林建生，張有明，陳俊峰，謝文杰，施關(guān)榮，何星源

(福建省地震局泉州基準(zhǔn)地震臺(tái)，福建 泉州 362000)

泉州地震臺(tái)數(shù)字地震儀的監(jiān)測(cè)能力分析

林建生，張有明，陳俊峰，謝文杰，施關(guān)榮，何星源

(福建省地震局泉州基準(zhǔn)地震臺(tái)，福建 泉州 362000)

為了解泉州臺(tái)數(shù)字地震儀對(duì)全球地震的監(jiān)測(cè)能力，利用目前各類仿真記錄的震級(jí)計(jì)算公式及近年泉州臺(tái)臺(tái)基的地動(dòng)噪聲有效值，結(jié)合各區(qū)域震相識(shí)別經(jīng)驗(yàn)等設(shè)定了可檢測(cè)地震的首至P波震相振幅、S波和面波的最大振幅與臺(tái)基地動(dòng)噪聲有效值的比值，并分別計(jì)算和分析了泉州臺(tái)甚寬頻帶數(shù)字地震儀仿短周期 （DD-1儀）記錄的近震監(jiān)測(cè)能力、仿中長(zhǎng)周期（DK-1儀）記錄的遠(yuǎn)震監(jiān)測(cè)能力及仿長(zhǎng)周期 （763儀）記錄的遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震監(jiān)測(cè)能力。結(jié)果表明在100 km、1 000 km、130°和全球范圍內(nèi)，一般可分別可監(jiān)測(cè)到ML1.5級(jí)、ML3.7級(jí)、MS6.1級(jí)和MS76.1級(jí)的地震。有關(guān)研究結(jié)果對(duì)尋求提高泉州臺(tái)測(cè)震觀測(cè)質(zhì)量的技術(shù)途徑等方面具有實(shí)際的意義。

地震監(jiān)測(cè)；地動(dòng)噪聲有效值；甚寬頻帶數(shù)字地震儀；泉州臺(tái)

引言

泉州地震臺(tái)位于泉州市北門外，測(cè)震屬國(guó)家Ⅰ類臺(tái)，臺(tái)基為花崗巖，海拔高程21m。目前測(cè)震采用的CTS1-EDASC24速度型甚寬頻帶數(shù)字地震儀，自1999年9月連續(xù)運(yùn)行以來(lái)已積累了大量的地震事件波形數(shù)據(jù)。為了解在近年城市建設(shè)及臺(tái)址周邊環(huán)境可能產(chǎn)生的地動(dòng)噪聲影響下，泉州臺(tái)現(xiàn)行測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)全球地震的監(jiān)測(cè)能力，作者在中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題 “泉州地震臺(tái)數(shù)字地震儀監(jiān)測(cè)能力和質(zhì)量分析的綜合研究”中，開展了與此有關(guān)的研究工作，本文為其中地震監(jiān)測(cè)能力分析的部分研究結(jié)果。

1 國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

地震觀測(cè)已發(fā)展到以數(shù)字記錄為特征的新階段，因此國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者已由原來(lái)對(duì)模擬地震記錄的研究轉(zhuǎn)向?qū)?shù)字地震記錄的研究工作。目前國(guó)內(nèi)在臺(tái)網(wǎng)或臺(tái)站的地震監(jiān)測(cè)能力方面的部分研究為：洪星等[1]1999年研究了福建省數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)控范圍的估算，并用S波幅度與噪聲背景值的比較方法來(lái)確定臺(tái)網(wǎng)的近震監(jiān)控范圍；李廣平等[2]2001年研究了遼寧遙測(cè)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的實(shí)際監(jiān)控能力，得出以近震S波最大幅度為平均地動(dòng)噪聲水平6倍作為近震最低觀測(cè)下限；郝春月等[3]2006年研究了中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng) （CDSN）和IMS/PS臺(tái)陣的監(jiān)測(cè)定位能力評(píng)估并以遠(yuǎn)震P震相的振幅是背景噪聲振幅的兩倍，面波振幅為P震相的8倍 （MS6.5級(jí)以上乘以10倍），來(lái)計(jì)算CDSN對(duì)遠(yuǎn)震的監(jiān)測(cè)能力；許康生等[4]2003年研究了高臺(tái)地震臺(tái)的監(jiān)測(cè)能力估計(jì)，以最大位移的全振幅為6 mm作為單臺(tái)近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震監(jiān)控能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。從目前的研究現(xiàn)狀可知，多數(shù)論文及課題主要集中在臺(tái)網(wǎng)方面的研究，然而近年一些臺(tái)站以提高本臺(tái)觀測(cè)質(zhì)量為目標(biāo)的相關(guān)研究工作正在形成和取得一批有實(shí)用價(jià)值的科研成果，并正在為完善臺(tái)站監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)和提高臺(tái)站科研水平發(fā)揮重要作用。

