京津冀地区地震台网监测能力分析

牟磊育 郑钰

中国地震局地球物理研究所，北京市海淀区民族大学南路5号 100081

0 引言

我国是一个多地震的国家，地震学家们一直致力于地震监测和预测的研究工作。在“十五”期间，通过实施“中国数字地震观测网络项目”，建成了国家、省和市（县）三级管理的1200多个地震监测台站，组成了覆盖全国的地震观测网络，从而进一步提高了我国的地震监测能力。关于区域台网的监测能力，不少科研人员做了相关工作（郝春月等，2005、2006；李涌等，2007；王炎等，2001；张有林等，2005；张黎珍等，2002；孟智民等，2002；洪星等，2005；李雪英等，2005；尹继尧等，2011；张玲等，2010；王小龙，2007；赵永海等，2010；姚宏等，2008）。但对于京津冀地区，目前还鲜有类似的工作成果。这里的地震监测能力分析对于首都圈地区的地震台站建设及地震预测研究都具有重要意义。在此，我们利用台站背景噪声和近震震级公式对京津冀地区的理论监测能力进行了分析与研究，并与实际地震目录进行了对比分析。

1 京津冀地区台网概况

京津冀地震台网包括北京地震台网、天津地震台网与河北地震台网。经过“十一五”期间的建设，北京台网已包括19个地震台，天津台网包括31个地震台，河北台网包括53个地震台。目前京津冀地区一共已有103个地震台，布设的地震计主要有FBS-3B、FSS-3DBH、CTS-1、CMG-3ESPC等，数采主要应用EDAS-24 IP、CMT-24、DM 24等，采样率主要为50sps和100sps。天津台网各台站的高程均为-200m以上，北京台网各台站高程为-200～600m，河北台网地震台站的高程均在海平面以上，为7～1400m。

中国的地震活动主要分布在5个地区的23条地震带上。在这5个地区中，华北地区的地震强度和频度仅次于青藏高原，位居全国第二。由于京津冀地区位于华北区域内，所以格外引人关注。据统计，该地区有据可查的8级地震曾发生过5次；7～7.9级地震曾发生过18次。加之这里人口稠密、大城市集中，是政治和经济、文化、交通都很发达的地区，地震灾害的威胁就更为严重。所以研究该地区的台网密度与实际地震分布对该地区的地震监测和预测研究具有非常积极的意义。

2 京津冀地区地震台网的理论监测能力评估

2.1 理论监测能力的评估方法

2.1.1 利用近震震级公式估算京津冀地震台网对近震的定位能力

测定近震的震级一般用ML震级公式，而最初的ML震级是由里克特在1933年研究美国加利福尼亚地震时提出的，即

其中，A为三分向地震计记录的南北和东西2个水平分量中最大振幅的平均值；A*为某一标准震级（零级）地震的振幅。当时的零级地震是指用伍德-安德森式标准地震仪（静态放大倍数2800，周期0.8s，阻尼系数0.8），在震中距Δ＝100km时记录下的2个水平分量的最大振幅平均值为1μm（10-3mm）的地震。

而我国的近震震级公式是把我国现用仪器的记录振幅换算成标准地震仪（即W-A）的最大振幅而得到的适合中国地震仪器的震级公式，即

式中，ML为用近震体波计算的震级；Aμm为以μm为单位的最大地动位移；R（Δ）为量规函数，即震级的起算函数；S（Δ）为台站校正值（傅淑芳等，1980）。

为了估算京津冀台网的监测定位能力，本文用中国近震震级公式，虽然此震级公式的量规函数是基于当时的基式地震仪和62、64型地震仪，而现在的京津冀各台站所用的是宽频带地震仪，但宽带数据经过短周期滤波后，相当于短周期地震仪记录的数据，理论上利用此公式进行估算是可行的。由于台站校正值一般很小，在我们的误差许可范围内，所以我们认为 S（Δ）为零。而式（2）则变为

2.1.2 估算方法

在近震中，最大体波振幅一般为S波振幅。我们认为近震Pg波的振幅是背景噪声振幅的2倍时，便可以清晰地识别，而S波振幅一般为Pg波振幅的3倍。据此，如果知道了背景噪声的平均位移值，则可获得一个近震的最大地动位移。这样就可以把这个最大振幅Aμm值（即以μm为单位的最大地动位移）代入式（3），并计算在该位移值固定情况下，不同震级的量规函数，再根据量规函数表查出不同震级下的最大震中距，这样就得到了每个台站所能检测到的不同震级的最大震中距。假定最少有3个台站能检测到的地震就认为是可被定位的地震，按照这个原则，可得出京津冀台网对近震的定位能力。

