利用PMC方法评估山西测震台网的地震监测能力

梁向军，宋美琴*，刘 芳，刘林飞

（1.山西省地震局,太原 030021；2.内蒙古自治区地震局,呼和浩特 010010；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,太原 030025）

0 引言

区域地震台网的监测能力是衡量地震台网地震速报范围和定位精度的重要指标之一，是台网布局和各台站地震检测能力的综合体现。地震台网日常产出的地震目录和观测报告是地震预报、活动构造、工程地震研究及地震危险性分析基础性资料。因此，科学评估台网监测能力对地震预报和科学研究具有重要意义[1-2]。

目前评估地震台网监测能力的方法有多种，如统计地震学常用的“最大曲率法（MAXC）”、“最优拟合度（GFT）方法”[3]、“震级-序号”和“b值稳定性”方法（MBS）[4]、完整性震级范围”（EMR）方法[5]，这些方法假定地震频次和震级满足G-R关系，对弱震和少震地区存在的地震数目不足无法评估[6]。而且，不同的评估方法对同一台网的监测能力评估结果有明显差异[7]。这些不足增加了科学评估地震台网的监测能力的难度。

近年来，Schorlemmer 等提出的“基于概率的完备震级（probability-based magnitude of completeness，PMC）”方法[8]，为解决上述问题提供了可能。PMC方法不需要假定震级关系，利用台网实际产出的地震观测报告客观评估台网的监测能力。该方法的评价精度较高，误差低于0.1 个震级单位[9]，近年来在国外一些地区（美国、瑞士、意大利等）国家得到应用[8-11]。在国内，中国地震台网中心和部分区域台网[1-2,12-14]也都开展了相关研究工作。

山西地区地质构造复杂、地震活动较强。山西测震台网经历了“九五”、“十五”、“十一五”项目建设，现有57 个测震台站，共享邻省17 个台站（陕西6 个、内蒙古4 个、河北4 个和河南3 个）后，山西地区边界的监测能力有所提升，但仍有部分区域布设台站较少，监测能力薄弱。本文搜集2015—2019年山西数字地震台网记录的观测报告资料和台站资料信息，利用完整性震级PMC 方法对山西测震台网进行监测能力评估，为下一步优化台网布局提供合理化建议，为地震活动性研究提供借鉴。

1 PMC 方法计算原理

基于概率的完整性震级PMC 方法用到台网实际产出的地震观测报告（发震时刻、震中位置、震源深度、震级、震相到时、每个台站的震中距）、台站基本信息、台网计算地方震震级公式，获得各个台站的单台检测概率PD，综合单台检测概率得到合成检测概率PE，并计算出基于概率的最小完整性震级MP，主要按照2 个步骤进行，方法详细介绍见文献[1-2，12-13]。

2 研究资料

山西测震台网目前共有57 个省内台站，共享河北、内蒙、陕西和河南台网的17 个台站，构成了山西数字地震监测网络，使网缘地震的监测能力有所提高。由于PMC 方法是基于概率统计学方法，因此只有地震条数足够多时，一个台网的真实检测能力方可充分反映出来，获得的结果更加稳定。山西测震台网从2015年开始无新增台站，为此本文选取了本台网稳定运行的2015—2019年期间的13 716次可定位地震的地震观测报告数据（图1），利用PMC 方法来评估山西测震台网的监测能力。

图1 山西测震台网台站及2015—2019年地震震中分布图

3 单台检测概率

单台检测概率PD是PMC 方法计算的最基础、最核心部分[6]。本次计算选取了至少有4 个台记录到的地震事件参与，共获得了山西测震台网57 个台站的单台检测概率。为了直观展示山西地区测震台网57 个台站对所选用地震事件检测能力的差异，拟用如下条件进行评估：①ML1.0 时PD是否达到100%；②ML3.0 且PD=100%时的震中距范围；③L=100 km 且PD=100%所对应的震级ML；④L=300 km处，PD是否达到100%，计算结果满足条件越多的台站则认为该台的检测能力越高[13]。依据以上条件，山西测震台网57 个台站的PD计算的评定结果如表1所示。

从表1 不难发现，山西测震台网仅有5 个台站同时满足上述4 个条件，即监测能力最好台站（HZH、KEL、LIS、SHY、XIY），有10 个台站（BOD、GAP、HSH、JIC、LIX、TAG、XIX、YAC、YIX、ZEZ）不满足条件①，也就是这10 个台站在ML1.0时PD达不到100%，意味着检测能力较弱。

