泉州地震台数字地震仪的监测能力分析

林建生，张有明，陈俊峰，谢文杰，施关荣，何星源

(福建省地震局泉州基准地震台，福建 泉州 362000)

泉州地震台数字地震仪的监测能力分析

林建生，张有明，陈俊峰，谢文杰，施关荣，何星源

(福建省地震局泉州基准地震台，福建 泉州 362000)

为了解泉州台数字地震仪对全球地震的监测能力，利用目前各类仿真记录的震级计算公式及近年泉州台台基的地动噪声有效值，结合各区域震相识别经验等设定了可检测地震的首至P波震相振幅、S波和面波的最大振幅与台基地动噪声有效值的比值，并分别计算和分析了泉州台甚宽频带数字地震仪仿短周期 （DD-1仪）记录的近震监测能力、仿中长周期（DK-1仪）记录的远震监测能力及仿长周期 （763仪）记录的远震和极远震监测能力。结果表明在100 km、1 000 km、130°和全球范围内，一般可分别可监测到ML1.5级、ML3.7级、MS6.1级和MS76.1级的地震。有关研究结果对寻求提高泉州台测震观测质量的技术途径等方面具有实际的意义。

地震监测；地动噪声有效值；甚宽频带数字地震仪；泉州台

引言

泉州地震台位于泉州市北门外，测震属国家Ⅰ类台，台基为花岗岩，海拔高程21m。目前测震采用的CTS1-EDASC24速度型甚宽频带数字地震仪，自1999年9月连续运行以来已积累了大量的地震事件波形数据。为了解在近年城市建设及台址周边环境可能产生的地动噪声影响下，泉州台现行测震观测系统对全球地震的监测能力，作者在中国地震局地震监测、预报、科研三结合课题 “泉州地震台数字地震仪监测能力和质量分析的综合研究”中，开展了与此有关的研究工作，本文为其中地震监测能力分析的部分研究结果。

1 国内相关领域的研究现状

地震观测已发展到以数字记录为特征的新阶段，因此国内许多专家学者已由原来对模拟地震记录的研究转向对数字地震记录的研究工作。目前国内在台网或台站的地震监测能力方面的部分研究为：洪星等[1]1999年研究了福建省数字遥测地震台网监控范围的估算，并用S波幅度与噪声背景值的比较方法来确定台网的近震监控范围；李广平等[2]2001年研究了辽宁遥测数字地震台网的实际监控能力，得出以近震S波最大幅度为平均地动噪声水平6倍作为近震最低观测下限；郝春月等[3]2006年研究了中国数字地震台网 （CDSN）和IMS/PS台阵的监测定位能力评估并以远震P震相的振幅是背景噪声振幅的两倍，面波振幅为P震相的8倍 （MS6.5级以上乘以10倍），来计算CDSN对远震的监测能力；许康生等[4]2003年研究了高台地震台的监测能力估计，以最大位移的全振幅为6 mm作为单台近震、远震和极远震监控能力的评价指标。从目前的研究现状可知，多数论文及课题主要集中在台网方面的研究，然而近年一些台站以提高本台观测质量为目标的相关研究工作正在形成和取得一批有实用价值的科研成果，并正在为完善台站监测技术系统和提高台站科研水平发挥重要作用。

2 泉州台数字地震仪监测能力的分析

单台监测能力是指主要记录震相可以被辨认必须达到的震级下限及其不能超出的地理范围，目前尚无计算地震台站监控能力的统一约定，但一般其基本假设与下列影响因素有关:如台基的背景噪声有效值及所测定时段、仪器的灵敏度及动态范围、可检测地震的最大振幅幅值与台基地动噪声有效值的比值，以及地动最大幅值相应周期与震中距或震级的关系等因素有关。本章利用目前采用的震级计算公式及由泉州台甚宽频带数字地震仪记录资料计算获取的台基地动噪声有效值，结合理论与看图实践经验设定可检测地震的最大振幅幅值与台基地动噪声有效值的比值，对泉州台数字地震仪的地震监测能力进行基本估计。

