青海省新增地震臺波形數據質量評價

郭鐵龍 梁姍姍 鄒立曄 姬運達 劉艷瓊 李旭茂 翟璐媛

（中國北京100045 中國地震臺網中心）

0 引言

青藏高原平均海拔高度在4 000 m 以上，素有“世界屋脊”之稱，其構造斷裂規模巨大，應力環境復雜，地質構造運動劇烈（Molnar and Tapponnier，1975；Tapponnier et al，1982，2001；鄧起東等，2002；徐紀人等，2008），地震活動強烈，是我國大陸地震活躍地區之一。自有地震記錄起，青藏高原共發生8 級以上地震18 次，7—7.9 級強震更是多達100 余次（鄧起東等，2014）。地震活動性研究對板塊構造、區域斷層分布情況、特大地震演化過程、地震破裂機制、火山活動和工業安全生產等具有重要指導意義（Katao et al，2009；宮悅等，2020；Zuniga et al，2020；華俊等，2021；劉冠男等，2021）。

為填補青藏高原地震監測空白區，縮小地震監測空區范圍，加大青藏高原地區測震臺站密度，滿足地球內部結構研究的基礎需求，2018 年，國家測震臺網中心將10 個依托氣象站共址建設臺站數據接入中國地震臺網中心技術系統，并通過全國實時數據交換，將數據提供給西藏周邊省、自治區地震局和自動地震速報系統使用。2019 年起，在青海、西藏和新疆地區目前已具備地震監測能力基礎上，實施開展“青藏高原地震監測能力提升”項目，在該區域地震監測能力薄弱的西藏西北部、青海西南部、新疆阿爾金山等地區，擬建設72 個無人測震觀測站點，其中西藏30 個、青海28 個、新疆14 個。截至2021年1 月，青海新增地震臺站16 個，為了檢驗地震臺站建設成效，從地震波形數據完整性和可靠性方面，對青海新增臺站數據進行質量評估，分析臺站建設對青藏高原地震監測能力的影響。

1 臺站建設

“青藏高原監測能力提升”項目擬建臺站72個[圖1(a)]，建設周期3年，截至2021年1月，已完成第一期和第二期共計41 個臺站儀器設備的安裝與調試、數據通訊網絡鏈路測試等工作。為檢驗新建臺站對青藏高原地區地震監測能力的影響，利用4 個臺站記錄對青藏高原地區發生的地震進行定位，計算理論定位時間，即得到該區理論地震檢測能力，見圖1(b)，可見新建臺站后，我國青海西南部和新疆阿爾金山地區地震的理論監測延時在40 s以內，西藏西北部大部分區域地震監測延時在50 s 以內，僅小部分區域需要60 s。目前，青藏高原新增臺站監測的地震數據實時傳輸至國家測震臺網中心，可為我國青藏高原地震監測提供業務化支撐。

圖1 青藏高原地區臺站分布及理論地震檢測能力Fig.1 Distribution of seismic stations in Qinghai-Tibetan Plateau and theoretical seismic monitoring capability in Qinghai-Tibetan Plateau

在“青藏高原監測能力提升”項目實施過程中，截至2021 年1 月，青海省已新建地震臺站16 個，分別是巴顏喀拉臺（BYKL）、查旦臺（CHD）、東壩臺（DOB）、肯得克臺（KDK）、立新臺（LIX）、麻多臺（MDU）、秋智臺（QIZ）、曲新臺（QUX）、索加臺（SUJ）、溫泉水庫臺（WEQ）、西大灘臺（XDT）、小蘇莽臺（XSM）、錫鐵山臺（XTS）、治多臺（ZHD）、扎河臺（ZHH）和珍秦三村臺（ZHQ），臺站分布見圖2。新建地震臺站均為無人值守的測震和強震同址臺，均配備儀器帶寬為60 s的寬頻帶地震儀、GL-CS60 地震計、EDAS-24GN 數據采集器。

