李志海 蔣長(zhǎng)勝 黃 瑜 王寶柱

1）中國(guó)烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

新疆地區(qū)地震目錄最小完整性震級(jí)和臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局研究

李志海1）蔣長(zhǎng)勝2），黃 瑜1）王寶柱1）

1）中國(guó)烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

地震目錄的最小完整性震級(jí)Mc是地震學(xué)中最基礎(chǔ)、最重要的研究?jī)?nèi)容之一，也是地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)效能評(píng)估的關(guān)鍵.本文對(duì)構(gòu)造活動(dòng)劇烈、地震活動(dòng)水平高、臺(tái)站地理分布復(fù)雜的新疆地區(qū)開(kāi)展Mc研究，試圖為該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性評(píng)估和臺(tái)站科學(xué)布局等研究提供參考資料.基于新疆地震臺(tái)網(wǎng)發(fā)展的5個(gè)階段劃分，采用基于G－R關(guān)系的交互式分析方法，研究了Mc的空間分布特征；采用多參數(shù)方法研究了分區(qū)的Mc時(shí)間演化特征.結(jié)果表明，新疆地區(qū)Mc的空間分布存在較大的非均勻性，天山地區(qū)監(jiān)測(cè)能力較好，西昆侖地震帶等地區(qū)相對(duì)較低.對(duì)于地震臺(tái)網(wǎng)的不同發(fā)展階段，尤其是“十五”數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行以來(lái)，天山地震帶、阿爾泰地震帶Mc可達(dá)ML1.5—2.0，臺(tái)站相對(duì)稀疏的西昆侖地震帶北段可控制在ML2.0左右.此外，利用新疆地區(qū)1988年以來(lái)的經(jīng)過(guò)數(shù)字化整理的地震觀測(cè)報(bào)告，考察了Mc與震中距和臺(tái)站張角的關(guān)系，討論了臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局和提升地震監(jiān)測(cè)能力的科學(xué)途徑.結(jié)果表明，通過(guò)增加近臺(tái)數(shù)量和臺(tái)站－事件張角上的密度，仍是提升新疆地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力的有效途徑.

最小完整性震級(jí) 地震監(jiān)測(cè)效能 震級(jí)－頻度分布

引言

由于地震臺(tái)站空間分布的非均勻性，以及震相數(shù)據(jù)信噪比的時(shí)空復(fù)雜變化和定位過(guò)程中觀測(cè)數(shù)據(jù)使用的人為選擇性等各種因素，即使“最好的”地震目錄也存在監(jiān)測(cè)能力的非均勻性和不一致性（Woessner，Wiemer，2005）.最小完整性震級(jí)Mc的一個(gè)微小變化，例如ΔMc＝0.1時(shí)，引起地震數(shù)目的變化可能達(dá)到（在b＝1的情況）25%；如果ΔMc＝0.3時(shí)，引起地震數(shù)目的變化則可能達(dá)50%.對(duì)Mc的科學(xué)評(píng)估，是大多數(shù)地震活動(dòng)和地震危險(xiǎn)性分析中最關(guān)鍵的因素之一.例如，根據(jù)地震發(fā)生率的瞬態(tài)變化研究與應(yīng)力、應(yīng)變的相關(guān)聯(lián)的地震靜態(tài)和動(dòng)態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象（Gombergetal，2001；Stein，1999），地震定標(biāo)率研究（Knopoff，2000；Main，2000），時(shí)間相依的地震危險(xiǎn)性分析（Wiemer，Wyss，2000），以及余震序列研究（Enescu，Ito，2002；Woessneretal，2004）等等.

此外，Mc也是衡量地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力、進(jìn)行科學(xué)布局的重要指標(biāo).盡管現(xiàn)在已有利用已知的地震事件（例如核試驗(yàn)或人工爆破）對(duì)臺(tái)網(wǎng)定位結(jié)果進(jìn)行“標(biāo)定”（郭飆等，2002），不同臺(tái)網(wǎng)定位結(jié)果的對(duì)比（Wüsteretal，2000；孟玉梅等，2001），使用統(tǒng)計(jì)算法評(píng)價(jià)其“優(yōu)化”的程度（Rabinowitz，Steinberg，1990；Doufexopoulou，Korakitis，1992；Bartaletal，2000），以及利用重復(fù)地震的分布和間距小于1km的假定描述監(jiān)測(cè)能力空間分布（蔣長(zhǎng)勝等，2008）等等.但一方面，由于“標(biāo)定”事件位置固定、覆蓋范圍有限，臺(tái)網(wǎng)比對(duì)和統(tǒng)計(jì)算法無(wú)法給出監(jiān)測(cè)水平的小尺度空間非均勻性，重復(fù)地震方法依賴于重復(fù)地震事件的分布等等所限，難以全面客觀地給出整個(gè)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的地震監(jiān)測(cè)效能的評(píng)估；另一方面，隨著地震觀測(cè)系統(tǒng)的不斷發(fā)展和監(jiān)測(cè)效能的提高，模擬到數(shù)字、臺(tái)站分布密集程度提高等多階段跨越式發(fā)展所帶來(lái)監(jiān)測(cè)效能時(shí)空分布的非協(xié)調(diào)性顯著，而數(shù)字地震觀測(cè)歷史有限，上述各種方法也難于描述這種監(jiān)測(cè)效能的長(zhǎng)期變遷歷史.因此，基于震級(jí)－頻度分布、滿足古登堡－里克特（G－R）關(guān)系計(jì)算Mc的統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法仍是解決上述問(wèn)題的最有效途徑.

