镜泊湖火山台网监测能力和火山活动性分析

赵建通，马宝君，梁阿全，李俊秋，高双玲

（1. 牡丹江地震台，黑龙江 牡丹江 157009；2. 黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引言

地震监测是衡量台网质量的重要指标。地震观测已发展到以数字记录为特征的新阶段，因此国内许多专家学者已由原来对模拟地震记录的研究转向对数字地震记录的研究工作。目前国内在台网或台站的地震监测能力方面的部分研究有：洪星等[1]1999年研究了福建省数字遥测地震台网监控范围的估算，用S 波幅度与噪声背景值的比较方法来确定台网的近震监范围；李广平等[2]2001年研究了辽宁遥测数字地震台网的实际监控能力，得出以近震S 波最大幅度为平均地动噪声水平6 倍作为近震最低观测下限；郝春月等[3]2006年研究了中国数字地震台网（CDSN） 和IMS/PS 台阵的监测定位能力评估并以远震P 震相的振幅是背景噪声振幅的两倍，面波振幅为P 震相的8 倍（MS6.5 级以上乘以10 倍），来计算CDSN 对远震的监测能力；许康生等[4]2003年研究了高台地震台的监测能力估计，以最大位移的全振幅为6mm 作为单台近震、远震和极远震监控能力的评价指标。为推进综合台站地震监测业务改革，提升台网地震监测和服务能力，2019年镜泊湖火山台网新增两个观测子台。本文将对镜泊湖火山台网台基噪声水平、观测数据产出及地震监测能力、火山活动性等方面进行分析研究，对了解台网监测能力及有针对性地寻求提高台网观测质量的技术途径等具有一定的现实意义和实用价值[5-6]，并对判断火山台网是否能对火山区未来喷发的危险和火山灾害做出准确评估具有一定的参考价值。

1 镜泊湖火山台网概况

镜泊湖火山是我国著名的近代火山 ,镜泊湖火山位于黑龙江镜泊湖西北约50 公里，在张广才岭海拔1000 米的深山区。从火山口内壁可观察到喷发类型主要以夏威夷型平静溢流和斯特朗博利式。火山喷发物阻塞了牡丹江，形成了我国最大的火山堰塞湖镜泊湖。镜泊火山是爆发的休眠火山，在距今 5140a，3490a，2470a 和近10000年前曾相继发生规模较大的喷发，形成大小不等、形状不一的13 个火山口，主要集中在宁安市小北湖的火山口森林和蛤蟆塘[7]。这些火山主要由火山弹、岩饼、火山渣、浮岩、火山砾、火山砂等火山碎屑岩和熔岩组成的火山锥体，熔岩分布于火山口周围，大量充填于河谷。镜泊湖地区的莫霍面深度大约35km，火山口森林之下的地壳厚度为39km，显示该地区加厚的地壳特征[8]。镜泊湖火山台网的建立，对加强火山区微震观测及判断镜泊湖火山的活动情况提供最直接的依据。

镜泊湖火山台网于2006年建设完成并投入使用，其中火山台网原地下森林子台和小北湖子台位于母树林场境内，属地林场为了防止火灾，切断了林场一切供电设施及网络环境，导致两子台于2010年停测。为尽快恢复监测工作2019年增建2 个测震子台，分布于小北湖林场（小北湖台） 和苇芦河林场周边（苇芦河子台）。至此，镜泊湖火山区域地震监测能力得以提升。

镜泊湖火山台网五个观测子台均分布于火山口周围，都具备电源、网络等观测条件，周边无大型震动干扰，观测环境良好。其中小北湖子台是牡丹江地区唯一一个井下地震观测的台站，井深60 米，其余均为地表观测，如表1所示。

表1 镜泊湖火山台网各子台信息

2 噪声功率谱计算

2.1 功率谱的定义

台基噪声功率谱是用来评估地震台站台基背景噪声的高低，台基背景噪声水平直接影响地震波形记录的质量，所以台站噪声水平是分析台网监测能力的重要环节之一。地动噪声功率谱计算方法如下所示：

