0 引言

测震台网的地震监测能力是指，台网基本上能测定地震发生的震源位置、发震时刻和震级大小等基本参数，并满足一定精度条件下监测地震范围的能力(张有林等，2005)，主要取决于测震台站布局及能够记录本地最小地震的能力。对于一定大小的地震，只有当震中距在一定范围时，地震波到达地震台的振幅高出台基背景噪声值，地震才能被台站观测仪器记录下来。因此，必须建立测震台站台基背景噪声值与该测震台站可监测到的最小地震震级以及震中距之间的关系，才能有效评估测震台网地震监测能力。目前，中国比较常用的方法是，根据近震震级公式，通过确定振幅比，用量规函数反推单台控制距离，以4个地震台站共同控制区域来估算测震台网的地震监测能力(尹继尧等，2011)。本文即采用该方法，对天津市测震台网地震监测能力进行估算，并对该算法核心处理技巧进行解释和说明。

1 台网概况

天津位于华北平原东北部，与河北省、北京市为邻，东邻渤海，海岸线长约100 km。全境绝大部分属于华北平原，地势低平，略向东南倾斜，一般海拔2 — 5 m。天津测震台网孔径东西约127 km，南北约160 km，测震台站均匀分布，平均台间距30.6 km。该台网由1个台网部、1个异地备份中心和31个测震台站组成，其中包括28个“九五”测震台和3个“十五”测震台(各子台系统主要配备FSS-3DBH短周期地震计及配套的EDAS-24GN数据采集器)，台站分布见图 1。“十一五”期间，利用现代IP通讯技术，在天津滨海建立虚拟地震台网，对31个测震台记录数据进行异地备份。

天津测震台网中心与测震台站基本采用2 M光纤进行数据传输，而唐家河、沙井子2个子台因无法架设光纤，采用无线传输，测震台网中心与中国地震台网中心采用8 M光纤进行数据传输，实现与中国地震台网中心的数据共享。

2 方法原理

测震台网监测能力估算的原理是，依据测震台站台基背景振动噪声观测值，确定可观测地震事件的振幅值，依据该振幅值和近震震级计算公式，建立震级大小和震中距的对应关系，该对应关系描述了测震台站对给定震级地震的有效监测范围。以4个以上地震台站公共监测区域的集合，作为测震台网对指定震级的监控区域，该指定震级即为测震台网对该监控区域的地震监控能力。

2.1 台基噪声功率谱

功率谱表示信号功率随频率的变化关系，常用于功率信号的表述与分析，对地震台站的台基噪声记录进行功率谱分析，是了解台基噪声频谱特征、评价台站对地震波观测能力的重要手段。对地震台站的台基噪声功率谱估计中，常使用经典谱估计中的Welch算法，该方法是在周期图法的基础上改进得到的，即把长度为N的数据x(n)分成L段，每段为M(在分段时可允许每段数据有部分重叠)，求每段数据功率谱并加以平均。每段数据窗口可使用汉宁窗或哈明窗，用于改善因矩形窗边瓣较大所产生的谱失真(万永革，2007)。以P(ω)表示用Welch平均周期图法估计的功率谱，即

$ P(\omega)=\frac{1}{MUL}{{\left| \sum\limits_{{n=0}}^{{N-1}}{X_{N}^{i}(n)d(n){{\rm{e}}^{-j\omega n}}} \right|}^{2}} $

(1)

式中：U为归一化因子，d(n)为数据窗。

2.2 监测能力

测震台站监测微小地震的能力与其台基噪声水平有关。一般认为，当近震P波震相振幅是4倍背景噪声振幅时，可从连续观测数据中有效检测地震事件。近震初动震相一般为P波震相，而S波振幅一般为3倍P波振幅，按照有效值的2 — 2.5倍估算峰值，则可有效检测出的地震事件S波峰值振幅估计值为测震台站台基位移噪声估计值的24 — 30倍。在《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》(GB/T19531.1 — 2004)中，将1 — 20 Hz频带确定为台基噪声有效值的估算频带。因此，将1 — 20 Hz频带做为检测地方微震的标准频带，依据近震震级计算公式，即可确定测震台站最小监控震级与监控范围。近震震级公式为

$ {{M}_{\rm{L}}}=\lg ({A}_{\rm{ \mathsf{ μ} }})+R(\mathit{\Delta })+S(\mathit{\Delta }) $

式中：M_L为用S波最大振幅计算的震级；A_μ为最大地动位移，单位µm；R(Δ)为量规函数；S(Δ)为台站校正值。A_μ取值为前述S波峰值振幅的估计值。基岩台S(Δ)取值为0，松软土层S(Δ)取值为0.3 — 0.6(薛兵，2013)，量规函数R(Δ)与震中距的关系见表 1(中国地震局监测预报司，2007)。

3 台基噪声功率谱计算

采用天津测震台网31个地震台02时NS向1小时记录数据，选取各台站24 h无地震且无干扰波形，且保证选用的台站地震计系统响应特性稳定，计算台基噪声功率谱。计算步骤如下。

(1) 恢复地面运动的速度记录。对数据波形记录进行分道，将数据记录的count值乘以数采转换因子再除以地震计灵敏度，并对数据进行去均值处理，得到地面运动的速度记录(m/s)。

(2) 利用Welch算法计算速度功率谱。对经由步骤(1)处理的数据分段，采用hanning窗函数平滑处理。对每段数据进行FFT变换，用周期图法求各段功率谱估计，并对各段功率谱求平均，进行归一化处理，得到频率为f的Welch方法的速度功率谱估计P_v (f)。