新疆尤其是南北天山地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、地震活動(dòng)水平高，地震觀測(cè)歷史悠久，是我國(guó)最主要的地震活動(dòng)區(qū).自20世紀(jì)70年代開(kāi)始現(xiàn)代地震觀測(cè)以來(lái)，尤其是2007年“十五數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目的完成，地震觀測(cè)系統(tǒng)得到長(zhǎng)足發(fā)展.全面、客觀地開(kāi)展新疆地區(qū)有現(xiàn)代地震觀測(cè)歷史以來(lái)的Mc研究，是進(jìn)一步提高該地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力和進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析的重要基礎(chǔ).本研究將采用基于震級(jí)－頻度分布和G－R關(guān)系的交互式分析方法，研究該地區(qū)1970年以來(lái)Mc時(shí)空分布特征，采用“最大曲率”（maximum curvature－method，簡(jiǎn)寫為MAXC）方法和擬合度分別為90%和95%的擬合優(yōu)度（goodness－if－fit test，簡(jiǎn)寫為GFT）方法分析分區(qū)的Mc時(shí)間演化，為地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局和地震監(jiān)測(cè)能力的提高提供科學(xué)參考.

1 研究方法

基于地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)的Mc計(jì)算方法大體上可分為兩類：一類是假定震級(jí)不小于Mc的地震在震級(jí)－頻度分布上滿足G－R關(guān)系（Gutenberg，Richter，1944），即

并認(rèn)為這些地震的記錄是完整的（Wiemer，Wyss，2000；Cao，Gao，2002；Marsan，2003；Woessner，Wiemer，2005；Amorèse，2007）.上式中，N是≥M的累積地震數(shù)，a和b為常數(shù)，當(dāng)震級(jí)－頻度分布中能夠最好地滿足G－R關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)的最小起始震級(jí)即為Mc.就具體方法而言，根據(jù)確定最小起始震級(jí)的方法不同，現(xiàn)有方法包括“完整性震級(jí)范圍”（entiremagnitude－range，簡(jiǎn)寫為EMR）方法（Woessner，Wiemer，2005），“最大曲率”MAXC方法，以及擬合度分別為90%和95%的GFT方法（Wiemer，Wyss，2000）等.

另一類是“基于概率的完整性震級(jí)”（probability－based magnitude of completeness，簡(jiǎn)寫為PMC）方法（Schorlemmer，Woessner，2008）.該方法基于區(qū)域地震震級(jí)定義和震相觀測(cè)報(bào)告，計(jì)算每個(gè)臺(tái)站對(duì)全部地震在時(shí)空上的檢測(cè)能力，給出概率表示的震級(jí)Mp的空間分布.由于PMC方法對(duì)觀測(cè)資料、臺(tái)站布設(shè)歷史、采用的震級(jí)－距離衰減關(guān)系等要求較高，操作上具有一定難度（Nanjoetal，2010），因此本文將采用基于G－R關(guān)系的統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法進(jìn)行研究.

在基于G－R關(guān)系的統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法中，前人更多關(guān)注最小起始震級(jí)的確定，在高震級(jí)端則考慮不多.實(shí)際上，由于數(shù)據(jù)有限，在例如Mc空間分布特征等研究中，觀測(cè)到的地震震級(jí)－頻度分布往往會(huì)在高震級(jí)段出現(xiàn)對(duì)G－R線性關(guān)系的偏離，對(duì)Mc的確定產(chǎn)生影響.這種高震級(jí)端相對(duì)G－R關(guān)系擬合結(jié)果偏少和偏多的情況分別對(duì)應(yīng)地震的亞臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)（Main，1996）.因此，不但需要對(duì)網(wǎng)格化空間格點(diǎn)逐一核對(duì)震級(jí)－頻度的分布、G－R關(guān)系擬合情況，還需考慮震級(jí)上限的合理選取問(wèn)題.為此，本研究采用了基于G－R關(guān)系的交互式分析方法.其具體步驟如下：

1）在給定時(shí)空范圍內(nèi)對(duì)震級(jí)－頻度分布進(jìn)行線性最小二乘擬合，采用交互式操作，選定初始的完整性震級(jí)上限Mmax0和下限Mmin0.

