林建生，張有明，陳俊峰，謝文杰，施關(guān)榮，何星源

(福建省地震局泉州基準地震臺，福建 泉州 362000)

泉州地震臺數(shù)字地震儀的監(jiān)測能力分析

林建生，張有明，陳俊峰，謝文杰，施關(guān)榮，何星源

(福建省地震局泉州基準地震臺，福建 泉州 362000)

為了解泉州臺數(shù)字地震儀對全球地震的監(jiān)測能力，利用目前各類仿真記錄的震級計算公式及近年泉州臺臺基的地動噪聲有效值，結(jié)合各區(qū)域震相識別經(jīng)驗等設(shè)定了可檢測地震的首至P波震相振幅、S波和面波的最大振幅與臺基地動噪聲有效值的比值，并分別計算和分析了泉州臺甚寬頻帶數(shù)字地震儀仿短周期 （DD-1儀）記錄的近震監(jiān)測能力、仿中長周期（DK-1儀）記錄的遠震監(jiān)測能力及仿長周期 （763儀）記錄的遠震和極遠震監(jiān)測能力。結(jié)果表明在100 km、1 000 km、130°和全球范圍內(nèi)，一般可分別可監(jiān)測到ML1.5級、ML3.7級、MS6.1級和MS76.1級的地震。有關(guān)研究結(jié)果對尋求提高泉州臺測震觀測質(zhì)量的技術(shù)途徑等方面具有實際的意義。

地震監(jiān)測；地動噪聲有效值；甚寬頻帶數(shù)字地震儀；泉州臺

引言

泉州地震臺位于泉州市北門外，測震屬國家Ⅰ類臺，臺基為花崗巖，海拔高程21m。目前測震采用的CTS1-EDASC24速度型甚寬頻帶數(shù)字地震儀，自1999年9月連續(xù)運行以來已積累了大量的地震事件波形數(shù)據(jù)。為了解在近年城市建設(shè)及臺址周邊環(huán)境可能產(chǎn)生的地動噪聲影響下，泉州臺現(xiàn)行測震觀測系統(tǒng)對全球地震的監(jiān)測能力，作者在中國地震局地震監(jiān)測、預報、科研三結(jié)合課題 “泉州地震臺數(shù)字地震儀監(jiān)測能力和質(zhì)量分析的綜合研究”中，開展了與此有關(guān)的研究工作，本文為其中地震監(jiān)測能力分析的部分研究結(jié)果。

1 國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

地震觀測已發(fā)展到以數(shù)字記錄為特征的新階段，因此國內(nèi)許多專家學者已由原來對模擬地震記錄的研究轉(zhuǎn)向?qū)?shù)字地震記錄的研究工作。目前國內(nèi)在臺網(wǎng)或臺站的地震監(jiān)測能力方面的部分研究為：洪星等[1]1999年研究了福建省數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)監(jiān)控范圍的估算，并用S波幅度與噪聲背景值的比較方法來確定臺網(wǎng)的近震監(jiān)控范圍；李廣平等[2]2001年研究了遼寧遙測數(shù)字地震臺網(wǎng)的實際監(jiān)控能力，得出以近震S波最大幅度為平均地動噪聲水平6倍作為近震最低觀測下限；郝春月等[3]2006年研究了中國數(shù)字地震臺網(wǎng) （CDSN）和IMS/PS臺陣的監(jiān)測定位能力評估并以遠震P震相的振幅是背景噪聲振幅的兩倍，面波振幅為P震相的8倍 （MS6.5級以上乘以10倍），來計算CDSN對遠震的監(jiān)測能力；許康生等[4]2003年研究了高臺地震臺的監(jiān)測能力估計，以最大位移的全振幅為6 mm作為單臺近震、遠震和極遠震監(jiān)控能力的評價指標。從目前的研究現(xiàn)狀可知，多數(shù)論文及課題主要集中在臺網(wǎng)方面的研究，然而近年一些臺站以提高本臺觀測質(zhì)量為目標的相關(guān)研究工作正在形成和取得一批有實用價值的科研成果，并正在為完善臺站監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)和提高臺站科研水平發(fā)揮重要作用。

2 泉州臺數(shù)字地震儀監(jiān)測能力的分析

單臺監(jiān)測能力是指主要記錄震相可以被辨認必須達到的震級下限及其不能超出的地理范圍，目前尚無計算地震臺站監(jiān)控能力的統(tǒng)一約定，但一般其基本假設(shè)與下列影響因素有關(guān):如臺基的背景噪聲有效值及所測定時段、儀器的靈敏度及動態(tài)范圍、可檢測地震的最大振幅幅值與臺基地動噪聲有效值的比值，以及地動最大幅值相應周期與震中距或震級的關(guān)系等因素有關(guān)。本章利用目前采用的震級計算公式及由泉州臺甚寬頻帶數(shù)字地震儀記錄資料計算獲取的臺基地動噪聲有效值，結(jié)合理論與看圖實踐經(jīng)驗設(shè)定可檢測地震的最大振幅幅值與臺基地動噪聲有效值的比值，對泉州臺數(shù)字地震儀的地震監(jiān)測能力進行基本估計。

