镜泊湖火山测震台网监测效能评估

赵建通 高双玲 马宝君 梁阿全 李俊秋

1）中国黑龙江 157009 牡丹江地震台

2）中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局

0 引言

地震监测能力是衡量地震台网质量的重要指标（董晨阳等，2018）。为推进地震综合台站地震监测业务改革，提升地震台网地震监测、服务能力，2019 年镜泊湖火山测震台网新增2 个观测子台。本文对镜泊湖火山测震台网台基噪声水平、观测动态范围及地震监测能力等进行了研究，研究结果对了解地震台网监测能力及有针对性地寻求提高台网观测质量的技术途径等具有一定的现实意义，并对判断火山测震台网能否对火山区未来喷发的危险性和火山灾害作出准确评估具有一定的参考价值。

1 镜泊湖火山测震台网

镜泊湖火山是我国著名的近代火山，并且是爆发的休眠火山，共有13 个火山口（李英波等，2006），火山口主要集中在宁安市小北湖的火山口森林和蛤蟆塘，从火山口内壁可观察到其喷发类型主要为夏威夷型平静溢流和斯特朗博利式。火山喷发物阻塞了牡丹江，形成了我国最大的火山堰塞湖——镜泊湖（洪汉净等，2007）。镜泊湖地区的莫霍面深度约为35 km，火山口森林之下的地壳厚度为39 km，显示该地区加厚的地壳特征。2000 年黑龙江省地震局火山研究所进行的大地电磁测深研究表明，地下30 km 左右有高导低阻地质体存在。镜泊湖火山测震台网的建立，可为加强火山区微震观测及判断镜泊湖火山的活动情况提供直接依据。

镜泊湖火山测震台网于2006 年建设完成并投入使用，其中，森林子台和小北湖子台因当地森林火灾于2010 年停测。为尽快恢复监测工作，2019 年新建2 个测震子台，它们位于小北湖林场（小北湖台）和苇芦河林场（苇芦河台）周边。

2 观测条件及仪器概况

镜泊湖火山测震台网5 个观测子台均分布于火山口周围，都具备电源、网络等观测条件，周边无大型震动干扰，观测环境良好（表1）。

表1 镜泊湖火山测震台网各子台信息Table 1 Information of each seismic station of volcanic seismic network in Jingpohu

3 噪声功率谱密度计算

台基噪声功率谱密度数据，可用来评估地震台站台基背景噪声的高低，在新台址勘选时可作为选台的依据。对于已经投入正式观测的台站，定期测定台基噪声，累计历史噪声数据，可用来评估地震台站观测环境的变迁。台基背景噪声水平会直接影响地震波形记录的质量，所以分析台站噪声水平是判断地震台网监测能力的重要环节之一。中国地震局已经制定了《地震地震台站观测环境技术要求》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004），该要求规定将台基背景噪声为1—20 Hz 频带范围的速度RMS 值作为评估标准，共分为 5 级台基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），评估的标准为（单位为m/s）

Ⅰ级台基噪声水平：RMS ＜3.16×10-8

Ⅱ级台基噪声水平：3.16×10-8≤RMS ＜1.00×10-7

Ⅲ级台基噪声水平：1.00×10-7≤RMS ＜3.16×10-7

Ⅳ级台基噪声水平：3.16×10-7≤RMS ＜1.00×10-6

Ⅴ级台基噪声水平：1.00×10-6≤RMS ＜3.16×10-6

选取镜泊湖火山测震台网所有观测台大于24 h 的无地震及干扰的连续观测数据进行地动噪声功率谱密度计算，以判定各台台基噪声水平，结果见表2。

表2 计算得到的台基噪声水平Table 2 The calculated base noise level

4 镜泊湖火山测震台网监测能力计算

4.1 采用仿真短周期位移记录（DD-1）计算近震监测能力

近震震级使用仿真短周期位移记录（DD-1）的S（或Lg）波最大正度来测定。根据如下近震震级计算公式估算地震监测能力

其中，A 为台站记录的体波最大速度，单位为μm/s；C 为台基矫正值；R(Δ)为量规函数，即震级起算函数。刘瑞丰等（1996）认为，最大地动速度和最大地动位移振幅间的关系为

