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        內(nèi)蒙古地震重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力評(píng)估

        2023-11-15 08:03:02趙艷紅
        地震地磁觀測與研究 2023年4期
        關(guān)鍵詞:震級(jí)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站

        趙艷紅 翟 浩 胡 煒 舒 雷

        (中國呼和浩特010051 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局)

        0 引言

        對(duì)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測能力的科學(xué)評(píng)估,是進(jìn)一步優(yōu)化地震臺(tái)網(wǎng)布局及提升邊疆、海域等重點(diǎn)地區(qū)地震監(jiān)測能力的關(guān)鍵(Stein,1999;Knopoff,2000;Main,2000;Wiemer et al,2000;Gomberg et al,2001;Enescu et al,2002;Woessner et al,2004)。地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力與地震臺(tái)站的布局、地震臺(tái)站分布的密度、臺(tái)站所在場地的地質(zhì)構(gòu)造、臺(tái)站信號(hào)的記錄質(zhì)量、地震定位所采用的軟件等因素密切相關(guān)(Mignan,2012)。評(píng)估地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測質(zhì)量主要包括2 個(gè)方面的內(nèi)容,一是要對(duì)臺(tái)網(wǎng)布局和地震定位能力進(jìn)行評(píng)估(Rabinowitz et al,1990;Doufexopoulou et al,1992);二是要對(duì)100%被記錄到的地震震級(jí)水平,即最小完整性震級(jí)進(jìn)行評(píng)估。焦遠(yuǎn)碧等(1990)針對(duì)我國地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力和臺(tái)網(wǎng)觀測條件質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估,獲得了首都圈、華北地區(qū)以及全國的最小完整性震級(jí)空間分布特征;蔣長勝等(2015)利用PMC 方法,對(duì)西昌流動(dòng)地震臺(tái)陣的地震監(jiān)測能力進(jìn)行了評(píng)估;王亞文(2017)評(píng)估了地震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際產(chǎn)出資料,對(duì)最優(yōu)監(jiān)測能力進(jìn)行地震檢測能力評(píng)分,并對(duì)多種地震監(jiān)測能力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了對(duì)比研究;Wiemer 等(2000)針對(duì)日本、阿拉斯加、美國等地區(qū),采用FMD 模型,進(jìn)行了地震監(jiān)測能力評(píng)估工作,獲得了最小完整性震級(jí)的空間分布特征;Nanjo等(2010)使用EMR 方法(Woessner et al,2005),開展了日本地震臺(tái)網(wǎng)最小完整性震級(jí)研究,得到地震監(jiān)測能力評(píng)估結(jié)果;李智超等(2014)、劉芳等(2013,2014)、王鵬等(2016)、安祥宇等(2019),分別開展了首都圈、新疆、內(nèi)蒙古、山東、遼寧的地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力研究。

        本文選取2016 年3 月至2020 年12 月內(nèi)蒙古區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)及國家各類重大項(xiàng)目實(shí)施的地震臺(tái)網(wǎng)組成的重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的4 087 個(gè)地震的觀測報(bào)告資料,基于概率的完整性震級(jí)PMC 方法,開展內(nèi)蒙古地區(qū)地震重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力研究,以期為內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)整體優(yōu)化布局提供參考依據(jù)。PMC 方法基于區(qū)域地震震級(jí)定義和實(shí)際產(chǎn)出的震相觀測報(bào)告,計(jì)算每個(gè)臺(tái)站對(duì)全部地震在時(shí)空上的監(jiān)測能力,利用單臺(tái)檢測概率PD得到合成檢測概率PE,并計(jì)算基于概率的完整性震級(jí)MP。

        1 地質(zhì)背景及地震臺(tái)網(wǎng)概況

        內(nèi)蒙古自治區(qū)地形狹長,橫跨東北、華北地區(qū),是南北地震帶北段等重要構(gòu)造區(qū)的毗鄰區(qū)域,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地震活動(dòng)較強(qiáng)烈(曹剛,2001)。歷史上發(fā)生了多次大地震,如公元前7 年河套大地震、公元849 年包頭西7 級(jí)左右地震。20 世紀(jì)70 年代以來,先后發(fā)生了和林格爾6.3 級(jí)、巴音木仁6.2 級(jí)、五原6.0 級(jí)、包頭西6.4 級(jí)、巴林左旗5.9 級(jí)、西烏旗5.9 級(jí)、阿左旗5.8 級(jí)等中強(qiáng)地震。因此,優(yōu)化內(nèi)蒙古地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)布局、縮小監(jiān)測能力薄弱區(qū)的區(qū)域范圍、切實(shí)提高監(jiān)測水平尤為重要。

