內蒙古地震重大項目監測臺網監測能力評估

趙艷紅 翟 浩 胡 煒 舒 雷

（中國呼和浩特010051 內蒙古自治區地震局）

0 引言

對區域地震臺網地震監測能力的科學評估，是進一步優化地震臺網布局及提升邊疆、海域等重點地區地震監測能力的關鍵（Stein，1999；Knopoff，2000；Main，2000；Wiemer et al，2000；Gomberg et al，2001；Enescu et al，2002；Woessner et al，2004）。地震臺網的監測能力與地震臺站的布局、地震臺站分布的密度、臺站所在場地的地質構造、臺站信號的記錄質量、地震定位所采用的軟件等因素密切相關（Mignan，2012）。評估地震臺網的監測質量主要包括2 個方面的內容，一是要對臺網布局和地震定位能力進行評估（Rabinowitz et al，1990；Doufexopoulou et al，1992）；二是要對100%被記錄到的地震震級水平，即最小完整性震級進行評估。焦遠碧等（1990）針對我國地震臺網監測能力和臺網觀測條件質量進行了評估，獲得了首都圈、華北地區以及全國的最小完整性震級空間分布特征；蔣長勝等（2015）利用PMC 方法，對西昌流動地震臺陣的地震監測能力進行了評估；王亞文（2017）評估了地震臺網實際產出資料，對最優監測能力進行地震檢測能力評分，并對多種地震監測能力評價方法進行了對比研究；Wiemer 等（2000）針對日本、阿拉斯加、美國等地區，采用FMD 模型，進行了地震監測能力評估工作，獲得了最小完整性震級的空間分布特征；Nanjo等（2010）使用EMR 方法（Woessner et al，2005），開展了日本地震臺網最小完整性震級研究，得到地震監測能力評估結果；李智超等（2014）、劉芳等（2013，2014）、王鵬等（2016）、安祥宇等（2019），分別開展了首都圈、新疆、內蒙古、山東、遼寧的地震臺網監測能力研究。

本文選取2016 年3 月至2020 年12 月內蒙古區域地震臺網及國家各類重大項目實施的地震臺網組成的重大項目監測臺網產出的4 087 個地震的觀測報告資料，基于概率的完整性震級PMC 方法，開展內蒙古地區地震重大項目監測臺網監測能力研究，以期為內蒙古地震臺網整體優化布局提供參考依據。PMC 方法基于區域地震震級定義和實際產出的震相觀測報告，計算每個臺站對全部地震在時空上的監測能力，利用單臺檢測概率PD得到合成檢測概率PE，并計算基于概率的完整性震級MP。

1 地質背景及地震臺網概況

內蒙古自治區地形狹長，橫跨東北、華北地區，是南北地震帶北段等重要構造區的毗鄰區域，地質構造復雜，地震活動較強烈（曹剛，2001）。歷史上發生了多次大地震，如公元前7 年河套大地震、公元849 年包頭西7 級左右地震。20 世紀70 年代以來，先后發生了和林格爾6.3 級、巴音木仁6.2 級、五原6.0 級、包頭西6.4 級、巴林左旗5.9 級、西烏旗5.9 級、阿左旗5.8 級等中強地震。因此，優化內蒙古地區地震臺網布局、縮小監測能力薄弱區的區域范圍、切實提高監測水平尤為重要。

內蒙古地震重大項目監測臺網由2 部分組成，一部分是由108 個臺站（區內48 個，鄰省60 個）組成的地震臺網；另一部分是由國家各類重大項目［地震臺網測震臺站108 個；喜馬拉雅科學臺陣項目3.1 期境內共建31 個地震臺（2016 年11 月至2019 年1 月）、喜馬拉雅科學臺陣項目3.2 期共31 個地震臺（2017 年9 月至2020 年9 月）；國家烈度速報預警項目13 個在建測震臺］所涉及的183 臺站組成的監測臺網。國家重大地震監測項目臺網包括108 個固定臺、62 個增建臺、13 個在建臺（圖1）。經統計，2016—2020 年內蒙古地震臺網共記錄到4 087 個地方震（圖2），其中，80%的地震震源深度為5—15km（圖3）。

圖3 內蒙古地震臺網記錄到4 087 個地震震源深度分布Fig.3 The statistical distribution map of focal depth of 4087 earthquakes was recorded by Inner Mongolia Seismic Network

2 地震監測能力評估

利用PMC 方法進行地震監測能力評估時，臺站檢測概率的獲得分2 種類型：一類是實際值，即使用實際觀測報告臺站的實際檢測概率；另一類是理論值，即對于無實際產出的在建臺站，采用其附近構造相同或相近臺站的檢測概率進行理論評估。圖4 為內蒙古地震臺網部分臺站的檢測概率，即內蒙古西部臺站（CEK）、內蒙古中部臺站（WUH、HHC）、內蒙古東部臺站（HLR）的檢測概率PD。