2.2 台站（BJT）背景噪声的计算

由上可知，要想算出京津冀地区的理论监测能力，必须知道京津冀台网各台站的背景噪声平均位移。而背景噪声即地脉动是随季节和气候而变化的，分析100多个台站多年的噪声变化是一个不小的课题。由于我们对监测能力的评估允许一定的误差，所以决定采用地理位置优越、技术水平一流、影响范围广的北京地震基准台，即BJT地震台的背景噪声平均位移作为京津冀地区各台站的平均背景噪声位移。

BJT地震台既是中美合作的中国数字地震台网（CDSN）的台站之一，也是全球地震台网（GSN）的台站之一，是国际一流的台站，其数据在IRIS可以直接下载。BJT在2013年进行了第3次升级改造，宽频带地震计由STS-2换成STS-2.5。采集器由原来的Q680换成Q330。BJT台站的数据可靠而精确，一直保持国际一流水平。

2.2.1 BJT台站背景噪声平均位移的计算

BJT地震台位于北京西郊，目前使用瑞士Streckeisen公司出产的STS-2.5高性能甚宽带速度地震计。数据采集器则是由美国Kinemetrics公司生产的Q330，Q330是以IP为基础的超低功耗、高动态范围的数据采集器。STS-2.5地震计的传递函数为（http：／／service.iris.edu／iriswsresp1／）

我们随机选取了BJT地震台2014年5月20～27日记录的地震噪声数据，计算了该时段的背景噪声水平。取尽可能平静的时段，不包含地震事件、脉冲等大振幅的信号或噪声。原始数据经过去均值、去倾向、去除仪器响应等预处理后，在时间域进行积分，把速度值变为位移值。由于BJT的仪器为宽频带记录仪，为了应用近震震级公式，把转变成位移值的数据进行短周期滤波（2～8Hz），获得类似于短周期地震计记录的地震波形。图1所示的是2014年5月23日4h前、11h前、16h前、23h前 1800s的背景噪声位移。这几个时段的背景噪声位移大约为0.05μm。

为了更直观地了解BJT地震台三分向背景噪声的变化，计算了2014年5月20～27日高噪声时段（UTC时间 12：00、13：00、14：00、15：00）和低噪声时段（UTC时间21：00、22：00、23：00、00：00）噪声的位移变化（图2）。图2（a）给出了 BJT地震台在低噪声时段的噪声变化，该时段相当于北京时间的 5：00、6：00、7：00、8：00；图 2（b）给出了高噪声时段的噪声变化，该时段相当于北京时间的 20：00、21：00、22：00、23：00。可以看出，在低噪声时段，水平向背景噪声位移值在0.015μm左右；在高噪声时段，水平向背景噪声位移值在0.025μm左右。在个别日期的个别时段，背景噪声位移值会超出平均范围。

由此得出2014年5月20～27日8天内BJT地震台三分向的背景噪声位移最高约为0.04μm。BJT三分向（Z向、SN向、EW 向）的平均噪声位移分别为 0.0205、0.0260和0.0201μm。由于式（3）中的 Au为（AμEW+AμSN）／2，所以我们选择 Au＝（0.026+0.0201）／2＝0.02305μm。如此以 BJT为参考点，京津冀所有地震台站的假设背景噪声位移均为0.02305μm，用以评估所有台站的理论监测能力。

2.2.2 BJT台站背景噪声功率谱的计算

为了更进一步了解BJT地震台的背景噪声水平，计算了该台2014年5月20～27日内的噪声功率谱，并与国际流行的噪声模型进行了比较。

图1 BJT地震台2014年5月23日4、11、16、23时前半小时的背景噪声位移

功率谱的计算采用Welch平均周期图法，Welch法是改进后的周期图法。Welch平均周期图法是把一长度为N的数据分成L段，每段长度为M，分别求每一段的功率谱，然后求平均值。每一段的谱需作加窗处理，其功率谱可由下式（胡广书，1997；张峰等，2009）

xN（n）为长度为N的数字序列；为了保证所得到的谱是渐进无偏估计，令U为归一化因子，d（n）是汉宁（hanning）窗 0.5±0.5×cos（2pin／N）。这样几段的平均功率可由下式决定

根据以上原理，取1800s的时段，共36000点进行功率谱的计算（采样率20）。采用hanning窗，把36000点的数据分段后，每段4096点，共约8个数据段，每段和下一个数据段有50%的重叠，计算出每段功率谱后进行平均以减少估计的方差。图3所示的是2015年5月23日 4：00、11：00、16：00、23：00时前半个小时的噪声功率谱，上下 2条曲线分别为 Peterson新高噪声模型（NHNM）和新低噪声模型（NLNM）。该模型是Peterson在1993年对全球各地正常噪声进行了研究，获得的全球公认的新高噪声模型和新低噪声模型。可以看出，BJT地震台1Hz以下频率的噪声水平较低，接近于 NLNM。相对于Peterson噪声模型，BJT台站1Hz以上频率的噪声水平属于中等程度。