2.1 震级参数的测定

2.1.1 近震震级的测定

台站近震震级使用仿真短周期位移记录 （DD-1或伍得安德森）的S波 （或Lg）的最大振幅来测定。其计算公式为[5]：

式中：Aμ单位为μm，AN、AE分别为南北向 （NS）和东西向 （EW）S波 （或Lg）的最大振幅（峰-峰值振幅/2）；V（T）N和V（T）E分别为南北向和东西向相应周期的折合放大倍数，两水平分向最大振幅不一定同时到达，振幅大于干扰水平的2倍才予测定；R（Δ）为量规函数。

据最大地动位移振幅A与最大地动速度振幅的关系A=Vmax·T/2π、ω=2πf，则式 (1)的震级计算公式可转换为最大速度量的形式：

式中：VN、VE分别为南北向和东西向最大速度振幅值，单位为μm/s；TN、TE分别为南北向和东西向最大速度振幅的周期值，单位为s。

2.1.2 面波震级的测定

采用仿真中长周期地震记录 （SK）的面波质点S波 （或Lg）的最大速度振幅来测定浅源地震 （h≦80 km）面波震级MS的计算公式为［5］:

式中A为两水平向，同一时刻地震面波地动位移的矢量和，以μm为单位；T为相应周期，以s为单位，取A/T的最大值；σ（Δ）=1.66lg（Δ）+3.5，当1°＜Δ＜130°时，Δ为震中距，以度为单位；式中第一式可由刘瑞丰等 （1996）［6］給出得的关系式获得:

式中Vmax为同一时刻地震面波地动速度的矢量和，以μm/s为单位。

采用仿763长周期地震记录，垂直向 （UD）的瑞利波质点运动速度最大值测定震级MS7的计算公式为［5］:

式中第一项可由式 （5）获得，其中A7为仿763长周期地震记录瑞利波垂直向最大振幅，T为相应周期，单位为s，取A/T最大值；σ763（Δ）为长周期地震仪面波量规函数，当3°＜Δ＜177°时，可由地震观测规范［5］获得。

2.2 监测能力的估计

2.2.1 采用仿真短周期位移记录 （DD－1）的近震监测能力的估计

计算台站近震监测能力有多种方法，本文采用以可清晰分辨震相的记录幅值与地脉动记录幅值的比值为标准，并以台基地动噪声水平与实际记录设定相应比值标准，根据比值标准可获取S波最大振幅，再根据震级公式及最大振幅的相应周期反推单台控制距离。

目前一般认为S波最大振幅为平均地动噪声水平的4～6倍，系统对地震事件的检测和对初至震相的识别毫无问题［7］，结合泉州台的实际资料分析，当ML≤2.5级时，取S波最大振幅为平均地动噪声水平的4倍，当ML＞2.5级时，取S波最大振幅为平均地动噪声水平的6倍进行计算。表1为泉州地震台2008年全年台基地动噪声有效值。

表1 泉州台1～20 Hz全年平均地动噪声有效值Table 1 The annual mean value of effective ground noise with bandwidth 1～20 Hz at QZH station

目前测定近震的ML震级公式是由里克特 （G.F.Richter）1935年在研究美国加利福尼亚地震时首先提出的，其定义为[8]：

式中A为水平两分向最大记录振幅的平均值；A*为某一标准震级 （零级）的地震记录振幅，零级地震的规定用伍德－安德森（wood－Anderson）式标准地震仪 （静态放大倍数2 800，周期0.8 s，阻尼系数0.8），把震中距为100 km处的地震图上能记下水平两分向的最大振幅平均值为1 μm的地震作为零级地震。我国的近震震级测定公式 （式1）是通过把我国现用仪器的记录振幅换算成标准地震仪 （W－A）的最大振幅而获得的适合于我国地震仪的震级公式[9]，为考虑式（3）中最大振幅相应周期与震中距的关系，对泉州台近震范围 （Δ＜1 000km）内CTS1－EDASC24速度型甚宽频带数字地震仪历年地震记录进行统计分析，可得表2归类结果。

