胡米東

（江蘇省溧陽地震臺，江蘇 溧陽 213332）

0 引言

由于各種原因，地球表面總是存在著微小的振動，例如風、寒潮、海浪、交通運輸、人和動物的活動等。這些活動都會引起地表面微微的顫動，它們對地震觀測造成干擾從而影響地震觀測的效果。特別是隨著社會的發(fā)展，眾多的工業(yè)生產(chǎn)活動和日益頻繁的交通運輸給地震觀測造成了很高的地面干擾背景，使得在地面進行地震觀測困難很大。因此如何提高觀測信噪比是觀測研究的重要課題。研究發(fā)現(xiàn)地面干擾背景幅度隨著深度呈現(xiàn)指數(shù)衰減的特點［1］。例如風引起的噪聲水平和風速、深度有關；隨深度增大，這種噪聲水平急劇減小。因此為了盡量避免地面噪聲干擾，改善地震波形記錄的信噪比，獲得更多的地震信息，深井地震觀測技術(shù)被越來越多地運用到地震觀測中。尤其在表面覆蓋厚且沉積層松散的平原地區(qū)，井下地震觀測在避免外界干擾、提高儀器監(jiān)測靈敏度，以及獲得更多、更真實的地震信息等方面有著突出的優(yōu)越性。江蘇地處沿海地區(qū)，地面干擾相對較大，因此在“十五”項目改造中，CMG－3TB井下地震計在地震臺站被普遍使用。目前，CMG－3TB井下地震計已經(jīng)在部分臺站運行了一段時間，為了提高地震計的運行效率，了解地震計的性能，有必要對地震計的監(jiān)測能力進行一次對比分析。因此，本文將選溧陽臺、鹽城臺和南通臺作為研究對象，對比CMG－3TB 井下地震計在各臺站的監(jiān)測能力。

1 臺站的基本情況介紹

溧陽臺、南通臺和鹽城臺同屬國家基本臺（圖1）?！笆濉逼陂g江蘇省地震局分別對3 個臺站進行了設備改造，目前測震手段均采用GURALP公司生產(chǎn)的CMG－3TB 三分向?qū)掝l帶井下地震計（表1）。經(jīng)過幾年連續(xù)運轉(zhuǎn)已積累了大量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)和地震事件波形數(shù)據(jù)，在地震監(jiān)測、預報和科學研究等方面發(fā)揮著重要的作用。

圖1 臺站位置圖

表1 各臺測震設備及相關參數(shù)表

2 地動噪聲計算

要計算地震臺站的監(jiān)測能力，必須首先根據(jù)各臺站的記錄數(shù)據(jù)計算出臺基的真實地噪聲水平，再根據(jù)真實地噪聲水平得到單臺監(jiān)測能力。由于地噪聲是隨機信號，為便于計算，必須尋找一個具有統(tǒng)計意義的量作為噪聲振幅的統(tǒng)計特征量。比較常用的統(tǒng)計特征量是RMS 值。但目前，國際上對地震臺站臺基噪聲計算也采用臺基地脈動波形數(shù)據(jù)進行信號頻譜分析，譜分析是采取通用的地脈動噪聲速度功率譜密度（PV）描繪地動背景噪聲功率譜，單位為分貝（dB），并繪制出在一定頻段內(nèi)記錄臺基地動噪聲速度功率譜密度曲線圖。溧陽臺、鹽城臺和南通臺臺基噪聲計算是各臺站不間斷原始數(shù)據(jù)實測結(jié)果的平均。在數(shù)據(jù)處理時考慮到零點漂移和直流分量的存在，首先進行了去直流和去傾處理，在使用傅氏變換進行時頻轉(zhuǎn)換時，有限長度的數(shù)據(jù)可能使波譜畸變，采用漢寧窗加窗處理，以減小這一影響。由于地震儀的原始觀測數(shù)據(jù)含有儀器響應，為了得到背景噪聲功率譜的絕對量值，計算時扣除了觀測系統(tǒng)的儀器響應。根據(jù)USGS（美國地質(zhì)調(diào)查局）Peterson［2］統(tǒng)計全球正常地噪聲得到的全球公認的地球高噪聲新模型（NHNM）和地球低噪聲新模型（NLNM），正常地噪聲水平應在NHNM 和NLNM的功率譜密度曲線之間?，F(xiàn)已成為人們評價地震臺站臺基背景噪聲水平的基本標準，利用該模型及童汪練的地噪聲分析軟件［3］，對所選用的各臺站三分向的資料進行計算與分析。根據(jù)圖示（圖2～圖4），各臺站背景噪聲滿足新皮特森地動加速度高噪聲曲線NHNM 和地噪聲曲線NLNM 模型。3 個臺站水平向和垂直向在高頻段的各項數(shù)據(jù)相差不大，表明臺站附近不存在高頻震動干擾源。

