中国东北地区地震台站分布及观测数据应用.pdf

SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.010第一作者简介：宋晓燕，女，博士，工程师，主要从事地震学研究工作。E-mail：通讯作者：王鑫，男，高级工程师，主要从事地震监测业务和数字地震学方面的研究工作。E-mail：基金项目：内蒙古自治区地震局局长基金课题（项目编号：2020TM02）本文收到日期：2022-01-10中国东北地区地震台站分布及观测数据应用宋晓燕 王 鑫 安 全（中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局）摘要 作为地震学研究的基础，地震监测数据的重要性不言而喻。通过系统整理和分析中国东北地区目前地震监测台站分布及其相关数据的应用研究情况，明晰该区地震研究进展，认为综合利用不同来源数据是开展地震学研究的方向。关键词 中国东北；固定台站；流动台站0 引言作为我国主要深源地震区，中国东北地区受到广泛关注。科学家普遍认为，该区深源地震的发生与太平洋板块西向俯冲有关，且松辽盆地及其周边其他盆地区域为主要孕震区。据统计，自 1900 年以来，中国东北地区共发生 6 级以上地震 11 次，其中最大地震为 1975年辽宁海城 MS7.3 地震。2011 年 3 月 11 日日本东部 MW 9.0 地震发生后，中国东北及邻区发生 5 次 MS 5.0 以上深源地震，其中最大地震为中国东北深震区附近俄罗斯境内 6.5 级地震（高立新等，2020）。地震台站可为地震常规监测与预报、震后应急服务、地球物理研究等提供基础数据。台站建设是当代防震减灾工作的重要基础，加强台站建设，进一步优化台站布局，是提升地震监测能力、满足地球科学研究的关键。地震波形数据作为地震台站的重要产出，是进行相关科学研究的基础，其数量和质量决定了研究结果的可靠性。随着现代数字技术的发展，中国东北地区的固定和流动地震观测台网得到快速发展，台站数量逐渐增多，积累了大量观测数据，且数据质量得到显著提升。该区固定台站资料可从中国地震学科数据中心获得，公开的部分流动台站数据资料可从中国地震科学探测台阵数据中心获得，还有部分数据可从 IRIS 网站申请获取，但仍有部分研究组布设的流动地震台阵数据未公开（相关研究工作只能参考相关文献进行）。为了对中国东北地区现阶段地震台站分布及相关研究工作形成一个整体认识，同时科学评估该区当前地震监测能力，系统梳理研究区固定和流动地震台站分布、数据应用现状及取得的成果。1 中国东北地区地质构造背景中国东北地区主要由西部的大兴安岭、中部的松辽盆地和东部的张广才岭及长白山区地震地磁观测与研究44 卷 80域构成（图 1）。作为西北太平洋俯冲带地区的一部分，该区域盆山相间构造被认为与太平洋板块西向深俯冲密切相关。松辽盆地周边广泛分布晚新生代板内火山，如：东部的长白山火山、龙岗火山、镜泊湖火山，西部的阿巴嘎火山群和哈拉哈火山群，北部的五大连池火山及南部的双辽火山等。这些构造特征使得中国东北地区成为研究板块俯冲机制和板内火山作用机理的理想场所。该区地震活动性较强，如近年来发生在松辽盆地内部的 2013 年前郭 MS 5.8 地震和 2018年松原 MS 5.7 地震（图 1）。近年来，针对中国东北及邻区壳幔结构及火山作用机制，前人基于不同方法开展了大量研究工作，如体波层析成像（Lei et al，2005；Tang et al，2014；雷建设等，2018）、面波层析成像（Zheng et al，2011；Guo et al，2016；Yang et al，2019）、接收函数（Tao et al，2014；Guo et al，2015；Zhang et al，2020）、Pn 波层析成像（Du et al，2019）以及背景噪声成像（Fan et al，2019）等。但是，由于研究方法或使用数据不同等因素，该区地壳及上地幔速度结构模型仍存在诸多不一致性，致使研究区发震机理仍不明晰。