圖2 青海地區新增臺站分布Fig.2 Distribution of new stations in Qinghai area

2 波形數據質量評價

以青海省新建的16 個地震臺站為例，圍繞地震數據的完整性和可靠性，利用相關技術方法和手段，實現對新建臺站地震觀測數據的質量評價。

2.1 數據完整性分析

選取青海新建臺站2021 年1 月1 日—20 日的實時波形記錄，統計各臺站運行率，結果見圖3，可見16 個新建臺站實時運行率平均為93.20%，其中14 個臺站運行率大于90%，索家臺（SUJ）和扎河臺（ZHH）運行率低于90%，而索加臺（SUJ）運行率僅24.24%。

圖3 青海新增臺站運行率統計（2021 年1 月1 日—20 日）Fig.3 Operation rate statistics of new stations in Qinghai area (Jan.1-20,2021)

2.2 數據可靠性分析

2.2.1臺基背景噪聲水平分析。臺站記錄波形質量受臺基背景噪聲水平的影響，可利用臺基噪聲功率譜密度（PSD）來評估臺基背景噪聲水平的高低（高偉亮等，2015；侯頡等，2019）。|F(ω)|2稱為功率譜或能量譜，即在頻率尺度上每個單位間隔的功率或能量。將地震記錄位移信號f(t)進行傅里葉變換，可得其頻譜F(ω)，公式如下

隨機選擇青海新增臺站2021 年1 月1 日00 時—07 時記錄的連續波形數據（不含地震記錄），扣除儀器響應，以消除地震計影響。計算每個臺站的地動噪聲功率譜密度，并繪制功率譜密度曲線。受篇幅所限，文中僅展示4 個有代表性臺站的地動噪聲曲線，結果見圖4。圖中，NHNM 和NLNM 分別代表全球高噪聲和低噪聲模型。噪聲模型是評價一個地震臺站噪聲水平的基本標準，將臺站背景噪聲PSD 曲線與全球平均臺站噪聲模型進行對比，直觀可見特定頻率范圍內噪聲分布情況。由圖4 可見，東壩臺（DOB）、立新臺（LIX）和溫泉水庫臺（WEQ）的噪聲水平均接近于全球低噪聲模型（NLNM），表明3 個臺的背景噪聲水平較低。需要注意的是，在0.1—0.8 Hz 頻段，3 個臺站的垂直向背景噪聲與水平向地動噪聲有較大差別，且垂直向背景噪聲較大，可能是由背景噪聲源不同所致。而小蘇莽臺（XSM）的地動噪聲水平高于全球高噪聲（NHNM），表明該臺背景噪聲較高，且波形特征與NHNM、NLNM 不一致，說明該臺站數據不可用。據噪聲功率譜密度計算結果，按照臺基地噪聲高低分類標準（GB/T 19531.1—2004），參考任梟等（2004）的分類原則，將16 個新建臺站劃分為3 類，其中：Ⅰ類臺有9 個，分別為巴顏喀拉臺（BYKL）、查旦臺（CHD）、東壩臺（DOB）、立新臺（LIX）、秋智臺（QIZ）、曲新臺（QUX）、治多站（ZHD）、扎河臺（ZHH）、珍秦三村臺（ZHQ）；Ⅱ類臺有5 個，分別為肯得克臺（KDK）、麻多臺（MDU）、溫泉水庫臺（WEQ）、西大灘臺（XDT）、錫鐵山臺（XTS）；Ⅲ類臺有1 個，為小蘇莽臺（XSM）；索加臺（SUJ）無信號。

圖4 東壩臺（DOB）、立新臺（LIX）、溫泉水庫臺（WEQ）和小蘇莽臺（XSM）地動噪聲曲線Fig.4 Ground motion noise curves of DOB,LIX,WEQ and XSM stations

2.2.2事件波形記錄質量。根據中國地震臺網中心產出的地震速報目錄，選取國內外發生的2 個典型地震事件：2020 年12 月24 日07:51:48.7 青海果洛州瑪多縣ML4.2 地震，震源深度7 km；2021 年1 月12 日05:32:59.7 蒙古MS6.8 地震，震源深度10 km，具體參數見表1。由波形記錄可見，青海新建臺站所記錄的2 次地震事件波形清晰（圖5，圖6），可就波形記錄完整性和尖脈沖對波形質量進行評價。

