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(wǎng)中心）

0 引言

中國測震臺網(wǎng)是我國防震減災工作的核心和基礎設施，為監(jiān)測地震和開展地球科學研究提供了基礎數(shù)據(jù)；同時，在監(jiān)測礦震、爆炸、地下核試驗等非天然事件方面發(fā)揮了重要作用。因此，對測震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力的科學評估，已經(jīng)成為基礎而關(guān)鍵的研究內(nèi)容（王亞文等，2017；劉棟等，2018）。地震監(jiān)測能力評估是一項復雜工作。關(guān)于區(qū)域測震臺網(wǎng)的監(jiān)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(jié)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(wǎng)的地震監(jiān)測能力；牟磊育等（2016）根據(jù)京津冀地區(qū)的平均地脈動噪聲估算研究區(qū)域監(jiān)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(wǎng)1 001 個臺站2008—2015 年實際產(chǎn)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(wǎng)在西寧盆地及鄰近區(qū)域的監(jiān)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(wǎng)的地震監(jiān)測能力進行研究，研究區(qū)域為（0°—55°N，70°—140°E）。按照中國地震局相關(guān)規(guī)范（中國地震局監(jiān)測預報司，2007），計算中國測震臺網(wǎng)1 155 個測震臺站的背景噪聲，并根據(jù)近震震級公式對其理論監(jiān)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(wǎng)統(tǒng)一編目正式報目錄數(shù)據(jù)，計算出實際監(jiān)測能力，將計算結(jié)果與理論監(jiān)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(wǎng)理論檢測時間；利用華北地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型，估算北京地區(qū)理論定位能力。

1 中國測震臺網(wǎng)概況

中國測震臺網(wǎng)由1 個國家測震臺網(wǎng)和31 個省級測震臺網(wǎng)組成。截止到2021 年1 月31 日，全國可實時匯集和交換數(shù)據(jù)的地震臺站達1 155 個，包括國家測震臺站166 個，區(qū)域測震臺站989 個（圖1）。國家測震臺站和區(qū)域測震臺站的實時觀測數(shù)據(jù)先匯集到各省級測震臺網(wǎng)，然后匯集到國家測震臺網(wǎng)中心。同時，國家測震臺網(wǎng)中心向31 個省級測震臺網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)鄰省臺站的實時數(shù)據(jù)。中國測震臺網(wǎng)現(xiàn)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(wǎng)運行；數(shù)采1 155 臺（套），共有5 個廠商的8 個型號儀器在網(wǎng)運行。

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

2 監(jiān)測能力計算

2.1 理論監(jiān)測能力

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

數(shù)字地震臺網(wǎng)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(guī)函數(shù)。

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(jiān)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(shù)采的最大輸出（counts），取決于數(shù)采的字長，Kad為數(shù)據(jù)采集器的AD 轉(zhuǎn)換因子，Gm為數(shù)據(jù)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(jiān)測距離Δmin。這樣便可得到各臺站對相應震級的監(jiān)測距離。之后采用空間逐點掃描法，對研究區(qū)域按0.25°×0.25°作網(wǎng)格掃描。對于某一網(wǎng)格點，若該網(wǎng)格點能被至少4 個臺站監(jiān)測到，則認為臺網(wǎng)對該點具有監(jiān)測能力，從而可得到臺網(wǎng)理論監(jiān)測能力分布。

計算理論監(jiān)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(jiān)測能力水平，同時消除連續(xù)噪聲波形中地震信號的影響，按照研究區(qū)域無ML3.0 以上地震發(fā)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(wǎng)1 155 個測震臺站15 h 內(nèi)記錄的地動噪聲觀測數(shù)據(jù)，計算短周期段（1—20 Hz）頻率范圍內(nèi)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(huán)境技術(shù)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(jù)臺基噪聲水平分布（圖2），可以看出，中國測震臺站環(huán)境噪聲水平級別呈明顯的分區(qū)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(qū)臺基噪聲水平較高，主要是由于東部地區(qū)人口密集，人類活動對環(huán)境噪聲影響較大，且東部地區(qū)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(lián)合公式（1），計算出中國測震臺站理論監(jiān)測能力（圖3）。計算理論監(jiān)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(wǎng)在臺站分布密集地區(qū)可監(jiān)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(qū)，其中北京、天津和上海可監(jiān)測的震級下限為ML1.0。背景噪聲比較大，觀測環(huán)境較差的華南、華東地區(qū)可監(jiān)測震級下限為ML2.5 左右。中國測震臺網(wǎng)在臺站稀疏地區(qū)可監(jiān)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(nèi)蒙古北部邊界地區(qū)等。