52 N第四纪火山新生代火山112116120124128132136 E484440西伯利亚克拉通华北克拉通西太平洋板块NMHVWDLCVEKVHLHVABGVSLVLGVCBVCBMJPHVSJBELBHLBBBBSLBDTVS1F1F2600500400ZGCRGXARLXAR燕山造山带渤海F1 伊兰伊通断裂；F2 敦化密山断裂 500太平洋板块俯冲上界面深度（Hayes et al，2018）新生代和第四纪火山火山群研究区所在位置SLB 松辽盆地；ELB 二连盆地；HLB 海拉尔盆地；SJB 三江盆地；BBB 渤海湾盆地；GXAR 大兴安岭；LXAR 小兴安岭；ZGCR 张广才岭；CBM 长白山；S1 索隆缝合带；CBV 长白山火山；LGV 龙岗火山；JPHV 镜泊湖火山；WDLCV 五大连池火山；EKV 二克山火山；ABGV 阿巴嘎火山群；HLHV 哈拉哈火山群；NMHV 诺敏河火山群；SLV 双辽火山图 例图 1 中国东北地区地质构造Fig.1 Geological structure of Northeast China81第 2 期2 中国东北地区固定台站中国东北地区长白山火山地球物理观 测 始 于 1985 年（Fan et al，2019）。据中国地震学科数据中心数据，中国东北地区固定台站主要分布在黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古等地，共计 300 余个台站（图2），主要由中国地震局（China Earthquake Administration，CEA）下辖各省地震局部署和维护管理。其中松辽盆地西南部台站分布较密集，而在其内部及东西部和北部台站分布较稀疏且不均匀，特别是大兴安岭地区和松辽盆地北部的五大连池火山区域。固定地震监测台站建设标准高，台基噪声水平低，地震监测系统主要由三分量宽频带地震计与数据采集器组成，观测方式有山洞、地面、半地下和井下 4 种，观测数据质量高。前人多基于固定台站记录波形开展相关研究工作，如：白玲（2011）基于中国东北地区 10 个固定台站记录，观测其 SKS 波分裂特征，确定了快波 S 波的振动方向和快慢波时间延迟；贾军等（2011）收集了 2000 年 1 月至 2011 年 2 月黑龙江省地震台网的地震波形记录中 2 158 条 Pn 波到时数据，并结合观测报告，反演获得中国东北地区 Pn 波速度结构，发现中国东北地区上地幔顶部的 Pn 波低速结构区域与火山活动区域一致性较好；高业欣等（2020）基于东北地区 111个固定地震台站 2012 年 1 月 1 日至 2015 年 10 月 1 日的连续波形记录，利用接收函数方法得到研究区 7 140 km 深度范围内横波速度结构，结果显示，研究区中 上地壳速度结构与地表构造较一致，中、下地壳在南北重力梯度带以西表现为明显的低速异常，以东表现为高速异常，长白山火山下方的明显低速异常持续到 140 km 深度。近年来，为了获得中国东北地区精细壳幔结构，提高研究结果的分辨率和精度，更多研究工作将该区固定台站与流动地震台网数据结合使用。3 中国东北地区流动台站流动台站作为中国东北地区地震监测的重要补充，在震后应急、重点区域监测以及科学研究中发挥着重要作用。中国东北地区流动台站主要由省地震局和科研机构、组织布设，流动台站所使用的仪器既有宽频带地震仪也有短周期地震仪。出于监测和研究的不同要求和目的，流动台站布设的几何形态有所不同，有的呈等台间距的矩形分布，有的呈线形分布，也有的呈散点状分散在研究区域。（1）XI 流动台网（图 3 中绿色方形）。该台网位于中国东北地区长白山区域，由中国图 2 中国东北地区固定台站分布Fig.2 Distribution of permanent stations in Northeast China52 N112116120124128132136 E48444036台站南北重力梯度带宋晓燕等：中国东北地区地震台站分布及观测数据应用地震地磁观测与研究44 卷 82地震局地球物理勘探中心和美国纽约州立大学宾汉顿分校合作布设，共 19 个宽频带地震台站，运行时间为 1998 年 6 月到1999 年 3 月。