青海省新增地震台波形数据质量评价

郭铁龙 梁姗姗 邹立晔 姬运达 刘艳琼 李旭茂 翟璐媛

（中国北京100045 中国地震台网中心）

0 引言

青藏高原平均海拔高度在4 000 m 以上，素有“世界屋脊”之称，其构造断裂规模巨大，应力环境复杂，地质构造运动剧烈（Molnar and Tapponnier，1975；Tapponnier et al，1982，2001；邓起东等，2002；徐纪人等，2008），地震活动强烈，是我国大陆地震活跃地区之一。自有地震记录起，青藏高原共发生8 级以上地震18 次，7—7.9 级强震更是多达100 余次（邓起东等，2014）。地震活动性研究对板块构造、区域断层分布情况、特大地震演化过程、地震破裂机制、火山活动和工业安全生产等具有重要指导意义（Katao et al，2009；宫悦等，2020；Zuniga et al，2020；华俊等，2021；刘冠男等，2021）。

为填补青藏高原地震监测空白区，缩小地震监测空区范围，加大青藏高原地区测震台站密度，满足地球内部结构研究的基础需求，2018 年，国家测震台网中心将10 个依托气象站共址建设台站数据接入中国地震台网中心技术系统，并通过全国实时数据交换，将数据提供给西藏周边省、自治区地震局和自动地震速报系统使用。2019 年起，在青海、西藏和新疆地区目前已具备地震监测能力基础上，实施开展“青藏高原地震监测能力提升”项目，在该区域地震监测能力薄弱的西藏西北部、青海西南部、新疆阿尔金山等地区，拟建设72 个无人测震观测站点，其中西藏30 个、青海28 个、新疆14 个。截至2021年1 月，青海新增地震台站16 个，为了检验地震台站建设成效，从地震波形数据完整性和可靠性方面，对青海新增台站数据进行质量评估，分析台站建设对青藏高原地震监测能力的影响。

1 台站建设

“青藏高原监测能力提升”项目拟建台站72个[图1(a)]，建设周期3年，截至2021年1月，已完成第一期和第二期共计41 个台站仪器设备的安装与调试、数据通讯网络链路测试等工作。为检验新建台站对青藏高原地区地震监测能力的影响，利用4 个台站记录对青藏高原地区发生的地震进行定位，计算理论定位时间，即得到该区理论地震检测能力，见图1(b)，可见新建台站后，我国青海西南部和新疆阿尔金山地区地震的理论监测延时在40 s以内，西藏西北部大部分区域地震监测延时在50 s 以内，仅小部分区域需要60 s。目前，青藏高原新增台站监测的地震数据实时传输至国家测震台网中心，可为我国青藏高原地震监测提供业务化支撑。

图1 青藏高原地区台站分布及理论地震检测能力Fig.1 Distribution of seismic stations in Qinghai-Tibetan Plateau and theoretical seismic monitoring capability in Qinghai-Tibetan Plateau

在“青藏高原监测能力提升”项目实施过程中，截至2021 年1 月，青海省已新建地震台站16 个，分别是巴颜喀拉台（BYKL）、查旦台（CHD）、东坝台（DOB）、肯得克台（KDK）、立新台（LIX）、麻多台（MDU）、秋智台（QIZ）、曲新台（QUX）、索加台（SUJ）、温泉水库台（WEQ）、西大滩台（XDT）、小苏莽台（XSM）、锡铁山台（XTS）、治多台（ZHD）、扎河台（ZHH）和珍秦三村台（ZHQ），台站分布见图2。新建地震台站均为无人值守的测震和强震同址台，均配备仪器带宽为60 s的宽频带地震仪、GL-CS60 地震计、EDAS-24GN 数据采集器。

图2 青海地区新增台站分布Fig.2 Distribution of new stations in Qinghai area

2 波形数据质量评价

以青海省新建的16 个地震台站为例，围绕地震数据的完整性和可靠性，利用相关技术方法和手段，实现对新建台站地震观测数据的质量评价。

2.1 数据完整性分析

选取青海新建台站2021 年1 月1 日—20 日的实时波形记录，统计各台站运行率，结果见图3，可见16 个新建台站实时运行率平均为93.20%，其中14 个台站运行率大于90%，索家台（SUJ）和扎河台（ZHH）运行率低于90%，而索加台（SUJ）运行率仅24.24%。

图3 青海新增台站运行率统计（2021 年1 月1 日—20 日）Fig.3 Operation rate statistics of new stations in Qinghai area (Jan.1-20,2021)

2.2 数据可靠性分析

2.2.1台基背景噪声水平分析。台站记录波形质量受台基背景噪声水平的影响，可利用台基噪声功率谱密度（PSD）来评估台基背景噪声水平的高低（高伟亮等，2015；侯颉等，2019）。|F(ω)|2称为功率谱或能量谱，即在频率尺度上每个单位间隔的功率或能量。将地震记录位移信号f(t)进行傅里叶变换，可得其频谱F(ω)，公式如下

