江苏省部分地震台站CMG－3TB地震计监测能力对比分析

2013-11-27胡米东

华北地震科学 2013年1期

胡米东

（江苏省溧阳地震台，江苏溧阳 213332）

0 引言

由于各种原因，地球表面总是存在着微小的振动，例如风、寒潮、海浪、交通运输、人和动物的活动等。这些活动都会引起地表面微微的颤动，它们对地震观测造成干扰从而影响地震观测的效果。特别是随着社会的发展，众多的工业生产活动和日益频繁的交通运输给地震观测造成了很高的地面干扰背景，使得在地面进行地震观测困难很大。因此如何提高观测信噪比是观测研究的重要课题。研究发现地面干扰背景幅度随着深度呈现指数衰减的特点［1］。例如风引起的噪声水平和风速、深度有关；随深度增大，这种噪声水平急剧减小。因此为了尽量避免地面噪声干扰，改善地震波形记录的信噪比，获得更多的地震信息，深井地震观测技术被越来越多地运用到地震观测中。尤其在表面覆盖厚且沉积层松散的平原地区，井下地震观测在避免外界干扰、提高仪器监测灵敏度，以及获得更多、更真实的地震信息等方面有着突出的优越性。江苏地处沿海地区，地面干扰相对较大，因此在“十五”项目改造中，CMG－3TB井下地震计在地震台站被普遍使用。目前，CMG－3TB井下地震计已经在部分台站运行了一段时间，为了提高地震计的运行效率，了解地震计的性能，有必要对地震计的监测能力进行一次对比分析。因此，本文将选溧阳台、盐城台和南通台作为研究对象，对比CMG－3TB 井下地震计在各台站的监测能力。

1 台站的基本情况介绍

溧阳台、南通台和盐城台同属国家基本台（图1）。“十五”期间江苏省地震局分别对3 个台站进行了设备改造，目前测震手段均采用GURALP公司生产的CMG－3TB 三分向宽频带井下地震计（表1）。经过几年连续运转已积累了大量的连续波形数据和地震事件波形数据，在地震监测、预报和科学研究等方面发挥着重要的作用。

图1 台站位置图

表1 各台测震设备及相关参数表

2 地动噪声计算

要计算地震台站的监测能力，必须首先根据各台站的记录数据计算出台基的真实地噪声水平，再根据真实地噪声水平得到单台监测能力。由于地噪声是随机信号，为便于计算，必须寻找一个具有统计意义的量作为噪声振幅的统计特征量。比较常用的统计特征量是RMS 值。但目前，国际上对地震台站台基噪声计算也采用台基地脉动波形数据进行信号频谱分析，谱分析是采取通用的地脉动噪声速度功率谱密度（PV）描绘地动背景噪声功率谱，单位为分贝（dB），并绘制出在一定频段内记录台基地动噪声速度功率谱密度曲线图。溧阳台、盐城台和南通台台基噪声计算是各台站不间断原始数据实测结果的平均。在数据处理时考虑到零点漂移和直流分量的存在，首先进行了去直流和去倾处理，在使用傅氏变换进行时频转换时，有限长度的数据可能使波谱畸变，采用汉宁窗加窗处理，以减小这一影响。由于地震仪的原始观测数据含有仪器响应，为了得到背景噪声功率谱的绝对量值，计算时扣除了观测系统的仪器响应。根据USGS（美国地质调查局）Peterson［2］统计全球正常地噪声得到的全球公认的地球高噪声新模型（NHNM）和地球低噪声新模型（NLNM），正常地噪声水平应在NHNM 和NLNM的功率谱密度曲线之间。现已成为人们评价地震台站台基背景噪声水平的基本标准，利用该模型及童汪练的地噪声分析软件［3］，对所选用的各台站三分向的资料进行计算与分析。根据图示（图2～图4），各台站背景噪声满足新皮特森地动加速度高噪声曲线NHNM 和地噪声曲线NLNM 模型。3 个台站水平向和垂直向在高频段的各项数据相差不大，表明台站附近不存在高频震动干扰源。

图2 溧阳台台基地噪声功率谱曲线

图3 盐城台台基地噪声功率谱曲线

图4 南通台台基地噪声功率谱曲线

3 理论监测能力计算

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（由于江苏省地震局对非国家基准台站远震分析不做要求，因此本文仅对台站近震监测能力进行分析）。目前尚无计算地震台站监控能力的统一约定［4］。但一般其基本假设与台基条件、周围环境的噪声水平、仪器的放大倍率（或响应灵敏度）等因素有关。在计算单台监控能力时，第1步确定地震仪所记录的地震波形在什么情况下震相是清晰可辨的，通常以清晰可辨震相的记录幅值与脉动记录幅值的比值为标准，这个比值要根据实际的记录来确定。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［5］。结合各台站实际资料分析，当ML≤2.5 时，取S波最大振幅为平均地动噪声水平的4倍；当ML＞2.5时，取S波最大振幅为平均地动噪声水平的6倍。第2步以台基地动噪声水平（表2）与实际记录设定相应比值标准；第3步统计台站近震范围最大振幅相应周期与震中距的关系，确定相应的周期；第4步根据近震震级公式，用量规函数反推单台控制距离。

为考虑各台站近震范围内地震最大振幅相应周期与震中距的关系，对各台站台近震范围（△＜1 000km）CMG－3TB 仪器安装后记录的地震进行了统计分析（表3）。

根据相应的比值和周期统计结果，利用近震震级公式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4的相应结果。

表2 各台站台基噪声水平

表3 各台站近震范围最大振幅相应周期与震中距的关系

表4 各台站CMG－3TB记录的地震监测能力

4 结果验证

通过上述分析可知，溧阳台、盐城台和南通台CMG－3TB地震仪的理论监测能力为：ML1.5 和ML2.0的监测范围分别达到了150km 和310km、140km 和280km、120km 和260km。但由于上述办法在计算中的设定条件和实际地脉动噪声测量之间有一定的差异，所以所得的结果只能粗略地反映单台的监测能力范围，因而应采用把设定条件下的计算结果与实际观测资料为基础的测定结果相互验证的方法，才能使得监测能力的测定更为合理。为了验证理论监测能力的科学性，将对以上2个震级相对应距离范围内的地震震中分布图进行对比分析。具体方法为：利用MAPSIS软件绘制江苏省地震局台网2010年7月—2012年4月编目的地震目录与溧阳台、盐城台和南通台同一时段地震目录在上述2个地震震级范围内的地震震中分布图，并进行对比。

图5 溧阳台、盐城台、南通台理论监测ML1.5震中分布图

图6 溧阳台、盐城台、南通台实际监测ML1.5震中分布图

图7 溧阳台、盐城台、南通台理论监测ML2.0震中分布图

图8 溧阳台、盐城台、南通台实际监测ML2.0震中分布图

通过对ML1.5和ML2.0两个等级地震震中分布图（图5～图8）对比，可得知溧阳台、盐城台、南通台在ML1.5等级方面对理论监测能力区域范围的地震有很好的记录效果，其中溧阳台和南通台理论监测震中分布图与实际监测分布图完全一致。在ML2.0 等级方面，溧阳台、盐城台和南通台的ML2.0～ML2.9实际监测地震数目分别达到理论监测地震数目的86.4%、85%和85%。其原因与江苏省地震局台网中心在省属台站地震月报编写方面对省外震级较小的地震不做强制要求有关，各台站一般对省外震级较小地震不编入地震月报，因而导致了台站实际监测地震数目比理论监测数目偏小。因此证明我们对溧阳台、盐城台和南通台监测范围的计算是比较正确的，各台站对理论监测范围的地震有很好的监测能力。