包頭地震臺網組網技術架構和地震監測能力分析

任 忠 叢培歷 邱雪輝

（中國內蒙古自治區014010包頭市地震局）

0 引言

包頭地處河套地震帶，位于全國地震重點監視防御區，具有發生破壞性地震的構造背景。長期以來，轄區內僅分布百靈廟和包頭2個地震觀測臺站，臺站間距大于100 km，地震監測能力偏低，不能滿足國家對地震重點監視防御區地震監測能力建設的要求。2017年起，為了解決該區地震監測能力偏低的問題，滿足城市防震減災和地震科學研究的需求，包頭市地震局陸續建設色氣灣、梅力更、大仙山3個地震臺站，臺站背景噪聲水平均達到Ⅰ類臺標準，安裝GL-S60型速度地震計和GL-A4加速度計進行地震記錄，波形數據質量良好。通過技術手段，將單個地震臺站組建成地震臺網，形成由16個子臺組成的包頭地震臺網，地震監測范圍覆蓋了河套地震帶，臺網對包頭及周邊地區的理論監測能力達ML1.0。為進一步驗證包頭地震臺網實際地震監測能力，用臺網運行以來記錄的實際震例進行檢驗。

本文介紹了包頭地震臺網的組網技術架構及組網前后的地震監測能力評估方法，通過該地方地震臺網的建設，為其他地市級地震部門組建地震臺網提供借鑒和技術支持。

1 組網技術路線及系統架構

采用基于NetSeis/IP協議的網絡組網技術，依托地震行業網SDH，通過SSS流服務器提供實時地震波形數據流、地震速報信息、編目信息等服務（韓成成等，2014），將13個區域地震臺站和3個自建地震臺波形數據組合到一起，實現實時波形數據的接收與分發，建成內蒙古自治區首個盟市級地震臺網——包頭地震臺網（圖1），提高了包頭地區地震監測能力。

圖1 包頭地震臺網子臺分布Fig.1 Distribution of sub-stations in Baotou Seismic Network

包頭地震臺網由臺站觀測系統、數據處理系統、監控系統和網絡通信系統組成。實時波形數據以2種傳輸方式匯集于包頭地震臺網中心（圖2），其中：①區域臺數據傳輸：烏海、東升廟、烏加河、西山咀、東勝、百靈廟、滿都拉、察素齊、呼和浩特、烏蘭花、和林格爾、清水河、涼城13個地震臺的實時地震數據，通過內蒙古地震臺網中心數據流服務引入包頭市地震局數據流服務器，實現數據的共享與匯集；②自建臺數據傳輸：色氣灣、梅力更、大仙山地震臺的實時地震數據，通過20M專用通信鏈路接入包頭市地震局數據流服務器，實現數據的匯集和存儲（圖2）。

圖2 包頭地震臺網技術系統構成Fig.2 Technical system composition of Baotou Seismic Network

2 技術系統部署

2.1 軟件部署

包頭地震臺網軟件系統基于中國地震局地震業務系統JOPENS系統搭建。JOPENS軟件系統是由廣東省地震局開發的一套地震臺網專業應用軟件，目前在全國省級地震臺網中心廣泛使用，實現了地震參數測定從單臺網分立式模式到全國組網統一模式、從人工到自動化的歷史性跨越（黃文輝等，2014）。該系統使用Mysql數據庫實現數據的匯集、存儲和分類，依托RTS實時數據處理模塊和人機交互模塊，實現對監測區域地震事件的自動定位和人機交互處理（梁向軍等，2012）。

包頭地震臺網基于實時處理模塊RTS，從包頭市地震臺數據流服務器獲取實時數據，實現地震事件的判別和自動定位，處理結果實時保存至數據庫。基于人機交互模塊，可對實時波形和指定時間段的數據進行人工分析，為地震編目提供更加可靠的地震參數。

2.2 服務器部署

按照系統總體架構設計及統一監控、統一管理、互為備份的設計原則，部署2臺服務器，分別用于波形數據流服務和組網軟件部署。其中：①波形數據流服務：實現波形交換管理、消息交換與參數管理、共享、直連區域子臺和本地子臺實時波形數據；②組網軟件部署：連續波形與事件波形歸檔。

基于以上部署，可根據工作任務有效配置服務器的使用范圍，便于維護和管理。面對不同工作需求和業務部署，只需調整和維護一臺服務器系統，不影響整體業務系統運行，同時，當一臺服務器出現故障，另一臺服務器可立即替換并接管工作，確保數據的連續性和穩定性。

3 包頭地震臺網監測能力評估

臺網地震監測能力通常指該臺網對特定地區所能監測到的最小地震，主要取決于臺網密度、技術系統的儀器響應靈敏度、儀器觀測動態范圍和臺址的地脈動噪聲平均水平。通常所說的一個地震臺網對某一地區監測能力為某一震級，是指當這個地區發生該震級以上的地震時，至少有4個臺站能記錄到完整且清晰可辨的P波、S波震相，監測能力用不同震級控制范圍等值線圖的方式表達（王保太等，2001）。

