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

對區(qū)域地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力的科學(xué)評估，是進一步優(yōu)化地震臺網(wǎng)布局及提升邊疆、海域等重點地區(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）。地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力與地震臺站的布局、地震臺站分布的密度、臺站所在場地的地質(zhì)構(gòu)造、臺站信號的記錄質(zhì)量、地震定位所采用的軟件等因素密切相關(guān)（Mignan，2012）。評估地震臺網(wǎng)的監(jiān)測質(zhì)量主要包括2 個方面的內(nèi)容，一是要對臺網(wǎng)布局和地震定位能力進行評估（Rabinowitz et al，1990；Doufexopoulou et al，1992）；二是要對100%被記錄到的地震震級水平，即最小完整性震級進行評估。焦遠碧等（1990）針對我國地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力和臺網(wǎng)觀測條件質(zhì)量進行了評估，獲得了首都圈、華北地區(qū)以及全國的最小完整性震級空間分布特征；蔣長勝等（2015）利用PMC 方法，對西昌流動地震臺陣的地震監(jiān)測能力進行了評估；王亞文（2017）評估了地震臺網(wǎng)實際產(chǎn)出資料，對最優(yōu)監(jiān)測能力進行地震檢測能力評分，并對多種地震監(jiān)測能力評價方法進行了對比研究；Wiemer 等（2000）針對日本、阿拉斯加、美國等地區(qū)，采用FMD 模型，進行了地震監(jiān)測能力評估工作，獲得了最小完整性震級的空間分布特征；Nanjo等（2010）使用EMR 方法（Woessner et al，2005），開展了日本地震臺網(wǎng)最小完整性震級研究，得到地震監(jiān)測能力評估結(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)域地震臺網(wǎng)及國家各類重大項目實施的地震臺網(wǎng)組成的重大項目監(jiān)測臺網(wǎng)產(chǎn)出的4 087 個地震的觀測報告資料，基于概率的完整性震級PMC 方法，開展內(nèi)蒙古地區(qū)地震重大項目監(jiān)測臺網(wǎng)監(jiān)測能力研究，以期為內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)整體優(yōu)化布局提供參考依據(jù)。PMC 方法基于區(qū)域地震震級定義和實際產(chǎn)出的震相觀測報告，計算每個臺站對全部地震在時空上的監(jiān)測能力，利用單臺檢測概率PD得到合成檢測概率PE，并計算基于概率的完整性震級MP。

1 地質(zhì)背景及地震臺網(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，地震活動較強烈（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 級左右地震。20 世紀70 年代以來，先后發(fā)生了和林格爾6.3 級、巴音木仁6.2 級、五原6.0 級、包頭西6.4 級、巴林左旗5.9 級、西烏旗5.9 級、阿左旗5.8 級等中強地震。因此，優(yōu)化內(nèi)蒙古地區(qū)地震臺網(wǎng)布局、縮小監(jiān)測能力薄弱區(qū)的區(qū)域范圍、切實提高監(jiān)測水平尤為重要。

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

圖3 內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)記錄到4 087 個地震震源深度分布Fig.3 The statistical distribution map of focal depth of 4087 earthquakes was recorded by Inner Mongolia Seismic Network

2 地震監(jiān)測能力評估

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

圖4 內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)CEK（a）、WUH（b）、HHC（c）、HLR（d）臺的單臺檢測概率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 臺對地震的檢測能力較強，檢測范圍隨震級的增加而增大。②WUH、HHC、HLR 臺對小地震檢測敏感，其中，WUH 臺對20 km 范圍內(nèi)0.9 級左右地震的檢測概率達到100%。HHC、HLR 臺的最小檢測震級約為ML1.2。當(dāng)ML＞2.6 時，CEK 臺檢測概率不再隨震級的增加而增大。分析認為，可能是因為阿拉善右旗額濟納旗地區(qū)臺站稀疏，臺站分布跨度較大，人工定位時，未使用遠距離的地震數(shù)據(jù)進行定位。③CEK 臺所在區(qū)域發(fā)生地震的頻度不高，記錄到的絕大多數(shù)為遠距離的地震，這導(dǎo)致最小檢測震級僅為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以特定的震級在空間分布檢測概率；②基于概率的完整性震級MP的空間分布特征。地震臺網(wǎng)對不同深度地震的監(jiān)測能力不同，因此在分析監(jiān)測能力時必須標明震源深度。本研究中地震的震源深度大多為5—15 km，因此僅研究內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)對10 km 深度地震的監(jiān)測能力。圖5（a）、5（b）分別為對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)，由于臺站密度相對較高，臺基噪聲水平較優(yōu)，檢測概率較高；而內(nèi)蒙古大部分區(qū)域檢測概率相對較低。震級為1.0 ≤ML≤ 2.0 時，檢測概率范圍比ML1.0顯著擴大，在內(nèi)蒙古北部邊界地帶檢測概率較低，說明內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)對ML1.0—2.0 及以上地震具有較強的監(jiān)測能力。圖6 為內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)完整性震級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MP的分布特征與前述各震級區(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 深度對應(yīng)的內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)檢測概率空間分布（a）1.0 級以下地震；（b）1.0—2.0 級地震Fig.5 Detection probability at the depth of 10 km

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

內(nèi)蒙古地震重大項目監(jiān)測臺網(wǎng)的監(jiān)測能力評估，依托基于概率的PMC 方法所具備的“地震臺網(wǎng)理論監(jiān)測能力評估”功能。以WJH 臺的檢測概率為參考，對重大項目監(jiān)測臺網(wǎng)在呼和浩特周邊、赤峰、通遼等地區(qū)實施的喜馬拉雅3.1、3.2 期科學(xué)臺陣預(yù)警項目新建基準站的監(jiān)測能力進行綜合分析。圖7 為在原有地震臺網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了新建臺站后內(nèi)蒙古地震重大項目監(jiān)測臺網(wǎng)完整性震級MP的分布特征。對比圖6、圖7 可見，當(dāng)新建預(yù)警基準站、科學(xué)臺陣全部建成時，可以獲得如下評估結(jié)果：①內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)最小完整性震級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)等重點監(jiān)視區(qū)地震監(jiān)測能力將得到明顯加強；②若新建臺站均達到WJH 臺的檢測能力，則內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力將進一步加強。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，需要增加臺站，以增強內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)整體監(jiān)測能力。

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

4 結(jié)論

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

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