其中，T 为对应最大速度周期（刘瑞丰等，1996）。将式（2）带入式（1），得到可用最大地动速度计算地震监测能力的公式

我们认为当S 波振幅为背景噪声振幅的6 倍时，地震波P、S 波震相清晰可辨，故按照背景噪声的6 倍作为S 波可分辨的最小位移。由于台基校正值很小且在计算的误差范围之内，所以，认定C=0。选取无地震事件、无强震动、无强人为干扰的大于24 h 观测数据波形进行背景噪声计算，得到各台EW、NS 向的地动噪声RMS。

4.2 计算结果

选取各台EW、NS 向地动噪声RMS 值的6 倍为S 波最大振幅（曹舸斌等，2019），通过对研究区历年地震信息进行统计分析，得出最大振幅响应周期与震中距间的关系（表3）。

表3 最大振幅响应周期与震中距间的关系Table 3 Relationship between the maximum amplitude response period and epicenter distance

因镜泊湖火山测震台网主要用于监测镜泊湖火山地震，属于小孔径监测台网，监测范围30 km 已满足监测要求，所以只计算200 km 范围内的监测能力即可。将上述设定条件带入式（3）进行计算，得到台网的近震监测能力（表4）。

表4 震中距与测定最小震级间的关系Table 4 Relationship between epicenter distance and the minimum magnitude

4.3 监测能力图绘制

一般地震发生后，地震仪记录到地震信息后，通过分析可以给出发震时间、震级和震中距，但是由单台定位得到的地震信息是不准确的（郝春月等，2006），理论上，需要3 个或3 个以上台站记录到此次地震（何少林，2003），再通过交切法计算出地震的震中位置。为了与原镜泊湖火山测震台网的监测能力进行对比，取第3 个子台震级作为现台网对该节点的可监测震级下限，绘制监测能力图[图1（a）]；采用相同方法绘制新增2 个观测子台前的镜泊湖火山测震台网监测能力图[图1（b）]。

图1 镜泊湖火山测震台网监测能力对比（a）新增2 个子台后；（b）新增2 个子台前Fig.1 Comparison of monitoring capability of volcanic seismic network in Jingpohu

目前，镜泊湖火山测震台网由5 个观测子台组成，根据“3 个地震台可定位地震信息，第4 个地震台用于修正”的原则，我们选取第4 个子台震级作为台网对该节点的可监测震级下限，绘制监测能力图（图2），图2 更能真实反映台网监测能力。

图2 镜泊湖火山测震台网监测能力Fig.2 The monitoring capability of volcanic seismic network in Jingpohu

5 讨论

对镜泊湖火山测震台网各子台计算得到的背景噪声有效值均小于3.16×10-8m/s，5 个子台台基都属于“Ⅰ级台基噪声水平”，符合国家选址要求，其较小的台基背景噪声，可满足火山区微震监测工作的要求。

通过图1 的新增2 个子台前后监测能力对比可以看到，镜泊湖火山测震台网在火山区的监测能力得到很大提升。完成了从最多3 个台定位到现在最多5 个台定位的转变，使可定位的地震信息更精确。5 个火山机构（蛤蟆塘、迷魂阵、火口森林、大干泡、五道沟火山机构）周围可监测的最小震级也从ML0.0—0.3 下降到ML-0.5—0.0。

由图2 可以看出，镜泊湖火山测震台网对5 个火山机构理论监测能力不低于ML0.0，个别区域可以监测到ML-0.5 以下地震，对于火山周边50 km 范围内理论监测能力不低于ML0.5，100 km 范围内不低于ML0.6。上述结果主要是根据台网实际运行情况给出的基本评价。因台网为30 km 小孔径台网，所以，30 km 范围内其监测能力完全满足火山区域监测需求。

由图2 还可见，火山机构西侧监测能力相对较弱。经现场勘察发现，西侧地形复杂且人烟稀少，供电、通讯、交通等均得不到保障，并且紧邻吉林省省界，所以，在西侧增加观测子台的方案不可行。但镜泊湖火山测震台网较好的观测条件可以满足很多观测手段的观测要求，后续可以利用现有观测子台的条件，增加其他观测手段，不断提升监测能力。