2）分別在高于和低于Mmax0和Mmin0增選5個(gè)震級(jí)檔，兩兩組合限定震級(jí)－頻度分布范圍，并進(jìn)行最小二乘擬合，計(jì)算各種組合對(duì)應(yīng)的擬合均方根殘差RMS.

3）選擇RMS最小值對(duì)應(yīng)的最小完整性震級(jí)上限Mmax1和下限Mmin1，此時(shí)Mc＝Mmin1.此外，在分區(qū)的Mc時(shí)間演化特征研究中，由于各構(gòu)造分區(qū)的空間限制小、地震數(shù)據(jù)相對(duì)較多，研究中同時(shí)使用了“最大曲率”MAXC方法和擬合度分別為90%和95%的GFT方法.其中MAXC方法是將震級(jí)－頻度分布曲線的一階導(dǎo)數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的震級(jí)作為Mc，而GFT方法是通過(guò)搜索實(shí)際和理論震級(jí)－頻度分布下的擬合度百分比來(lái)確定Mc.由于同時(shí)采用90%和95%的擬合度GFT方法，這里分別稱為GFT－95%和GFT－90%以示區(qū)別.通過(guò)設(shè)定優(yōu)先級(jí)為GFT－95%＞GFT－90%＞MAXC，選取可計(jì)算且優(yōu)先級(jí)高的Mc結(jié)果作為最終結(jié)果.該方法這里被稱為多參數(shù)方法.

2 觀測(cè)資料和研究區(qū)

2.1 新疆地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)

隨著1970年9月新疆地震隊(duì)的成立，新疆地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段（朱令人等，2002），固定臺(tái)站從1970年的2個(gè)發(fā)展到2009年的63個(gè).圖1給出了新疆地區(qū)1970年以來(lái)固定地震觀測(cè)臺(tái)站數(shù)量和地震年發(fā)生率的時(shí)間變化.由圖1可見(jiàn)，年發(fā)生率隨著臺(tái)站數(shù)量的增加而增加，表明臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的提高與臺(tái)站數(shù)量增加有較大關(guān)系.但圖1中個(gè)別年份的年發(fā)生率仍存在較大起伏，可能與地震活動(dòng)水平的起伏有關(guān).例如1974年、1997年地震數(shù)量的大幅度增加與1974年巴里坤MS7.0地震，烏恰MS7.3地震，以及1997年伽師7次6級(jí)以上的強(qiáng)震群的發(fā)生有關(guān).

圖1 新疆地區(qū)1970年以來(lái)固定地震觀測(cè)臺(tái)站數(shù)量和地震年發(fā)生率的時(shí)間變化Fig.1 Temporal variation of seismic station number and annual earthquakes in Xinjiang region since 1970

由圖1可見(jiàn)，新疆地震臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展大致可分為5個(gè)發(fā)展階段：第一階段，1970—1977年快速發(fā)展階段，臺(tái)站由2個(gè)增加到17個(gè)，空間上主要集中分布在烏魯木齊附近和南天山中東段，如圖2a所示；第二階段，1978—1987年加密階段，臺(tái)站由20個(gè)增加到31個(gè)，該階段南、北天山地震帶的臺(tái)網(wǎng)得到了加密，如圖2b所示；第三階段，1988—2000年臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化階段，在國(guó)家地震局組織的“七五”、“八五”、“九五”臺(tái)網(wǎng)建設(shè)中，新疆地震臺(tái)網(wǎng)逐漸走向正規(guī)化，先后進(jìn)行了“北天山重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)”與“南天山重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)”的臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)，使得天山中東段地震監(jiān)測(cè)能力得到較大提高，如圖2c所示；第四階段，2001—2006年大規(guī)模數(shù)字化改造階段，模擬儀器逐漸被數(shù)字化儀器替代，監(jiān)測(cè)能力大大提高，如圖2d所示；第五階段，2007—2009年的數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化階段，由于“十五”地震臺(tái)網(wǎng)正式運(yùn)行，新疆臺(tái)網(wǎng)的布局方式得到優(yōu)化，定位精度得到明顯改善，如圖2e所示.