        內(nèi)蒙古地震重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)由2 部分組成,一部分是由108 個(gè)臺(tái)站(區(qū)內(nèi)48 個(gè),鄰省60 個(gè))組成的地震臺(tái)網(wǎng);另一部分是由國家各類重大項(xiàng)目[地震臺(tái)網(wǎng)測震臺(tái)站108 個(gè);喜馬拉雅科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目3.1 期境內(nèi)共建31 個(gè)地震臺(tái)(2016 年11 月至2019 年1 月)、喜馬拉雅科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目3.2 期共31 個(gè)地震臺(tái)(2017 年9 月至2020 年9 月);國家烈度速報(bào)預(yù)警項(xiàng)目13 個(gè)在建測震臺(tái)]所涉及的183 臺(tái)站組成的監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)。國家重大地震監(jiān)測項(xiàng)目臺(tái)網(wǎng)包括108 個(gè)固定臺(tái)、62 個(gè)增建臺(tái)、13 個(gè)在建臺(tái)(圖1)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2016—2020 年內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)共記錄到4 087 個(gè)地方震(圖2),其中,80%的地震震源深度為5—15km(圖3)。

        圖3 內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)記錄到4 087 個(gè)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 地震監(jiān)測能力評(píng)估

        利用PMC 方法進(jìn)行地震監(jiān)測能力評(píng)估時(shí),臺(tái)站檢測概率的獲得分2 種類型:一類是實(shí)際值,即使用實(shí)際觀測報(bào)告臺(tái)站的實(shí)際檢測概率;另一類是理論值,即對(duì)于無實(shí)際產(chǎn)出的在建臺(tái)站,采用其附近構(gòu)造相同或相近臺(tái)站的檢測概率進(jìn)行理論評(píng)估。圖4 為內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站的檢測概率,即內(nèi)蒙古西部臺(tái)站(CEK)、內(nèi)蒙古中部臺(tái)站(WUH、HHC)、內(nèi)蒙古東部臺(tái)站(HLR)的檢測概率PD。

        圖4 內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)CEK(a)、WUH(b)、HHC(c)、HLR(d)臺(tái)的單臺(tái)檢測概率Fig.4 Detection probability of CEK,WUH,HHC and HLR stations in Inner Mongolia seismic network

        從圖4 分析可知:①WUH、HHC、HLR 臺(tái)對(duì)地震的檢測能力較強(qiáng),檢測范圍隨震級(jí)的增加而增大。②WUH、HHC、HLR 臺(tái)對(duì)小地震檢測敏感,其中,WUH 臺(tái)對(duì)20 km 范圍內(nèi)0.9 級(jí)左右地震的檢測概率達(dá)到100%。HHC、HLR 臺(tái)的最小檢測震級(jí)約為ML1.2。當(dāng)ML>2.6 時(shí),CEK 臺(tái)檢測概率不再隨震級(jí)的增加而增大。分析認(rèn)為,可能是因?yàn)榘⒗朴移祛~濟(jì)納旗地區(qū)臺(tái)站稀疏,臺(tái)站分布跨度較大,人工定位時(shí),未使用遠(yuǎn)距離的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。③CEK 臺(tái)所在區(qū)域發(fā)生地震的頻度不高,記錄到的絕大多數(shù)為遠(yuǎn)距離的地震,這導(dǎo)致最小檢測震級(jí)僅為ML2.2 左右。