2 泉州臺(tái)數(shù)字地震儀監(jiān)測(cè)能力的分析

單臺(tái)監(jiān)測(cè)能力是指主要記錄震相可以被辨認(rèn)必須達(dá)到的震級(jí)下限及其不能超出的地理范圍，目前尚無(wú)計(jì)算地震臺(tái)站監(jiān)控能力的統(tǒng)一約定，但一般其基本假設(shè)與下列影響因素有關(guān):如臺(tái)基的背景噪聲有效值及所測(cè)定時(shí)段、儀器的靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍、可檢測(cè)地震的最大振幅幅值與臺(tái)基地動(dòng)噪聲有效值的比值，以及地動(dòng)最大幅值相應(yīng)周期與震中距或震級(jí)的關(guān)系等因素有關(guān)。本章利用目前采用的震級(jí)計(jì)算公式及由泉州臺(tái)甚寬頻帶數(shù)字地震儀記錄資料計(jì)算獲取的臺(tái)基地動(dòng)噪聲有效值，結(jié)合理論與看圖實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)定可檢測(cè)地震的最大振幅幅值與臺(tái)基地動(dòng)噪聲有效值的比值，對(duì)泉州臺(tái)數(shù)字地震儀的地震監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行基本估計(jì)。

2.1 震級(jí)參數(shù)的測(cè)定

2.1.1 近震震級(jí)的測(cè)定

臺(tái)站近震震級(jí)使用仿真短周期位移記錄 （DD-1或伍得安德森）的S波 （或Lg）的最大振幅來(lái)測(cè)定。其計(jì)算公式為[5]：

式中：Aμ單位為μm，AN、AE分別為南北向 （NS）和東西向 （EW）S波 （或Lg）的最大振幅（峰-峰值振幅/2）；V（T）N和V（T）E分別為南北向和東西向相應(yīng)周期的折合放大倍數(shù)，兩水平分向最大振幅不一定同時(shí)到達(dá)，振幅大于干擾水平的2倍才予測(cè)定；R（Δ）為量規(guī)函數(shù)。

據(jù)最大地動(dòng)位移振幅A與最大地動(dòng)速度振幅的關(guān)系A(chǔ)=Vmax·T/2π、ω=2πf，則式 (1)的震級(jí)計(jì)算公式可轉(zhuǎn)換為最大速度量的形式：

式中：VN、VE分別為南北向和東西向最大速度振幅值，單位為μm/s；TN、TE分別為南北向和東西向最大速度振幅的周期值，單位為s。

2.1.2 面波震級(jí)的測(cè)定

采用仿真中長(zhǎng)周期地震記錄 （SK）的面波質(zhì)點(diǎn)S波 （或Lg）的最大速度振幅來(lái)測(cè)定淺源地震 （h≦80 km）面波震級(jí)MS的計(jì)算公式為［5］:

式中A為兩水平向，同一時(shí)刻地震面波地動(dòng)位移的矢量和，以μm為單位；T為相應(yīng)周期，以s為單位，取A/T的最大值；σ（Δ）=1.66lg（Δ）+3.5，當(dāng)1°＜Δ＜130°時(shí)，Δ為震中距，以度為單位；式中第一式可由劉瑞豐等 （1996）［6］給出得的關(guān)系式獲得:

式中Vmax為同一時(shí)刻地震面波地動(dòng)速度的矢量和，以μm/s為單位。

采用仿763長(zhǎng)周期地震記錄，垂直向 （UD）的瑞利波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度最大值測(cè)定震級(jí)MS7的計(jì)算公式為［5］:

式中第一項(xiàng)可由式 （5）獲得，其中A7為仿763長(zhǎng)周期地震記錄瑞利波垂直向最大振幅，T為相應(yīng)周期，單位為s，取A/T最大值；σ763（Δ）為長(zhǎng)周期地震儀面波量規(guī)函數(shù)，當(dāng)3°＜Δ＜177°時(shí)，可由地震觀測(cè)規(guī)范［5］獲得。

2.2 監(jiān)測(cè)能力的估計(jì)

2.2.1 采用仿真短周期位移記錄 （DD－1）的近震監(jiān)測(cè)能力的估計(jì)

