河南地区地震目录最小完整性震级探讨

高家乙 闫 睿 谢健健

（中国郑州 450016 河南省地震局）

0 引言

地震目录最小完整性震级Mc是指地震监测区域范围内，能够被完整记录到的地震震级下限（何宗海，1994）。地震记录的完整性很大程度上依赖于区域地震台网的布局、密度和地震监测能力等（王琼等，2011），地震台站空间分布的非均匀性、震相数据信噪比以及定位过程中的人为选择等因素对地震目录完整性都有影响（Woessner et al，2005；蒋长胜等，2008）。因此，开展地震目录最小完整性震级研究，也是评估测震台网监测能力的有效手段之一。

最初常用震级—频度关系（G—R关系）进行科学统计，根据经验目测取线性分布的最小震级值作为最小完整性震级Mc。近年发展起来的计算方法包括定性评估的震级—序号法、定量评估的最大曲率法（maximum curvature method，简称MAXC）等。前人（李志海等，2011；冯建刚等，2012；刘丽芳等，2012；王霞等，2014；王亮等，2015）已应用这些方法对不同地区地震目录最小完整性震级进行研究。

河南地区（31°—37°N，110°—117°E）地质构造上跨华北地块、秦岭大别造山带和扬子地块等3个一级大地构造单元，这3个一级大地构造单元由10个二级、29个三级大地构造单元组成，其构造演化具有多旋式不均衡发展的特点，断裂整体上具有“两个断裂方向展布、四组断裂体系”的特征（王志铄，2017）。河南地区地震构造探查与城市活动断层探测工作发现，晚更新世、全新世以来的活动断裂多分布在豫晋陕和豫鲁冀交界。河南地区小震多，震源浅，烈度高，地震活动带密布，河北平原地震带、山西地震带、汾渭地震带在河南地区都有延伸。而地震目录是地震研究工作中最基础的资料，因此开展河南地区地震目录最小完整性震级评估较为重要。

1 方法

古登堡—里克特（G—R）关系（Gutenberg et al，1944）是指假定在相对固定区域内，地震活动的震级M和频度N满足

固定了常数a、b后，由拟合度最好的直线段即可经验性地确定1个震级区间，同时认为该区间内地震目录是完整的，其震级下限即最小完整性震级Mc。

之后发展起来的计算方法多以G—R关系为基础，其中，震级—序号法是按发震时间先后将地震排序，考察不同震级的地震数密度分布来定性分析Mc，地震数密度较大位置所对应的震级为最小完整性震级，使用地震序号主要是为避免“丛集事件”的影响（蒋长胜等，2011）。最大曲率法是将震级—频度曲线的一阶导数最大值作为Mc。

本文采用G—R关系曲线法、震级—序号法和最大曲率法计算最小完整性震级Mc，探讨河南地区地震目录完整性在不同时期的特征。

2 资料

2.1 河南地震监测台网概况

2000年之前，河南地震监测台网全部为模拟记录；1997年启动了地震监测系统数字化技术改造“九五”项目，2002年1月1日正式投入观测；随着“十五”数字化地震观测网络项目的完成，2008年以后数字化地震台网迅速扩充，且大部分台站台基为地面基岩，配备宽频带和甚宽频带地震计；在河南东部覆盖层较厚地区，台站多为井下台，配备短周期和宽频带地震计。目前，河南地震台网中心可汇集处理来自河南全省28个测震台站和通过连接国家地震台网中心的流服务器从邻省6个测震台网（山东、安徽、河北、山西、湖北、陕西）获取的31个测震台站的实时波形数据，河南地区地震台站分布较均匀（图1）。

图1 2008—2020年11月河南地区地震震中和地震台站分布Fig.1 The distribution of earthquakes and observation stations in the Henan region