圖2 新疆各階段地震觀測(cè)臺(tái)站分布（a）1970—1977年；（b）1978—1987年；（c）1988—2000年；（d）2001—2006年；（e）2007—2009年Fig.2 Seismic stations for every development period in Xinjiang region（a）1970to 1977；（b）1978to 1987；（c）1988to 2000；（d）2001to 2006；（e）2007to 2009

2.2 新疆地區(qū)地震目錄和地震活動(dòng)分布

新疆區(qū)域地震目錄始自1970年，地震定位方式在1970年1月—1988年3月主要用手工交切方式，1988年4月以來(lái)開(kāi)始用計(jì)算機(jī)定位（王海濤等，2007），技術(shù)方法不同致使地震定位精度有所差異.地震目錄在震級(jí)上主要使用地方震震級(jí)ML，由于歷史原因都被轉(zhuǎn)成MS震級(jí)，轉(zhuǎn)換公式沿用了經(jīng)驗(yàn)公式①郭履燦.1971.華北地區(qū)的地方性震級(jí)ML和面波震級(jí)MS經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.全國(guó)地震工作會(huì)議資料：1－－10.：

該震級(jí)盡管為中國(guó)華北地區(qū)區(qū)域地震的經(jīng)驗(yàn)公式，但當(dāng)時(shí)在全國(guó)其它地區(qū)也兼用（國(guó)家地震局震害防御司，1990）.目前，地震目錄中1970—1989年部分僅存有轉(zhuǎn)換后的MS震級(jí)，1990年以來(lái)的地震目錄同時(shí)兼有ML與轉(zhuǎn)換的MS震級(jí).為便于計(jì)算、分析，本文使用公式（2）將地震目錄中1970—1989年的地震震級(jí)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成ML震級(jí)，并與1990年以來(lái)的地震目錄拼合后使用.對(duì)于Mc空間分布特征，本文以新疆維吾爾自治區(qū)省界以外50 km包圍區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū).此外，由于地震活動(dòng)分布和臺(tái)站布設(shè)的區(qū)域差異較大，本文還將考察不同區(qū)域的Mc時(shí)間變化特征，為地震臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局的分區(qū)策略研究提供參考.基于朱令人等（2002）利用地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃、地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)進(jìn)行的地震帶劃分，本文將新疆地區(qū)劃分為5個(gè)分區(qū)：阿爾泰地震帶、北天山地震帶、南天山地震帶、西昆侖地震帶和東昆侖—阿爾金地震帶，如圖3所示.

圖3 新疆地震密度分布和地震帶劃分Ⅰ.阿爾泰地震帶；Ⅱ.北天山地震帶；Ⅲ.南天山地震帶；Ⅳ.西昆侖地震帶；Ⅴ.東昆侖—阿爾金地震帶Fig.3 Earthquake density and seismic zones in Xinjiang regionⅠ.Altai seismic zone；Ⅱ.Northern Tianshan zone；Ⅲ.Southern Tianshan zone；Ⅳ.Western Kunlun zone；Ⅴ.Eastern Kunlun－－Aerjin zone

1970年1月—2009年12月，新疆及周圍50km范圍內(nèi)共記錄178 808次0級(jí)以上地震.其中ML0—0.9地震34 668次，ML1.0—1.9地震69 852次，ML2.0—2.9地震56 003次，ML3.0—3.9地震15 144次，ML4.0—4.9地震2 783次，ML5.0—5.9地震305次，ML6.0—6.9地震45次，ML7.0—7.9地震7次，ML8.0—8.9地震1次.從圖3給出的地震密度分布圖可見(jiàn)，天山地區(qū)地震發(fā)生率較高，其中烏魯木齊地區(qū)、博格達(dá)峰附近、普昌斷裂附近、烏恰地區(qū)地震密度最高.

3 最小完整性震級(jí)Mc的空間分布特征

為研究Mc的空間分布特征，采用0.2°×0.2°對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化，挑選以網(wǎng)格格點(diǎn)為圓心、半徑r＝40km范圍的地震進(jìn)行基于G－R關(guān)系的交互式分析方法計(jì)算.對(duì)地震數(shù)少于50次的網(wǎng)格不進(jìn)行計(jì)算.

圖4給出了基于G－R關(guān)系的交互式分析方法的示例（對(duì)應(yīng)39.00°N，77.00°E的網(wǎng)格點(diǎn)）.其中，圖4a為震級(jí)－頻度分布和Mmax0與Mmin0的確定示意圖，圖4b為各種Mmax0與Mmin0組合對(duì)應(yīng)的RMS分布.由圖4b可見(jiàn)，當(dāng)Mmin0＝ML1.3和Mmax0＝ML4.0時(shí)RMS有最小值，由此可判定Mc＝ML1.3.由圖還可看出，在小樣本事件的Mc分析中，如果不考慮高震級(jí)段Mmax0的選取，Mc的結(jié)果將存在較大差別（當(dāng)Mmax1固定為最大震級(jí)ML4.9時(shí)，Mc＝ML1.1）.