計(jì)算臺(tái)站近震監(jiān)測(cè)能力有多種方法，本文采用以可清晰分辨震相的記錄幅值與地脈動(dòng)記錄幅值的比值為標(biāo)準(zhǔn)，并以臺(tái)基地動(dòng)噪聲水平與實(shí)際記錄設(shè)定相應(yīng)比值標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)比值標(biāo)準(zhǔn)可獲取S波最大振幅，再根據(jù)震級(jí)公式及最大振幅的相應(yīng)周期反推單臺(tái)控制距離。

目前一般認(rèn)為S波最大振幅為平均地動(dòng)噪聲水平的4～6倍，系統(tǒng)對(duì)地震事件的檢測(cè)和對(duì)初至震相的識(shí)別毫無(wú)問題［7］，結(jié)合泉州臺(tái)的實(shí)際資料分析，當(dāng)ML≤2.5級(jí)時(shí)，取S波最大振幅為平均地動(dòng)噪聲水平的4倍，當(dāng)ML＞2.5級(jí)時(shí)，取S波最大振幅為平均地動(dòng)噪聲水平的6倍進(jìn)行計(jì)算。表1為泉州地震臺(tái)2008年全年臺(tái)基地動(dòng)噪聲有效值。

表1 泉州臺(tái)1～20 Hz全年平均地動(dòng)噪聲有效值Table 1 The annual mean value of effective ground noise with bandwidth 1～20 Hz at QZH station

目前測(cè)定近震的ML震級(jí)公式是由里克特 （G.F.Richter）1935年在研究美國(guó)加利福尼亞地震時(shí)首先提出的，其定義為[8]：

式中A為水平兩分向最大記錄振幅的平均值；A*為某一標(biāo)準(zhǔn)震級(jí) （零級(jí)）的地震記錄振幅，零級(jí)地震的規(guī)定用伍德－安德森（wood－Anderson）式標(biāo)準(zhǔn)地震儀 （靜態(tài)放大倍數(shù)2 800，周期0.8 s，阻尼系數(shù)0.8），把震中距為100 km處的地震圖上能記下水平兩分向的最大振幅平均值為1 μm的地震作為零級(jí)地震。我國(guó)的近震震級(jí)測(cè)定公式 （式1）是通過把我國(guó)現(xiàn)用儀器的記錄振幅換算成標(biāo)準(zhǔn)地震儀 （W－A）的最大振幅而獲得的適合于我國(guó)地震儀的震級(jí)公式[9]，為考慮式（3）中最大振幅相應(yīng)周期與震中距的關(guān)系，對(duì)泉州臺(tái)近震范圍 （Δ＜1 000km）內(nèi)CTS1－EDASC24速度型甚寬頻帶數(shù)字地震儀歷年地震記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得表2歸類結(jié)果。

表2 泉州臺(tái)近震范圍(Δ＜1 000 km)最大振幅相應(yīng)周期與震中距的關(guān)系Table 2 The relationship between the corresponding period of maximum amplitude and the epicentral distance in near earthquake area(Δ＜1 000 km)at QZH station

為獲得泉州臺(tái)甚寬頻帶數(shù)字地震儀采用仿真短周期 （DD－1儀）記錄近震范圍相應(yīng)震級(jí)的地震最大可監(jiān)測(cè)范圍，并使其監(jiān)測(cè)能力的測(cè)定更為合理，采用了將上述設(shè)定條件帶入式（3）進(jìn)行計(jì)算并與實(shí)際觀測(cè)資料的測(cè)定結(jié)果相結(jié)合的分析方法可獲得表3的相應(yīng)結(jié)果。

表3 采用仿真短周期(DD-1儀)記錄的地震監(jiān)測(cè)能力Table 3 Earthquake monitoring capability by using simulation short-period(DD-1 seismograph)record

如果以泉州臺(tái)為中心，表3中不同震級(jí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)距離為半徑作圓，則可得圖1（a）的近震監(jiān)測(cè)能力分布圖，圖1中各圖同心圓的各條曲線表示不同震級(jí)所能監(jiān)測(cè)的震中距離。由表3與圖1（a）可見，泉州臺(tái)數(shù)字地震儀的觀測(cè)系統(tǒng)采用仿真短周期 （DD－1儀）記錄的監(jiān)測(cè)能力為：當(dāng)ML≥1.5級(jí)可監(jiān)測(cè)到泉州周邊及其沿海地區(qū)的所有地方震；當(dāng)ML≥2.5級(jí)可監(jiān)測(cè)到福建省及其沿海和臺(tái)灣海峽大部分地區(qū)的近震；當(dāng)ML≥3.0級(jí)可監(jiān)測(cè)到福建鄰省的部分地區(qū)、臺(tái)灣及其沿海的大部分地區(qū)的近震；當(dāng)ML≥3.7級(jí)可監(jiān)測(cè)到華南及華東部分地區(qū)、釣魚島、琉球群島南段、巴士海峽等地的所有近震。