圖3 中國測震臺網(wǎng)理論監(jiān)測能力Fig.3 Theoretical monitoring capability of China Seismic Network

2.2 實際監(jiān)測能力

為了得到中國測震臺網(wǎng)的實際監(jiān)測能力，選取2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日在研究區(qū)域內(nèi)中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)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(jiān)測能力計算。在研究區(qū)域內(nèi)以0.1°為單位劃分網(wǎng)格，挑選出各網(wǎng)格內(nèi)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(wǎng)實際監(jiān)測能力（圖4）。

圖4 中國測震臺網(wǎng)實際監(jiān)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(qū)不同的完整性震級，完整性震級為地震100%被臺網(wǎng)記錄的等級。完整性震級越小，代表中國測震臺網(wǎng)對該地區(qū)地震活動的監(jiān)測能力越高，反之，則表明對該地區(qū)地震活動的監(jiān)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(nèi)蒙古北部邊界區(qū)域以外，中國測震臺網(wǎng)可實現(xiàn)對中國大陸地區(qū)ML3.0 以上地震的監(jiān)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(qū)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(wǎng)實際監(jiān)測能力（圖4）與理論監(jiān)測能力（圖3）整體相符，僅有小部分地區(qū)略有差異。如廣東、福建等沿海地區(qū)，實際監(jiān)測能力均略高于理論監(jiān)測能力。原因可能是本研究計算理論監(jiān)測能力的方法是依據(jù)臺站參數(shù)以及對信號的記錄能力，沒有聯(lián)系實際地震，得到的結(jié)果為理論值，不能完全反映臺網(wǎng)對該區(qū)域監(jiān)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(jiān)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(tǒng)一為一個時間段的水平也可能會造成計算結(jié)果的誤差；此外，在計算理論監(jiān)測能力圖時，使用4 個臺站數(shù)據(jù)測定，而實際監(jiān)測能力圖中有部分事件采用2 個或者3 個臺站的數(shù)據(jù)進行計算。這些都有可能造成實際監(jiān)測能力高于理論監(jiān)測能力的現(xiàn)象。而西藏地區(qū)地震實際監(jiān)測能力略低于理論監(jiān)測能力，可能與臺網(wǎng)運行要求的變化、臺站運行率、分析經(jīng)驗等相關(guān)。

2.3 理論監(jiān)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(jiān)測延時（圖5）。結(jié)果表明，理論地震監(jiān)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(qū)理論監(jiān)測延時在10 s 以內(nèi)，北京地區(qū)在5 s 以內(nèi)。臺站分布較為密集的華北、華南地區(qū)的理論監(jiān)測延時較短，在15 s 以內(nèi)。對于臺站稀疏地區(qū)，理論監(jiān)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(qū)監(jiān)測延時為1 min。

圖5 中國測震臺網(wǎng)理論監(jiān)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(shù)誤差值，按區(qū)域逐點掃描，計算給定臺網(wǎng)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(wǎng)監(jiān)測范圍、臺站密度和分布，以及地震波傳播路徑上介質(zhì)特性的差異等。相比地震監(jiān)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(jiān)測下限最小和地震檢測時間最短的北京地區(qū)為例，估算該地區(qū)理論定位能力。使用張廣偉等（2011）進行華北地區(qū)小震精定位的區(qū)域速度模型和北京、天津、河北臺網(wǎng)及中國地震局地球物理研究所的國家和區(qū)域臺站，計算發(fā)生ML4.0 地震時，假定震相讀數(shù)誤差為0.2 s，在北京地區(qū)地震定位水平誤差約1 km（圖6）。北京地區(qū)理論地震定位水平誤差較小，表明該地區(qū)理論地震定位能力較強。

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

3 結(jié)論

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

高質(zhì)量的中國測震臺網(wǎng)長期平穩(wěn)有序運行，是提供有價值的地震科學數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)測的技術(shù)水平將不斷提高，地震監(jiān)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。