龐群英，劉雙慶，岳秀俠

(天津市地震局，天津 300201)

0 引言

天津臺(tái)網(wǎng)在首都圈工程改造完成后，增加了3個(gè)井下寬頻帶儀器觀測(cè)的臺(tái)站和3個(gè)海上觀測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。目前，天津臺(tái)網(wǎng)有34個(gè)臺(tái)站是全國(guó)地震臺(tái)站密度最大的臺(tái)網(wǎng)。臺(tái)網(wǎng)作為首都圈的一員，共享首都圈108個(gè)臺(tái)站的地震波記錄，天津臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力大大地提高了。天津北部構(gòu)造為基巖，而其他地區(qū)大部分為浮土覆蓋層，東南部地區(qū)更受到海洋的影響。天津臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)有的獨(dú)立的監(jiān)測(cè)能力如何?在噪聲影響下，即天津臺(tái)網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行和工作中的監(jiān)測(cè)能力如何?作者通過計(jì)算得到噪聲影響下的監(jiān)測(cè)能力，并針對(duì)出現(xiàn)的情況，對(duì)天津臺(tái)網(wǎng)的布局和優(yōu)化提出了建議。

1 噪聲的計(jì)算

1.1 計(jì)算原理

FFT變換采用蝶形快速 FFT算法［1］。功率譜密度采用1024點(diǎn)漢明窗函數(shù)截?cái)啵?12點(diǎn)半覆蓋的滑動(dòng)窗，并利用了Welch修正算法，以改進(jìn)傳統(tǒng)窗函數(shù)的不足。6分鐘的100 sps的數(shù)據(jù)有36 000個(gè)(取215個(gè)數(shù)據(jù))，可以保證上述窗函數(shù)參數(shù)的功率譜密度的計(jì)算穩(wěn)定性，可靠頻率在0.0～50Hz之間。如果是50 sps數(shù)據(jù)，取214個(gè)數(shù)據(jù)，其截止頻率減半。

1.2 臺(tái)站的選取和所需數(shù)據(jù)文件的獲取

利用天津市的MSDP軟件(全國(guó)普及的)，截取天津市臺(tái)網(wǎng)24小時(shí)(00時(shí)至23時(shí))的波形數(shù)據(jù)，每小時(shí)各截取6分鐘長(zhǎng)度波形數(shù)據(jù)，導(dǎo)出成evt格式文件作為計(jì)算所需要的源數(shù)據(jù)。對(duì)此6分鐘的源數(shù)據(jù)，其要求是沒有地震事件、儀器標(biāo)定、及明顯的人為干擾。如果個(gè)別臺(tái)站數(shù)據(jù)為空，則導(dǎo)出時(shí)，選擇不導(dǎo)出該臺(tái)站。

1.3 臺(tái)站噪聲的計(jì)算

用于計(jì)算臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站的噪聲0～50 Hz功率譜(采樣率100 sps;如果采樣率為50 sps，則截止頻率減半)，以及0～1.5 Hz的 FFT噪聲譜。在Matlab環(huán)境下運(yùn)行噪聲處理程序。

1.4 計(jì)算結(jié)果

每一個(gè)臺(tái)站生成圖片42張和一個(gè)計(jì)算結(jié)果文件。計(jì)算結(jié)果文件有8列，分別為功率譜頻率、UD、EW、NS功率譜密度、FFT頻率、UD、EW、NS傅立葉譜(圖1)。

本文截取天津臺(tái)網(wǎng)所有臺(tái)站2012年5月27日全天24小時(shí)波形文件，每小時(shí)截取6分鐘長(zhǎng)度波形數(shù)據(jù)，導(dǎo)出存儲(chǔ)為EVT格式文件。通過運(yùn)行噪聲處理程序，計(jì)算得出27日每個(gè)小時(shí)頻率0.5～1.5Hz區(qū)間的傅里葉變換噪聲平均值。

2 監(jiān)測(cè)能力的計(jì)算

2.1 計(jì)算原理

根據(jù)近震震級(jí)公式［2］

圖1 計(jì)算結(jié)果圖 紅色－UD分量，藍(lán)色－EW分量，綠色－NS分量Fig.1 Calculation Result of the red-UD component blue-EW component and green-NS component

本文采用:

圖2 天津臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力及不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)能力對(duì)比圖Fig.2 Monitor Range and Comparison of Tianjin Seismic Station Network in different time

其中，Aμ是以μm為單位的地動(dòng)位移，是臺(tái)站兩水平向的噪聲振幅水平平均(利用量規(guī)函數(shù)的特征周期從 μm/s轉(zhuǎn)為 μm單位).R(Δ，T)為起算函數(shù)，T為與距離有關(guān)的測(cè)震特征周期，makeup=0為臺(tái)站震級(jí)補(bǔ)償(可按實(shí)際修改)。

2.2 程序運(yùn)行方法

本程序主要修改程序調(diào)用的station_noise.txt文件的內(nèi)容，station_noise.txt文件里面的內(nèi)容分別是臺(tái)站字符代碼，臺(tái)站名稱，經(jīng)度，緯度(degree)，臺(tái)址震級(jí)補(bǔ)償 makeup(一般地，－0.3～0.3級(jí))，EW向噪聲水平(um/s)，SN向噪聲水平(um/s，白天和黑夜的噪聲水平不同，則計(jì)算的監(jiān)測(cè)水平也有所不同)。文件為無類型標(biāo)記的逗號(hào)隔開各列數(shù)據(jù)的ascii碼文件。

