牟劍英，向 巍，孫學(xué)軍，文 翔，李 莎

（廣西壯族自治區(qū)地震局, 南寧 530022）

0 引言

臺網(wǎng)監(jiān)測能力指臺網(wǎng)監(jiān)測本地微小地震并能夠進(jìn)行定位的能力，衡量著該區(qū)域地震臺網(wǎng)的監(jiān)控范圍和監(jiān)測精度。“十五”期間，廣西新建和改擴(kuò)建了22個(gè)省級數(shù)字測震臺站，全面實(shí)現(xiàn)了臺網(wǎng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化觀測。隨著區(qū)域測震臺站的不斷新建改造，特別是廣西“十一五”、“十二五”防震減災(zāi)重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，廣西測震臺站數(shù)量較2010年有了大幅度的增長，加之?dāng)U增與鄰省周邊臺站的共享，廣西地震監(jiān)測能力得到大幅提升。

地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力的大小主要取決于臺基、觀測系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度、儀器的動(dòng)態(tài)范圍、臺網(wǎng)密度及臺網(wǎng)的合理布局等因素[1]。本文按地方性震級公式，就臺網(wǎng)布局密度、臺基背景地脈動(dòng)噪聲及最小震級指定震中距方法估算出臺網(wǎng)可監(jiān)測到的最小震級，并采用基于地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)最小完整性震級計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，為科學(xué)評估臺網(wǎng)效能、滿足監(jiān)測預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)需求提供技術(shù)性依據(jù)。

1 臺網(wǎng)概況

廣西測震臺網(wǎng)依托“十五”國家重點(diǎn)項(xiàng)目中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)工程廣西分項(xiàng)項(xiàng)目，新建和改擴(kuò)建了廣西22個(gè)省級數(shù)字測震臺站，全面實(shí)現(xiàn)臺網(wǎng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化觀測。自2010年起，廣西數(shù)字測震臺網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了與南寧、柳州地方臺網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，并陸續(xù)通過中國地震背景場探測項(xiàng)目廣西分項(xiàng)、市縣防震減災(zāi)基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目和廣西防震減災(zāi)“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目，不斷加密地震監(jiān)測站點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化臺網(wǎng)布局。目前，已在全區(qū)范圍內(nèi)建成運(yùn)行114個(gè)測震臺站（含基準(zhǔn)站），其中國家級臺站5個(gè)、省級直屬臺站23個(gè)、省級區(qū)域臺站47個(gè)、企業(yè)臺站39個(gè)。為提高與鄰省交界地區(qū)的地震監(jiān)測能力，共享周邊鄰省43個(gè)測震臺站，其中共享廣東省9個(gè)、海南省7個(gè)、湖南省4個(gè)、云南省11個(gè)、貴州省12個(gè)。2019年11月25日廣西百色市靖西市發(fā)生5.2級地震后，共享了中國援建老撾的12個(gè)測震臺站。按照“均勻分布、重點(diǎn)監(jiān)視”的臺網(wǎng)布局原則，廣西測震臺站大體均勻分布在廣西區(qū)域范圍內(nèi)，高密度集中在廣西紅水河流域龍灘、巖灘、大化、大藤峽水利樞紐等大中型水庫區(qū)域和河池南丹大廠、來賓合山等礦山區(qū)域。廣西及鄰區(qū)共享測震臺站分布情況見圖1。

圖1 廣西及鄰區(qū)共享測震臺站分布圖

目前，廣西區(qū)域用于地震速報(bào)和地震編目的臺站數(shù)共90個(gè)，其中區(qū)內(nèi)臺站66個(gè)，較當(dāng)前區(qū)內(nèi)實(shí)際在運(yùn)行數(shù)114個(gè)少了48個(gè)。這48個(gè)臺站主要為地方企業(yè)臺網(wǎng)臺站和新建成基準(zhǔn)站，基于管理和試運(yùn)行問題，這些臺站目前還未納入到地震編目臺站中。當(dāng)前用于地震速報(bào)和地震編目臺站自2015年至今變化不大。

