余洋洋 戴仕貴 杜瑤 王宇璽 莊園旭

四川省地震局，成都 610041

0 引言

四川盆地南緣川南地區(qū)2019年地震活動頻繁，發(fā)生6.0級地震1次，5.0～6.0級地震7次(表1)，且這一系列地震的震源較淺，普遍為15km左右，造成不同程度的財產(chǎn)損失和人員傷亡(四川省地震局，2019；易桂喜等，2019；Lei et al，2019)。

表1 川南地區(qū)2019年M>5.0地震統(tǒng)計(中國地震臺網(wǎng)中心，2019)

川南地區(qū)是四川盆地人口較為密集的地區(qū)，工業(yè)和農(nóng)業(yè)較為發(fā)達，地震災(zāi)害的破壞性和危險性較大，是科學(xué)研究和社會關(guān)注的熱點區(qū)域(阮祥等，2008；胡曉輝等，2020；張致偉等，2019)。由于地震災(zāi)害頻發(fā)，目前內(nèi)江市、自貢市、宜賓市等地區(qū)均已有相當(dāng)規(guī)模的地震監(jiān)測臺站，能夠較好地開展區(qū)域地震活動性和地震危險性分析等研究工作。與這些區(qū)域相鄰的瀘州地區(qū)，同樣面臨著一定程度的地震災(zāi)害風(fēng)險，且位于其北部的重慶榮昌地區(qū)也是地震災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，因此對瀘州地區(qū)加強地震監(jiān)測工作十分必要。但由于目前瀘州地區(qū)的地震監(jiān)測臺站相對較少，地震監(jiān)測能力和定位精度有限，因此，需要增加測震臺站的數(shù)量用于監(jiān)測該區(qū)域的地震事件，以充分研究區(qū)域的地震活動性，進而為地震危險性分析等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

基于此，中石油和四川省地震局于2019年10月在瀘州投資建設(shè)了15個流動測震臺站，加上榮昌和瀘州2個固定臺站，共17個臺站，形成了一定規(guī)模的瀘州區(qū)域測震臺網(wǎng)(圖1)，研究區(qū)域的范圍為105°～106°E，28.6°～29.6°N，區(qū)域內(nèi)主要存在NE-SW向的華鎣山斷裂(鄧起東等，2002)，且臺站在瀘縣周邊的斷層兩側(cè)均有分布，能夠較好地監(jiān)測斷層活動。該臺網(wǎng)自2019年11月3日開始運行，流動臺站預(yù)計持續(xù)觀測到2024年11月，截至2020年4月15日，臺網(wǎng)運行狀況良好，在研究區(qū)域內(nèi)共記錄到1456個地震事件，3.0級以上地震2次，1.5級以下地震1225個，中強地震活動性較低，小震較為活躍。

圖1 研究區(qū)域地形圖、臺站及地震事件震中分布

測震臺網(wǎng)是地震活動性和地震危險性分析、余震監(jiān)測、速度結(jié)構(gòu)探查等研究的基礎(chǔ)，而地震監(jiān)測能力是衡量測震臺網(wǎng)監(jiān)測水平的重要標(biāo)志之一，是臺網(wǎng)布局和臺站地震監(jiān)測能力的綜合體現(xiàn)(王鵬等，2016；王亞文等，2017)。地震監(jiān)測能力的科學(xué)評估對地震監(jiān)測預(yù)報和地球科學(xué)研究具有重要的基礎(chǔ)作用，因此有必要對測震臺網(wǎng)進行地震監(jiān)測能力的研究(劉芳等，2014；李瑞紅，2019)。

區(qū)域測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力評估方法一般分為2類：一類是對測震臺網(wǎng)能夠監(jiān)測記錄到的最小地震震級進行評估，主要有統(tǒng)計地震學(xué)方法，如最大曲率法(MAXC)，最優(yōu)擬合度法(GFT)(Wiemer et al，2000)，完整性震級范圍法(EMR)(Woessner et al，2005)，利用重復(fù)地震描述臺網(wǎng)監(jiān)測能力空間分布法(蔣長勝等，2005)，以及基于概率的完整性震級法(PMC)(Schorlemmer et al，2008、2010)等，這類方法多基于歷史地震事件，無法開展實時評估；此外還有根據(jù)震級衰減關(guān)系和噪聲水平給出理論監(jiān)測能力的方法(Sereno et al，1989)，該方法基于理論計算，與實際情況存在一定差距。另一類是對臺網(wǎng)的定位能力的評估，包括Sato等(1965)提出的蒙特卡洛算法，可用于臺網(wǎng)監(jiān)測能力的數(shù)值計算研究，Kijko(1977)基于D值最優(yōu)設(shè)計理論提出的微震臺網(wǎng)設(shè)計方案，基于臺站分布和臺址條件的監(jiān)測能力評估(吳開統(tǒng)等，1991)，對已知的爆破事件進行標(biāo)定來評價臺網(wǎng)監(jiān)測能力(郭飆等，2002)等。

