中国测震台网地震监测能力初步分析

梁姗姗 邹立晔 赵 博 刘敬光 刘艳琼 姬运达 李旭茂 翟璐媛

（中国北京 100045 中国地震台网中心）

0 引言

中国测震台网是我国防震减灾工作的核心和基础设施，为监测地震和开展地球科学研究提供了基础数据；同时，在监测矿震、爆炸、地下核试验等非天然事件方面发挥了重要作用。因此，对测震台网地震监测能力的科学评估，已经成为基础而关键的研究内容（王亚文等，2017；刘栋等，2018）。地震监测能力评估是一项复杂工作。关于区域测震台网的监测能力研究，科研人员做了大量工作，取得了一些有意义的结果。王培玲等（2014）用地震目录中的最小完整震级来表征青海测震台网的地震监测能力；牟磊育等（2016）根据京津冀地区的平均地脉动噪声估算研究区域监测范围；王亚文等（2017）利用基于概率的完整性震级（PMC）方法，对中国地震台网1 001 个台站2008—2015 年实际产出的地震观测资料进行研究，分析了指定震级下限的检测概率（PE）和最小完整性震级MP的分布；屠泓为等（2018）运用分时段累计频度、b值曲线和时间窗滑移等方法，对测震台网在西宁盆地及邻近区域的监测能力进行了分析。

文中采用多种常用的评估办法，对中国测震台网的地震监测能力进行研究，研究区域为（0°—55°N，70°—140°E）。按照中国地震局相关规范（中国地震局监测预报司，2007），计算中国测震台网1 155 个测震台站的背景噪声，并根据近震震级公式对其理论监测能力进行分析；采用2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日中国地震台网统一编目正式报目录数据，计算出实际监测能力，将计算结果与理论监测能力进行比较分析；利用AK135 一维速度模型，估算中国地震台网理论检测时间；利用华北地区地壳速度结构模型，估算北京地区理论定位能力。

1 中国测震台网概况

中国测震台网由1 个国家测震台网和31 个省级测震台网组成。截止到2021 年1 月31 日，全国可实时汇集和交换数据的地震台站达1 155 个，包括国家测震台站166 个，区域测震台站989 个（图1）。国家测震台站和区域测震台站的实时观测数据先汇集到各省级测震台网，然后汇集到国家测震台网中心。同时，国家测震台网中心向31 个省级测震台网转发邻省台站的实时数据。中国测震台网现布设地震计1 155 台（套），其中超宽带16 台、甚宽带230 台、宽频带771 台、短周期138 台，共有6 个厂商的20 个型号仪器在网运行；数采1 155 台（套），共有5 个厂商的8 个型号仪器在网运行。

图1 中国测震台网台站分布Fig.1 Distribution of stations in China Seismic Network

2 监测能力计算

2.1 理论监测能力

理论地震监测能力为地震台网对一定区域范围内能够记录到并能测定震源位置、发震时刻等基本参数的震级下限。地震台网的理论地震监测能力和所属台站的地震记录能力、台站密度等有关，通常不考虑定位精度（张演等，2016）。

数字地震台网用速度型记录测定近震震级的公式为

其中，VS为S 波速度，f为S 波最大振幅所对应的频率，R(Δ)为量规函数。

设台站的背景噪声水平为Vn，单位是μm/s，当信噪比VS/Vn≥2 时，认为地震信号是可辨认的。近震的频率范围一般为2—5 Hz。该台站对震级类型为ML的地震最远监测距离Δmax可以由公式（1）得到。

台站能够记录的最大地动速度值为

其中，Nmax为数采的最大输出（counts），取决于数采的字长，Kad为数据采集器的AD 转换因子，Gm为数据采集器的前放增益，SO为电压灵敏度。当VS≥Vmax，则台站记录限幅，将Vmax代入公式（1），便可求得该台站对震级为ML的地震最近监测距离Δmin。这样便可得到各台站对相应震级的监测距离。之后采用空间逐点扫描法，对研究区域按0.25°×0.25°作网格扫描。对于某一网格点，若该网格点能被至少4 个台站监测到，则认为台网对该点具有监测能力，从而可得到台网理论监测能力分布。

计算理论监测能力前，需要计算每个台站的背景噪声（RMS）。为了客观反映台站地震监测能力水平，同时消除连续噪声波形中地震信号的影响，按照研究区域无ML3.0 以上地震发生的筛选条件，选择2021 年2 月1 日0 时至15 时中国地震台网1 155 个测震台站15 h 内记录的地动噪声观测数据，计算短周期段（1—20 Hz）频率范围内每个台站的背景噪声水平Vn，按照中国地震局制定的《地震测震台站观测环境技术要求》，将台基噪声（单位是m/s）分为5 类：Ⅰ类台基噪声水平：RMS ＜3.16×10-8m/s；Ⅱ类台基噪声水平：3.16×10-8m/s ≤RMS ＜1.00×10-7m/s；Ⅲ类台基噪声水平：1.00×10-7m/s ≤RMS＜3.16×10-7m/s；Ⅳ类台基噪声水平：3.16×10-7m/s ≤RMS ＜1.00×10-6m/s；Ⅴ类台基噪声水平：1.00×10-6m/s ≤RMS ＜3.16×10-6m/s。

根据台基噪声水平分布（图2），可以看出，中国测震台站环境噪声水平级别呈明显的分区特征：中部和西部城市的噪声水平最低；东部沿海城市及东北地区台基噪声水平较高，主要是由于东部地区人口密集，人类活动对环境噪声影响较大，且东部地区邻近海洋，受到潮汐、海浪等自然因素的干扰。

