内蒙古地震重大项目监测台网监测能力评估

赵艳红 翟 浩 胡 炜 舒 雷

（中国呼和浩特010051 内蒙古自治区地震局）

0 引言

对区域地震台网地震监测能力的科学评估，是进一步优化地震台网布局及提升边疆、海域等重点地区地震监测能力的关键（Stein，1999；Knopoff，2000；Main，2000；Wiemer et al，2000；Gomberg et al，2001；Enescu et al，2002；Woessner et al，2004）。地震台网的监测能力与地震台站的布局、地震台站分布的密度、台站所在场地的地质构造、台站信号的记录质量、地震定位所采用的软件等因素密切相关（Mignan，2012）。评估地震台网的监测质量主要包括2 个方面的内容，一是要对台网布局和地震定位能力进行评估（Rabinowitz et al，1990；Doufexopoulou et al，1992）；二是要对100%被记录到的地震震级水平，即最小完整性震级进行评估。焦远碧等（1990）针对我国地震台网监测能力和台网观测条件质量进行了评估，获得了首都圈、华北地区以及全国的最小完整性震级空间分布特征；蒋长胜等（2015）利用PMC 方法，对西昌流动地震台阵的地震监测能力进行了评估；王亚文（2017）评估了地震台网实际产出资料，对最优监测能力进行地震检测能力评分，并对多种地震监测能力评价方法进行了对比研究；Wiemer 等（2000）针对日本、阿拉斯加、美国等地区，采用FMD 模型，进行了地震监测能力评估工作，获得了最小完整性震级的空间分布特征；Nanjo等（2010）使用EMR 方法（Woessner et al，2005），开展了日本地震台网最小完整性震级研究，得到地震监测能力评估结果；李智超等（2014）、刘芳等（2013，2014）、王鹏等（2016）、安祥宇等（2019），分别开展了首都圈、新疆、内蒙古、山东、辽宁的地震台网监测能力研究。

本文选取2016 年3 月至2020 年12 月内蒙古区域地震台网及国家各类重大项目实施的地震台网组成的重大项目监测台网产出的4 087 个地震的观测报告资料，基于概率的完整性震级PMC 方法，开展内蒙古地区地震重大项目监测台网监测能力研究，以期为内蒙古地震台网整体优化布局提供参考依据。PMC 方法基于区域地震震级定义和实际产出的震相观测报告，计算每个台站对全部地震在时空上的监测能力，利用单台检测概率PD得到合成检测概率PE，并计算基于概率的完整性震级MP。

1 地质背景及地震台网概况

内蒙古自治区地形狭长，横跨东北、华北地区，是南北地震带北段等重要构造区的毗邻区域，地质构造复杂，地震活动较强烈（曹刚，2001）。历史上发生了多次大地震，如公元前7 年河套大地震、公元849 年包头西7 级左右地震。20 世纪70 年代以来，先后发生了和林格尔6.3 级、巴音木仁6.2 级、五原6.0 级、包头西6.4 级、巴林左旗5.9 级、西乌旗5.9 级、阿左旗5.8 级等中强地震。因此，优化内蒙古地区地震台网布局、缩小监测能力薄弱区的区域范围、切实提高监测水平尤为重要。

内蒙古地震重大项目监测台网由2 部分组成，一部分是由108 个台站（区内48 个，邻省60 个）组成的地震台网；另一部分是由国家各类重大项目［地震台网测震台站108 个；喜马拉雅科学台阵项目3.1 期境内共建31 个地震台（2016 年11 月至2019 年1 月）、喜马拉雅科学台阵项目3.2 期共31 个地震台（2017 年9 月至2020 年9 月）；国家烈度速报预警项目13 个在建测震台］所涉及的183 台站组成的监测台网。国家重大地震监测项目台网包括108 个固定台、62 个增建台、13 个在建台（图1）。经统计，2016—2020 年内蒙古地震台网共记录到4 087 个地方震（图2），其中，80%的地震震源深度为5—15km（图3）。

图3 内蒙古地震台网记录到4 087 个地震震源深度分布Fig.3 The statistical distribution map of focal depth of 4087 earthquakes was recorded by Inner Mongolia Seismic Network

2 地震监测能力评估

利用PMC 方法进行地震监测能力评估时，台站检测概率的获得分2 种类型：一类是实际值，即使用实际观测报告台站的实际检测概率；另一类是理论值，即对于无实际产出的在建台站，采用其附近构造相同或相近台站的检测概率进行理论评估。图4 为内蒙古地震台网部分台站的检测概率，即内蒙古西部台站（CEK）、内蒙古中部台站（WUH、HHC）、内蒙古东部台站（HLR）的检测概率PD。