由于臺網(wǎng)運行時間較短，地震事件的數(shù)量、分布范圍、震級跨度均不足以支持MAXC、GFT、EMR、PMC等方法的計算研究，因此，選用根據(jù)震級衰減關(guān)系和噪聲水平的方法計算臺網(wǎng)的震級監(jiān)測能力。根據(jù)項目需求以及客觀經(jīng)濟條件，選用應(yīng)用較為廣泛的D值最優(yōu)理論計算研究區(qū)域內(nèi)臺網(wǎng)的理論定位誤差。D值為震源參數(shù)協(xié)方差矩陣的行列式大小，能夠反映監(jiān)測臺網(wǎng)的優(yōu)劣，但不能準(zhǔn)確反映臺網(wǎng)定位能力。為此，鞏思園等(2010)基于D值最優(yōu)設(shè)計理論，構(gòu)建了臺網(wǎng)布置優(yōu)化及評價系統(tǒng)，能夠在一定程度上反映臺網(wǎng)的理論定位能力(高永濤等，2013)。本文結(jié)合臺網(wǎng)的地震震級監(jiān)測能力和臺網(wǎng)的理論定位誤差水平，綜合評價四川瀘州地區(qū)測震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力。

1 臺網(wǎng)監(jiān)測能力評估方法

1.1 臺網(wǎng)震級監(jiān)測能力方法

對于臺網(wǎng)能夠監(jiān)測記錄到的地震震級的評估一般選用不同震級控制范圍等值線圖的方式表達，這取決于臺站的密度、空間的分布范圍以及臺站的背景噪聲水平等因素(曹舸斌等，2019)。

在臺站的密度和空間位置已經(jīng)確定的情況下，為客觀了解臺站的背景噪聲現(xiàn)狀，并保證地震計的穩(wěn)定性，選取各臺站24h無震或無明顯干擾的波形數(shù)據(jù)，進行去平均、去趨勢、1～20Hz 帶通濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，然后對24h的地震記錄取平均(許可等，2017；侯頡等，2019)。根據(jù)臺站布設(shè)范圍和研究目標(biāo)區(qū)域，主要考慮近震事件，以水平分量S波最大振幅的絕對值VS作為計算事件震級的標(biāo)準(zhǔn)。為保證拾取事件的準(zhǔn)確性，保證地震信號能夠清晰識別，則需要信噪比≥6，即VS/Vn≥6，其中臺站的背景噪聲值Vn為臺站東西和南北2個水平分量背景噪聲記錄的算術(shù)平均值，由儀器參數(shù)和儀器背景噪聲記錄計算求得。

根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震震級的規(guī)定GB17740—2017》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2017)數(shù)字臺網(wǎng)用速度型記錄測定近震體波的公式為

(1)

為保證拾取事件的準(zhǔn)確性，S波最大振幅絕對值為背景噪聲水平的6倍，即VS=6×Vn，近震的頻率一般取f=2～5Hz，這里選用最小頻率2Hz，對于四川地區(qū)選用國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震震級的規(guī)定GB17740—2017》中的R13作為研究區(qū)域的量規(guī)函數(shù)R(Δ)。

臺站數(shù)N≥4時可以求出地震基本參數(shù)以及震源定位的觀測誤差，當(dāng)有4個及以上臺站能夠同時觀測到地震事件時，該事件所在的區(qū)域，為該事件對應(yīng)震級的有效觀測區(qū)域(吳開統(tǒng)等，1991；季愛東等，2001)。因此，本文采用地震排序法計算研究區(qū)域內(nèi)能夠監(jiān)測的理論震級分布。將研究區(qū)域網(wǎng)格化，假設(shè)每一個網(wǎng)格點為一個虛擬震源，對于虛擬震源i把臺網(wǎng)所有臺站按式(1)計算出震級，然后將震級由小到大進行排序，選取第4號震級為該虛擬震源能夠被監(jiān)測到的地震震級。然后按照此法計算研究區(qū)域的所有虛擬震源點，繪制等值線，即可得到臺網(wǎng)能夠監(jiān)測的地震震級等值線分布圖(謝靜等，2014；衛(wèi)超等，2017)。