设时间函数f（t）为地震记录中的位移，应用傅里叶变换，将其变换到频率域中得到F（ω），则f（t）功率谱F（ω）之间的关系如下：

根据仪器种类及零极点和增益参数，计算数字地震仪的地动噪声功率谱密度。

2.2 资料选取及计算

台基噪声功率谱密度测试的数据，是用来评估地震台站台基背景噪声的高低，背景噪声包含地震计本身噪声、环境噪声和地脉动噪声。背景噪声反映了台站的台基水平，在新台址勘选时作为选台的依据。对于已经投入正式观测的台站，进行定期测定台基噪声，其累计的历史噪声数据，用来评估台站观测环境的变迁。台基背景噪声水平直接影响地震波形记录的质量，所以台站噪声水平是分析台网监测能力的重要环节之一。中国地震局已经制定了“地震台站观测环境技术要求”，规定台基背景噪声在1～20Hz 频带范围的速度RMS 值作为评估标准。共分为 5 级台基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），下面列出评估的标准（单位：m/s）：

Ⅰ级台基噪声水平：RMS＜3.16x10-8m/s；

Ⅱ级台基噪声水平：3.16×10-8m/s≤RMS＜1.00×10-7m/s；

Ⅲ级台基噪声水平：1.00×10-7m/s≤RMS＜3.16×10-7m/s；

Ⅳ级台基噪声水平：3.16×10-7m/s≤RMS＜1.00×10-6m/s；

Ⅴ级台基噪声水平：1.00×10-6m/s≤RMS＜3.16×10-6m/s。

我们选取镜泊湖火山台网所有观测台大于24 小时的无地震及干扰的连续观测数据进行地动噪声功率谱密度计算，用于判定各台台基噪声水平，结果如表2 所示。

表2 各台计算得到的台基噪声水平

2.3 观测动态范围分析

观测动态范围受台站地振动噪声水平和地震计系统的影响，是台站观测系统的重要技术参数，直接决定了台站可完整记录地震事件大小的范围。

同时选取五个台站2020年01 月8 日01—02 时的观测数据进行快速傅里叶变换，得到每个台站的背景噪声值和有效动态范围结果，如表3 所示。

表3 台网各子台有效动态范围

由上表可以看出，在同一时刻五套仪器各频率对应的动态范围都存在差异。在0.2Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz 点处，动态范围最大的均为苇芦河台，最小的均为红海林台，两者相差分别是7.8dB、6.5dB、6.8dB、8.3dB、10.9dB。在10Hz 点处，苇芦河台和镜泊山庄台都为129.8dB。在20Hz 点处，动态范围最大的为镜泊山庄台，最小的为红海林台，两者相差8.7dB。通过总结得出，苇芦河台观测数据的动态范围在各频率都表现优秀，红海林台各频率都表现相对最差。

3 镜泊湖火山台网监测能力计算

3.1 数据选取

我们计算镜泊湖火山台网监测能力使用的方法是基于近震震级公式，通过台基背景噪声水平，计算出每个台网子台能监测到的最小震级。数据选取无地震事件及强震动或强人为干扰的大于24 小时观测数据波形，选择频带1-20Hz，计算观测数据的均方根值。根据近震震级计算公式进行估算地震监测能力[9]，公式如下：

刘瑞丰老师认为，最大地动速度和最大地动位移振幅关系为：

将（4） 式带入（3） 式，得到可用最大地动速度计算地震监测能力的公式（5）：

式中，A 为台站记录的体波最大速度，单位为微米/秒，T 对应最大速度周期。本文认为当S 波为背景噪声幅度的6 倍时，地震波P 波和S 波震相清晰可辨。我们将按照背景噪声的6 倍作为S 波可分辨的最小位移，C 为台基校正值。由于台基校正值很小而且在计算的误差范围内，所以认定C=0，R（Δ）为量规函数，即震级起算函数（表4）。我们使用王丽艳等[10]（2016） 提供的中国东北地区量规函数R（Δ）表查找对应的R（Δ）值。利用上面计算得到的各台两水平向的地动噪声RMS 值带入（5）式后计算得到各台可监测到的最小震级。

