京津冀地區地震臺網監測能力分析

牟磊育 鄭鈺

中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區民族大學南路5號 100081

0 引言

我國是一個多地震的國家，地震學家們一直致力于地震監測和預測的研究工作。在“十五”期間，通過實施“中國數字地震觀測網絡項目”，建成了國家、省和市（縣）三級管理的1200多個地震監測臺站，組成了覆蓋全國的地震觀測網絡，從而進一步提高了我國的地震監測能力。關于區域臺網的監測能力，不少科研人員做了相關工作（郝春月等，2005、2006；李涌等，2007；王炎等，2001；張有林等，2005；張黎珍等，2002；孟智民等，2002；洪星等，2005；李雪英等，2005；尹繼堯等，2011；張玲等，2010；王小龍，2007；趙永海等，2010；姚宏等，2008）。但對于京津冀地區，目前還鮮有類似的工作成果。這里的地震監測能力分析對于首都圈地區的地震臺站建設及地震預測研究都具有重要意義。在此，我們利用臺站背景噪聲和近震震級公式對京津冀地區的理論監測能力進行了分析與研究，并與實際地震目錄進行了對比分析。

1 京津冀地區臺網概況

京津冀地震臺網包括北京地震臺網、天津地震臺網與河北地震臺網。經過“十一五”期間的建設，北京臺網已包括19個地震臺，天津臺網包括31個地震臺，河北臺網包括53個地震臺。目前京津冀地區一共已有103個地震臺，布設的地震計主要有FBS-3B、FSS-3DBH、CTS-1、CMG-3ESPC等，數采主要應用EDAS-24 IP、CMT-24、DM 24等，采樣率主要為50sps和100sps。天津臺網各臺站的高程均為-200m以上，北京臺網各臺站高程為-200～600m，河北臺網地震臺站的高程均在海平面以上，為7～1400m。

中國的地震活動主要分布在5個地區的23條地震帶上。在這5個地區中，華北地區的地震強度和頻度僅次于青藏高原，位居全國第二。由于京津冀地區位于華北區域內，所以格外引人關注。據統計，該地區有據可查的8級地震曾發生過5次；7～7.9級地震曾發生過18次。加之這里人口稠密、大城市集中，是政治和經濟、文化、交通都很發達的地區，地震災害的威脅就更為嚴重。所以研究該地區的臺網密度與實際地震分布對該地區的地震監測和預測研究具有非常積極的意義。

2 京津冀地區地震臺網的理論監測能力評估

2.1 理論監測能力的評估方法

2.1.1 利用近震震級公式估算京津冀地震臺網對近震的定位能力

測定近震的震級一般用ML震級公式，而最初的ML震級是由里克特在1933年研究美國加利福尼亞地震時提出的，即

其中，A為三分向地震計記錄的南北和東西2個水平分量中最大振幅的平均值；A*為某一標準震級（零級）地震的振幅。當時的零級地震是指用伍德-安德森式標準地震儀（靜態放大倍數2800，周期0.8s，阻尼系數0.8），在震中距Δ＝100km時記錄下的2個水平分量的最大振幅平均值為1μm（10-3mm）的地震。

而我國的近震震級公式是把我國現用儀器的記錄振幅換算成標準地震儀（即W-A）的最大振幅而得到的適合中國地震儀器的震級公式，即

式中，ML為用近震體波計算的震級；Aμm為以μm為單位的最大地動位移；R（Δ）為量規函數，即震級的起算函數；S（Δ）為臺站校正值（傅淑芳等，1980）。

為了估算京津冀臺網的監測定位能力，本文用中國近震震級公式，雖然此震級公式的量規函數是基于當時的基式地震儀和62、64型地震儀，而現在的京津冀各臺站所用的是寬頻帶地震儀，但寬帶數據經過短周期濾波后，相當于短周期地震儀記錄的數據，理論上利用此公式進行估算是可行的。由于臺站校正值一般很小，在我們的誤差許可范圍內，所以我們認為 S（Δ）為零。而式（2）則變為

2.1.2 估算方法

在近震中，最大體波振幅一般為S波振幅。我們認為近震Pg波的振幅是背景噪聲振幅的2倍時，便可以清晰地識別，而S波振幅一般為Pg波振幅的3倍。據此，如果知道了背景噪聲的平均位移值，則可獲得一個近震的最大地動位移。這樣就可以把這個最大振幅Aμm值（即以μm為單位的最大地動位移）代入式（3），并計算在該位移值固定情況下，不同震級的量規函數，再根據量規函數表查出不同震級下的最大震中距，這樣就得到了每個臺站所能檢測到的不同震級的最大震中距。假定最少有3個臺站能檢測到的地震就認為是可被定位的地震，按照這個原則，可得出京津冀臺網對近震的定位能力。