表2 泉州台近震范围(Δ＜1 000 km)最大振幅相应周期与震中距的关系Table 2 The relationship between the corresponding period of maximum amplitude and the epicentral distance in near earthquake area(Δ＜1 000 km)at QZH station

为获得泉州台甚宽频带数字地震仪采用仿真短周期 （DD－1仪）记录近震范围相应震级的地震最大可监测范围，并使其监测能力的测定更为合理，采用了将上述设定条件带入式（3）进行计算并与实际观测资料的测定结果相结合的分析方法可获得表3的相应结果。

表3 采用仿真短周期(DD-1仪)记录的地震监测能力Table 3 Earthquake monitoring capability by using simulation short-period(DD-1 seismograph)record

如果以泉州台为中心，表3中不同震级对应的监测距离为半径作圆，则可得图1（a）的近震监测能力分布图，图1中各图同心圆的各条曲线表示不同震级所能监测的震中距离。由表3与图1（a）可见，泉州台数字地震仪的观测系统采用仿真短周期 （DD－1仪）记录的监测能力为：当ML≥1.5级可监测到泉州周边及其沿海地区的所有地方震；当ML≥2.5级可监测到福建省及其沿海和台湾海峡大部分地区的近震；当ML≥3.0级可监测到福建邻省的部分地区、台湾及其沿海的大部分地区的近震；当ML≥3.7级可监测到华南及华东部分地区、钓鱼岛、琉球群岛南段、巴士海峡等地的所有近震。

2.2.2 采用仿中长周期 （DK－1仪）及仿763仪长周期记录的远震和极远震监测能力的估计

对泉州台浅源震的远震和极远震的地震记录资料进行统计分析与验证可得出，当P震相振幅是台基地动噪声有效值的2倍，而面波最大振幅是P震相振幅的6倍时，即面波最大振幅是台基地动噪声水平的12倍时，系统一般可对地震事件的进行检测和对初至震相进行识别，因此以面波最大振幅是台基地动噪声水平的12倍作为控制指标，其中式（4）的台基地噪声水平取三分向全年平均值，式 （6）的台基地动噪声水平取UD向全年平均值，由此由式 （4）、 式（5）可得表 4， 由式（6）、 式（5）可得表5。

表4 采用仿真中长周期(DK-1仪)记录的地震监测能力Table 4 Earthquake monitoring capability by using simulation medium-long period(DK-1 seismograph)record

表5 采用仿真763仪长周期记录的地震监测能力Table 5 Earthquake monitoring capability by using simulation long period(763 seismograph)record

图1 泉州地震台甚宽频带数字地震仪的地震监测能力Fig.1 Earthquake monitoring capability of super broadband digital seismograph at QZH station

如果在地球表面的平面投影图中以泉州台为中心，并以表4和表5中不同震级对应的监测距离为半径作圆，则当Δ≤90°时可得图1（b左图）、图1（c左图）的监测能力分布图；而当Δ＞90°时，则以泉州台在西半球南纬位置的投影点为中心 （即将泉州台地理坐标的北纬改为南纬，东经改为西经并用180°－泉州台的经度值），表4和表5中不同震级对应的监测距离 （用180°－Δ°）为半径作圆，则可得图1（b右图）、图1（c右图）的监测能力分布图。如果综合表4、表5及图1（b）、图1（c），则可得Δ≤90°和Δ＞90°时泉州台数字地震仪的观测系统综合远震与极远震的地震监测能力图1（d左图），图1（d右图）。由上述结果可得如下基本认识：