(3) 传递函数校正。为了得到地动噪声的物理量值，需对步骤(2)得到的速度功率谱进行仪器响应校正。即

$ {\rm{PS}}{{\rm{D}}_v}(f) = \frac{{{P_v}(f)}}{{{{\left| {H(f)} \right|}^2}}} $

(4) 转换为加速度噪声功率谱。将步骤(3)得到的速度功率谱乘以4π²f²转换成加速度谱，即

$ {\rm{PS}}{{\rm{D}}_a}(f) = 4{\pi ^2}{f^2}{\rm{PS}}{{\rm{D}}_v}(f) $

至此，得到台基噪声功率谱，并进一步转换为以dB为单位，以便与NLNM、NHNM进行对比分析。

(5) 位移有效值RMS_d计算。将步骤(4)得到的加速度功率谱PSD_a(f )除以16π⁴f⁴，得到位移功率谱PSD_d(f )。即

$ {\rm{PS}}{{\rm{D}}_a}(f) = 4{\pi ^2}{f^2}{\text{PS}}{{\text{D}}_d}(f) $

(4)

根据台站噪声功率谱计算位移有效值计算公式，计算频段F_L—F_H(F_H为上限频率，F_L为下限频率)的位移噪声有效值。即

$ {\rm{RMS}}_d^2 = \Delta f \cdot \sum\limits_{f(i) < {F_{\rm{L}}}}^{f(i) < {F_{\rm{H}}}} {\frac{{{\rm{PS}}{{\rm{D}}_a}(i)}}{{16{\pi ^4}f{{(i)}^4}}}} $

式中，f_s为采样率，nFFT为快速傅里叶变换的序列长度。根据天津测震台网31个地震台02时NS向1小时记录数据得到1 — 20 Hz频率范围内噪声功率谱密度曲线，如图 2所示，F_H为上限频率20 Hz，F_L为下限频率1 Hz。

按上述方法进行计算，可得天津地区1 — 20 Hz频率范围内背景噪声有效值，见图 3。由图 3可知，天津区域噪声水平整体受海洋影响，其中位于天津东南部的滨海新区台站噪声水平较高，而远离海岸的天津北部地区，如：蓟县、宝坻等地区，噪声水平较低。可能与区域的地质条件和环境条件有关，天津北部地区构造为基岩，台站分布稀疏，且经济不发达，受环境干扰较小。天津南部地区大部分为浮土覆盖层，台站分布密集，经济发达，人口稠密，且离海岸线较近，受环境干扰较大。

4 地震监测能力估算

采用上述方法计算得到天津测震台网31个地震台1 — 20 Hz位移噪声有效值，为估算天津地区地震监测能力，采取以下步骤：①整理位移噪声有效值，得到无类型标记并以逗号隔开各列数据的ASCⅡ码文件。文件内容分别是台站字符代码、台站名称、纬度、经度、台站高程、位移有效值；②分析时程数据，设置天津地区计算范围和空间步长：arealat[38.4, 40.4](纬度范围)、arealon[116.4, 118.4](经度范围)、space_step=0.1(空间步长)，可将天津地区划分为20×20个网格，将31个地震台分布在这些网格点上，以文件中的位移噪声有效值作为估算监测能力的初始条件，调用量规函数，取可能监测到的最小地震S波最大振幅为上述位移背景噪声有效值的30倍，计算网格点上对应的各地震台站地震震级M_L；③对各网格点上31个M_L震级值从小到大排序，取第4个值做为测震台网能够监测到的该网格点最小地震；④利用Matlab函数绘制等值线，得到天津地区31个地震台的地震监测能力。

由上述步骤，计算得到天津测震台网地震监测能力，见图 4，可知天津测震台网地震监测能力为：网内大部分地区达M_L 2.0(4个台记录到同一地震)，对于网缘M_L > 2.5地震，天津市行政区均能监测到。

5 结论

区域测震台网地震监测能力评估是一个需要不断总结与积累的过程，目的是更好的为地震预测、地震科学研究、国家经济建设和社会，提供更加丰富的数据服务(霍祝青等，2013)。本研究通过对天津测震台网地震监测能力的科学评估，得到以下认识。

(1) 台基噪声功率谱分析不仅可以评价地震仪性能、地震台址干扰幅度以及卓越周期，还可以对各类台基和设备产生直观评价，为以后建台、选址、设备选型提供可靠依据(裴晓等，2012)。因此，利用台基噪声功率谱估算测震台网地震监测能力是有意义的。

(2) 由于测震台网受地震台站分布、台站环境噪声影响，不同区域的地震监测能力存在差异。天津北部的蓟县、宝坻等地地震台分布稀疏、经济不发达、受环境干扰较小，台基背景噪声值较低。而天津南部的滨海新区、市中心等地地震台分布密集，为经济与工业发达地区，人口稠密，人类活动对台基背景噪声影响较大。天津全境绝大部分属于华北平原，区域噪声水平整体受海洋影响较大，天津测震台网网内地震监测能力(4个台记录到同一地震)大部分地区达M_L 2.0，对于网缘M_L > 2.5地震，天津市行政区均能监测到。

(3) 在台基噪声功率谱计算过程中，选取不同时段的数据，会导致对测震台网地震监测能力的计算产生实质性误差。因为，白天时段受人为噪声影响，台基噪声功率谱明显高于夜间。所以，为使噪声水平真实、稳定，最好选择夜间时段数据，连续计算1个月的噪声功率谱求平均，以获得可靠、稳定的地震监测能力。