臺站觀測儀器選型配置中，桂林、憑祥、德保國家級臺站配置了CTS-1E甚寬頻地震計(jì)，河池、靈山國家級臺站則配置了GL-CS120甚寬頻地震計(jì)；省級直屬臺站主要采用CMG-3EPSC寬頻帶地震計(jì)，昭平、斜陽島、全州、龍勝臺采用BBVS-60地震計(jì)，平果和融安臺則采用GL-S60地震計(jì)；鳳山、博白、陸川、西林、那坡、靈山、興安、天等、靖西、鐘山、樂業(yè)等“十一五”期間新建省級區(qū)域臺站選用BBVS-60型寬頻帶地震計(jì)，“十二五”期間新建或改造的省級區(qū)域臺站則選用CMG-3EPSC-120甚寬頻地震計(jì)；地方企業(yè)臺站則根據(jù)微震監(jiān)測選用FSS-3M或GL-CS短周期地震計(jì)。數(shù)據(jù)采集器均采用北京港震公司生產(chǎn)的EDAS-24IP或24GN數(shù)采。

2 臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力

2.1 計(jì)算原理

地震監(jiān)測能力表征著臺網(wǎng)監(jiān)測地震事件的能力，由地震事件的震級大小決定。而測震臺站能監(jiān)測微小地震的能力與臺站的臺基噪聲水平有關(guān)，同時(shí)受一定震中距的影響。測震臺站最小監(jiān)控震級與監(jiān)控范圍，主要通過振幅比，用量規(guī)函數(shù)反推單臺控制距離，并以4個(gè)及以上臺站共同控制的區(qū)域來估算臺網(wǎng)的監(jiān)測范圍。根據(jù)地方性震級公式：

式中：A為地動(dòng)位移，為兩水平方向最大地動(dòng)位移的算數(shù)平均值，單位采用μm；R(Δ)為量規(guī)函數(shù)，即震級起算函數(shù)，S(Δ)為臺基校正值，S一般取0。

由于測震臺站設(shè)備為速度型地震計(jì)，故需將近震級公式加以變形。

式中：V為最大速度振幅值；T為對應(yīng)最大速度振幅的周期值，在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，S波速度振幅換算為位移振幅時(shí)，取S波的優(yōu)勢頻率為3～5 Hz，由于區(qū)域臺網(wǎng)主要涉及近震，所以最大速度對應(yīng)周期為0.2 s，即T取0.2 s[2]。

由于現(xiàn)今測震臺網(wǎng)主要依賴地震波初動(dòng)震相到時(shí)進(jìn)行地震定位，故地震波的初動(dòng)震相信噪比相比于地震波最大振幅信噪比更為重要，高信噪比的背景地動(dòng)噪聲對地震監(jiān)測能力的提升起著重要的作用。用短、長均值比（STA/LTA）方法對臺基背景噪聲值進(jìn)行變化跟蹤，一般情況下，STA值大于LTA值的2.5～3倍。如P波初動(dòng)幅度較背景地動(dòng)噪聲大2.5～3倍時(shí)，可視P波初動(dòng)清晰，而S波振幅大約為P波振幅的3倍時(shí)，可視S波震相清晰[3]。因此，本文將取S波速度振幅較地脈動(dòng)噪聲值6倍進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)測震臺站臺基背景地動(dòng)噪聲值，確定可觀測最小地震事件的振幅值。

因廣西數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化地震觀測后，一直沒有對廣西地區(qū)震級量規(guī)函數(shù)做進(jìn)一步的計(jì)算和驗(yàn)證，在本文計(jì)算中參照采用劉瑞豐在近震震級測定短周期的量規(guī)函數(shù)R1(Δ)[4]。

2.2 臺基噪聲計(jì)算和獲取

按照《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求第1部分：測震》（GB/T 19531.1—2004）規(guī)定要求，將1～20 Hz頻帶確定為臺基噪聲有效值頻帶范圍，同時(shí)將1/3倍頻帶濾波器在1～20 Hz觀測頻帶范圍內(nèi)由功率譜密度來計(jì)算地動(dòng)噪聲水平RMS值，并根據(jù)測震臺站環(huán)境地動(dòng)噪聲水平Enl來衡量一個(gè)臺站的等級水平。

