郭鐵龍 梁姍姍 鄒立曄 姬運達(dá) 劉艷瓊 李旭茂 翟璐媛

（中國北京100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

青藏高原平均海拔高度在4 000 m 以上，素有“世界屋脊”之稱，其構(gòu)造斷裂規(guī)模巨大，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造運動劇烈（Molnar and Tapponnier，1975；Tapponnier et al，1982，2001；鄧起東等，2002；徐紀(jì)人等，2008），地震活動強烈，是我國大陸地震活躍地區(qū)之一。自有地震記錄起，青藏高原共發(fā)生8 級以上地震18 次，7—7.9 級強震更是多達(dá)100 余次（鄧起東等，2014）。地震活動性研究對板塊構(gòu)造、區(qū)域斷層分布情況、特大地震演化過程、地震破裂機制、火山活動和工業(yè)安全生產(chǎn)等具有重要指導(dǎo)意義（Katao et al，2009；宮悅等，2020；Zuniga et al，2020；華俊等，2021；劉冠男等，2021）。

為填補青藏高原地震監(jiān)測空白區(qū)，縮小地震監(jiān)測空區(qū)范圍，加大青藏高原地區(qū)測震臺站密度，滿足地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)需求，2018 年，國家測震臺網(wǎng)中心將10 個依托氣象站共址建設(shè)臺站數(shù)據(jù)接入中國地震臺網(wǎng)中心技術(shù)系統(tǒng)，并通過全國實時數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)提供給西藏周邊省、自治區(qū)地震局和自動地震速報系統(tǒng)使用。2019 年起，在青海、西藏和新疆地區(qū)目前已具備地震監(jiān)測能力基礎(chǔ)上，實施開展“青藏高原地震監(jiān)測能力提升”項目，在該區(qū)域地震監(jiān)測能力薄弱的西藏西北部、青海西南部、新疆阿爾金山等地區(qū)，擬建設(shè)72 個無人測震觀測站點，其中西藏30 個、青海28 個、新疆14 個。截至2021年1 月，青海新增地震臺站16 個，為了檢驗地震臺站建設(shè)成效，從地震波形數(shù)據(jù)完整性和可靠性方面，對青海新增臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，分析臺站建設(shè)對青藏高原地震監(jiān)測能力的影響。

1 臺站建設(shè)

“青藏高原監(jiān)測能力提升”項目擬建臺站72個[圖1(a)]，建設(shè)周期3年，截至2021年1月，已完成第一期和第二期共計41 個臺站儀器設(shè)備的安裝與調(diào)試、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)鏈路測試等工作。為檢驗新建臺站對青藏高原地區(qū)地震監(jiān)測能力的影響，利用4 個臺站記錄對青藏高原地區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行定位，計算理論定位時間，即得到該區(qū)理論地震檢測能力，見圖1(b)，可見新建臺站后，我國青海西南部和新疆阿爾金山地區(qū)地震的理論監(jiān)測延時在40 s以內(nèi)，西藏西北部大部分區(qū)域地震監(jiān)測延時在50 s 以內(nèi)，僅小部分區(qū)域需要60 s。目前，青藏高原新增臺站監(jiān)測的地震數(shù)據(jù)實時傳輸至國家測震臺網(wǎng)中心，可為我國青藏高原地震監(jiān)測提供業(yè)務(wù)化支撐。

圖1 青藏高原地區(qū)臺站分布及理論地震檢測能力Fig.1 Distribution of seismic stations in Qinghai-Tibetan Plateau and theoretical seismic monitoring capability in Qinghai-Tibetan Plateau

在“青藏高原監(jiān)測能力提升”項目實施過程中，截至2021 年1 月，青海省已新建地震臺站16 個，分別是巴顏喀拉臺（BYKL）、查旦臺（CHD）、東壩臺（DOB）、肯得克臺（KDK）、立新臺（LIX）、麻多臺（MDU）、秋智臺（QIZ）、曲新臺（QUX）、索加臺（SUJ）、溫泉水庫臺（WEQ）、西大灘臺（XDT）、小蘇莽臺（XSM）、錫鐵山臺（XTS）、治多臺（ZHD）、扎河臺（ZHH）和珍秦三村臺（ZHQ），臺站分布見圖2。新建地震臺站均為無人值守的測震和強震同址臺，均配備儀器帶寬為60 s的寬頻帶地震儀、GL-CS60 地震計、EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器。

圖2 青海地區(qū)新增臺站分布Fig.2 Distribution of new stations in Qinghai area

2 波形數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

以青海省新建的16 個地震臺站為例，圍繞地震數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，利用相關(guān)技術(shù)方法和手段，實現(xiàn)對新建臺站地震觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評價。