圖4 基于G－R關(guān)系的交互式分析方法示例（a）震級(jí)－頻度分布和Mmax0與Mmin0的設(shè)定；（b）RMS在Mmax0與Mmin0坐標(biāo)中的分布Fig.4 Demonstration of"alternation method"based on G－R relation（a）Magnitude－frequency relation and determination of Mmax0and Mmin0；（b）Distribution of RMS in coordinate of Mmax0versus Mmin0

圖5a給出了1970年以來(lái)新疆地區(qū)Mc的空間分布.由圖可見(jiàn)，Mc由南至北、由西至東逐漸減小，其中天山地震帶Mc最小，這與地震臺(tái)網(wǎng)分布的密度相一致.而臺(tái)站密度不高的阿爾泰地震帶Mc較小可能有兩部分原因：一是鄰近烏魯木齊地震臺(tái)網(wǎng)、監(jiān)測(cè)能力得到一定程度提高；二是該地區(qū)有很多大型煤礦，由于低信噪比情況下難于準(zhǔn)確分辨人工爆破與天然地震，部分小震級(jí)爆破可能被混入地震目錄致使Mc偏小.西昆侖Mc較大是與該地區(qū)臺(tái)網(wǎng)稀疏分布直接相關(guān).東昆侖—阿爾金地震帶由于地震活動(dòng)水平較低，可計(jì)算的空間網(wǎng)格點(diǎn)較少，且Mc最大，實(shí)際上該地區(qū)自1970—2007年一直未布設(shè)固定臺(tái)站，2008年以來(lái)僅新建3個(gè)地震臺(tái)站，監(jiān)測(cè)能力非常有限.

圖5b—f為不同時(shí)段新疆Mc的空間分布，各時(shí)段的劃分與圖2相一致.由圖可見(jiàn)，新疆地區(qū)Mc隨著時(shí)間推移逐漸減小，其中天山地震帶變化最為明顯.1970—1977年，天山中東段Mc在ML3.0左右，烏魯木齊地區(qū)可達(dá)ML2.5左右，這與單新建等（1996）研究結(jié)果相近；烏什附近Mc在ML2.5左右，與1971年該地區(qū)架設(shè)烏什固定臺(tái)和阿合其流動(dòng)臺(tái)有關(guān)；西昆侖地區(qū)Mc約為ML3.5左右，與該地區(qū)臺(tái)網(wǎng)非常稀疏相一致.1978—1987年，天山地震帶地震監(jiān)測(cè)能力有所提高，Mc在ML3.0以下，其中烏魯木齊和烏什附近區(qū)域Mc可達(dá)ML2.0左右.1988—2000年，經(jīng)過(guò)臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化，天山地區(qū)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力大大提高，大部分區(qū)域的Mc在ML2.0—2.5之間；西昆侖地區(qū)Mc降低至ML3.0左右，其中，喀什地區(qū)在ML2.5左右，這與西昆侖中北段新架設(shè)了塔什庫(kù)爾干臺(tái)有關(guān)；阿爾泰地震帶最小完整性震級(jí)在ML2.5以下，烏魯木齊附近臺(tái)網(wǎng)對(duì)該地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力貢獻(xiàn)較大.2001—2006年，經(jīng)過(guò)數(shù)字化改造，天山地區(qū)Mc可達(dá)ML2.0左右，西昆侖地震帶Mc在ML2.5左右.2007年“十五”數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行以來(lái)，天山地震帶、阿爾泰地震帶Mc在ML1.5—2.0之間；西昆侖地震帶北段可以控制在ML2.0左右.

圖5 新疆不同時(shí)段Mc的空間分布（a）1970—2009年；（b）1970—1977年；（c）1978—1987年；（d）1988—2000年；（e）2001—2006年；（f）2007—2009年Fig.5 Spatial distribution of Mcfor every development period in Xinjiang region（a）1970to 2009；（b）1970to 1977；（c）1978to 1987；（d）1988to 2000；（e）2001to 2006；（f）2007to 2009

4 最小完整性震級(jí)Mc的分區(qū)時(shí)間演化分析

對(duì)阿爾泰、北天山、南天山、西昆侖和東昆侖—阿爾金5個(gè)地震帶，分別采用多參數(shù)方法分析Mc時(shí)間演化特征.計(jì)算中根據(jù)各地震帶地震數(shù)的不同調(diào)整地震事件窗口，并滑動(dòng)計(jì)算.5個(gè)地震帶分別采用了700，2 000，3 800，3 200次和500次地震作為事件窗.為最終給出研究區(qū)域較為合理的Mc的時(shí)序變化，這里按照GFT－95%＞GFT－90%＞MAXC的優(yōu)先級(jí)選擇每次滑動(dòng)計(jì)算結(jié)果，選擇后的Mc如圖6中標(biāo)注為Mc－Best的黑色曲線所示.

