鏡泊湖火山測震臺網監測效能評估

趙建通 高雙玲 馬寶君 梁阿全 李俊秋

1）中國黑龍江 157009 牡丹江地震臺

2）中國哈爾濱 150090 黑龍江省地震局

0 引言

地震監測能力是衡量地震臺網質量的重要指標（董晨陽等，2018）。為推進地震綜合臺站地震監測業務改革，提升地震臺網地震監測、服務能力，2019 年鏡泊湖火山測震臺網新增2 個觀測子臺。本文對鏡泊湖火山測震臺網臺基噪聲水平、觀測動態范圍及地震監測能力等進行了研究，研究結果對了解地震臺網監測能力及有針對性地尋求提高臺網觀測質量的技術途徑等具有一定的現實意義，并對判斷火山測震臺網能否對火山區未來噴發的危險性和火山災害作出準確評估具有一定的參考價值。

1 鏡泊湖火山測震臺網

鏡泊湖火山是我國著名的近代火山，并且是爆發的休眠火山，共有13 個火山口（李英波等，2006），火山口主要集中在寧安市小北湖的火山口森林和蛤蟆塘，從火山口內壁可觀察到其噴發類型主要為夏威夷型平靜溢流和斯特朗博利式。火山噴發物阻塞了牡丹江，形成了我國最大的火山堰塞湖——鏡泊湖（洪漢凈等，2007）。鏡泊湖地區的莫霍面深度約為35 km，火山口森林之下的地殼厚度為39 km，顯示該地區加厚的地殼特征。2000 年黑龍江省地震局火山研究所進行的大地電磁測深研究表明，地下30 km 左右有高導低阻地質體存在。鏡泊湖火山測震臺網的建立，可為加強火山區微震觀測及判斷鏡泊湖火山的活動情況提供直接依據。

鏡泊湖火山測震臺網于2006 年建設完成并投入使用，其中，森林子臺和小北湖子臺因當地森林火災于2010 年停測。為盡快恢復監測工作，2019 年新建2 個測震子臺，它們位于小北湖林場（小北湖臺）和葦蘆河林場（葦蘆河臺）周邊。

2 觀測條件及儀器概況

鏡泊湖火山測震臺網5 個觀測子臺均分布于火山口周圍，都具備電源、網絡等觀測條件，周邊無大型震動干擾，觀測環境良好（表1）。

表1 鏡泊湖火山測震臺網各子臺信息Table 1 Information of each seismic station of volcanic seismic network in Jingpohu

3 噪聲功率譜密度計算

臺基噪聲功率譜密度數據，可用來評估地震臺站臺基背景噪聲的高低，在新臺址勘選時可作為選臺的依據。對于已經投入正式觀測的臺站，定期測定臺基噪聲，累計歷史噪聲數據，可用來評估地震臺站觀測環境的變遷。臺基背景噪聲水平會直接影響地震波形記錄的質量，所以分析臺站噪聲水平是判斷地震臺網監測能力的重要環節之一。中國地震局已經制定了《地震地震臺站觀測環境技術要求》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2004），該要求規定將臺基背景噪聲為1—20 Hz 頻帶范圍的速度RMS 值作為評估標準，共分為 5 級臺基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），評估的標準為（單位為m/s）

Ⅰ級臺基噪聲水平：RMS ＜3.16×10-8

Ⅱ級臺基噪聲水平：3.16×10-8≤RMS ＜1.00×10-7

Ⅲ級臺基噪聲水平：1.00×10-7≤RMS ＜3.16×10-7

Ⅳ級臺基噪聲水平：3.16×10-7≤RMS ＜1.00×10-6

Ⅴ級臺基噪聲水平：1.00×10-6≤RMS ＜3.16×10-6

選取鏡泊湖火山測震臺網所有觀測臺大于24 h 的無地震及干擾的連續觀測數據進行地動噪聲功率譜密度計算，以判定各臺臺基噪聲水平，結果見表2。

表2 計算得到的臺基噪聲水平Table 2 The calculated base noise level

4 鏡泊湖火山測震臺網監測能力計算

4.1 采用仿真短周期位移記錄（DD-1）計算近震監測能力

近震震級使用仿真短周期位移記錄（DD-1）的S（或Lg）波最大正度來測定。根據如下近震震級計算公式估算地震監測能力

其中，A 為臺站記錄的體波最大速度，單位為μm/s；C 為臺基矯正值；R(Δ)為量規函數，即震級起算函數。劉瑞豐等（1996）認為，最大地動速度和最大地動位移振幅間的關系為