2.1 數(shù)據(jù)完整性分析

選取青海新建臺站2021 年1 月1 日—20 日的實時波形記錄，統(tǒng)計各臺站運行率，結(jié)果見圖3，可見16 個新建臺站實時運行率平均為93.20%，其中14 個臺站運行率大于90%，索家臺（SUJ）和扎河臺（ZHH）運行率低于90%，而索加臺（SUJ）運行率僅24.24%。

圖3 青海新增臺站運行率統(tǒng)計（2021 年1 月1 日—20 日）Fig.3 Operation rate statistics of new stations in Qinghai area (Jan.1-20,2021)

2.2 數(shù)據(jù)可靠性分析

2.2.1臺基背景噪聲水平分析。臺站記錄波形質(zhì)量受臺基背景噪聲水平的影響，可利用臺基噪聲功率譜密度（PSD）來評估臺基背景噪聲水平的高低（高偉亮等，2015；侯頡等，2019）。|F(ω)|2稱為功率譜或能量譜，即在頻率尺度上每個單位間隔的功率或能量。將地震記錄位移信號f(t)進(jìn)行傅里葉變換，可得其頻譜F(ω)，公式如下

隨機選擇青海新增臺站2021 年1 月1 日00 時—07 時記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)（不含地震記錄），扣除儀器響應(yīng)，以消除地震計影響。計算每個臺站的地動噪聲功率譜密度，并繪制功率譜密度曲線。受篇幅所限，文中僅展示4 個有代表性臺站的地動噪聲曲線，結(jié)果見圖4。圖中，NHNM 和NLNM 分別代表全球高噪聲和低噪聲模型。噪聲模型是評價一個地震臺站噪聲水平的基本標(biāo)準(zhǔn)，將臺站背景噪聲PSD 曲線與全球平均臺站噪聲模型進(jìn)行對比，直觀可見特定頻率范圍內(nèi)噪聲分布情況。由圖4 可見，東壩臺（DOB）、立新臺（LIX）和溫泉水庫臺（WEQ）的噪聲水平均接近于全球低噪聲模型（NLNM），表明3 個臺的背景噪聲水平較低。需要注意的是，在0.1—0.8 Hz 頻段，3 個臺站的垂直向背景噪聲與水平向地動噪聲有較大差別，且垂直向背景噪聲較大，可能是由背景噪聲源不同所致。而小蘇莽臺（XSM）的地動噪聲水平高于全球高噪聲（NHNM），表明該臺背景噪聲較高，且波形特征與NHNM、NLNM 不一致，說明該臺站數(shù)據(jù)不可用。據(jù)噪聲功率譜密度計算結(jié)果，按照臺基地噪聲高低分類標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19531.1—2004），參考任梟等（2004）的分類原則，將16 個新建臺站劃分為3 類，其中：Ⅰ類臺有9 個，分別為巴顏喀拉臺（BYKL）、查旦臺（CHD）、東壩臺（DOB）、立新臺（LIX）、秋智臺（QIZ）、曲新臺（QUX）、治多站（ZHD）、扎河臺（ZHH）、珍秦三村臺（ZHQ）；Ⅱ類臺有5 個，分別為肯得克臺（KDK）、麻多臺（MDU）、溫泉水庫臺（WEQ）、西大灘臺（XDT）、錫鐵山臺（XTS）；Ⅲ類臺有1 個，為小蘇莽臺（XSM）；索加臺（SUJ）無信號。

圖4 東壩臺（DOB）、立新臺（LIX）、溫泉水庫臺（WEQ）和小蘇莽臺（XSM）地動噪聲曲線Fig.4 Ground motion noise curves of DOB,LIX,WEQ and XSM stations

2.2.2事件波形記錄質(zhì)量。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心產(chǎn)出的地震速報目錄，選取國內(nèi)外發(fā)生的2 個典型地震事件：2020 年12 月24 日07:51:48.7 青海果洛州瑪多縣ML4.2 地震，震源深度7 km；2021 年1 月12 日05:32:59.7 蒙古MS6.8 地震，震源深度10 km，具體參數(shù)見表1。由波形記錄可見，青海新建臺站所記錄的2 次地震事件波形清晰（圖5，圖6），可就波形記錄完整性和尖脈沖對波形質(zhì)量進(jìn)行評價。

圖5 2020 年12 月24 日青海瑪多ML 4.2 地震波形Fig.5 The waveforms of the Qinghai Maduo ML 4.2 earthquake on Dec.24,2020

圖6 2021 年1 月12 日蒙古MS 6.8 地震波形Fig.6 The waveforms of the MS 6.8 earthquake in Mongolia on Jan.12,2021