利用该台网数据进行相关研究工作，主要有 Hetland 等（2004）和段永红等（2005）通过接收函数方法反演台站下方 S 波速度结构，结果发现，在长白山火山附近台站下方存在明显的 S 波低速层。（2）NECESSArray 台 网（图 3 中 蓝 色方块）。NECESSArray（the Northeast China Extended Seismic Array）流动台网由中国、美国和日本合作布设，用于研究太平洋俯冲板块的几何形态及中国东北地区地壳伸展和火山机制。该台网共 127 个宽频带地震台站，运行时间为 2009 年 9 月到 2011 年 8月。该流动台网台间距 70 80 km，以较规整的分布方式覆盖了大兴安岭、松辽盆地及长白山大部分区域，对于提升中国东北地区精细壳幔结构研究起到了关键作用。研究者利用该台网数据基于不同方法开展了不同方向的研究（Kang et al，2016；Kim et al，2017），如：Guo 等（2015，2016）利用该台网连续波形记录，对中国东北地区进行背景噪声成像研究，获得该区地壳和上地幔横波速度结构，并提出岩石圈地幔对流模型（图 4）。（3）WAVESArray 台网（图 3 中黄色方块）。WAVESArray（Wudalichi Active Volcano Experiment of Seismology Array）台网由中国地震局地壳应力研究所（现应急管理部国家自然灾害防治研究院）与中国科学院地质与地球物理研究所合作布设，台网主要覆盖五大连池火山附近区域，共 149 个台站，运行时间为 2015 2019 年。该台网的布设使得中国东北地区北部台站密度得以改善，有助于研究人员细致刻画中国东北地区壳幔结构特征。Yang 等（2019）利用该台网数据，基于背景噪声成像一步法，反演获得五大连池火山及邻区地下 40120 km 地壳、上地幔速度结构，发现火山下方有呈向下延伸趋势的低速异常。（4）其他台网。除了上述台网，中国地震局地球物理研究所在中国东北地区布设了2 条近乎平行的测线及零散流动台站（图 5），共 116 个测站，运行时间为 2009 年 6 月到2011 年 8 月。利用该流动台网数据，吴庆举研究组先后对中国东北地区进行 P 波走时层析成像研究（张风雪等，2013）、S 波走时层析成像研究（张风雪等，2014）、P 波接收函数图 4 Guo 等（2016）的结果Fig.4 The result of Guo et al(2016)HLHVJPHVSLBCBVABGVSecondary upwellingDownwellingStagnant slabUpwelling200 km?流动台网NECESSArryWAVESArray52 N112116120124128132 136 E48444036图 3 中国东北地区流动台网Fig.3 Distribution of portable stations in Northeast China83第 2 期（张广成等，2013）、背景噪声成像反演三维 S 波速度结构研究（潘佳铁等，2014），获得了较丰富的研究结果。2011 2015 年 期 间，中 国 科学院陈棋福研究组在中国东北地区布 设 约 60 个 流 动 宽 频 带 地 震 台 站（图 6），名 为 NECsaids 台（Northeast China Seismic array to investigate deep subduntion），平 均 站 间 距 约 为 15 30 km。该台网的建设目的是，研究中国东北地区地壳上地幔结构的细结构，以便更好地了解太平洋俯冲板块的几何结构和深部俯冲过程。如图 6 所示，这些台站被布设在 2 个几乎正交的剖面上（南北线和东西线），其他零星站分布在这些剖面周围（Wang et al，2016）。