其中，T 為對應最大速度周期（劉瑞豐等，1996）。將式（2）帶入式（1），得到可用最大地動速度計算地震監測能力的公式

我們認為當S 波振幅為背景噪聲振幅的6 倍時，地震波P、S 波震相清晰可辨，故按照背景噪聲的6 倍作為S 波可分辨的最小位移。由于臺基校正值很小且在計算的誤差范圍之內，所以，認定C=0。選取無地震事件、無強震動、無強人為干擾的大于24 h 觀測數據波形進行背景噪聲計算，得到各臺EW、NS 向的地動噪聲RMS。

4.2 計算結果

選取各臺EW、NS 向地動噪聲RMS 值的6 倍為S 波最大振幅（曹舸斌等，2019），通過對研究區歷年地震信息進行統計分析，得出最大振幅響應周期與震中距間的關系（表3）。

表3 最大振幅響應周期與震中距間的關系Table 3 Relationship between the maximum amplitude response period and epicenter distance

因鏡泊湖火山測震臺網主要用于監測鏡泊湖火山地震，屬于小孔徑監測臺網，監測范圍30 km 已滿足監測要求，所以只計算200 km 范圍內的監測能力即可。將上述設定條件帶入式（3）進行計算，得到臺網的近震監測能力（表4）。

表4 震中距與測定最小震級間的關系Table 4 Relationship between epicenter distance and the minimum magnitude

4.3 監測能力圖繪制

一般地震發生后，地震儀記錄到地震信息后，通過分析可以給出發震時間、震級和震中距，但是由單臺定位得到的地震信息是不準確的（郝春月等，2006），理論上，需要3 個或3 個以上臺站記錄到此次地震（何少林，2003），再通過交切法計算出地震的震中位置。為了與原鏡泊湖火山測震臺網的監測能力進行對比，取第3 個子臺震級作為現臺網對該節點的可監測震級下限，繪制監測能力圖[圖1（a）]；采用相同方法繪制新增2 個觀測子臺前的鏡泊湖火山測震臺網監測能力圖[圖1（b）]。

圖1 鏡泊湖火山測震臺網監測能力對比（a）新增2 個子臺后；（b）新增2 個子臺前Fig.1 Comparison of monitoring capability of volcanic seismic network in Jingpohu

目前，鏡泊湖火山測震臺網由5 個觀測子臺組成，根據“3 個地震臺可定位地震信息，第4 個地震臺用于修正”的原則，我們選取第4 個子臺震級作為臺網對該節點的可監測震級下限，繪制監測能力圖（圖2），圖2 更能真實反映臺網監測能力。

圖2 鏡泊湖火山測震臺網監測能力Fig.2 The monitoring capability of volcanic seismic network in Jingpohu

5 討論

對鏡泊湖火山測震臺網各子臺計算得到的背景噪聲有效值均小于3.16×10-8m/s，5 個子臺臺基都屬于“Ⅰ級臺基噪聲水平”，符合國家選址要求，其較小的臺基背景噪聲，可滿足火山區微震監測工作的要求。

通過圖1 的新增2 個子臺前后監測能力對比可以看到，鏡泊湖火山測震臺網在火山區的監測能力得到很大提升。完成了從最多3 個臺定位到現在最多5 個臺定位的轉變，使可定位的地震信息更精確。5 個火山機構（蛤蟆塘、迷魂陣、火口森林、大干泡、五道溝火山機構）周圍可監測的最小震級也從ML0.0—0.3 下降到ML-0.5—0.0。

由圖2 可以看出，鏡泊湖火山測震臺網對5 個火山機構理論監測能力不低于ML0.0，個別區域可以監測到ML-0.5 以下地震，對于火山周邊50 km 范圍內理論監測能力不低于ML0.5，100 km 范圍內不低于ML0.6。上述結果主要是根據臺網實際運行情況給出的基本評價。因臺網為30 km 小孔徑臺網，所以，30 km 范圍內其監測能力完全滿足火山區域監測需求。

由圖2 還可見，火山機構西側監測能力相對較弱。經現場勘察發現，西側地形復雜且人煙稀少，供電、通訊、交通等均得不到保障，并且緊鄰吉林省省界，所以，在西側增加觀測子臺的方案不可行。但鏡泊湖火山測震臺網較好的觀測條件可以滿足很多觀測手段的觀測要求，后續可以利用現有觀測子臺的條件，增加其他觀測手段，不斷提升監測能力。