對廣西區(qū)域已建成入網(wǎng)的114個(gè)測震臺（含基準(zhǔn)站）進(jìn)行地脈動(dòng)背景噪聲計(jì)算，數(shù)據(jù)選用臺站晚上安靜且連續(xù)6個(gè)小時(shí)沒有地震事件干擾波形段，采用童汪練研究員研制開發(fā)的噪聲計(jì)算軟件Cal-20210525C進(jìn)行計(jì)算。對未納入地震速報(bào) 的22個(gè)臺站則通過臺站勘選報(bào)告的臺基測試噪聲值獲??；對鄰省共享的43個(gè)臺站則通過鄰省2020年測震臺網(wǎng)運(yùn)行年報(bào)獲取。12個(gè)老撾援建境外臺采用Ⅱ類臺基5.0×10?8均值代替。

經(jīng)計(jì)算，廣西136個(gè)測震臺站（含基準(zhǔn)站）臺基背景地動(dòng)噪聲水平等級主要為Ⅰ類、Ⅱ類臺基；Ⅲ類臺站主要有南寧臺、欽州臺、潿洲島臺、斜陽島臺、玉林臺、巖灘臺、龍勝臺、陸川臺、環(huán)江洛陽基準(zhǔn)站、大樹腳臺、拉么臺和田角村臺；Ⅵ類臺基的有貴港臺、天等臺、百合臺、田東平馬基準(zhǔn)站。超出建臺標(biāo)準(zhǔn)臺基背景噪聲值的陸川溫泉基準(zhǔn)站以深井建設(shè)觀測，地表噪聲值不影響其具備Ⅱ類及以上臺基噪聲的有效監(jiān)測。臺基噪聲也并非一成不變的，不同時(shí)段的選取對結(jié)果略有影響，臺基類型的變化在一定程度上反映著臺站環(huán)境受干擾程度。

2.3 監(jiān)測能力計(jì)算

采用空間逐點(diǎn)掃描方法，對空間點(diǎn)有4個(gè)以上臺站進(jìn)行共同控制，則臺網(wǎng)對該點(diǎn)具有監(jiān)測能力，對該點(diǎn)所監(jiān)測到的最小震級即為該點(diǎn)的監(jiān)測能力值。按0.2°間隔計(jì)算，得到當(dāng)前廣西數(shù)字測震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力如圖2所示，未納入地震速報(bào)的22個(gè)基準(zhǔn)站加入后的臺網(wǎng)監(jiān)測能力見圖3。

圖2 廣西數(shù)字測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力圖（169個(gè)臺站）

3 地震監(jiān)測能力分析

通過近10年來的臺站建設(shè)，現(xiàn)階段全區(qū)地震監(jiān)測能力基本達(dá)到ML1.4。較2010年臺網(wǎng)監(jiān)測能力ML2.4[4]有了大幅度的提升，且局部臺站密集地區(qū)的監(jiān)測能力如大廠礦區(qū)可達(dá)到0級以上，龍灘、巖灘庫區(qū)達(dá)到ML0.5，合山礦區(qū)達(dá)到ML0.4，大化庫區(qū)達(dá)到ML0.8，大藤峽庫區(qū)達(dá)到ML0.6等（圖2）。將“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施完成臺站納入地震速報(bào)工作后廣西地震監(jiān)測能力將達(dá)到ML1.2，紅水河流域帶的監(jiān)測能力甚至可達(dá)到ML0.8（圖3）。