图2 2014年5月20～27日BJT地震台低噪声时段与高噪声时段的背景噪声位移变化

2.3 京津冀地震台网的理论监测能力

我们以BJT台站的背景噪声为参考，假设京津冀地区的平均噪声位移均为0.02305μm，该噪声值乘以2倍作为Pg信号的最小检测位移，再乘以3倍作为Sg波的最小检测位移，代入式（3）计算各台在各震级处的能记到该震级地震的最远震中距。3个台均能记录则表示能够定位该地点，如此我们获取了京津冀台网对近震的定位能力范围（图4）。

如图4所示，天津大部分地区都能监测到ML1.0的地震，而北京地区地震台站分布较稀疏，所以监测能力要弱于天津，其西北大部地区不能达到监测ML1.0地震的能力。虽然该估算设置了一些初始条件，但是作为一个大概的评估，可以看出其西北地区的监测能力明显低于其东南部和天津大部分地区。京津冀所有地区均能够监测ML2.5及以上地震，北京和天津所有地区均能够监测ML2.0及以上地震。

3 京津冀地区地震台网的监测能力检验

为了检验京津冀地区地震台网的实际监测能力，我们从中国地震台网中心（CENC）下载了京津冀地区的地震目录。根据2002年1月～2013年10月间的1万余条地震目录，得到京津冀地区的地震分布图（图5）。由图5看出，地震呈2个条带状分布，京津冀地区内40°N左右的地震条带属于华北平原地震带，这个地区的监测能力很强，与之能够达到同等程度的是河北省的西南部地区，如此强的监测能力都与这些地区台站密度大有关。在115°E右侧的地震条带属于汾渭地震带，其中段由于台站稀疏，监测能力只到ML1.5级。

图 3 BJT地震台 2014年 5月 23日 4：00、11：00、16：00、23：00时前半个小时的背景噪声功率谱

4 京津冀地区的监测薄弱区

针对理论监测能力的计算作如下假设：①以BJT地震台站的背景噪声水平代表所有京津冀台站的背景噪声水平；②当Pg震相是噪声的2倍时才确认为成功检测；③最少有3个台站的完整记录才确认能够定位该地震。而实际情况是，有的台站远离市区，比较安静，高频背景噪声相对较低，比BJT的监测能力强。在实际工作中，Pg震相小于噪声的2倍时，也可以用肉眼识别并参与定位。而且通常情况下如果1个台有小震记录，且tS-tP较小，可以认为是台站附近的地震时，区域台网也可以给出该台站的经纬度作为地震的震中，同时给出tS-tP值，并提供地震目录。这是理论计算与实际地震目录的差别所在。

京津冀地区的地震主要分布在2个地震带上，综合理论计算与实际地震分布发现40°N附近小震频繁，属于华北平原地震带，而从图4看，北京西部地区与河北省40°N附近台站较少，理论监测能力图显示对该地区的监测能力不足。既然台站少，监测能力不足，而该地区又发生了如此多的地震，这可能表明该地区大部分小震的定位不能满足多台定位，即实际定位精度需要提高。另外一个地震带为汾渭地震带，除了河北省最南部地区监测能力较强外，地震带中段均少有ML＜1.5的地震记录，这条地震带上的台站分布稀疏，基本不能满足ML1.5的地震下限。

图4 京津冀地区近震监测能力

图5 京津冀地区2002年1月～2013年10月的地震分布

5 结论

华北地区主要有4个地震带，其中京津冀地区有2个主要地震带，即华北平原地震带和汾渭地震带。华北平原地震带是对京津唐地区威胁最大的地震带，1679年河北三河8.0级地震、1976年唐山7.8级地震就发生在这个带上。据统计，该地震带共发生4.7级以上地震140多次。其中7.0～7.9级地震5次；8级以上地震1次。而汾渭地震带，是我国东部又一个强烈地震活动带。1303年山西洪洞8.0级地震、1556年陕西华县8.0级地震都发生在该地震带上。1998年1月张北6.2级地震也在该地震带的附近。有记载以来，该地震带内共发生4.7级以上地震160次左右。其中7.0～7.9级地震7次；8级以上地震2次（傅征祥等，1994）。

小震发生的频次对大震的预测研究具有重要作用。在京津冀地区的2个主要地震带上，北京西部、北部地区台站稀疏，理论上不能满足 ML1.0的监测下限。华北平原地震带的西段，虽记录到了小震级事件，但由于台站稀疏，地震定位的精度有待提高。另外汾渭地震带的中段，也由于台站不多，理论上不能监测 ML1.5以下的地震，而实际上也没有监测到ML1.0以下地震。因此建议补充北京西部地区与河北省汾渭地震带中段的地震台站，提高京津冀薄弱地区的地震监测能力，从而有利于京津冀地区的地震监测预测研究。