（1）采用仿真中长周期 （DK－1仪）记录的地震监测能力为 （表4、图1（b））：当MS≥3.5级可监测到福建省及其沿海、台湾海峡和台湾陆域大部分地区的地震；当MS≥4.0级可监测到福建邻省的部分地区及台湾以东海域的先岛群岛、巴坦群岛等地的地震；当MS≥5.5级，国内可监测到大部分地区的远震，国外可监测到与中国相邻的日本、菲律宾等地附近海域，印尼至新西兰海域，东南亚的中南半岛，南亚的印度和巴基斯坦等地部分地区的远震；当MS≥6.1级可监测到欧洲、非洲、北美洲美国等地的远震。

（2）采用仿真763仪长周期记录的地震监测能力为 （表5、图1（c））：当MS7≥4.0级，国内可监测到福建邻省的部分地区及台湾以东海域等地的地震；当对MS7≥5.0级，国内一般可监测到除新疆、西藏等部分地区以外的远震，国外可监测到与中国相邻的日本、菲律宾等地附近海域的部分地区及与中国相邻的东南亚中南半岛等地的远震；当MS7≥6.0级一般可监测到除中美洲部分地区和南美洲以外大部分地区的极远震；当MS7≥6.1级时一般可监测中美洲、南美洲等地的极远震。

（3）泉州台数字地震仪的观测系统综合远震和极远震的地震监测能力为 （表4、表5与图1（d））：当MS7≥4.5级，仿763仪记录的地震可监测范围明显大于仿DK－1仪记录；当MS或MS7≥6.1级，一般可监测到全球的远震或极远震。

3 结语

通过对泉州台甚宽频带数字地震仪的地震监测能力的分析，可得如下基本结论：

（1）采用仿真短周期 （DD－1仪）记录一般可监测到100 km范围内ML1.5级地震和1 000 km范围内ML3.7级地震；

（2）采用仿真中长周期 （DK－1仪）记录一般可监测到130°范围内MS6.1级地震；

（3）采用仿真763仪长周期记录一般可监测到MS76.1级全球地震；

（4）当MS7≥4.5级，仿763仪记录的地震可监测范围明显大于仿DK－1仪记录；

（5） 陆域与海域的统计分析结果表明，同一震级下海域地震监测能力一般优于陆域，由于本文主要对台站的监测能力做一般估计，因此不考虑这种影响因素。

上述有关研究结果为了解泉州台对全球地震的监测能力，及有针对性地寻求提高泉州台测震观测质量的技术途径等方面都具有一定的现实意义和实际的应用价值。

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Abstract：To know the global earthquake monitoring capabilities of digital seismograph at QZH station,using magnitude formula of the current various simulation records and the effective values of ground noise of digital seismic site at QZH station in recent years,and combing with experience of regional seismic phase identification etc,we set the ratio of the amplitudes of the first arrival P wave seismic phase,the maximum amplitude of S wave and surface wave,and the effective values of site ground noise,and respectively calculate and analyze near earthquake monitoring capability of simulate short-period（DD-1 seismograph）record,teleseismic monitoring capability of the simulation middle-long period（DK-1 seismograph）record and teleseismic to very distant earthquake monitoring capability of the simulation long period（763 seismograph）record by the very broadband digital seismograph at QZH station.In the range of 100 km,1 000 km,130°and the globe,it can monitor the earthquake of ML1.5,ML3.7,MS6.1 and MS7, respectively.The research results have practical significance to seek and improve the quality of seismic observations at QZH station.

Keywords：Earthquake monitoring；Effective value of ground noise；Super broadband digital seismograph；Quanzhou station

Analysis on Earthquake Monitoring Capability of Digital Seismographs at Quanzhou Seismic Station

LIN Jiansheng，ZHANG Youming，CHEN Junfeng，XIE Wenjie，SHI Guanrong，HE Xingyuan
(Quanzhou Basic Seismic Station of Earthquake Administration of Fujian Province,Quanzhou 362000,China)

P315.78

A

1001-8662（2010）04-0010-07

2010-08-08

中国地震局三结合课题资助项目

林建生，男，1953年生，高级工程师.主要从事地震监测和地震工程方面研究. E-mail：fjlinjiansheng＠126.com