圖3 廣西測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力圖（191個(gè)臺站）

那坡、田林、西林臺，八步信都、富川麥嶺、鐘山、岑溪、昭平、陸川、博白臺，龍勝臺、全州、興安臺分別加密了廣西與云南、湖南、廣東等鄰省交界區(qū)域的監(jiān)控，使得與鄰省交界50 km范圍內(nèi)，云南達(dá)ML1.4，湖南達(dá)ML1.6，廣東高州、陽江、信宜交界處達(dá)ML1.4。靖西、龍州、德保臺加密了與越南交界的監(jiān)控，使得與越南交界100 km范圍的監(jiān)測能力可達(dá)ML2.0。廣西近海區(qū)域地震監(jiān)測能力可達(dá)ML1.6，而北部灣區(qū)域達(dá)ML2.0。與貴州交界的監(jiān)測能力達(dá)ML1.2，主要為龍灘水庫高密度地震監(jiān)測臺網(wǎng)的布設(shè)和貴州共享臺站大部分為I類臺基所致。

4 最小完整性震級MC驗(yàn)證

所謂最小完整性震級MC是指監(jiān)測能力覆蓋時(shí)空范圍內(nèi)100%的地震事件可被檢測到的最低震級，是基于現(xiàn)實(shí)地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法。最小完整性震級方法較通過臺站臺基噪聲值反推震中距最小震級方法更能真實(shí)反映臺網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測能力。最小完整性震級最初主要根據(jù)震級-頻度分布滿足古登堡—里克特G-R關(guān)系，擬合線性關(guān)系中最好一段的最小震級作為最小完整性震級。近年來，最小完整性震級發(fā)展了一些新方法，如震級-序號法、最大曲率法（MAXC）、擬合度為90%和95%的擬合優(yōu)度法（GFT）和完整性震級范圍法（EMR）等多方法綜合應(yīng)用于甘肅、遼寧、陜西、新疆等區(qū)域的地震監(jiān)測能力時(shí)空變化分析中[5-7]。

本文采用完整性震級范圍法（EMR）對廣西最小完整性震級MC進(jìn)行計(jì)算，地震目錄選用廣西地震編目庫2008—2020年廣西及鄰區(qū)地震目錄。ML0.0以上地震11 637次，其中：0.0～0.9級5 237次、1.0～1.9級4 574次、2.0～2.9級1 639次、3.0～3.9級165次、4.0～4.9級19次、5.0～5.9級3次，地震目錄沒有剔除余震序列。采用EMR方法估算MC值，對震級高于MC的采用冪律分布，使用最大似然法估計(jì)a值和b值；對于震級小于MC的，采用正態(tài)累積分布函數(shù)q(M|μ,σ)來描述震級M函數(shù)的檢測能力，q(M|μ,σ)表示對某一震級下檢測一次地震的概率[8]。計(jì)算公式為：

式中：μ是表示50%的地震被記錄到時(shí)對應(yīng)的震級；σ為響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)M≥MC時(shí)，檢測概率為1。對MC的不確定度ΔMC采用bootstrap方法的蒙特卡洛隨機(jī)模擬估算，通過計(jì)算得到最小完整性震級MC為ML1.7（圖4）。

圖4 廣西及鄰區(qū)地震目錄最小完整性震級MC

采用0.2°×0.2°的空間網(wǎng)格，并以每個(gè)格點(diǎn)為圓心采用EMR方法進(jìn)行空間掃描。掃描最小半徑為30 km，最大半徑為100 km；地震事件數(shù)目下限為50次；ΔMC的bootstrap重采樣次數(shù)設(shè)定為200次。根據(jù)EMR方法計(jì)算獲得結(jié)果數(shù)據(jù)值，設(shè)置MC誤差閾值為0.6級，經(jīng)繪制得到區(qū)域監(jiān)測能力圖，發(fā)現(xiàn)最小完整性震級的空間掃描結(jié)果明顯受區(qū)域地震序列影響。如龍灘庫區(qū)和平果、上林、忻城一帶震級變化梯度密值小，在ML0.6～1.6間，主要為龍灘庫區(qū)、平果果化、忻城紅渡區(qū)域小地震活動(dòng)頻繁造成；而桂東、桂東北區(qū)域監(jiān)控震級在ML1.6～2.0間，震級變化梯度不大，主要為該區(qū)域地震少原因造成（圖5a）。