2.2 臺站（BJT）背景噪聲的計算

由上可知，要想算出京津冀地區的理論監測能力，必須知道京津冀臺網各臺站的背景噪聲平均位移。而背景噪聲即地脈動是隨季節和氣候而變化的，分析100多個臺站多年的噪聲變化是一個不小的課題。由于我們對監測能力的評估允許一定的誤差，所以決定采用地理位置優越、技術水平一流、影響范圍廣的北京地震基準臺，即BJT地震臺的背景噪聲平均位移作為京津冀地區各臺站的平均背景噪聲位移。

BJT地震臺既是中美合作的中國數字地震臺網（CDSN）的臺站之一，也是全球地震臺網（GSN）的臺站之一，是國際一流的臺站，其數據在IRIS可以直接下載。BJT在2013年進行了第3次升級改造，寬頻帶地震計由STS-2換成STS-2.5。采集器由原來的Q680換成Q330。BJT臺站的數據可靠而精確，一直保持國際一流水平。

2.2.1 BJT臺站背景噪聲平均位移的計算

BJT地震臺位于北京西郊，目前使用瑞士Streckeisen公司出產的STS-2.5高性能甚寬帶速度地震計。數據采集器則是由美國Kinemetrics公司生產的Q330，Q330是以IP為基礎的超低功耗、高動態范圍的數據采集器。STS-2.5地震計的傳遞函數為（http：／／service.iris.edu／iriswsresp1／）

我們隨機選取了BJT地震臺2014年5月20～27日記錄的地震噪聲數據，計算了該時段的背景噪聲水平。取盡可能平靜的時段，不包含地震事件、脈沖等大振幅的信號或噪聲。原始數據經過去均值、去傾向、去除儀器響應等預處理后，在時間域進行積分，把速度值變為位移值。由于BJT的儀器為寬頻帶記錄儀，為了應用近震震級公式，把轉變成位移值的數據進行短周期濾波（2～8Hz），獲得類似于短周期地震計記錄的地震波形。圖1所示的是2014年5月23日4h前、11h前、16h前、23h前 1800s的背景噪聲位移。這幾個時段的背景噪聲位移大約為0.05μm。

為了更直觀地了解BJT地震臺三分向背景噪聲的變化，計算了2014年5月20～27日高噪聲時段（UTC時間 12：00、13：00、14：00、15：00）和低噪聲時段（UTC時間21：00、22：00、23：00、00：00）噪聲的位移變化（圖2）。圖2（a）給出了 BJT地震臺在低噪聲時段的噪聲變化，該時段相當于北京時間的 5：00、6：00、7：00、8：00；圖 2（b）給出了高噪聲時段的噪聲變化，該時段相當于北京時間的 20：00、21：00、22：00、23：00。可以看出，在低噪聲時段，水平向背景噪聲位移值在0.015μm左右；在高噪聲時段，水平向背景噪聲位移值在0.025μm左右。在個別日期的個別時段，背景噪聲位移值會超出平均范圍。

由此得出2014年5月20～27日8天內BJT地震臺三分向的背景噪聲位移最高約為0.04μm。BJT三分向（Z向、SN向、EW 向）的平均噪聲位移分別為 0.0205、0.0260和0.0201μm。由于式（3）中的 Au為（AμEW+AμSN）／2，所以我們選擇 Au＝（0.026+0.0201）／2＝0.02305μm。如此以 BJT為參考點，京津冀所有地震臺站的假設背景噪聲位移均為0.02305μm，用以評估所有臺站的理論監測能力。

2.2.2 BJT臺站背景噪聲功率譜的計算

為了更進一步了解BJT地震臺的背景噪聲水平，計算了該臺2014年5月20～27日內的噪聲功率譜，并與國際流行的噪聲模型進行了比較。

圖1 BJT地震臺2014年5月23日4、11、16、23時前半小時的背景噪聲位移

功率譜的計算采用Welch平均周期圖法，Welch法是改進后的周期圖法。Welch平均周期圖法是把一長度為N的數據分成L段，每段長度為M，分別求每一段的功率譜，然后求平均值。每一段的譜需作加窗處理，其功率譜可由下式（胡廣書，1997；張峰等，2009）

xN（n）為長度為N的數字序列；為了保證所得到的譜是漸進無偏估計，令U為歸一化因子，d（n）是漢寧（hanning）窗 0.5±0.5×cos（2pin／N）。這樣幾段的平均功率可由下式決定

根據以上原理，取1800s的時段，共36000點進行功率譜的計算（采樣率20）。采用hanning窗，把36000點的數據分段后，每段4096點，共約8個數據段，每段和下一個數據段有50%的重疊，計算出每段功率譜后進行平均以減少估計的方差。圖3所示的是2015年5月23日 4：00、11：00、16：00、23：00時前半個小時的噪聲功率譜，上下 2條曲線分別為 Peterson新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM）。該模型是Peterson在1993年對全球各地正常噪聲進行了研究，獲得的全球公認的新高噪聲模型和新低噪聲模型。可以看出，BJT地震臺1Hz以下頻率的噪聲水平較低，接近于 NLNM。相對于Peterson噪聲模型，BJT臺站1Hz以上頻率的噪聲水平屬于中等程度。