圖6 新疆各地震帶1970年以來(lái)Mc的時(shí)間演化（a）新疆地區(qū)；（b）阿爾泰地震帶；（c）北天山地震帶；（d）南天山地震帶；（e）西昆侖地震帶；（f）東昆侖—阿爾金地震帶Fig.6 Temporal variation of Mcin every seismic zone of Xinjiang region since 1970（a）Xinjiang region；（b）Aletai seismic zone；（c）Northern Tianshan zone；（d）Southern Tianshan zone；（e）Western Kunlun zone；（f）Eastern Kunlun－－Aerjin zone

下面對(duì)1970年以來(lái)新疆地區(qū)整體和5個(gè)地震帶的結(jié)果進(jìn)行分析.從圖6a來(lái)看，新疆地區(qū)整體的Mc呈逐漸下降趨勢(shì)，以1995年和2006年為界，Mc時(shí)間演化大體分為3個(gè)階段：①1970—1995年Mc約為ML3.0—4.0；②1996—2006年Mc約為ML2.0—3.0；③2007—2009年Mc約為ML1.0—2.0.這種Mc的變化與新疆臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展有較大關(guān)系，其中1995年是新疆南、北天山地震臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化后正式運(yùn)行階段，而2007年則是新疆“十五”臺(tái)網(wǎng)正式運(yùn)行階段.

圖6b是阿爾泰地震帶Mc的時(shí)序變化曲線.由圖可見(jiàn)，1985—2006年Mc約為ML2.0—3.0，2007—2009年約為ML1.0—2.0.由圖6c的北天山地震帶Mc時(shí)序曲線可見(jiàn)，1970—1995年Mc在ML2.0—3.0左右，1995年以來(lái)基本可達(dá)ML1.0—2.0.從圖6d南天山地震帶Mc時(shí)序曲線可見(jiàn)，1970—2005年Mc在ML2.0—3.0，2006年以來(lái)基本在ML1.0—2.0之間.從圖6e的西昆侖地震帶Mc時(shí)序曲線可見(jiàn)，1970—2005年Mc在ML3.0—4.0之間，2006年以來(lái)在ML2.0—3.0之間.從圖6f的東昆侖—阿爾金地震帶Mc時(shí)序曲線可見(jiàn)，該地震帶Mc基本在ML3.7左右.由于2008年以來(lái)3個(gè)新建臺(tái)站的運(yùn)行，新疆地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力均可達(dá)ML3.0左右.

5 臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局討論——震中距、臺(tái)站張角與Mc的關(guān)系

當(dāng)?shù)卣鹩^測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模，臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局研究就成為進(jìn)一步有效提升地震監(jiān)測(cè)能力的關(guān)鍵.目前，臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局研究主要以數(shù)值仿真模擬（鞏思園等，2010）等方法為主.但對(duì)地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，例如地震觀測(cè)報(bào)告、震相拾取精度等的分析，實(shí)際上是監(jiān)測(cè)效能評(píng)價(jià)和尋找科學(xué)布局方案的最直接、有效的途徑.

新疆地震臺(tái)網(wǎng)的地震觀測(cè)報(bào)告在2006年9月之前均采用紙介質(zhì)記錄，2008年在中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司“中國(guó)大陸7、8級(jí)大地震中長(zhǎng)期危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究”專項(xiàng)資助下，新疆地震局對(duì)1988年以來(lái)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行定位的地震觀測(cè)報(bào)告進(jìn)行了數(shù)字化整理，共整理出108個(gè)臺(tái)站記錄86 350次地震的1 053 089條震相數(shù)據(jù).本研究將利用1988－01－01—2009－12－31的新疆地震臺(tái)網(wǎng)地震觀測(cè)報(bào)告，通過(guò)對(duì)震中距D和臺(tái)站張角φ與Mc的統(tǒng)計(jì)分布關(guān)系，討論新疆地震臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局問(wèn)題.