2.1 震級參數(shù)的測定

2.1.1 近震震級的測定

臺站近震震級使用仿真短周期位移記錄 （DD-1或伍得安德森）的S波 （或Lg）的最大振幅來測定。其計算公式為[5]：

式中：Aμ單位為μm，AN、AE分別為南北向 （NS）和東西向 （EW）S波 （或Lg）的最大振幅（峰-峰值振幅/2）；V（T）N和V（T）E分別為南北向和東西向相應周期的折合放大倍數(shù)，兩水平分向最大振幅不一定同時到達，振幅大于干擾水平的2倍才予測定；R（Δ）為量規(guī)函數(shù)。

據(jù)最大地動位移振幅A與最大地動速度振幅的關(guān)系A(chǔ)=Vmax·T/2π、ω=2πf，則式 (1)的震級計算公式可轉(zhuǎn)換為最大速度量的形式：

式中：VN、VE分別為南北向和東西向最大速度振幅值，單位為μm/s；TN、TE分別為南北向和東西向最大速度振幅的周期值，單位為s。

2.1.2 面波震級的測定

采用仿真中長周期地震記錄 （SK）的面波質(zhì)點S波 （或Lg）的最大速度振幅來測定淺源地震 （h≦80 km）面波震級MS的計算公式為［5］:

式中A為兩水平向，同一時刻地震面波地動位移的矢量和，以μm為單位；T為相應周期，以s為單位，取A/T的最大值；σ（Δ）=1.66lg（Δ）+3.5，當1°＜Δ＜130°時，Δ為震中距，以度為單位；式中第一式可由劉瑞豐等 （1996）［6］給出得的關(guān)系式獲得:

式中Vmax為同一時刻地震面波地動速度的矢量和，以μm/s為單位。

采用仿763長周期地震記錄，垂直向 （UD）的瑞利波質(zhì)點運動速度最大值測定震級MS7的計算公式為［5］:

式中第一項可由式 （5）獲得，其中A7為仿763長周期地震記錄瑞利波垂直向最大振幅，T為相應周期，單位為s，取A/T最大值；σ763（Δ）為長周期地震儀面波量規(guī)函數(shù)，當3°＜Δ＜177°時，可由地震觀測規(guī)范［5］獲得。

2.2 監(jiān)測能力的估計

2.2.1 采用仿真短周期位移記錄 （DD－1）的近震監(jiān)測能力的估計

計算臺站近震監(jiān)測能力有多種方法，本文采用以可清晰分辨震相的記錄幅值與地脈動記錄幅值的比值為標準，并以臺基地動噪聲水平與實際記錄設(shè)定相應比值標準，根據(jù)比值標準可獲取S波最大振幅，再根據(jù)震級公式及最大振幅的相應周期反推單臺控制距離。

目前一般認為S波最大振幅為平均地動噪聲水平的4～6倍，系統(tǒng)對地震事件的檢測和對初至震相的識別毫無問題［7］，結(jié)合泉州臺的實際資料分析，當ML≤2.5級時，取S波最大振幅為平均地動噪聲水平的4倍，當ML＞2.5級時，取S波最大振幅為平均地動噪聲水平的6倍進行計算。表1為泉州地震臺2008年全年臺基地動噪聲有效值。

表1 泉州臺1～20 Hz全年平均地動噪聲有效值Table 1 The annual mean value of effective ground noise with bandwidth 1～20 Hz at QZH station

目前測定近震的ML震級公式是由里克特 （G.F.Richter）1935年在研究美國加利福尼亞地震時首先提出的，其定義為[8]：

式中A為水平兩分向最大記錄振幅的平均值；A*為某一標準震級 （零級）的地震記錄振幅，零級地震的規(guī)定用伍德－安德森（wood－Anderson）式標準地震儀 （靜態(tài)放大倍數(shù)2 800，周期0.8 s，阻尼系數(shù)0.8），把震中距為100 km處的地震圖上能記下水平兩分向的最大振幅平均值為1 μm的地震作為零級地震。我國的近震震級測定公式 （式1）是通過把我國現(xiàn)用儀器的記錄振幅換算成標準地震儀 （W－A）的最大振幅而獲得的適合于我國地震儀的震級公式[9]，為考慮式（3）中最大振幅相應周期與震中距的關(guān)系，對泉州臺近震范圍 （Δ＜1 000km）內(nèi)CTS1－EDASC24速度型甚寬頻帶數(shù)字地震儀歷年地震記錄進行統(tǒng)計分析，可得表2歸類結(jié)果。