        利用PMC 方法以2 種形式來展示區(qū)域的地震監(jiān)測能力:①以特定的震級(jí)在空間分布檢測概率;②基于概率的完整性震級(jí)MP的空間分布特征。地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)不同深度地震的監(jiān)測能力不同,因此在分析監(jiān)測能力時(shí)必須標(biāo)明震源深度。本研究中地震的震源深度大多為5—15 km,因此僅研究內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)10 km 深度地震的監(jiān)測能力。圖5(a)、5(b)分別為對(duì)ML≤1.0、1.0 <ML≤ 2.0 地震的檢測概率。從圖5(a)可知,內(nèi)蒙古東部、中東部、中西部的部分地區(qū),由于臺(tái)站密度相對(duì)較高,臺(tái)基噪聲水平較優(yōu),檢測概率較高;而內(nèi)蒙古大部分區(qū)域檢測概率相對(duì)較低。震級(jí)為1.0 ≤ML≤ 2.0 時(shí),檢測概率范圍比ML1.0顯著擴(kuò)大,在內(nèi)蒙古北部邊界地帶檢測概率較低,說明內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)ML1.0—2.0 及以上地震具有較強(qiáng)的監(jiān)測能力。圖6 為內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)完整性震級(jí)MP分布。由圖6 可見,內(nèi)蒙古地區(qū)基于概率的完整性震級(jí)MP的分布特征與前述各震級(jí)區(qū)間的分布特征類似,表現(xiàn)為內(nèi)蒙古南部特別是與領(lǐng)省交界地帶完整性震級(jí)MP較小,小于ML0.9,最小MP為0.7;內(nèi)蒙古西部阿拉善地區(qū)和東北部監(jiān)測能力較弱,但ML2.5 的等值線基本覆蓋內(nèi)蒙古大部分地區(qū)。

        圖5 10 km 深度對(duì)應(yīng)的內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)檢測概率空間分布(a)1.0 級(jí)以下地震;(b)1.0—2.0 級(jí)地震Fig.5 Detection probability at the depth of 10 km

        圖6 內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)完整性震級(jí)MP 分布Fig.6 Spatial distribution of the complete magnitude MP

        內(nèi)蒙古地震重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力評(píng)估,依托基于概率的PMC 方法所具備的“地震臺(tái)網(wǎng)理論監(jiān)測能力評(píng)估”功能。以WJH 臺(tái)的檢測概率為參考,對(duì)重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)在呼和浩特周邊、赤峰、通遼等地區(qū)實(shí)施的喜馬拉雅3.1、3.2 期科學(xué)臺(tái)陣預(yù)警項(xiàng)目新建基準(zhǔn)站的監(jiān)測能力進(jìn)行綜合分析。圖7 為在原有地震臺(tái)網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了新建臺(tái)站后內(nèi)蒙古地震重大項(xiàng)目監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)完整性震級(jí)MP的分布特征。對(duì)比圖6、圖7 可見,當(dāng)新建預(yù)警基準(zhǔn)站、科學(xué)臺(tái)陣全部建成時(shí),可以獲得如下評(píng)估結(jié)果:①內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)最小完整性震級(jí)MP的分布將向南、向北延伸,呼包鄂地區(qū)、赤峰地區(qū)、呼倫貝爾地區(qū)等重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)地震監(jiān)測能力將得到明顯加強(qiáng);②若新建臺(tái)站均達(dá)到WJH 臺(tái)的檢測能力,則內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力將進(jìn)一步加強(qiáng)。但內(nèi)蒙古西部阿拉善右旗、錫林郭勒盟以北地區(qū)及海拉爾以東、以北地區(qū)的地震監(jiān)測能力仍然薄弱,需要增加臺(tái)站,以增強(qiáng)內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)整體監(jiān)測能力。

        圖7 內(nèi)蒙古重大項(xiàng)目地震臺(tái)網(wǎng)完整性震級(jí)MP 分布Fig.7 Major projectsbuilt Spatial distribution of the complete magnitude MP

        4 結(jié)論

        利用PMC 方法計(jì)算內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測能力時(shí),計(jì)算結(jié)果可以反映地震臺(tái)站對(duì)地震的實(shí)際監(jiān)測情況。由于地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力受臺(tái)站密度、狀態(tài)的影響,在臺(tái)站密集區(qū),如呼包鄂、赤峰、海拉爾地區(qū),地震最小完整性震級(jí)為ML0.9,而在臺(tái)站稀疏的阿拉善、呼倫貝爾北部地區(qū),最小完整性震級(jí)為ML2.0。

        分析單臺(tái)檢測概率發(fā)現(xiàn),位于內(nèi)蒙古最西部的CEK 臺(tái)監(jiān)測能力不強(qiáng),其監(jiān)測能力僅為ML2.5 左右,而內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)的平均監(jiān)測能力為ML1.8。因此,CEK 臺(tái)的監(jiān)測能力已不能滿足要求,結(jié)合該臺(tái)實(shí)際觀測情況,建議在周邊新建臺(tái)站。若在內(nèi)蒙古最西部和東部北段新建臺(tái)站,則能提高內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)的整體監(jiān)測水平;同時(shí),在呼包鄂地區(qū)增加臺(tái)站,可以增強(qiáng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)監(jiān)測能力。

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