图2 为山西地区监测能力最好的5 个台站（HZH、KEL、LIS、SHY、XIY 台）和监测能力较弱的2 个台（BOD 台和YJI 台）的检测结果。

图2a～2e 为监测能力较好的5 个台站。以昔阳台（XIY）为例，同时满足表1 的4 个评估条件，单台检测概率图2e 显示：该台的单台检测概率在参与定位地震中检测震级下限为0.1 级，在ML1.0 时PD达到100%；在震级ML0.1～1.8 的地震是在震中距60 km 范围内检测能力达到100%，最小地震的震中距为20 km；在各个震中距档和震级档都能记录到地震。再结合该台站位于山西省的中部地区，台基好、仪器记录稳定，波形记录清晰也是造成该台检测能力高的原因。

图2 台站震级-距离原始点阵图（左）及单台检测概率图（右）

表1 山西测震台网57 个台站的PD 计算结果

续表1

从保德台的单台检测概率图2f 可以看出：保德台（BOD）在震级ML1.8 单台检测概率PD100%，检测能力较弱，从震级-距离原始点阵图发现：BOD 台在本台网参与定位的地震震级下限为0.6，而且参与定位的地震事件数目也较少。导致保德台检测能力较弱估计是台站位于山西与陕西交界位置，该台的台基噪声较大，一些地震信息被淹没，而且在台站附近本省台站架设台站较少，只共享一个陕西台网台站榆林台（YULG），因此能够记录到的地震数目较少；另一个原因是台网工作人员在编目过程中为了确保地震编目质量，该台记录的初动不清晰将该台剔除，导致检测能力下降。

永济台（YJI）是山西台网架设最南端的台站，位于山西边界。与北部的保德台（BOD）相比，其检测能力概率图2g 要高很多。该台的检测震级下限达到0.1 级，在ML1.0 时PD达到100%；在震级ML0.1～1.6 的地震是在震中距60 km 范围内检测能力达到100%。从震级-距离原始点阵图可以看出，该台记录的地震主要集中在震中距200 km 范围内，这是由于该台站位于省边界，在编目时对于网缘只处理30 km 范围内的地震原因所致。但是比北部的检测概率较高，一方面是由于台基本身好，更重要一点是台站周围共享了陕西的2 个台（HEYT 台、HUAX 台）和河南台网的一个台（LS 台）。所以发生在永济台周边的地震，因台站包围性很好，多台记录的地震也就较多。

为测试PD是否能真实反映台站对地震事件的检测能力，以2019年1月2日山西五寨（39.07°N，111.82°E）ML1.2 地震为例，了解PD与真实波形记录情况。图3 显示，参与此次定位的台站中，保德台（BOD）、偏关台（PIG）与宁武台（NIW）的震中距离接近。但偏关台（PIG）与宁武台（NIW）的波形记录清晰，对应的单台检测能力PD就高；而保德台（BOD）的波形记录还不如震中距远的娄烦台（LOF）波形清晰，而娄烦台（LOF）的震中距接近保德台的2 倍，充分说明了保德台的检测能力PD较低。综合比较以上4 个台的垂直向记录波形和各台的检测概率后显示，台站PD值可定性地比较和验证检测概率与实际波形记录信噪比情况。

图3 2019年1月2日山西五寨ML1.2 地震及参与定位4 个台站的检测概率图

4 合成检测概率PE 及MP 空间分布

将台网的单台检测概率综合起来可获得合成检测概率PE和完整性震级MP的空间分布特征，可以反映一个台网的监测能力。本文利用57 个山西省内台站的单台检测概率，依据参与计算的每个地震至少有4 个以上台站参与定位、且其单台检测概率可合成的原则，获得以0.1 级为档位的1.0、1.5 和2.0 级地震的合成检测概率的分布特征（图4）；又利用57 个山西省内台站和邻省共享17 个台站的单台检测概率，依据参与计算的每个地震至少有4 个以上台站参与定位、且其单台检测概率可合成的原则，获得以0.1 级为档位的1.0、1.5 和2.0 级地震的合成检测概率的分布特征（图5）。