3.2 计算结果

选取各台网水平向地动噪声RMS 值的6 倍为S 波最大振幅。通过对区域内历年地震信息统计分析，得出最大振幅响应周期与震中距的关系（表4）。

表4 最大振幅响应周期与震中距的关系

因镜泊湖火山台网主要用于监测镜泊湖火山地震，属于小孔径监测台网，监测范围200km 已满足监测要求，所以我们只计算该范围内的监测能力即可。将上述设定条件带入式（5） 进行计算，并且按照与实际观测资料的测定结果相结合的方式计算得台网的近震监测能力，如表5 所示。

表5 震中距和测定最小震级的关系

3.3 监测能力图绘制

一般地震发生后，地震仪记录到地震信息后，通过分析可以给出地震的时间、地震级和震中距，但是我们依旧认为单台定位得到的地震信息是不准确的。理论上需要三个或者以上台站记录到此次地震，通过交切法计算出地震的震中位置。按测定地震参数的精度要求，我们取第四个子台震级作为台网对该节点的可监测能力震级下限为前提，绘制监测能力图，如图1 所示。

图1 镜泊湖火山台网监测能力Fig.1 Monitoring capability of Volcanic Seismic Network in Jingpohu

4 镜泊湖火山活动性分析

镜泊湖火山由五个火山机构（蛤蟆塘、迷魂阵、火口森林、大干泡、五道沟） 组成，共有13 个火山口。距上次火山喷发已10000年。经过对2006年台网建设以来火山区域所有可定位地震的统计，可定位地震30 件，火山区地震活动较少，并且无ML1.6 以上地震。其中2017年监测到可定位地震为13 次，是次数最多的一年，但都是由山庄子台单台定位得到的地震信息，震源位置精度不高。我们结合黑龙江省地震局正式地震目录和镜泊湖火山台网记录到的地震目录统计出了自2008年以来所有的地震信息，绘制了M-t 图（图2）。由图2 可以看出近两年地震数量及震级并未出现增加迹象，因此，我们认为镜泊湖火山活动性相对平静，短期内无火山喷发可能。但是在2000年黑龙江省地震局火山研究所进行的大地电磁测深研究表明，地下30km 左右有高导低阻地质体存在。为进一步确定镜泊湖火山的活动情况，2002年由中国地震局地球物理勘探中心布设临时地震监测台网对镜泊湖火山进行了近4 个月的监测，共记录到39 次地震，其中可定位的事件有13 个，多发于火山口森林至镜泊湖段，在火山口森林则有3 次火山事件。鉴于先前对火山区域的勘查工作及2010年和2017年的地震数量，后期应继续保持对火山地震的监测工作。

图2 镜泊湖火山区域历史地震M-t 图Fig.2 M-t map of historical earthquakes in Jingpohu volcano area

5 总结与讨论

镜泊湖火山台网各子台背景噪声有效值均远远小于3.16x10-8m/s，五个子台台基都属于“Ⅰ级台基噪声水平”，符合国家选址要求，其优秀的台基背景噪声，可清晰完整记录火山区微震活动，满足火山区微震监测工作。

由图1 可以看出台网对五个火山机构理论可监测到最小ML-0.5 地震，个别区域甚至可以监测到最小ML-1.4 地震，对于火山周边30km理论可监测到最小ML0.5 地震，100km 理论可监测到ML0.6 以上地震，200km 理论可达到最小ML0.8 地震，完全满足火山区域监测需求。因为镜泊湖火山台网属于小范围监测台网，主要用于监测火山口周围30km 的微震活动，从图中我们可以看出，目前镜泊湖火山台网监测能力已满足监测需要。

镜泊湖火山整体处于平静时期，短期内不会有火山喷发，但鉴于火山下方35km 有高导低阻地质体存在，火山仍有喷发的可能，仍需进行密切监测。

通过监测能力图可以看出，下一步如需提高台网监测能力，应在火山机构西侧建立监测台站。但经实地考察，西侧地形复杂且人烟稀少，供电、通讯、交通得不到保障，并且紧邻吉林省省界，所以此方案不可行。不过可以利用现有观测子台条件，增加其它观测手段，达到提升监测能力的效果。