图4 内蒙古地震台网CEK（a）、WUH（b）、HHC（c）、HLR（d）台的单台检测概率Fig.4 Detection probability of CEK,WUH,HHC and HLR stations in Inner Mongolia seismic network

从图4 分析可知：①WUH、HHC、HLR 台对地震的检测能力较强，检测范围随震级的增加而增大。②WUH、HHC、HLR 台对小地震检测敏感，其中，WUH 台对20 km 范围内0.9 级左右地震的检测概率达到100%。HHC、HLR 台的最小检测震级约为ML1.2。当ML＞2.6 时，CEK 台检测概率不再随震级的增加而增大。分析认为，可能是因为阿拉善右旗额济纳旗地区台站稀疏，台站分布跨度较大，人工定位时，未使用远距离的地震数据进行定位。③CEK 台所在区域发生地震的频度不高，记录到的绝大多数为远距离的地震，这导致最小检测震级仅为ML2.2 左右。

利用PMC 方法以2 种形式来展示区域的地震监测能力：①以特定的震级在空间分布检测概率；②基于概率的完整性震级MP的空间分布特征。地震台网对不同深度地震的监测能力不同，因此在分析监测能力时必须标明震源深度。本研究中地震的震源深度大多为5—15 km，因此仅研究内蒙古地震台网对10 km 深度地震的监测能力。图5（a）、5（b）分别为对ML≤1.0、1.0 ＜ML≤ 2.0 地震的检测概率。从图5（a）可知，内蒙古东部、中东部、中西部的部分地区，由于台站密度相对较高，台基噪声水平较优，检测概率较高；而内蒙古大部分区域检测概率相对较低。震级为1.0 ≤ML≤ 2.0 时，检测概率范围比ML1.0显著扩大，在内蒙古北部边界地带检测概率较低，说明内蒙古地震台网对ML1.0—2.0 及以上地震具有较强的监测能力。图6 为内蒙古地震台网完整性震级MP分布。由图6 可见，内蒙古地区基于概率的完整性震级MP的分布特征与前述各震级区间的分布特征类似，表现为内蒙古南部特别是与领省交界地带完整性震级MP较小，小于ML0.9，最小MP为0.7；内蒙古西部阿拉善地区和东北部监测能力较弱，但ML2.5 的等值线基本覆盖内蒙古大部分地区。

图5 10 km 深度对应的内蒙古地震台网检测概率空间分布（a）1.0 级以下地震；（b）1.0—2.0 级地震Fig.5 Detection probability at the depth of 10 km

图6 内蒙古地震台网完整性震级MP 分布Fig.6 Spatial distribution of the complete magnitude MP

内蒙古地震重大项目监测台网的监测能力评估，依托基于概率的PMC 方法所具备的“地震台网理论监测能力评估”功能。以WJH 台的检测概率为参考，对重大项目监测台网在呼和浩特周边、赤峰、通辽等地区实施的喜马拉雅3.1、3.2 期科学台阵预警项目新建基准站的监测能力进行综合分析。图7 为在原有地震台网基础上增加了新建台站后内蒙古地震重大项目监测台网完整性震级MP的分布特征。对比图6、图7 可见，当新建预警基准站、科学台阵全部建成时，可以获得如下评估结果：①内蒙古地震台网最小完整性震级MP的分布将向南、向北延伸，呼包鄂地区、赤峰地区、呼伦贝尔地区等重点监视区地震监测能力将得到明显加强；②若新建台站均达到WJH 台的检测能力，则内蒙古地震台网的监测能力将进一步加强。但内蒙古西部阿拉善右旗、锡林郭勒盟以北地区及海拉尔以东、以北地区的地震监测能力仍然薄弱，需要增加台站，以增强内蒙古地震台网整体监测能力。

图7 内蒙古重大项目地震台网完整性震级MP 分布Fig.7 Major projectsbuilt Spatial distribution of the complete magnitude MP

4 结论

利用PMC 方法计算内蒙古地震台网地震监测能力时，计算结果可以反映地震台站对地震的实际监测情况。由于地震台网的监测能力受台站密度、状态的影响，在台站密集区，如呼包鄂、赤峰、海拉尔地区，地震最小完整性震级为ML0.9，而在台站稀疏的阿拉善、呼伦贝尔北部地区，最小完整性震级为ML2.0。

分析单台检测概率发现，位于内蒙古最西部的CEK 台监测能力不强，其监测能力仅为ML2.5 左右，而内蒙古地震台网的平均监测能力为ML1.8。因此，CEK 台的监测能力已不能满足要求，结合该台实际观测情况，建议在周边新建台站。若在内蒙古最西部和东部北段新建台站，则能提高内蒙古地震台网的整体监测水平；同时，在呼包鄂地区增加台站，可以增强重点监视区监测能力。