圖2 2014年5月20～27日BJT地震臺低噪聲時段與高噪聲時段的背景噪聲位移變化

2.3 京津冀地震臺網的理論監測能力

我們以BJT臺站的背景噪聲為參考，假設京津冀地區的平均噪聲位移均為0.02305μm，該噪聲值乘以2倍作為Pg信號的最小檢測位移，再乘以3倍作為Sg波的最小檢測位移，代入式（3）計算各臺在各震級處的能記到該震級地震的最遠震中距。3個臺均能記錄則表示能夠定位該地點，如此我們獲取了京津冀臺網對近震的定位能力范圍（圖4）。

如圖4所示，天津大部分地區都能監測到ML1.0的地震，而北京地區地震臺站分布較稀疏，所以監測能力要弱于天津，其西北大部地區不能達到監測ML1.0地震的能力。雖然該估算設置了一些初始條件，但是作為一個大概的評估，可以看出其西北地區的監測能力明顯低于其東南部和天津大部分地區。京津冀所有地區均能夠監測ML2.5及以上地震，北京和天津所有地區均能夠監測ML2.0及以上地震。

3 京津冀地區地震臺網的監測能力檢驗

為了檢驗京津冀地區地震臺網的實際監測能力，我們從中國地震臺網中心（CENC）下載了京津冀地區的地震目錄。根據2002年1月～2013年10月間的1萬余條地震目錄，得到京津冀地區的地震分布圖（圖5）。由圖5看出，地震呈2個條帶狀分布，京津冀地區內40°N左右的地震條帶屬于華北平原地震帶，這個地區的監測能力很強，與之能夠達到同等程度的是河北省的西南部地區，如此強的監測能力都與這些地區臺站密度大有關。在115°E右側的地震條帶屬于汾渭地震帶，其中段由于臺站稀疏，監測能力只到ML1.5級。

圖 3 BJT地震臺 2014年 5月 23日 4：00、11：00、16：00、23：00時前半個小時的背景噪聲功率譜

4 京津冀地區的監測薄弱區

針對理論監測能力的計算作如下假設：①以BJT地震臺站的背景噪聲水平代表所有京津冀臺站的背景噪聲水平；②當Pg震相是噪聲的2倍時才確認為成功檢測；③最少有3個臺站的完整記錄才確認能夠定位該地震。而實際情況是，有的臺站遠離市區，比較安靜，高頻背景噪聲相對較低，比BJT的監測能力強。在實際工作中，Pg震相小于噪聲的2倍時，也可以用肉眼識別并參與定位。而且通常情況下如果1個臺有小震記錄，且tS-tP較小，可以認為是臺站附近的地震時，區域臺網也可以給出該臺站的經緯度作為地震的震中，同時給出tS-tP值，并提供地震目錄。這是理論計算與實際地震目錄的差別所在。

京津冀地區的地震主要分布在2個地震帶上，綜合理論計算與實際地震分布發現40°N附近小震頻繁，屬于華北平原地震帶，而從圖4看，北京西部地區與河北省40°N附近臺站較少，理論監測能力圖顯示對該地區的監測能力不足。既然臺站少，監測能力不足，而該地區又發生了如此多的地震，這可能表明該地區大部分小震的定位不能滿足多臺定位，即實際定位精度需要提高。另外一個地震帶為汾渭地震帶，除了河北省最南部地區監測能力較強外，地震帶中段均少有ML＜1.5的地震記錄，這條地震帶上的臺站分布稀疏，基本不能滿足ML1.5的地震下限。

圖4 京津冀地區近震監測能力

圖5 京津冀地區2002年1月～2013年10月的地震分布

5 結論

華北地區主要有4個地震帶，其中京津冀地區有2個主要地震帶，即華北平原地震帶和汾渭地震帶。華北平原地震帶是對京津唐地區威脅最大的地震帶，1679年河北三河8.0級地震、1976年唐山7.8級地震就發生在這個帶上。據統計，該地震帶共發生4.7級以上地震140多次。其中7.0～7.9級地震5次；8級以上地震1次。而汾渭地震帶，是我國東部又一個強烈地震活動帶。1303年山西洪洞8.0級地震、1556年陜西華縣8.0級地震都發生在該地震帶上。1998年1月張北6.2級地震也在該地震帶的附近。有記載以來，該地震帶內共發生4.7級以上地震160次左右。其中7.0～7.9級地震7次；8級以上地震2次（傅征祥等，1994）。

小震發生的頻次對大震的預測研究具有重要作用。在京津冀地區的2個主要地震帶上，北京西部、北部地區臺站稀疏，理論上不能滿足 ML1.0的監測下限。華北平原地震帶的西段，雖記錄到了小震級事件，但由于臺站稀疏，地震定位的精度有待提高。另外汾渭地震帶的中段，也由于臺站不多，理論上不能監測 ML1.5以下的地震，而實際上也沒有監測到ML1.0以下地震。因此建議補充北京西部地區與河北省汾渭地震帶中段的地震臺站，提高京津冀薄弱地區的地震監測能力，從而有利于京津冀地區的地震監測預測研究。