图4 分别给出了ML1.0、ML1.5、ML2.0 三个震级档的PE的空间分布特征和完整性震级MP的空间分布特征。由图4a 可知，ML1.0 震级水平下的地震检测概率值高于0.99 的范围主要集中在山西忻州、太原、晋中、临汾地区、大同和长治的部分地区，覆盖率达60%。这些区域的台站架设比较密集，除运城边界地区监测能力较弱以外，其他地区的检测概率在80%～90%之间。图4b 是ML1.5 震级水平下的地震检测概率分布图，从图中可知，在这一震级档检测概率在99%以上的区域，全省95%的区域达到这一水平。图4c 是ML2.0 震级水平下的地震检测概率分布情况，全省所有地区的检测能力达到100%。图4d 是基于概率的最小完整性震级MP的空间分布，在忻州、太原、晋中、临汾地区、大同和长治的部分地区的监测能力最强，能监测到ML1.0 及以下的地震；运城与陕西边界这一小区域的监测能力较弱，只能监测到ML2.0 及以上的地震。

图5 是省内57 个台站和共享周边省份17 个台站的合成检测概率及MP空间分布图。与图4 比较，图5a 中，ML1.0 震级水平下的地震检测概率值高于0.99，占全省地区的80%；ML1.5 震级水平下的地震检测概率值达0.99 的占全省的95%（图5b）。达不到这一概率值的地区有山西北部与河北交界地区和山西南部与陕西交界地区，尤其是河北山西交界地带，基本没有共享台站，造成这一区域的合成检测概率低；忻州地区保德一带虽然省内台站也少，但是由于共享了陕西的台站，检测能力有了明显提升。从图5c 可以看出，对于ML2.0 震级水平下的地震检测概率值达0.99 的全省地区都能检测到。图5d 与图4d 对比，与河北、河南、陕西和内蒙古接壤的地区由于共享了这17 个台站，监测能力有明显改善，特别明显的是运城与陕西交界地区，监测能力由2.2 级提升到了1.7 级，说明了共享台站的重要性。

图4 山西57 个台站的合成检测概率及MP 空间分布图

图5 扩展周边台站的山西测震台网74 个台站合成检测概率及MP 空间分布图

通过对比合成检测概率PE与最小完整性震级MP的空间特征，还看不出这2 种研究结果所表示的山西测震台网监测能力保持一致。PE可以看出不同震级档检测能力变化情况，而MP则直观地体现了山西地区不同区域、不同震级的监测能力。

综上所述，目前山西台网的57 个台站，加上共享的17 个台站，监测能力虽然有一定的提升，但是有些地区的监测能力仍然比较弱。需要在山西北部、山西南部运城一带增加台站密度，再增加接入外省台站的数量，特别是河北、河南两个省，以提升山西测震台网的整体监测能力。

5 结论

本文用PMC 方法科学评估了山西测震台网的监测能力，得到如下结论。

1）通过计算获得了山西测震台网57 个台站的单台检测概率，反映了每个台站对地震事件的真实检测情况。结果显示有10 个台站（BOD、GAP、HSH、JIC、LIX、TAG、XIX、YAC、YIX、ZEZ）的检测概率较弱。

2）合成检测概率及最小完整性震级的空间分布特征显示：共享邻省台站后，山西80%的地区能监测到ML1.0 的地震，95%的地区能监测到ML1.5的地震，全省覆盖ML2.0 的监测水平。山西北部右玉-偏关-保德、中部离石靠近陕西一带及南部的运城永济一带布设台站稀疏（尤其是离石西边这一小区域，形成空区），通过共享邻省17 个台站，运城永济边界地区的监测能力才达到ML1.7，离石靠近陕西这一区域的监测能力达到1.5 级，偏关-保德边界地区的最小监测能力达ML1.7。相比较，山西忻州、太原、晋中、临汾地区、大同和长治的部分地区这一带而言，是监测能力最强的地区，基本上都能达到ML1.0 及以下的地震，充分说明了密集台站加上合理的布局是监测能力高的主要因素。因此，需要在山西北部地区和南部边界地区增加台站或共享更多邻省台站来提高山西台网整体监测能力。

3）由于PMC 方法在计算时要求台站周边的地震活动具有不均匀性，山西地区的地震活动主要集中在山西断裂带上，两侧隆起区的地震较少，这对单台检测概率的结果会有一定的影响。另一个因素是在使用PMC 方法计算时利用了山西测震台网实际产出的观测报告，在日常编目时因人为提高定位精度而舍弃了一些信噪比低或震中距较远的台站，导致了台站对实际地震检测能力的下降。为此，在日常定位时，建议使用较多记录清晰的台站，避免人为原因导致台站检测能力下降。

致谢感谢内蒙古自治区地震局刘芳研究员为本文研究提供程序及在操作过程中给予指导!