2.2.2 采用仿中長(zhǎng)周期 （DK－1儀）及仿763儀長(zhǎng)周期記錄的遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震監(jiān)測(cè)能力的估計(jì)

對(duì)泉州臺(tái)淺源震的遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震的地震記錄資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與驗(yàn)證可得出，當(dāng)P震相振幅是臺(tái)基地動(dòng)噪聲有效值的2倍，而面波最大振幅是P震相振幅的6倍時(shí)，即面波最大振幅是臺(tái)基地動(dòng)噪聲水平的12倍時(shí)，系統(tǒng)一般可對(duì)地震事件的進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)初至震相進(jìn)行識(shí)別，因此以面波最大振幅是臺(tái)基地動(dòng)噪聲水平的12倍作為控制指標(biāo)，其中式（4）的臺(tái)基地噪聲水平取三分向全年平均值，式 （6）的臺(tái)基地動(dòng)噪聲水平取UD向全年平均值，由此由式 （4）、 式（5）可得表 4， 由式（6）、 式（5）可得表5。

表4 采用仿真中長(zhǎng)周期(DK-1儀)記錄的地震監(jiān)測(cè)能力Table 4 Earthquake monitoring capability by using simulation medium-long period(DK-1 seismograph)record

表5 采用仿真763儀長(zhǎng)周期記錄的地震監(jiān)測(cè)能力Table 5 Earthquake monitoring capability by using simulation long period(763 seismograph)record

圖1 泉州地震臺(tái)甚寬頻帶數(shù)字地震儀的地震監(jiān)測(cè)能力Fig.1 Earthquake monitoring capability of super broadband digital seismograph at QZH station

如果在地球表面的平面投影圖中以泉州臺(tái)為中心，并以表4和表5中不同震級(jí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)距離為半徑作圓，則當(dāng)Δ≤90°時(shí)可得圖1（b左圖）、圖1（c左圖）的監(jiān)測(cè)能力分布圖；而當(dāng)Δ＞90°時(shí)，則以泉州臺(tái)在西半球南緯位置的投影點(diǎn)為中心 （即將泉州臺(tái)地理坐標(biāo)的北緯改為南緯，東經(jīng)改為西經(jīng)并用180°－泉州臺(tái)的經(jīng)度值），表4和表5中不同震級(jí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)距離 （用180°－Δ°）為半徑作圓，則可得圖1（b右圖）、圖1（c右圖）的監(jiān)測(cè)能力分布圖。如果綜合表4、表5及圖1（b）、圖1（c），則可得Δ≤90°和Δ＞90°時(shí)泉州臺(tái)數(shù)字地震儀的觀測(cè)系統(tǒng)綜合遠(yuǎn)震與極遠(yuǎn)震的地震監(jiān)測(cè)能力圖1（d左圖），圖1（d右圖）。由上述結(jié)果可得如下基本認(rèn)識(shí)：

（1）采用仿真中長(zhǎng)周期 （DK－1儀）記錄的地震監(jiān)測(cè)能力為 （表4、圖1（b））：當(dāng)MS≥3.5級(jí)可監(jiān)測(cè)到福建省及其沿海、臺(tái)灣海峽和臺(tái)灣陸域大部分地區(qū)的地震；當(dāng)MS≥4.0級(jí)可監(jiān)測(cè)到福建鄰省的部分地區(qū)及臺(tái)灣以東海域的先島群島、巴坦群島等地的地震；當(dāng)MS≥5.5級(jí)，國(guó)內(nèi)可監(jiān)測(cè)到大部分地區(qū)的遠(yuǎn)震，國(guó)外可監(jiān)測(cè)到與中國(guó)相鄰的日本、菲律賓等地附近海域，印尼至新西蘭海域，東南亞的中南半島，南亞的印度和巴基斯坦等地部分地區(qū)的遠(yuǎn)震；當(dāng)MS≥6.1級(jí)可監(jiān)測(cè)到歐洲、非洲、北美洲美國(guó)等地的遠(yuǎn)震。