2.2 地震目录

由于1970年以后河南地震观测台网才开始现代地震观测，因此收集河南地区（31°—37°N，110°—117°E）1970—2020年11月地震目录作为研究资料。该资料综合了河南及邻省地震月报目录、河南省历史地震数据复核目录和地震编目目录，共记录地震38 790个，其中，ML0—0.9地震10 181个；ML1.0—1.9地震20 745个；ML2.0—2.9地震6 875个；ML3.0—3.9地震 869个；ML4.0—4.9地震107个；ML≥5.0地震13个（图1）。

3 地震目录最小完整性震级计算

根据河南地震监测和台站建设发展历程，将1970年以来地震目录分为4个时段绘制G—R关系曲线（图2）。由图2可见，1970—1979年，由于地震台站数量较少，因此记录到的地震数量亦明显偏少，最小完整性震级Mc约为ML2.5；1980—2001年河南地震监测台网处于较稳定的模拟观测时期，地震监测能力有所提升，另外，得益于历史地震数据复核工作补充完善了1981—2001年地震目录，Mc约为ML2.3；2002—2007年由于大量模拟观测台站停测，地震记录存在较严重缺失，Mc约为ML2.6；2008年以后，随着地震台网数字化升级改造完成以及新建台站投入观测，地震监测能力大幅提升，Mc约为ML1.5。

图2 河南地区不同时段地震目录震级—频度关系（a）1970—1979年；（b）1980—2001年；（c）2002—2007年；（d）2008—2020年Fig.2 G-R relation curves of earthquake catalogs in different periods in the Henan region

采用震级—序号法和最大曲率法对1970年以来河南地区地震目录最小完整性震级进行评估，由于ML＜1.0地震记录严重缺失，故以ML1.0作为起算震级（图3）。由图3可见，震级—序号法所得最大地震数密度处，同最大曲率线基本一致；但对比不同时段最大地震数密度可以发现，1970—2007年地震数较2008年以后明显偏少，尤其是1970—1979年台站数量较少和2002—2007年模拟观测仪器大规模停测导致地震目录严重缺失；而震级—序号法和最大曲率法只是反映对应时段地震数最大密度的位置，故计算得到的1970—2007年最小完整性震级偏小，而由G—R关系曲线指示的该时段最小完整性震级更加合理[图2（a）、2（b）、2（c）]。

2008年以来，经过“十五”数字化地震观测网络项目改造后数字化监测台网投入运行，并开始地震目录的编目工作，地震数明显增多[图2（d）、图3]。震级—序号法和最大曲率法计算结果显示，2008年以后最小完整性震级平稳下降，河南地区ML≥1.5地震目录基本完整。

图3 震级—序号法和最大曲率法评估1970年以来河南地区地震目录最小完整性震级Fig.3 The minimum magnitude of completeness in the Henan region derived by the serial number method and MAXC method

4 结论

以河南地区（31°—37°N，110°—117°E）1970—2020年11月地震目录作为研究资料，采用G—R关系曲线法、震级—序号法和最大曲率法分别计算不同时段的最小完整性震级。结果显示，震级—序号法和最大曲率法的计算结果具有较好的一致性，但由于1970—2007年地震数明显缺失，故计算结果偏小。G—R关系曲线法分时段统计结果显示，1970—1979年由于研究区内台站数量少，Mc约为ML2.5；1980—2001年河南地震监测台网处于较稳定的模拟观测时期，地震监测能力有所提升，Mc约为ML2.3；2002—2007年大量模拟观测台站停测导致地震记录严重缺失，Mc上升至ML2.6左右。2008—2020年11月，G—R关系曲线法、震级—序号法和最大曲率法均显示Mc约为ML1.5，这得益于地震台网数字化升级改造完成以及新建台站投入观测，故地震监测能力大幅提升。河南地区地震目录最小完整性震级的测定，可为区域地震活动性研究和地震危险性分析等工作提供参考。

震级—序号法和最大曲率法计算程序来自中国地震局地球物理研究所蒋长胜研究员，在此深表感谢。