另外，需根據(jù)天津臺(tái)網(wǎng)實(shí)際情況，修改計(jì)算范圍和計(jì)算的空間步長(zhǎng)及信噪比，計(jì)算出天津臺(tái)網(wǎng)噪聲水平。程序生成 result2image.txt文件，即監(jiān)測(cè)能力文件。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文取2012年5月27日(00時(shí)至23時(shí))天津臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)連續(xù)波形數(shù)據(jù)，每小時(shí)各截取6分鐘長(zhǎng)度(沒有地震事件、儀器標(biāo)定、及明顯的人為干擾)，利用上述程序進(jìn)行天津臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力計(jì)算，得出數(shù)據(jù)，并用網(wǎng)格定點(diǎn)形式匯出一天中每個(gè)時(shí)段的天津臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力圖。本課題以00點(diǎn)為基準(zhǔn)，用其余23個(gè)小時(shí)的監(jiān)測(cè)能力與00點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力一一進(jìn)行了對(duì)比，得出各小時(shí)與00點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力對(duì)比圖。受篇幅所限，只給出了部分監(jiān)測(cè)能力圖和對(duì)比圖(圖2)。

從圖中可以看出天津市區(qū)最小地震監(jiān)測(cè)能力ML1.0，東部沿海為最小地震監(jiān)測(cè)能力稍弱為2.0，北部山區(qū)最小地震監(jiān)測(cè)能力最弱為 ml2.3。從計(jì)算所得24小時(shí)監(jiān)測(cè)能力圖看，在無任何外圍臺(tái)參與計(jì)算的情況下，天津市80%左右的地區(qū)可以監(jiān)測(cè)到 ML0.8級(jí)地震，在本市行政區(qū)邊界地區(qū)，監(jiān)測(cè)能力普遍為1.4左右。薊縣地區(qū)，在無任何外圍臺(tái)站參與計(jì)算的情況下，監(jiān)測(cè)能力為ML1.6～ML2.2。

從01—23點(diǎn)分別與00點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力對(duì)比圖看，凌晨4點(diǎn)至中午12點(diǎn)與0時(shí)相比較，在本市東南部區(qū)域(117.3°～117.7°E，38.7°～39.1°N)，存在 ML0.2～0.3的震級(jí)差;凌晨06時(shí)至中午12時(shí)與0時(shí)比較，在我市東部的小塊地區(qū)(117.8°～118.0°E，39.3°～39.4°N)，存在 ML0.2～0.3的震級(jí)差;下午 13時(shí)、15時(shí)，19—23時(shí)，在我市西南部(116.9°～117.1°E，38.8°—38.9°N)與0時(shí)對(duì)比的監(jiān)測(cè)能力竟達(dá)到 ML0.8～1.0。19時(shí)至 23 時(shí)，在南部地區(qū)(115.7°～118.0°E，38.7°～39.2°N)也存在ML0.4～0.5的監(jiān)測(cè)能力差值。17時(shí)至20時(shí)，我市近40%地區(qū)與0時(shí)相比較存在ML0.2～0.3差值。經(jīng)進(jìn)一步觀察和研究，綜和全天情況，如下三個(gè)區(qū)域與0時(shí)對(duì)比差異最大。本市東部區(qū)域(39.3°～39.4°E，117.85°～118.0°N)即濱海新區(qū)漢沽區(qū)與寧河縣蘆臺(tái)鎮(zhèn)交界處;本市西部地區(qū)(39.3°～39.4°E，116.9°～117.2°N)，武清區(qū)石各莊鎮(zhèn)、陳嘴鎮(zhèn)、黃莊街、楊村等地;本市南部地區(qū)(38.7°～38.9°E，116.85°～117.1°N)，即靜海中南部、陳官屯、西翟莊、唐官屯等地。

4 結(jié)論與建議

以前臺(tái)網(wǎng)計(jì)算的監(jiān)測(cè)能力都是去除臺(tái)基噪聲后的理論值，本研究是選取2012年5月27日天津臺(tái)網(wǎng)波形文件，計(jì)算得出27日當(dāng)天各小時(shí)的噪聲水平，在加入噪聲后計(jì)算得出得出天津臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力，即實(shí)際監(jiān)測(cè)能力。

由于本課題計(jì)算中未選用周邊省份臺(tái)站數(shù)據(jù)，計(jì)算得到天津行政線邊緣地震監(jiān)測(cè)能力較弱。而實(shí)際工作中我們采用了周邊省份的100余個(gè)臺(tái)站參與天津臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)，從而大大提高了天津邊緣的地震監(jiān)測(cè)能力。通過各小時(shí)的監(jiān)測(cè)能力圖可以直觀看到，薊縣地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力為ML1.6—ML2.2，明顯低于我市其他地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力水平。建議加密北部特別是薊縣地區(qū)站點(diǎn)的建設(shè)，從而提升此地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力。

本課題的研究結(jié)果，與監(jiān)測(cè)工作中的實(shí)際情況有很強(qiáng)的一致性。研究中所呈現(xiàn)的3個(gè)與0點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力對(duì)比差異大的區(qū)域，正是臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力薄弱區(qū)域。上述區(qū)域除臺(tái)站密度低外，主要的問題是噪聲水平高。建議在上述區(qū)域增加建臺(tái)，更為重要的實(shí)地調(diào)研造成上述區(qū)域噪聲水平高的原因，采取合理措施降低干擾，切實(shí)提高監(jiān)測(cè)能力。

［1］ 任梟，劉瑞豐，梁建宏，國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站地動(dòng)噪聲功率譜分析［J］，地震地磁觀測(cè)與研究，2004，25(1):23 －28

［2］ 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地震參數(shù)——數(shù)字地震學(xué)在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［M］，地震出版社，北京，2003，10