圖5 2020 年12 月24 日青海瑪多ML 4.2 地震波形Fig.5 The waveforms of the Qinghai Maduo ML 4.2 earthquake on Dec.24,2020

圖6 2021 年1 月12 日蒙古MS 6.8 地震波形Fig.6 The waveforms of the MS 6.8 earthquake in Mongolia on Jan.12,2021

表1 典型地震事件目錄Table 1 Catalog of typical earthquakes

（1）波形記錄完整性分析。整理波形數據文件，扣除重復記錄，計算一定時段內有波形記錄的時間長度（單位：s）與總時長的比值，來判定事件波形記錄完整性，用波形數據完整率表示，公式如下

經計算，除索加臺（SUJ）對2021 年1 月12 日蒙古MS6.8 地震事件波形數據完整率為0，說明該臺站對此事件無記錄，而其他臺站對2 個地震的記錄數據完整率均為100%。

（2）尖脈沖判定。尖脈沖判定標準如下：以當前數據采樣點為目標采樣點，計算一段時段內的平均振幅值和當前及其前后采樣點與平均振幅的差值，并計算均方根振幅值（RMS），當同時滿足以下條件時，則視為一個尖脈沖（相鄰異常值視為一個尖脈沖）：

其中，A0為當前采樣點振幅值，Aavg為平均振幅值，ARMS為均方根振幅值，A-1為前采樣點振幅值，ΔA0為當前采樣點振幅值與平均振幅值的差值，ΔA-1為前采樣點振幅值與平均振幅值的差值，ΔA+1為后采樣點振幅值與平均振幅值的差值。

按照上述評判標準可知，在2020 年12 月24 日青海瑪多ML4.2 地震和2021 年1 月12 日蒙古MS6.8 地震事件波形中，僅小蘇莽臺（XSM）對瑪多ML4.2 地震記錄中具有1 個尖脈沖，其他臺站地震記錄均未失真，真實反映了地震動形態。

通過對國內外典型地震事件波形記錄分析，發現除個別臺站，新增臺站基本能夠完整記錄國外顯著地震波形，并能清晰記錄本地區中小規模地震波形，分辨率高，初動明顯，可以滿足地震監測速報業務的需求。

3 地震監測能力評估

為了更好地評估青海省新建臺站效能，利用臺站背景噪聲和近震震級公式，估算青海地區理論地震監測能力，結果見圖7。

圖7 青海地區地震理論監測能力Fig.7 Theoretical monitoring capability in Qinghai area

圖7(a) 為使用原測震臺站數據估算的青海地區理論地震監測能力，圖7(b) 為增加青海省16 個新建臺站數據后，計算得到的青海地區理論地震監測能力。對比可知，新增臺站后，青海省中西部地區理論監測能力由MS4.5 提升到MS2.0 左右，監測能力大幅提升。

4 結束語

隨著“青藏高原地震監測能力提升”項目的實施，中國地震局51 個固定地震臺站（含10 個與氣象局共址建設臺站）的地震數據實現實時傳輸，并與中國地震臺網中心現有監測系統連接，逐步實現我國青藏高原地區地震監測能力的穩定提升。為了檢驗新增臺站建設成果，盡早發揮其監測效能，以青海地區16 個新增地震臺站為例，對地震波形數據質量進行評估，可以發現：在青海省16 個新增臺站中，9 個達Ⅰ類臺標準，5 個達Ⅱ類臺標準，1 個達Ⅲ類臺標準，1 個無信號；個別臺站（如索加臺）因供電和網絡通訊系統不穩定，導致數據傳輸丟包，出現臺站斷記或異常現象；青海地區新增加臺站觀測環境較好，總體運行良好，數據連續率較高，適合進行寬頻帶數字地震觀測；地震空間分布更加均勻，青海省中西部地區理論地震監測能力從MS4.5 提升到MS2.0 左右，地震監測能力大幅提升。

在論文撰寫過程中，趙仲和研究員對數據質量分析進行指導，青海省地震局馬建新高級工程師對儀器參數提供支持，在此表示感謝。