随机选择青海新增台站2021 年1 月1 日00 时—07 时记录的连续波形数据（不含地震记录），扣除仪器响应，以消除地震计影响。计算每个台站的地动噪声功率谱密度，并绘制功率谱密度曲线。受篇幅所限，文中仅展示4 个有代表性台站的地动噪声曲线，结果见图4。图中，NHNM 和NLNM 分别代表全球高噪声和低噪声模型。噪声模型是评价一个地震台站噪声水平的基本标准，将台站背景噪声PSD 曲线与全球平均台站噪声模型进行对比，直观可见特定频率范围内噪声分布情况。由图4 可见，东坝台（DOB）、立新台（LIX）和温泉水库台（WEQ）的噪声水平均接近于全球低噪声模型（NLNM），表明3 个台的背景噪声水平较低。需要注意的是，在0.1—0.8 Hz 频段，3 个台站的垂直向背景噪声与水平向地动噪声有较大差别，且垂直向背景噪声较大，可能是由背景噪声源不同所致。而小苏莽台（XSM）的地动噪声水平高于全球高噪声（NHNM），表明该台背景噪声较高，且波形特征与NHNM、NLNM 不一致，说明该台站数据不可用。据噪声功率谱密度计算结果，按照台基地噪声高低分类标准（GB/T 19531.1—2004），参考任枭等（2004）的分类原则，将16 个新建台站划分为3 类，其中：Ⅰ类台有9 个，分别为巴颜喀拉台（BYKL）、查旦台（CHD）、东坝台（DOB）、立新台（LIX）、秋智台（QIZ）、曲新台（QUX）、治多站（ZHD）、扎河台（ZHH）、珍秦三村台（ZHQ）；Ⅱ类台有5 个，分别为肯得克台（KDK）、麻多台（MDU）、温泉水库台（WEQ）、西大滩台（XDT）、锡铁山台（XTS）；Ⅲ类台有1 个，为小苏莽台（XSM）；索加台（SUJ）无信号。

图4 东坝台（DOB）、立新台（LIX）、温泉水库台（WEQ）和小苏莽台（XSM）地动噪声曲线Fig.4 Ground motion noise curves of DOB,LIX,WEQ and XSM stations

2.2.2事件波形记录质量。根据中国地震台网中心产出的地震速报目录，选取国内外发生的2 个典型地震事件：2020 年12 月24 日07:51:48.7 青海果洛州玛多县ML4.2 地震，震源深度7 km；2021 年1 月12 日05:32:59.7 蒙古MS6.8 地震，震源深度10 km，具体参数见表1。由波形记录可见，青海新建台站所记录的2 次地震事件波形清晰（图5，图6），可就波形记录完整性和尖脉冲对波形质量进行评价。

图5 2020 年12 月24 日青海玛多ML 4.2 地震波形Fig.5 The waveforms of the Qinghai Maduo ML 4.2 earthquake on Dec.24,2020

图6 2021 年1 月12 日蒙古MS 6.8 地震波形Fig.6 The waveforms of the MS 6.8 earthquake in Mongolia on Jan.12,2021

表1 典型地震事件目录Table 1 Catalog of typical earthquakes

（1）波形记录完整性分析。整理波形数据文件，扣除重复记录，计算一定时段内有波形记录的时间长度（单位：s）与总时长的比值，来判定事件波形记录完整性，用波形数据完整率表示，公式如下

经计算，除索加台（SUJ）对2021 年1 月12 日蒙古MS6.8 地震事件波形数据完整率为0，说明该台站对此事件无记录，而其他台站对2 个地震的记录数据完整率均为100%。

（2）尖脉冲判定。尖脉冲判定标准如下：以当前数据采样点为目标采样点，计算一段时段内的平均振幅值和当前及其前后采样点与平均振幅的差值，并计算均方根振幅值（RMS），当同时满足以下条件时，则视为一个尖脉冲（相邻异常值视为一个尖脉冲）：

其中，A0为当前采样点振幅值，Aavg为平均振幅值，ARMS为均方根振幅值，A-1为前采样点振幅值，ΔA0为当前采样点振幅值与平均振幅值的差值，ΔA-1为前采样点振幅值与平均振幅值的差值，ΔA+1为后采样点振幅值与平均振幅值的差值。

按照上述评判标准可知，在2020 年12 月24 日青海玛多ML4.2 地震和2021 年1 月12 日蒙古MS6.8 地震事件波形中，仅小苏莽台（XSM）对玛多ML4.2 地震记录中具有1 个尖脉冲，其他台站地震记录均未失真，真实反映了地震动形态。

通过对国内外典型地震事件波形记录分析，发现除个别台站，新增台站基本能够完整记录国外显著地震波形，并能清晰记录本地区中小规模地震波形，分辨率高，初动明显，可以满足地震监测速报业务的需求。

3 地震监测能力评估

为了更好地评估青海省新建台站效能，利用台站背景噪声和近震震级公式，估算青海地区理论地震监测能力，结果见图7。

图7 青海地区地震理论监测能力Fig.7 Theoretical monitoring capability in Qinghai area

图7(a) 为使用原测震台站数据估算的青海地区理论地震监测能力，图7(b) 为增加青海省16 个新建台站数据后，计算得到的青海地区理论地震监测能力。对比可知，新增台站后，青海省中西部地区理论监测能力由MS4.5 提升到MS2.0 左右，监测能力大幅提升。

4 结束语

随着“青藏高原地震监测能力提升”项目的实施，中国地震局51 个固定地震台站（含10 个与气象局共址建设台站）的地震数据实现实时传输，并与中国地震台网中心现有监测系统连接，逐步实现我国青藏高原地区地震监测能力的稳定提升。为了检验新增台站建设成果，尽早发挥其监测效能，以青海地区16 个新增地震台站为例，对地震波形数据质量进行评估，可以发现：在青海省16 个新增台站中，9 个达Ⅰ类台标准，5 个达Ⅱ类台标准，1 个达Ⅲ类台标准，1 个无信号；个别台站（如索加台）因供电和网络通讯系统不稳定，导致数据传输丢包，出现台站断记或异常现象；青海地区新增加台站观测环境较好，总体运行良好，数据连续率较高，适合进行宽频带数字地震观测；地震空间分布更加均匀，青海省中西部地区理论地震监测能力从MS4.5 提升到MS2.0 左右，地震监测能力大幅提升。

在论文撰写过程中，赵仲和研究员对数据质量分析进行指导，青海省地震局马建新高级工程师对仪器参数提供支持，在此表示感谢。