图 6 Wang 等（2016）的结果Fig.6 The result of Wang et al(2016)46 N4442126130124128132134 EMDJ台NECsaids Array火山地震板块俯冲界线EW06EN06MDJ欧亚板块太平洋板块600500400地形高度/m地震深度/km-2000-10000100010020030040050060020003000EW09上述流动台网台站数量较多，还有一些研究组出于不同的研究目标，在中国东北地区布设了小规模流动台网，如中国科学院艾印双研究组 2005 2006 年在该区域布设 20 个流动台站，并通过接收函数方法进行了上地幔间断面的研究（Ai et al，2003）；吉林大学Tian 等（2016）在 2007 2014 年分 2 期布设 26 个流动台站进行监测，并通过接收函数方法获得了长白山火山下方地幔转换带的细结构。图 5 张风雪等（2013）的结果Fig.5 The result of Zhang et al(2013)52 N484440116120124128132 Ecdfeghai600 km550 km500 km450 kmb松辽阿尔山盆地吉大兴安岭褶黑褶皱系长 白山皱系五大连池宋晓燕等：中国东北地区地震台站分布及观测数据应用地震地磁观测与研究44 卷 844 结论与展望经过 30 年左右的发展，中国东北地区固定和流动台站分布基本可以较密集地覆盖整个区域。基于这些台站的观测数据，研究人员先后进行了多学科不同尺度的研究，对于中国东北地区深部结构的探测工作已取得显著进展和一些普遍共识。然而，前人研究结果也存在不少差异，相关研究工作仍需加强、加深，具体可操作措施如下：（1）继续加大固定台站的覆盖范围和分布密度。目前普遍认为中国东北地区火山下方地壳和上地幔中存在与火山岩浆系统相关的低速异常体，但限于台站分布密度不够，地震观测资料有限，致反演成像分辨率存在较大差异，对低速体分布位置和展布形态的认识仍不统一，未来需加大固定地震台网建设力度，继续积累地震观测数据。松辽盆地及其两侧盆地为中国东北地区主要孕震区域，但松辽盆地及其东西部和北部的固定地震台站分布较稀疏，需加大台站密度，为防震减灾服务。（2）加强流动地震台网数据的共享和融合力度。随着地震观测数据管理和服务的不断提升，以及计算机技术的高速发展，固定地震台网数据以及部分流动地震台网数据的获取也越来越便捷，相信未来随着数据的共享和深度融合，对于中国东北地区的相关研究也会取得更多可靠成果。参考文献白玲.中国东北上地幔各向异性研究 J.辽宁科技大学学报，2011，34（5）：449-453.段永红，张先康，刘志，等.长白山 镜泊湖火山区地壳结构接收函数研究 J.地球物理学报，2005，48（2）：352-358.高立新，戴勇.现今中国东北地区地球动力学环境 J.大地测量与地球动力学，2020，40（11）：1 101-1 107.高业欣，燕云，朱叶琳，等.利用接收函数和面波联合反演东北地区壳幔速度结构 J.防灾减灾学报，2020，36（3）：41-46.雷建设，赵大鹏，徐义刚，等.长白山火山下方地幔转换带中滞留的俯冲太平洋板块存在空缺吗?J.岩石学报，2018，34（1）：13-22.贾军，周仕勇，孟宪森，等.东北地区 Pn 波速度结构研究 J.防灾减灾学报，2011，27（2）：53-59.潘佳铁，李永华，吴庆举，等.中国东北地区地壳上地幔三维 S 波速度结构 J.地球物理学报，2014，57（7）：2 077-2 087.张风雪，吴庆举，李永华.中国东北地区远震 P 波走时层析成像研究 J.地球物理学报，2013，56（8）：2 690-2 700.张风雪，吴庆举，李永华.中国东北地区远震 S 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stations宋晓燕等：中国东北地区地震台站分布及观测数据应用