圖2 溧陽臺臺基地噪聲功率譜曲線

圖3 鹽城臺臺基地噪聲功率譜曲線

圖4 南通臺臺基地噪聲功率譜曲線

3 理論監(jiān)測能力計算

單臺監(jiān)測能力是指主要記錄震相可以被辨認必須達到的震級下限及其不能超出的地理范圍（由于江蘇省地震局對非國家基準臺站遠震分析不做要求，因此本文僅對臺站近震監(jiān)測能力進行分析）。目前尚無計算地震臺站監(jiān)控能力的統(tǒng)一約定［4］。但一般其基本假設與臺基條件、周圍環(huán)境的噪聲水平、儀器的放大倍率（或響應靈敏度）等因素有關。在計算單臺監(jiān)控能力時，第1步確定地震儀所記錄的地震波形在什么情況下震相是清晰可辨的，通常以清晰可辨震相的記錄幅值與脈動記錄幅值的比值為標準，這個比值要根據(jù)實際的記錄來確定。一般認為，S波最大振幅為平均地動噪聲水平的4～6倍，系統(tǒng)對地震事件的檢測和對初至震相的識別毫無問題［5］。結(jié)合各臺站實際資料分析，當ML≤2.5 時，取S波最大振幅為平均地動噪聲水平的4倍；當ML＞2.5時，取S波最大振幅為平均地動噪聲水平的6倍。第2步以臺基地動噪聲水平（表2）與實際記錄設定相應比值標準；第3步統(tǒng)計臺站近震范圍最大振幅相應周期與震中距的關系，確定相應的周期；第4步根據(jù)近震震級公式，用量規(guī)函數(shù)反推單臺控制距離。

為考慮各臺站近震范圍內(nèi)地震最大振幅相應周期與震中距的關系，對各臺站臺近震范圍（△＜1 000km）CMG－3TB 儀器安裝后記錄的地震進行了統(tǒng)計分析（表3）。

根據(jù)相應的比值和周期統(tǒng)計結(jié)果，利用近震震級公式并與實際觀測資料的測定結(jié)果相結(jié)合的分析方法可獲得表4的相應結(jié)果。

表2 各臺站臺基噪聲水平

表3 各臺站近震范圍最大振幅相應周期與震中距的關系

表4 各臺站CMG－3TB記錄的地震監(jiān)測能力

4 結(jié)果驗證

通過上述分析可知，溧陽臺、鹽城臺和南通臺CMG－3TB地震儀的理論監(jiān)測能力為：ML1.5 和ML2.0的監(jiān)測范圍分別達到了150km 和310km、140km 和280km、120km 和260km。但由于上述辦法在計算中的設定條件和實際地脈動噪聲測量之間有一定的差異，所以所得的結(jié)果只能粗略地反映單臺的監(jiān)測能力范圍，因而應采用把設定條件下的計算結(jié)果與實際觀測資料為基礎的測定結(jié)果相互驗證的方法，才能使得監(jiān)測能力的測定更為合理。為了驗證理論監(jiān)測能力的科學性，將對以上2個震級相對應距離范圍內(nèi)的地震震中分布圖進行對比分析。具體方法為：利用MAPSIS軟件繪制江蘇省地震局臺網(wǎng)2010年7月—2012年4月編目的地震目錄與溧陽臺、鹽城臺和南通臺同一時段地震目錄在上述2個地震震級范圍內(nèi)的地震震中分布圖，并進行對比。

圖5 溧陽臺、鹽城臺、南通臺理論監(jiān)測ML1.5震中分布圖

圖6 溧陽臺、鹽城臺、南通臺實際監(jiān)測ML1.5震中分布圖

圖7 溧陽臺、鹽城臺、南通臺理論監(jiān)測ML2.0震中分布圖

圖8 溧陽臺、鹽城臺、南通臺實際監(jiān)測ML2.0震中分布圖

通過對ML1.5和ML2.0兩個等級地震震中分布圖（圖5～圖8）對比，可得知溧陽臺、鹽城臺、南通臺在ML1.5等級方面對理論監(jiān)測能力區(qū)域范圍的地震有很好的記錄效果，其中溧陽臺和南通臺理論監(jiān)測震中分布圖與實際監(jiān)測分布圖完全一致。在ML2.0 等級方面，溧陽臺、鹽城臺和南通臺的ML2.0～ML2.9實際監(jiān)測地震數(shù)目分別達到理論監(jiān)測地震數(shù)目的86.4%、85%和85%。其原因與江蘇省地震局臺網(wǎng)中心在省屬臺站地震月報編寫方面對省外震級較小的地震不做強制要求有關，各臺站一般對省外震級較小地震不編入地震月報，因而導致了臺站實際監(jiān)測地震數(shù)目比理論監(jiān)測數(shù)目偏小。因此證明我們對溧陽臺、鹽城臺和南通臺監(jiān)測范圍的計算是比較正確的，各臺站對理論監(jiān)測范圍的地震有很好的監(jiān)測能力。

5 結(jié)論

上述有關研究結(jié)果對了解溧陽臺、鹽城臺和南通臺區(qū)域范圍內(nèi)地震的監(jiān)測能力有一定的意義，對根據(jù)各臺站實際監(jiān)測能力開展相應的地震監(jiān)測工作具有一定的幫助。同時研究結(jié)果對進一步研究各臺站CMG－3TB井下地震計監(jiān)測能力的差異有一定的幫助。

［1］ 李克.地震學與地震觀測（試用本）／全國地震臺站觀測崗位資格培訓系列教材［M］.北京：地震出版社，2007.

［2］ Peterson J.Observations and Modeling o f Seismic background Noise［J］.USGS Open File Report，1993：322.

［3］ 北京港震機電有限責任公司.數(shù)字地震儀參數(shù)測定軟件使用手冊［Z］.北京：北京港震機電有限責任公司，2005.

［4］ 林建生，張有明，陳俊鋒，等.泉州地震臺數(shù)字地震儀的監(jiān)測能力分析［J］.華南地震，2010，30（4）：10－16.

［5］ 李克.地震學與地震觀測（試用本）／全國地震臺站觀測崗位資格培訓系列教材［M］.北京：地震出版社，2007.