1.2 臺網(wǎng)D值理論定位方法

影響地震監(jiān)測臺網(wǎng)定位精度的主要因素包括：地震臺站的空間分布、地震波到達臺站的到時讀數(shù)準(zhǔn)確性、使用的理論地球速度結(jié)構(gòu)模型與真實地球速度結(jié)構(gòu)模型的一致程度、地震波走時的區(qū)域異常情況等方面(邱宇等，2020)。其中速度模型和區(qū)域異常等因素可以通過聯(lián)合震中測定技術(shù)來消除，而P波讀取誤差和臺站相對震源的幾何位置等隨機因素卻無法消除，這也是本研究的重點(鞏思園等，2010)。

Kijko(1977)提出了基于D值最優(yōu)設(shè)計理論的地震臺網(wǎng)設(shè)計方法，認為測站位置的優(yōu)化取決于震源參數(shù)協(xié)方差矩陣(ATA)-1，其中A為震源參數(shù)相對于走時的偏導(dǎo)數(shù)矩陣。求取協(xié)方差矩陣行列式的最小值，最小值越小，震源參數(shù)的分布越集中，對參數(shù)的估值越準(zhǔn)確。

假設(shè)某個地震事件的震源參數(shù)為H(x0，y0，z0，t0)，編號為i(i=1，2，3，…，n)的臺站坐標(biāo)為Xi(xi，yi，zi)，vp為介質(zhì)P波波速，t0為震源發(fā)震時刻，ti為臺站i接收P波的信號的時刻，則震源H到臺站i的走時為

(2)

因此，震源參數(shù)協(xié)方差矩陣為

C=k(ATA)-1

(3)

式中，k為常數(shù)，A為震源參數(shù)相對走時的偏導(dǎo)數(shù)矩陣。

(4)

考慮到隨機誤差的P波波速影響和P波到時拾取誤差，建立對角矩陣W，因此，新的協(xié)方差矩陣為C=(ATWA)-1。隨機誤差矩陣中對角元素為

(5)

其中，σvp為隨機P波速度誤差，σtp為隨機P波到時拾取誤差。本研究主要討論臺網(wǎng)的監(jiān)測能力，簡便起見，假設(shè)地下介質(zhì)為均勻各向同性速度模型，P波速度誤差在10%以內(nèi)隨機變化，P波到時拾取誤差在0.01～0.1s之間隨著虛擬震源點與臺站間的距離變化而變化。

Kijko(1977)定義震中位置標(biāo)準(zhǔn)差為平面圓的半徑，該圓的面積等于在(x0，y0)處標(biāo)準(zhǔn)誤差橢圓的面積，由此確定震中定位誤差為

(6)

以及震源的深度誤差為

(7)

其中，C22、C33、C44為新的協(xié)方差矩陣C的對角線元素，C23為矩陣C第2行第3列元素。

結(jié)合臺網(wǎng)的地震震級監(jiān)測能力和臺網(wǎng)的D值理論定位誤差水平，能夠從不同方面評價測震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力。

2 瀘州臺網(wǎng)震級監(jiān)測能力

瀘州地區(qū)測震臺網(wǎng)的17個臺站的參數(shù)如表2 所示，15個流動臺站的地震計為GL-CS2或GL-CS60，固定臺站的地震計為CMG-3ESPC，數(shù)據(jù)采集器均為EDAS-24GN，采樣率為100Hz。臺網(wǎng)的最大臺間距為56.1km，最小臺間距為4.8km，平均臺間距為25.6km，儀器供電以太陽能為主，數(shù)據(jù)記錄以4G無線傳輸方式傳入四川省測震臺網(wǎng)中心。

表2 瀘州臺網(wǎng)17個臺站的參數(shù)及臺站背景噪聲值

臺站儀器的背景噪聲實際記錄為A，單位為counts；數(shù)據(jù)采集器的滿量程出入電壓為U，單位為V；數(shù)據(jù)采集器的ADC字長為n，則R為2n；數(shù)據(jù)采集器的實際工作增益為K；地震計工作靈敏度為S，單位為V·s/m。根據(jù)以上儀器參數(shù)能夠計算臺站背景噪聲值Vn，具體公式如下(侯頡等，2019)

(8)

由于VS=6×Vn，即可得到橫波水平分量最大振幅記錄VS，將VS代入式(1)，即可計算得到臺網(wǎng)的震級監(jiān)測能力ML。

將研究區(qū)域按1km的步長網(wǎng)格化，計算臺網(wǎng)的理論震級監(jiān)測能力如圖2 所示。由圖2 可以看出臺網(wǎng)覆蓋區(qū)域的80%能夠達到ML0.5地震監(jiān)測能力，研究區(qū)域內(nèi)大部分區(qū)域能夠達到ML1.0地震監(jiān)測能力，整個研究區(qū)域均能夠達到ML1.5地震監(jiān)測能力。