數字地震臺網速度型記錄測定近震震級計算公式如下

式中，VS為S波最大傳播速度，f為頻率，R(Δ)為震級量規函數。當信躁比VS/Vn≥2時，認為地震信號是可辨認的。近震頻率f一般取為 2—5 Hz，此時地震臺站對震級為ML的地震最遠控制距離Δmax可由式（1）計算得到。

地震臺站能夠記錄的最大地動速度計算公式如下

式中，Nmax為數據采集器能夠輸出的最大數字數（counts），取決于數據采集器的字長；kad為數據采集器的AD轉換因子（V/counts）；Gm為數據采集器的前放增益；S0為地震計電壓靈敏度（V·s/m）。若VS＞Vmax，則記錄限幅，將Vmax代入式（1），可求得對震級為ML的地震的最小控制距離Δmin。

單臺控制范圍為Δmin＜震中距＜Δmax，采用空間逐點掃描方法，若以Δmin為半徑的空間范圍內任意點有4個以上地震臺站共同控制，則地震臺網對該點具有監測能力。

收集包頭地震臺網各子臺（內蒙古自治區區域地震臺和包頭自建地震臺）基礎數據（表1），包括臺站經緯度、背景噪聲地動有效速度值RMS等基本參數，使用目前通用的jcnl.exe評估程序，導入臺站噪聲水平、經緯度坐標進行計算，得到包頭主城區及周邊地區地震監測能力。計算結果表明，包頭地震臺網建成前，呼和浩特—包頭地震重點監視防御區僅首府呼和浩特的地震監測能力達到ML1.0，包頭主城區及周邊地區未達到ML1.0，見圖3(a)；該臺網建成后，地震監測能力明顯提升，包頭主城區及周邊部分地區監測能力達到ML1.0，見圖3(b)。

表1 包頭地震臺網子臺基本參數Table 1 Basic parameters of substations in Baotou Seismic Network

圖3 包頭地震臺網地震監測能力(a)臺網組建前；(b)臺網組建后Fig.3 Seismic monitoring capacity of Baotou Seismic Network

4 震例檢驗

包頭地震臺網組網完成后，于2021年正式投入運行。為了直觀檢驗該臺網的地震監測能力，選取臺網運行以來包頭主城區及周邊部分地區（40°—42°N，109°—111°E）地震編目結果，同時參考全國地震月報目錄，進行震例統計分析。2021年1月—2022 年11月，包頭地震臺網記錄并進行編目的地震共計51個（圖4），其中ML0.5—1.0地震11個，ML1.1—3.0地震40個。這些地震均位于包頭地震臺網監控范圍內，且至少有4個臺站記錄的震相是可辨認的。采用廣東省地震局研發的JOPENS分析處理系統，基于HypoSat定位方法進行地震定位（圖5），將定位結果與全國地震月報目錄進行對比，ML≥1.0地震二者一致性較好。再將ML≤1.0地震定位結果列于表2，從表可見定位殘差較小，說明包頭地震臺網的建立對ML≤1.0地震的監測能力有提高。

表2 ML≤1.0地震詳細定位結果Table 2 Detailed location results of ML≤1.0 earthquakes

圖4 包頭地震臺網編目地震震中分布Fig.4 Distribution of earthquake epicenters cataloged by Baotou Seismic Network

圖5 地震定位結果示例Fig.5 The locating results of typical earthquake cases

震例檢驗結果表明，包頭地震臺網對包頭主城區及周邊部分地區的地震監測能力優于ML1.0，與理論計算結果相符，表明包頭地震臺網建設達到預期目標。

5 結論及建議

包頭地震臺網建成后，通過理論計算和震例檢驗，對包頭主城區及其周邊部分地區的地震監測能力達到ML1.0，且優于ML1.0，實現了國家對地震重點監視防御區地震監測能力的目標要求。

包頭自建地震臺站目前未納入內蒙古數字地震臺網。由于空隙角、臺站分布方位均勻度、最小震中距、參與定位臺站數等的差異（趙艷紅等，2022），內蒙自治區地震局和包頭市地震局的地震定位結果存在一定系統性偏差，建議盡快將包頭自建地震臺納入區域地震臺網。研究發現，包頭市土默特右旗、石拐區等位于地震高烈度區（0.3g），邊遠地區的地震監測臺站數量不足，地震監測能力偏低，尚不能滿足地震監控要求，建議“十四五”期間繼續加密臺網，全面提升本地區地震監測能力。

本文撰寫過程中，河北省地震局高景春研究員提供jcnl.exe評估程序，內蒙古地震臺高級工程師王鑫、工程師安全提供區域地震臺網13個子臺的基礎數據，在此一并表示感謝。