趙仲和（1983）對(duì)北京臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力研究結(jié)果表明，單臺(tái)監(jiān)測(cè)能力與震中距存在正相關(guān)關(guān)系.Wiemer和Wyss（2000）對(duì)美國(guó)阿拉斯加地區(qū)和日本Mc的研究結(jié)果表明，Mc與震中距D存在線性關(guān)系，且隨D的減小而降低.對(duì)于新疆地震臺(tái)網(wǎng)，本文分別考察了Mc與計(jì)算所用相同網(wǎng)格內(nèi)的震中距平均值ˉD和最小震中距平均值ˉDmin的關(guān)系，如圖7所示.結(jié)果表明，Mc與ˉD和ˉDmin均有較好的線性關(guān)系，其中Mc與ˉDmin的線性關(guān)系斜率相對(duì)較大.由此可見(jiàn)，減小ˉD尤其是ˉDmin仍是提升新疆地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力的主要途徑.Wiemer和Wyss（2000）的研究還表明，當(dāng)Mc向小震級(jí)端趨近到一定程度，由于地震噪聲水平的影響，Mc與震中距D的關(guān)系將不再顯著.而圖7中這種線性關(guān)系尚未“失效”的結(jié)果也表明，新疆地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力尚有進(jìn)一步提升的空間.此外，相對(duì)于美國(guó)阿拉斯加地區(qū)和日本，新疆地區(qū)的地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)仍處于發(fā)展的中期階段.

圖7 Mc與計(jì)算網(wǎng)格的震中距平均值ˉD（a）及最小震中距平均值ˉDmin（b）的關(guān)系Fig.7 Relation between Mcand average value of epicenter distance（a），average value of minimum epicenter distance（b）in every calculation grids

臺(tái)站張角φ同樣是描述地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的重要指標(biāo)，φ被定義為相鄰兩臺(tái)站對(duì)事件的夾角，其數(shù)值范圍為0—360°.這里分別統(tǒng)計(jì)了Mc與相同網(wǎng)格內(nèi)所有地震的臺(tái)站最大張角平均值以及臺(tái)站最大張角和次大張角之和的平均值的分布，如圖8所示.由圖8a可見(jiàn)，Mc與僅當(dāng)左右時(shí)才成明顯的線性關(guān)系，即相當(dāng)于臺(tái)站對(duì)事件的有效覆蓋角度＜140°時(shí)，通過(guò)增設(shè)臺(tái)站并縮小臺(tái)站φmax可降低Mc的大小.由圖8b可見(jiàn)，Mc與的線性關(guān)系明顯，表明在縮小φmax的同時(shí)還需同時(shí)縮小φsec才能有效降低Mc，這實(shí)際上相當(dāng)于增加臺(tái)站在臺(tái)站張角φ上的密度.由此可見(jiàn)，適當(dāng)加密臺(tái)站仍然是新疆地區(qū)提升地震監(jiān)測(cè)能力的有效途徑.（a）及最大張角與次大張角之和平均值（b）關(guān)系

圖8 Mc與臺(tái)站最大張角平均值Fig.8 Relation between Mcand average maximum station coverage azimuth（a），and average sum of the maximum and the secondly maximum azimuth coverage（b），in every grids

6 討論與結(jié)論

本研究詳細(xì)介紹了新疆地區(qū)1970年以來(lái)的地震觀測(cè)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，對(duì)新疆地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站布設(shè)記錄進(jìn)行了清理.根據(jù)臺(tái)站數(shù)量與地震年發(fā)生率關(guān)系，將臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展分為5個(gè)階段，采用基于G－R關(guān)系的交互式分析方法，分別研究了5個(gè)時(shí)段的Mc空間分布特征；采用多參數(shù)方法研究了分區(qū)的Mc時(shí)間演化特征.此外，利用數(shù)字化整理的新疆地區(qū)1988年以來(lái)的地震觀測(cè)報(bào)告，考察了Mc與震中距平均值ˉD和最小震中距平均值的關(guān)系，以及Mc與臺(tái)站最大張角平均值臺(tái)站最大張角和次大張角之和的平均值的分布，討論了臺(tái)網(wǎng)科學(xué)布局和提升地震監(jiān)測(cè)能力的科學(xué)途徑.

研究結(jié)果表明，新疆地區(qū)Mc的空間分布存在較大的非均勻性，天山地區(qū)監(jiān)測(cè)能力較好，西昆侖地震帶等地區(qū)相對(duì)較低.對(duì)于地震臺(tái)網(wǎng)的不同發(fā)展階段，尤其是“十五”數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行以來(lái)，天山地震帶、阿爾泰地震帶Mc可達(dá)ML1.5—2.0，臺(tái)站相對(duì)稀疏的西昆侖地震帶北段可控制在ML2.0左右.此外，采用按照GFT－95%＞GFT－90%＞MAXC的優(yōu)先級(jí)設(shè)定的多參數(shù)方法，對(duì)阿爾泰、北天山、南天山、西昆侖和東昆侖—阿爾金5個(gè)地震帶的Mc時(shí)間變化特征進(jìn)行了分析，相關(guān)結(jié)果可為各地震帶開(kāi)展地震危險(xiǎn)性分析等工作提供參考.