圖2 臺網(wǎng)理論震級監(jiān)測能力等值線分布

為驗證理論震級監(jiān)測能力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將瀘州臺網(wǎng)2019年11月3日—2020年4月15日記錄到的地震事件，分別從整個研究區(qū)域和ML0.5地震監(jiān)測能力范圍內(nèi)的區(qū)域進行分析，計算地震震級M與地震事件數(shù)量lgN的關(guān)系，即G-R關(guān)系定律，lgN=a-bM(Gutenberg et al，1944；胡先明等，2010)。根據(jù)G-R關(guān)系，可以確定地震臺網(wǎng)觀測地震活動的震級下限值，擬合直線段頂端最低震級即為臺網(wǎng)的監(jiān)測下限震級(許俊奇，1991)。對于我國境內(nèi)5.0級以下的地震，當(dāng)震中距<1000km時，ML與區(qū)域面波震級MS基本一致，在實際應(yīng)用中無須對其進行震級的換算(劉瑞豐等，2007)。因此，本文在研究G-R關(guān)系時，將ML震級代入震級M進行計算分析。

如圖2 所示，整個研究區(qū)域1456個地震事件主要集中在ML0.5地震監(jiān)測能力范圍以內(nèi)，有1302個地震事件，占所有事件的89.4%，其他154個事件中有121個事件位于ML0.5與ML1.0地震監(jiān)測能力范圍之間，有33個事件位于ML1.0與ML1.3地震監(jiān)測能力范圍之間。

對ML0.5地震監(jiān)測能力范圍以內(nèi)的事件進行G-R關(guān)系計算，如圖3(b)所示，1.2級為次數(shù)最多的點位，地震累積數(shù)量lgN與震級M的擬合直線為 lgN=3.492-0.943M， 相關(guān)系數(shù)為0.9744，擬合直線頂端最低震級為0.5，因此瀘州臺網(wǎng)對于該區(qū)域的監(jiān)測下限震級為0.5，與理論震級監(jiān)測能力ML0.5的計算結(jié)果一致。對ML0.5與ML1.0地震監(jiān)測能力范圍之間的事件進行G-R關(guān)系計算，如圖3(d)所示，地震累積數(shù)量lgN與震級M的擬合直線為 lgN=3.084-1.125M， 相關(guān)系數(shù)為0.9403，擬合直線頂端最低震級為1.0，與理論震級監(jiān)測能力ML1.0的計算結(jié)果一致。由于ML1.0與ML1.3地震監(jiān)測能力范圍之間的事件樣本數(shù)量較少，故而不對其進行G-R關(guān)系計算。通過對不同監(jiān)測范圍內(nèi)地震事件進行數(shù)量與震級的G-R關(guān)系計算，驗證了理論震級監(jiān)測能力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 ML0.5監(jiān)測能力范圍內(nèi)地震事件分析(a)和G-R關(guān)系分析(b)，以及ML0.5與ML1.0地震監(jiān)測能力范圍之間地震事件分布(c)和G-R關(guān)系分析(d)

另外，對于整體研究區(qū)域內(nèi)0.5級以下的324個事件(圖4)，有317個事件位于ML0.5地震監(jiān)測能力范圍以內(nèi)，占比97.8%，其他7個事件也位于ML0.5等值線附近的臺站周邊，說明瀘州臺網(wǎng)在ML0.5監(jiān)測能力范圍以內(nèi)對0.5級及以上的事件均能監(jiān)測到。因此，根據(jù)臺站背景噪聲記錄，計算得到的瀘州臺網(wǎng)震級監(jiān)測能力等值線分布圖是合理準(zhǔn)確的。

圖4 臺網(wǎng)理論震級監(jiān)測能力及0.5級以下地震事件分布

3 瀘州臺網(wǎng)定位能力

圖5 研究區(qū)域的震中(a)和震源深度(b)理論定位誤差分布(a)中白色字體為8個合成事件的震中定位誤差；(b)中白色字體為8個合成事件的震源深度定位誤差

在置信區(qū)域內(nèi)，合成數(shù)據(jù)的定位誤差結(jié)果能夠驗證瀘州臺網(wǎng)理論定位誤差等值線分布的準(zhǔn)確性。

4 瀘州臺網(wǎng)的綜合分析

為定量地說明瀘州臺網(wǎng)能夠監(jiān)測到的0.5級地震事件的定位誤差變化情況，本文計算了0.5監(jiān)測能力范圍內(nèi)的震中理論定位誤差(圖6(a))和震源深度理論定位誤差(圖6(b))，為對比直觀，圖6(a)和圖6(b)的色標(biāo)變化范圍不同。