（2）采用仿真763儀長(zhǎng)周期記錄的地震監(jiān)測(cè)能力為 （表5、圖1（c））：當(dāng)MS7≥4.0級(jí)，國(guó)內(nèi)可監(jiān)測(cè)到福建鄰省的部分地區(qū)及臺(tái)灣以東海域等地的地震；當(dāng)對(duì)MS7≥5.0級(jí)，國(guó)內(nèi)一般可監(jiān)測(cè)到除新疆、西藏等部分地區(qū)以外的遠(yuǎn)震，國(guó)外可監(jiān)測(cè)到與中國(guó)相鄰的日本、菲律賓等地附近海域的部分地區(qū)及與中國(guó)相鄰的東南亞中南半島等地的遠(yuǎn)震；當(dāng)MS7≥6.0級(jí)一般可監(jiān)測(cè)到除中美洲部分地區(qū)和南美洲以外大部分地區(qū)的極遠(yuǎn)震；當(dāng)MS7≥6.1級(jí)時(shí)一般可監(jiān)測(cè)中美洲、南美洲等地的極遠(yuǎn)震。

（3）泉州臺(tái)數(shù)字地震儀的觀測(cè)系統(tǒng)綜合遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震的地震監(jiān)測(cè)能力為 （表4、表5與圖1（d））：當(dāng)MS7≥4.5級(jí)，仿763儀記錄的地震可監(jiān)測(cè)范圍明顯大于仿DK－1儀記錄；當(dāng)MS或MS7≥6.1級(jí)，一般可監(jiān)測(cè)到全球的遠(yuǎn)震或極遠(yuǎn)震。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)泉州臺(tái)甚寬頻帶數(shù)字地震儀的地震監(jiān)測(cè)能力的分析，可得如下基本結(jié)論：

（1）采用仿真短周期 （DD－1儀）記錄一般可監(jiān)測(cè)到100 km范圍內(nèi)ML1.5級(jí)地震和1 000 km范圍內(nèi)ML3.7級(jí)地震；

（2）采用仿真中長(zhǎng)周期 （DK－1儀）記錄一般可監(jiān)測(cè)到130°范圍內(nèi)MS6.1級(jí)地震；

（3）采用仿真763儀長(zhǎng)周期記錄一般可監(jiān)測(cè)到MS76.1級(jí)全球地震；

（4）當(dāng)MS7≥4.5級(jí)，仿763儀記錄的地震可監(jiān)測(cè)范圍明顯大于仿DK－1儀記錄；

（5） 陸域與海域的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，同一震級(jí)下海域地震監(jiān)測(cè)能力一般優(yōu)于陸域，由于本文主要對(duì)臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力做一般估計(jì)，因此不考慮這種影響因素。

上述有關(guān)研究結(jié)果為了解泉州臺(tái)對(duì)全球地震的監(jiān)測(cè)能力，及有針對(duì)性地尋求提高泉州臺(tái)測(cè)震觀測(cè)質(zhì)量的技術(shù)途徑等方面都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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Abstract：To know the global earthquake monitoring capabilities of digital seismograph at QZH station,using magnitude formula of the current various simulation records and the effective values of ground noise of digital seismic site at QZH station in recent years,and combing with experience of regional seismic phase identification etc,we set the ratio of the amplitudes of the first arrival P wave seismic phase,the maximum amplitude of S wave and surface wave,and the effective values of site ground noise,and respectively calculate and analyze near earthquake monitoring capability of simulate short-period（DD-1 seismograph）record,teleseismic monitoring capability of the simulation middle-long period（DK-1 seismograph）record and teleseismic to very distant earthquake monitoring capability of the simulation long period（763 seismograph）record by the very broadband digital seismograph at QZH station.In the range of 100 km,1 000 km,130°and the globe,it can monitor the earthquake of ML1.5,ML3.7,MS6.1 and MS7, respectively.The research results have practical significance to seek and improve the quality of seismic observations at QZH station.

Keywords：Earthquake monitoring；Effective value of ground noise；Super broadband digital seismograph；Quanzhou station

Analysis on Earthquake Monitoring Capability of Digital Seismographs at Quanzhou Seismic Station

LIN Jiansheng，ZHANG Youming，CHEN Junfeng，XIE Wenjie，SHI Guanrong，HE Xingyuan
(Quanzhou Basic Seismic Station of Earthquake Administration of Fujian Province,Quanzhou 362000,China)

P315.78

A

1001-8662（2010）04-0010-07

2010-08-08

中國(guó)地震局三結(jié)合課題資助項(xiàng)目

林建生，男，1953年生，高級(jí)工程師.主要從事地震監(jiān)測(cè)和地震工程方面研究. E-mail：fjlinjiansheng＠126.com