圖4 內蒙古地震臺網CEK（a）、WUH（b）、HHC（c）、HLR（d）臺的單臺檢測概率Fig.4 Detection probability of CEK,WUH,HHC and HLR stations in Inner Mongolia seismic network

從圖4 分析可知：①WUH、HHC、HLR 臺對地震的檢測能力較強，檢測范圍隨震級的增加而增大。②WUH、HHC、HLR 臺對小地震檢測敏感，其中，WUH 臺對20 km 范圍內0.9 級左右地震的檢測概率達到100%。HHC、HLR 臺的最小檢測震級約為ML1.2。當ML＞2.6 時，CEK 臺檢測概率不再隨震級的增加而增大。分析認為，可能是因為阿拉善右旗額濟納旗地區臺站稀疏，臺站分布跨度較大，人工定位時，未使用遠距離的地震數據進行定位。③CEK 臺所在區域發生地震的頻度不高，記錄到的絕大多數為遠距離的地震，這導致最小檢測震級僅為ML2.2 左右。

利用PMC 方法以2 種形式來展示區域的地震監測能力：①以特定的震級在空間分布檢測概率；②基于概率的完整性震級MP的空間分布特征。地震臺網對不同深度地震的監測能力不同，因此在分析監測能力時必須標明震源深度。本研究中地震的震源深度大多為5—15 km，因此僅研究內蒙古地震臺網對10 km 深度地震的監測能力。圖5（a）、5（b）分別為對ML≤1.0、1.0 ＜ML≤ 2.0 地震的檢測概率。從圖5（a）可知，內蒙古東部、中東部、中西部的部分地區，由于臺站密度相對較高，臺基噪聲水平較優，檢測概率較高；而內蒙古大部分區域檢測概率相對較低。震級為1.0 ≤ML≤ 2.0 時，檢測概率范圍比ML1.0顯著擴大，在內蒙古北部邊界地帶檢測概率較低，說明內蒙古地震臺網對ML1.0—2.0 及以上地震具有較強的監測能力。圖6 為內蒙古地震臺網完整性震級MP分布。由圖6 可見，內蒙古地區基于概率的完整性震級MP的分布特征與前述各震級區間的分布特征類似，表現為內蒙古南部特別是與領省交界地帶完整性震級MP較小，小于ML0.9，最小MP為0.7；內蒙古西部阿拉善地區和東北部監測能力較弱，但ML2.5 的等值線基本覆蓋內蒙古大部分地區。

圖5 10 km 深度對應的內蒙古地震臺網檢測概率空間分布（a）1.0 級以下地震；（b）1.0—2.0 級地震Fig.5 Detection probability at the depth of 10 km

圖6 內蒙古地震臺網完整性震級MP 分布Fig.6 Spatial distribution of the complete magnitude MP

內蒙古地震重大項目監測臺網的監測能力評估，依托基于概率的PMC 方法所具備的“地震臺網理論監測能力評估”功能。以WJH 臺的檢測概率為參考，對重大項目監測臺網在呼和浩特周邊、赤峰、通遼等地區實施的喜馬拉雅3.1、3.2 期科學臺陣預警項目新建基準站的監測能力進行綜合分析。圖7 為在原有地震臺網基礎上增加了新建臺站后內蒙古地震重大項目監測臺網完整性震級MP的分布特征。對比圖6、圖7 可見，當新建預警基準站、科學臺陣全部建成時，可以獲得如下評估結果：①內蒙古地震臺網最小完整性震級MP的分布將向南、向北延伸，呼包鄂地區、赤峰地區、呼倫貝爾地區等重點監視區地震監測能力將得到明顯加強；②若新建臺站均達到WJH 臺的檢測能力，則內蒙古地震臺網的監測能力將進一步加強。但內蒙古西部阿拉善右旗、錫林郭勒盟以北地區及海拉爾以東、以北地區的地震監測能力仍然薄弱，需要增加臺站，以增強內蒙古地震臺網整體監測能力。

圖7 內蒙古重大項目地震臺網完整性震級MP 分布Fig.7 Major projectsbuilt Spatial distribution of the complete magnitude MP

4 結論

利用PMC 方法計算內蒙古地震臺網地震監測能力時，計算結果可以反映地震臺站對地震的實際監測情況。由于地震臺網的監測能力受臺站密度、狀態的影響，在臺站密集區，如呼包鄂、赤峰、海拉爾地區，地震最小完整性震級為ML0.9，而在臺站稀疏的阿拉善、呼倫貝爾北部地區，最小完整性震級為ML2.0。

分析單臺檢測概率發現，位于內蒙古最西部的CEK 臺監測能力不強，其監測能力僅為ML2.5 左右，而內蒙古地震臺網的平均監測能力為ML1.8。因此，CEK 臺的監測能力已不能滿足要求，結合該臺實際觀測情況，建議在周邊新建臺站。若在內蒙古最西部和東部北段新建臺站，則能提高內蒙古地震臺網的整體監測水平；同時，在呼包鄂地區增加臺站，可以增強重點監視區監測能力。