圖5 EMR方法與地噪聲推算監(jiān)測能力對比圖（90個(gè)臺站）

選用區(qū)域用于地震速報(bào)和地震編目的90個(gè)地震臺站，通過臺站臺基噪聲值反推震中距最小震級獲得區(qū)域最小監(jiān)測能力為ML1.6，空間分布上在龍灘庫區(qū)監(jiān)測能力高，柳州至賀州一帶監(jiān)測能力較弱，明顯與臺站分布密度有關(guān)（圖5b）。90個(gè)臺站臺基噪聲值反推震中距獲得的區(qū)域監(jiān)測能力值，相比區(qū)域最小完整性震級MC值計(jì)算得到的ML1.7相差了0.1級，很好地相互驗(yàn)證了結(jié)果的可信度；相比區(qū)域114個(gè)臺站所計(jì)算獲得的ML1.4相差了0.2級。實(shí)際地震監(jiān)測中，0.1級和0.2級震級檔的差異對區(qū)域臺網(wǎng)地震監(jiān)測拾取影響非常大，因此數(shù)據(jù)的同平臺接入和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格管理，對臺網(wǎng)的地震監(jiān)測效能發(fā)揮著強(qiáng)有力的保障作用。同時(shí)也基于這2個(gè)差異值，為科學(xué)有效評估臺網(wǎng)可以達(dá)到和實(shí)際實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測能力提供了很好的評價(jià)依據(jù)。

5 小結(jié)

“十五”項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施，廣西測震臺網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的觀測。2011年起，經(jīng)“十一五”、“十二五”防震減災(zāi)基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)，廣西測震站網(wǎng)布局不斷完善優(yōu)化。測震臺站數(shù)量發(fā)展到當(dāng)前的114個(gè)，并通過共享周邊鄰省臺站43個(gè)、老撾12個(gè)，進(jìn)一步提升了廣西區(qū)域及鄰省交界處的地震監(jiān)測能力。全區(qū)可監(jiān)測震級下限由2010年的ML2.4[9]提升到當(dāng)前的ML1.4，鄰省交界區(qū)域監(jiān)測能力達(dá)到ML1.6，廣西近海50 km范圍內(nèi)達(dá)ML1.5，小區(qū)域密集臺站處的監(jiān)測能力可達(dá)到ML0.5。待“十二五”項(xiàng)目建設(shè)的測震臺站納入地震速報(bào)工作后，廣西地震監(jiān)測能力將達(dá)到ML1.2，桂西北、桂中地區(qū)的地震監(jiān)測能力達(dá)到ML1.0，紅水河流域帶甚至可達(dá)到ML0.8。

基于現(xiàn)實(shí)地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法，采用最小完整性震級（EMR）方法計(jì)算得到廣西最小完整性震級MC為ML1.7。在同等臺站條件下，用于地震速報(bào)和地震編目的90個(gè)地震臺站計(jì)算得到的監(jiān)測能力值ML1.6較MC值相差了0.1級，較114個(gè)臺站所計(jì)算監(jiān)測能力值ML1.4相差了0.2級，這兩個(gè)差異數(shù)值為科學(xué)有效評估臺網(wǎng)可以達(dá)到和實(shí)際實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測能力提供了很好的評價(jià)依據(jù)。

隨著城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，大中城市的人口密度越來越大，進(jìn)一步降低震級監(jiān)測能力下限，可實(shí)現(xiàn)地震速報(bào)的“有感必有報(bào)”和“又快又準(zhǔn)”，提高捕獲地震信息能力和重點(diǎn)區(qū)域微小地震識別能力，為快速準(zhǔn)確判定滑坡、 塌陷、泥石流及爆炸等非天然事件的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、大致體量提供基礎(chǔ)監(jiān)測條件。不同臺站數(shù)據(jù)差異對區(qū)域臺網(wǎng)地震監(jiān)測拾取影響非常大，因此數(shù)據(jù)的同平臺接入和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格管理，對臺網(wǎng)的地震監(jiān)測效能發(fā)揮著強(qiáng)有力的保障作用。

致謝在此感謝論文評審專家給出的寶貴建議，同時(shí)也感謝馮健剛老師給予最小完整性震級計(jì)算軟件的支持，謝謝！