等，2016）。地震流動臺網架設主要目的是監測余震活動情況，為后續震情跟蹤、震情趨勢分析和斷層分析等提供有力的數據。為此流動臺架設完成后，對臺基的噪聲水平分析就變得非常重要。本文采用Welch方法計算樣本數據的加速度功率譜密度評估臺基環境地動噪聲水平（張宇等，2013）。隨機選取無地震事件6 h時間段原始數據作為計算樣本，計算4個流動臺的臺基噪聲，各臺的噪聲功率譜密度曲線圖如圖3、圖4。

圖3 L3704小屯（左）和L3705顧小莊（右）流動臺臺基噪聲功率譜密度曲線

圖4 L3706五峰山（左）和LJIN賈莊（右）流動臺臺基噪聲功率譜密度曲線

從流動臺臺基噪聲功率譜密度曲線圖可以看出：（1）小屯和賈莊兩個流動臺均使用短周期地震計，兩個臺站分別在2 s～50 Hz和2 s～60 Hz頻帶范圍內的高頻段臺基噪聲要高于NHNM曲線，說明臺站附近可能存在固定干擾源，也可能與流動臺當地地質構造有關（侯頡等，2019）。（2）顧小莊和五峰山兩個流動臺臺基噪聲在60 s～80 Hz頻帶范圍內曲線大致正常，水平向在低頻段稍高于NHNM曲線，造成這種情況可能為附近環境干擾，如風、大氣流動等。另外，顧小莊流動臺部分時段在高頻段臺基噪聲較高，可能是流動臺存在不定時外界人為干擾。4個流動臺臺基倍頻程1～20 Hz頻帶范圍內環境地動噪聲水平值如表3。

表3 流動臺臺基噪聲平均RMS值

4 流動臺的運行狀況

4個流動臺從2月18日架設完成至3月23日撤臺一直運行良好，運行率均在99.86%以上，各臺站運行率情況如表4。

表4 4個流動臺的運行率統計

截至2020年3月5日，流動臺運行期間共記錄到余震事件34次。其中，M3.0～M3.9余震1次，M2.0～M2.9余震1次，M1.0～M1.9余震3次，M1.0以下余震29次（包含一個單臺不可定位事件）。記錄到震級最大的余震為2020年2月20日4時44分的長清M3.1（36.46°N，116.63°E）地震，震源深度8 km。流動臺記錄到的地震波形如圖5、圖6。

圖5 L3704小屯（左）和L3705顧小莊（右）地震波形

圖6 L3706五峰山（左）和LJIN賈莊（右）地震波形

5 結論

流動臺的架設可以實現對震區有效覆蓋，提升震區余震活動的監測能力。通過對流動臺脈沖和正弦標定測試，驗證流動臺設備性能良好；通過對流動臺臺基噪聲數據樣本功率譜密度分析，獲得各流動臺臺基地動噪聲功率譜密度曲線和臺基倍頻程1～20 Hz頻帶范圍內環境地動噪聲水平值，垂直向最優可達到2.44645e-7m/s。科學合理的流動臺布設獲取了長清M4.1地震大量的余震記錄，精確的余震定位為震后余震活動、震后趨勢判斷及區域地質構造的分析均提供了有效的基礎資料。