對(duì)Mc與震中距D和臺(tái)站張角φ關(guān)系的研究表明，Mc與均有較好的線性關(guān)系，其中Mc與和的線性關(guān)系最為明顯.由此表明，無(wú)論是增加近臺(tái)數(shù)量還是增加臺(tái)站在臺(tái)站張角φ上的密度，仍可有效提升新疆地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力.

在Mc計(jì)算中本文采用了交互式的統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法.該方法考慮了在地震數(shù)量有限情況下高震級(jí)段引起的Mc計(jì)算不確定性.但由于是基于G－R關(guān)系的統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法研究，相關(guān)結(jié)果仍需與其它計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.實(shí)際上，采用不同原理的計(jì)算方法得到的Mc之間仍可能存在一定偏差（Nanjoetal，2010）.對(duì)Mc的時(shí)、空特征分析結(jié)果表明，一些臺(tái)站密度不高的地區(qū)Mc反而較小，這可能是觀測(cè)資料和資料處理的區(qū)域非均一性可能影響Mc的結(jié)果.例如不同區(qū)域、子臺(tái)網(wǎng)對(duì)小震級(jí)單臺(tái)定位的信噪比閾值采用不同標(biāo)準(zhǔn)等，因此在地震危險(xiǎn)性分析中盡量使用較小Mc的情況下，這些復(fù)雜性仍需考慮.此外，由于計(jì)算方法依賴于地震事件數(shù)目是否足夠，一些地震活動(dòng)率較低地區(qū)未得到計(jì)算結(jié)果.在分區(qū)的Mc的時(shí)間演化研究中，由于是基于定量結(jié)果的定性討論，具體的Mc數(shù)值僅能反映區(qū)域的平均結(jié)果.這些都是本研究中的局限.

本研究得到了中國(guó)地震局“全國(guó)7級(jí)地震與地震形勢(shì)跟蹤組”工作專項(xiàng)支持，新西蘭GNS的Matthew Gerstenberger博士和日本東京大學(xué)Kazuyoshi Nanjo博士在研究方法上提供了指導(dǎo)，在成文和研究過(guò)程中得到了王海濤研究員的大力指導(dǎo)，馬宏生博士、邵志剛博士、周龍泉博士和張浪平博士對(duì)本文提出諸多有益建議.作者在此謹(jǐn)表謝意.

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李志海 新疆維吾爾自治區(qū)地震局高級(jí)工程師.2004年中國(guó)地震局蘭州地震研究所固體地球物理專業(yè)畢業(yè)，獲碩士學(xué)位.一直從事數(shù)字地震學(xué)與地震活動(dòng)性預(yù)測(cè)研究工作.美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)（AGU）、新疆地震學(xué)會(huì)會(huì)員.

Minimum magnitude of completeness for earthquake catalogue and scientific layout of seismic stations in Xinjiang region

Li Zhihai1）Jiang Changsheng2），Huang Yu1）Wang Baozhu1）
1）EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion，Urümqi830011，China
2）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

The minimum magnitude of completeness（Mc）is a fundamental and important parameter for earthquake study.It is also a key factor for evaluating detection ability of a seismic network.In the Xinjiang region with intense tectonic movement earthquakes frequently occur and geographic distribution of seismic stations is complicated.The analysis ofMccan provide useful information for seismic risk evaluation and scientific layout of seismic stations in this re－gion.For the 5development periods of Xinjiang seismic network we examinedMcspatial distribution in each period by using G－R relation analysis，and investigated temporal variation ofMcdistribution for every seismic zone by means of multi－parameter description.The result shows that theMcdistribution is spatially inhomogeneous and seismic monitoring capability is rather good for Tianshan region，but it is poor for western Kunlun and other regions.For different period of seismic network development，especially since the establishment of digital seismic network during the“10thfive year project”，theMcisML1.5—2.0in Tianshan and Altai seismic zone，and isML2.0in northern region of western Kunlun seismic zone.Besides，the relation betweenMcand station－epicenter distance，and azimuthal coverage of stations，are studied based on the data from seismological observation reports in Xinjiang region since 1988，and the scientific approach of optimizing seismic network and advancing seismic monitoring capability are discussed.It is assumed that adding short epicenter distance stations and improving azimuthal coverage of stations are necessary for advancing seismic monitoring capability in Xinjiang region.

minimum magnitude of completeness；seismic monitoring capability；magnitude－frequency distribution

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.007

P315.3＋2

A

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國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（40804010）和中國(guó)地震局地震行業(yè)專項(xiàng)（200708020）資助.

2010－11－18收到初稿，2011－03－30決定采用修改稿.

e－mail：jiangcs＠cea－igp.ac.cn < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2011－09－29 17：02

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2021.P.20110929.1702.002.html