表2 泉州臺近震范圍(Δ＜1 000 km)最大振幅相應周期與震中距的關(guān)系Table 2 The relationship between the corresponding period of maximum amplitude and the epicentral distance in near earthquake area(Δ＜1 000 km)at QZH station

為獲得泉州臺甚寬頻帶數(shù)字地震儀采用仿真短周期 （DD－1儀）記錄近震范圍相應震級的地震最大可監(jiān)測范圍，并使其監(jiān)測能力的測定更為合理，采用了將上述設(shè)定條件帶入式（3）進行計算并與實際觀測資料的測定結(jié)果相結(jié)合的分析方法可獲得表3的相應結(jié)果。

表3 采用仿真短周期(DD-1儀)記錄的地震監(jiān)測能力Table 3 Earthquake monitoring capability by using simulation short-period(DD-1 seismograph)record

如果以泉州臺為中心，表3中不同震級對應的監(jiān)測距離為半徑作圓，則可得圖1（a）的近震監(jiān)測能力分布圖，圖1中各圖同心圓的各條曲線表示不同震級所能監(jiān)測的震中距離。由表3與圖1（a）可見，泉州臺數(shù)字地震儀的觀測系統(tǒng)采用仿真短周期 （DD－1儀）記錄的監(jiān)測能力為：當ML≥1.5級可監(jiān)測到泉州周邊及其沿海地區(qū)的所有地方震；當ML≥2.5級可監(jiān)測到福建省及其沿海和臺灣海峽大部分地區(qū)的近震；當ML≥3.0級可監(jiān)測到福建鄰省的部分地區(qū)、臺灣及其沿海的大部分地區(qū)的近震；當ML≥3.7級可監(jiān)測到華南及華東部分地區(qū)、釣魚島、琉球群島南段、巴士海峽等地的所有近震。

2.2.2 采用仿中長周期 （DK－1儀）及仿763儀長周期記錄的遠震和極遠震監(jiān)測能力的估計

對泉州臺淺源震的遠震和極遠震的地震記錄資料進行統(tǒng)計分析與驗證可得出，當P震相振幅是臺基地動噪聲有效值的2倍，而面波最大振幅是P震相振幅的6倍時，即面波最大振幅是臺基地動噪聲水平的12倍時，系統(tǒng)一般可對地震事件的進行檢測和對初至震相進行識別，因此以面波最大振幅是臺基地動噪聲水平的12倍作為控制指標，其中式（4）的臺基地噪聲水平取三分向全年平均值，式 （6）的臺基地動噪聲水平取UD向全年平均值，由此由式 （4）、 式（5）可得表 4， 由式（6）、 式（5）可得表5。

表4 采用仿真中長周期(DK-1儀)記錄的地震監(jiān)測能力Table 4 Earthquake monitoring capability by using simulation medium-long period(DK-1 seismograph)record

表5 采用仿真763儀長周期記錄的地震監(jiān)測能力Table 5 Earthquake monitoring capability by using simulation long period(763 seismograph)record

圖1 泉州地震臺甚寬頻帶數(shù)字地震儀的地震監(jiān)測能力Fig.1 Earthquake monitoring capability of super broadband digital seismograph at QZH station

如果在地球表面的平面投影圖中以泉州臺為中心，并以表4和表5中不同震級對應的監(jiān)測距離為半徑作圓，則當Δ≤90°時可得圖1（b左圖）、圖1（c左圖）的監(jiān)測能力分布圖；而當Δ＞90°時，則以泉州臺在西半球南緯位置的投影點為中心 （即將泉州臺地理坐標的北緯改為南緯，東經(jīng)改為西經(jīng)并用180°－泉州臺的經(jīng)度值），表4和表5中不同震級對應的監(jiān)測距離 （用180°－Δ°）為半徑作圓，則可得圖1（b右圖）、圖1（c右圖）的監(jiān)測能力分布圖。如果綜合表4、表5及圖1（b）、圖1（c），則可得Δ≤90°和Δ＞90°時泉州臺數(shù)字地震儀的觀測系統(tǒng)綜合遠震與極遠震的地震監(jiān)測能力圖1（d左圖），圖1（d右圖）。由上述結(jié)果可得如下基本認識：