将台站背景噪声联合公式（1），计算出中国测震台站理论监测能力（图3）。计算理论监测能力时，平均近震震级频率设为3 Hz，将6 倍的背景噪声能量作为可检测的震级下限。从图3 中可以看出，中国测震台网在台站分布密集地区可监测到震级下限为ML1.5，例如华北大部、甘肃、陕西、四川、云南大部、新疆西北部等地区，其中北京、天津和上海可监测的震级下限为ML1.0。背景噪声比较大，观测环境较差的华南、华东地区可监测震级下限为ML2.5 左右。中国测震台网在台站稀疏地区可监测的震级下限为ML3.5 左右，例如青藏高原西部、新疆东南部和内蒙古北部边界地区等。

图3 中国测震台网理论监测能力Fig.3 Theoretical monitoring capability of China Seismic Network

2.2 实际监测能力

为了得到中国测震台网的实际监测能力，选取2017 年1 月1 日至2020 年12 月31 日在研究区域内中国地震台网统一编目正式报目录中ML≥0 共301 551 个地震事件（不包含单台定位）进行实际监测能力计算。在研究区域内以0.1°为单位划分网格，挑选出各网格内的最小震级，利用软件求得格点差值，最终得到中国测震台网实际监测能力（图4）。

图4 中国测震台网实际监测能力Fig.4 Actual monitoring capability of China Seismic Network

在图4 中，不同的颜色代表各地区不同的完整性震级，完整性震级为地震100%被台网记录的等级。完整性震级越小，代表中国测震台网对该地区地震活动的监测能力越高，反之，则表明对该地区地震活动的监测能力越低。从图4 中可以看出，除青藏高原西部、新疆南部及内蒙古北部边界区域以外，中国测震台网可实现对中国大陆地区ML3.0 以上地震的监测，其中华北大部、甘肃、陕西、四川、云南大部、新疆北部和南部沿海地区的完整性震级较小，大部分在ML1.5 以下。此外，可以从图4 中看出，中国测震台网实际监测能力（图4）与理论监测能力（图3）整体相符，仅有小部分地区略有差异。如广东、福建等沿海地区，实际监测能力均略高于理论监测能力。原因可能是本研究计算理论监测能力的方法是依据台站参数以及对信号的记录能力，没有联系实际地震，得到的结果为理论值，不能完全反映台网对该区域监测的实际情况；还可能是台站在不同时间段的背景噪声有所不同，能监测的最小地震信号也有差别，将台站对地震信号的记录情况统一为一个时间段的水平也可能会造成计算结果的误差；此外，在计算理论监测能力图时，使用4 个台站数据测定，而实际监测能力图中有部分事件采用2 个或者3 个台站的数据进行计算。这些都有可能造成实际监测能力高于理论监测能力的现象。而西藏地区地震实际监测能力略低于理论监测能力，可能与台网运行要求的变化、台站运行率、分析经验等相关。

2.3 理论监测延时

采用AK135 一维速度模型，估算了使用4 个台站进行定位所需要的理论时间，即理论监测延时（图5）。结果表明，理论地震监测延时主要受测震台站密度影响，空间上存在较强的不均匀性。我国台站分布密集的首都圈地区理论监测延时在10 s 以内，北京地区在5 s 以内。台站分布较为密集的华北、华南地区的理论监测延时较短，在15 s 以内。对于台站稀疏地区，理论监测延时较长，如西藏北部和新疆东南部，用时最长的西藏北部地区监测延时为1 min。

图5 中国测震台网理论监测延时Fig.5 Theoretical detection time of China Seismic Network

2.4 理论地震定位能力

理论地震定位能力是指给出某一ML震级值和假定震相读数误差值，按区域逐点扫描，计算给定台网分布下的定位水平误差估计值和定位垂直误差估计值。计算时，需要考虑台网监测范围、台站密度和分布，以及地震波传播路径上介质特性的差异等。相比地震监测能力，理论地震定位能力需要考虑定位精度（赵仲和，1983；姜长宁，2001）。选择震级监测下限最小和地震检测时间最短的北京地区为例，估算该地区理论定位能力。使用张广伟等（2011）进行华北地区小震精定位的区域速度模型和北京、天津、河北台网及中国地震局地球物理研究所的国家和区域台站，计算发生ML4.0 地震时，假定震相读数误差为0.2 s，在北京地区地震定位水平误差约1 km（图6）。北京地区理论地震定位水平误差较小，表明该地区理论地震定位能力较强。

图6 北京地区理论地震定位水平误差Fig.6 Horizontal error of theoretical seismic positioning in Beijing area

3 结论

地震监测能力是衡量地震台网运行质量的重要指标。为更好地了解中国测震台网现有地震监测能力，利用166 个国家台站和1 289 个区域台站的观测波形数据和目录数据进行研究，运用常规的理论地震监测能力、实际地震监测能力、理论监测延时等地震监测能力评估方法，对中国测震台网地震监测能力加以分析，对中国测震台网的整体地震监测能力进行初步评估。此外，估算了地震震级监测下限最小和地震检测时间最短的北京地区的理论地震定位能力。结果显示，中国测震台网地震监测能力在空间上差异较大。我国中部地区可监测的震级下限较低，台站分布稀疏的青藏高原西部、新疆东南部和内蒙古北部边界地区等可监测的震级下限较高。台站分布较为密集的华北、华南地区理论检测延时较短，台站分布稀疏地区理论检测时间较长，如西藏北部和新疆东南部等地区，说明应该加强青藏高原和边境地区监测能力。

高质量的中国测震台网长期平稳有序运行，是提供有价值的地震科学数据的重要保障，也是地震学开展研究的重要基础。随着青藏高原地震监测能力提升项目和国家地震烈度速报与预警工程项目的实施，地震监测的技术水平将不断提高，地震监测能力的空间分布将更加均匀合理。

感谢赵仲和研究员在背景噪声计算方面的指导和帮助。