圖6 ML0.5監(jiān)測能力范圍內(nèi)的震中(a)和震源深度(b)理論定位誤差分布

之前對瀘州臺網(wǎng)分別從理論震級監(jiān)測能力和理論定位誤差水平進行了研究，通過對記錄到的地震事件進行統(tǒng)計分析，驗證了ML0.5監(jiān)測能力范圍的合理性和準(zhǔn)確性；通過對8個合成事件進行定位誤差分析，驗證了在置信區(qū)域內(nèi)，臺網(wǎng)理論定位誤差計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于ML0.5監(jiān)測能力范圍完全位于置信區(qū)域內(nèi)，可以將兩者結(jié)合起來，圈定ML0.5監(jiān)測能力范圍區(qū)域為理論震級監(jiān)測能力和理論定位誤差合理準(zhǔn)確的區(qū)域。因此，圖6 中對于ML0.5監(jiān)測能力范圍內(nèi)理論定位誤差計算的結(jié)果是合理準(zhǔn)確的。

從圖6(a)可以看到，震中的理論定位誤差呈現(xiàn)中間及南北兩側(cè)偏小，東西兩側(cè)偏大的現(xiàn)象，變化范圍為10～30m。震中誤差最小的點在臺網(wǎng)的中心瀘縣附近，且越靠近臺網(wǎng)的邊緣，震中誤差越大。從圖6(b)可以看到，震源深度的理論定位誤差呈現(xiàn)中間略大，東西兩側(cè)偏小的趨勢，大致在30～70m之間變化。瀘縣附近的震源深度定位誤差偏大，而臺網(wǎng)東南側(cè)LDC、BFC、QFC、MBA和HTC等臺站密度較大的區(qū)域震源深度定位誤差偏小。所以，震中的理論定位誤差可能與臺網(wǎng)的整體幾何布設(shè)形態(tài)有關(guān)，誤差由幾何中心向邊緣增大；震源深度的理論定位誤差可能與臺站密度有關(guān)，臺站密度越大，理論深度誤差越小。以此為例，說明了將理論震級監(jiān)測能力與理論定位誤差計算相結(jié)合的應(yīng)用是合理可行的。

5 結(jié)論

川南地區(qū)是近期研究的熱點，對瀘州臺網(wǎng)的建設(shè)是對該區(qū)域的地震活動監(jiān)測很好的補充。本文根據(jù)《地震震級的規(guī)定GB 17740—2017》，計算了瀘州臺網(wǎng)的震級監(jiān)測能力，通過計算分析不同震級監(jiān)測范圍區(qū)域內(nèi)地震事件數(shù)量與震級的G-R關(guān)系，驗證了震級監(jiān)測能力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。另外，通過0.5級以下地震事件的分布情況，進一步說明了ML0.5監(jiān)測能力范圍計算結(jié)果的準(zhǔn)確性?；贒值理論，計算了瀘州臺網(wǎng)在研究區(qū)域的震中定位誤差和震源深度定位誤差，對比8個合成事件的定位結(jié)果，說明了震中理論定位誤差dh在60m等值線以內(nèi)、震源深度理論定位誤差dz在100m等值線以內(nèi)的區(qū)域為置信區(qū)域，驗證了臺網(wǎng)在置信區(qū)域內(nèi)理論定位誤差的準(zhǔn)確性。對于ML0.5監(jiān)測能力范圍內(nèi)的區(qū)域，定量分析了臺網(wǎng)對于0.5級地震事件的理論震中定位誤差和震源深度定位誤差，初步總結(jié)了誤差變化的規(guī)律，說明了將理論震級監(jiān)測能力和理論定位誤差計算相結(jié)合的應(yīng)用是合理可行的。

結(jié)合理論震級監(jiān)測能力和理論定位誤差計算，能夠?qū)o州臺網(wǎng)的監(jiān)測能力進行多方面評估，說明了理論分析方法的可行性與合理性。雖然兩者都是理論計算的結(jié)果，與實際情況有一定的差距，但是對于缺乏地震資料的新建臺網(wǎng)，理論計算分析的結(jié)果能夠定性以及定量地評估臺網(wǎng)的監(jiān)測能力，對于臺網(wǎng)后期的調(diào)整和加密工作有重要的指導(dǎo)意義。