（1）采用仿真中長周期 （DK－1儀）記錄的地震監(jiān)測能力為 （表4、圖1（b））：當MS≥3.5級可監(jiān)測到福建省及其沿海、臺灣海峽和臺灣陸域大部分地區(qū)的地震；當MS≥4.0級可監(jiān)測到福建鄰省的部分地區(qū)及臺灣以東海域的先島群島、巴坦群島等地的地震；當MS≥5.5級，國內(nèi)可監(jiān)測到大部分地區(qū)的遠震，國外可監(jiān)測到與中國相鄰的日本、菲律賓等地附近海域，印尼至新西蘭海域，東南亞的中南半島，南亞的印度和巴基斯坦等地部分地區(qū)的遠震；當MS≥6.1級可監(jiān)測到歐洲、非洲、北美洲美國等地的遠震。

（2）采用仿真763儀長周期記錄的地震監(jiān)測能力為 （表5、圖1（c））：當MS7≥4.0級，國內(nèi)可監(jiān)測到福建鄰省的部分地區(qū)及臺灣以東海域等地的地震；當對MS7≥5.0級，國內(nèi)一般可監(jiān)測到除新疆、西藏等部分地區(qū)以外的遠震，國外可監(jiān)測到與中國相鄰的日本、菲律賓等地附近海域的部分地區(qū)及與中國相鄰的東南亞中南半島等地的遠震；當MS7≥6.0級一般可監(jiān)測到除中美洲部分地區(qū)和南美洲以外大部分地區(qū)的極遠震；當MS7≥6.1級時一般可監(jiān)測中美洲、南美洲等地的極遠震。

（3）泉州臺數(shù)字地震儀的觀測系統(tǒng)綜合遠震和極遠震的地震監(jiān)測能力為 （表4、表5與圖1（d））：當MS7≥4.5級，仿763儀記錄的地震可監(jiān)測范圍明顯大于仿DK－1儀記錄；當MS或MS7≥6.1級，一般可監(jiān)測到全球的遠震或極遠震。

3 結(jié)語

通過對泉州臺甚寬頻帶數(shù)字地震儀的地震監(jiān)測能力的分析，可得如下基本結(jié)論：

（1）采用仿真短周期 （DD－1儀）記錄一般可監(jiān)測到100 km范圍內(nèi)ML1.5級地震和1 000 km范圍內(nèi)ML3.7級地震；

（2）采用仿真中長周期 （DK－1儀）記錄一般可監(jiān)測到130°范圍內(nèi)MS6.1級地震；

（3）采用仿真763儀長周期記錄一般可監(jiān)測到MS76.1級全球地震；

（4）當MS7≥4.5級，仿763儀記錄的地震可監(jiān)測范圍明顯大于仿DK－1儀記錄；

（5） 陸域與海域的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，同一震級下海域地震監(jiān)測能力一般優(yōu)于陸域，由于本文主要對臺站的監(jiān)測能力做一般估計，因此不考慮這種影響因素。

上述有關(guān)研究結(jié)果為了解泉州臺對全球地震的監(jiān)測能力，及有針對性地尋求提高泉州臺測震觀測質(zhì)量的技術(shù)途徑等方面都具有一定的現(xiàn)實意義和實際的應用價值。

［1］洪星,江燕.福建省數(shù)字遙測臺網(wǎng)監(jiān)控范圍的估算 ［J］.地殼形變與地震,1999,19(Z1)：204-208.

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Abstract：To know the global earthquake monitoring capabilities of digital seismograph at QZH station,using magnitude formula of the current various simulation records and the effective values of ground noise of digital seismic site at QZH station in recent years,and combing with experience of regional seismic phase identification etc,we set the ratio of the amplitudes of the first arrival P wave seismic phase,the maximum amplitude of S wave and surface wave,and the effective values of site ground noise,and respectively calculate and analyze near earthquake monitoring capability of simulate short-period（DD-1 seismograph）record,teleseismic monitoring capability of the simulation middle-long period（DK-1 seismograph）record and teleseismic to very distant earthquake monitoring capability of the simulation long period（763 seismograph）record by the very broadband digital seismograph at QZH station.In the range of 100 km,1 000 km,130°and the globe,it can monitor the earthquake of ML1.5,ML3.7,MS6.1 and MS7, respectively.The research results have practical significance to seek and improve the quality of seismic observations at QZH station.

Keywords：Earthquake monitoring；Effective value of ground noise；Super broadband digital seismograph；Quanzhou station

Analysis on Earthquake Monitoring Capability of Digital Seismographs at Quanzhou Seismic Station

LIN Jiansheng，ZHANG Youming，CHEN Junfeng，XIE Wenjie，SHI Guanrong，HE Xingyuan
(Quanzhou Basic Seismic Station of Earthquake Administration of Fujian Province,Quanzhou 362000,China)

P315.78

A

1001-8662（2010）04-0010-07

2010-08-08

中國地震局三結(jié)合課題資助項目

林建生，男，1953年生，高級工程師.主要從事地震監(jiān)測和地震工程方面研究. E-mail：fjlinjiansheng＠126.com