表1 典型地震事件目錄Table 1 Catalog of typical earthquakes

（1）波形記錄完整性分析。整理波形數(shù)據(jù)文件，扣除重復(fù)記錄，計算一定時段內(nèi)有波形記錄的時間長度（單位：s）與總時長的比值，來判定事件波形記錄完整性，用波形數(shù)據(jù)完整率表示，公式如下

經(jīng)計算，除索加臺（SUJ）對2021 年1 月12 日蒙古MS6.8 地震事件波形數(shù)據(jù)完整率為0，說明該臺站對此事件無記錄，而其他臺站對2 個地震的記錄數(shù)據(jù)完整率均為100%。

（2）尖脈沖判定。尖脈沖判定標(biāo)準(zhǔn)如下：以當(dāng)前數(shù)據(jù)采樣點為目標(biāo)采樣點，計算一段時段內(nèi)的平均振幅值和當(dāng)前及其前后采樣點與平均振幅的差值，并計算均方根振幅值（RMS），當(dāng)同時滿足以下條件時，則視為一個尖脈沖（相鄰異常值視為一個尖脈沖）：

其中，A0為當(dāng)前采樣點振幅值，Aavg為平均振幅值，ARMS為均方根振幅值，A-1為前采樣點振幅值，ΔA0為當(dāng)前采樣點振幅值與平均振幅值的差值，ΔA-1為前采樣點振幅值與平均振幅值的差值，ΔA+1為后采樣點振幅值與平均振幅值的差值。

按照上述評判標(biāo)準(zhǔn)可知，在2020 年12 月24 日青?，敹郙L4.2 地震和2021 年1 月12 日蒙古MS6.8 地震事件波形中，僅小蘇莽臺（XSM）對瑪多ML4.2 地震記錄中具有1 個尖脈沖，其他臺站地震記錄均未失真，真實反映了地震動形態(tài)。

通過對國內(nèi)外典型地震事件波形記錄分析，發(fā)現(xiàn)除個別臺站，新增臺站基本能夠完整記錄國外顯著地震波形，并能清晰記錄本地區(qū)中小規(guī)模地震波形，分辨率高，初動明顯，可以滿足地震監(jiān)測速報業(yè)務(wù)的需求。

3 地震監(jiān)測能力評估

為了更好地評估青海省新建臺站效能，利用臺站背景噪聲和近震震級公式，估算青海地區(qū)理論地震監(jiān)測能力，結(jié)果見圖7。

圖7 青海地區(qū)地震理論監(jiān)測能力Fig.7 Theoretical monitoring capability in Qinghai area

圖7(a) 為使用原測震臺站數(shù)據(jù)估算的青海地區(qū)理論地震監(jiān)測能力，圖7(b) 為增加青海省16 個新建臺站數(shù)據(jù)后，計算得到的青海地區(qū)理論地震監(jiān)測能力。對比可知，新增臺站后，青海省中西部地區(qū)理論監(jiān)測能力由MS4.5 提升到MS2.0 左右，監(jiān)測能力大幅提升。

4 結(jié)束語

隨著“青藏高原地震監(jiān)測能力提升”項目的實施，中國地震局51 個固定地震臺站（含10 個與氣象局共址建設(shè)臺站）的地震數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時傳輸，并與中國地震臺網(wǎng)中心現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)連接，逐步實現(xiàn)我國青藏高原地區(qū)地震監(jiān)測能力的穩(wěn)定提升。為了檢驗新增臺站建設(shè)成果，盡早發(fā)揮其監(jiān)測效能，以青海地區(qū)16 個新增地震臺站為例，對地震波形數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，可以發(fā)現(xiàn)：在青海省16 個新增臺站中，9 個達(dá)Ⅰ類臺標(biāo)準(zhǔn)，5 個達(dá)Ⅱ類臺標(biāo)準(zhǔn)，1 個達(dá)Ⅲ類臺標(biāo)準(zhǔn)，1 個無信號；個別臺站（如索加臺）因供電和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸丟包，出現(xiàn)臺站斷記或異?，F(xiàn)象；青海地區(qū)新增加臺站觀測環(huán)境較好，總體運行良好，數(shù)據(jù)連續(xù)率較高，適合進(jìn)行寬頻帶數(shù)字地震觀測；地震空間分布更加均勻，青海省中西部地區(qū)理論地震監(jiān)測能力從MS4.5 提升到MS2.0 左右，地震監(jiān)測能力大幅提升。

在論文撰寫過程中，趙仲和研究員對數(shù)據(jù)質(zhì)量分析進(jìn)行指導(dǎo)，青海省地震局馬建新高級工程師對儀器參數(shù)提供支持，在此表示感謝。