青海及邻区地震目录最小完整性震级分析

第40卷第4期 2020年10月
地 震
E A R T H Q U A K E
Vol. 40，No. 4
Oct.，2020
doi：10. 12196/j. issn. 1000-3274. 2020. 04. 002
青海及邻区地震目录最小完整性震级分析
余娜，张晓清，杨晓霞
(青海省地震局•青海西宁810000)
摘要：在强震多发且台站分布极不均勻的_i¥海地区开展最小完整性震级分析，对该地区的地®
危险性分析具有重要的现实意义。

基于青海区域地震台网定位的地震S录，利用“震级-序号”
法和多参数方法分析r的时间演化特征；采用“完整震级范围”方法研究了其空间分布特
征。

研究表明.不同时段青海及邻区M、.的空间分布存在非均匀性，其与测震台站的空间分布
特征和分布密度具有较好的一致性。

2015年6月后祁连、柴达木、巴彦喀拉区域的东部区域最
小完整性震级较小.4以上的地震目录基本完整.羌塘区域的M小完整性震级最大，
为吣.2. 5左右；研究区的iW,随着测震台站数的增加、台网布局的优化而降低。

关键词小完整性震级级-频度分布；区域地震H录
中图分类号：P315. 7 文献标识码：A文章编号：1000-3274(2020)04-0023-10
引言
通常，地震目录的最小完整性震级M(随着地震台站数量的不断增加而减小，但是，由于测震台站空间分布的非均匀性、震相数据信噪比的时空复杂变化和定位过程中观测数 据使用的人为选择性等各种因素，即使“最好的”地震目录也存在监测能力的非均匀性和不 一致性1。

不同时段、不同区域监测能力不同，也存在很大的差异。

M t的微小变化可导致地震数目的变化，进而直接影响统计结果。

因此，开展最小完整性震级M,的科学评 估工作，是地震危险性研究的重要内容之一。

例如，基于地震目录的统计地震学方法与指标需要保证地震目录完整；根据地震发生率的瞬态变化研究与应力、应变的相关联的地震 静态和动态触发现象;地震危险性分析1以及余震序列参数研究:5’6]等。

青海地区是西北地区构造运动强烈、强震多发的地区之一，1953年由中国科学院地球 物理研究所在西宁建立第一个地震台，开启了青海地震观测历史。

从1995年开始，伴随着 中国数字观测网络、中国大陆构造环境监测网络和背景场项目等重大工程项目的实施.青海地区监测能力得到大幅度提升，尤其是2008年“十五”数字地震观测网络项目的完成，青 海地区的地震观测系统得到长足发展。

因此，鉴于青海地区不同区域、不同时段地震监测 *
*收稿日期：2020-01-07;修改回日期：2020-02-20
基金项目：中国地震科学实验场专项（2019CSES0108); 2020年度青海省地震科学«金（2020A04)
作者简介：余娜（1984-).女•青海民和人，工程师.主要从事数字地震资料的应用研究，
24地 震40卷
能力有很大不同.针对青海地区地谟观测以来的历史地震目录进行分区域、分时段全面系 统地分析•并给出其/W,的时空分布特征具有重要的现实意义。

李志海等7利用多参数方法和G-R关系的交互式分析方法分区研究了新疆地区M,的时间演化和空间特征，给出了K域的最小完整性震级；冯违刚等 '利用“震级-序兮”法、多参数方法和E M R方法分析了甘肃及邻区地震监测能力在时空h的分布特征；韩立波等' 采用完整性震级范围的方法研究了南北地震带蚪的空间分布特征。

这邱研究通过分区域、分时段分析了研究区域的最小完整性震级.似是地震观测质量的一致性也会影响最小完整 性震级，本文统一采用至少3个台站记录到的定位地震目录，利用“震级-序号”法、“最大 曲率”法（Maximum C'urvature-Method.MAXC)和拟合度分别为90%和95%的拟合优度 检测法（Goodness-of-fit te st,G FT)和“完整震级范围”（Entire-Magnit.ude-Range，EMR)方 法，分析1970年以来青海区域测震台网测定的定位地震目录M,的时间演化和空间分布特 征，为该地区地震危险性分析和地震台网布W等提供科学参考。

1资料选取
本文研究范围为青海及邻区（31°N〜40°N, 88°E〜104°E),使用青海区域测震台网定位的地虔目录，地震S级使用1970年1月1日至2019年10月30日研究区共记录到 H.O. 1 以上地震37323次，其中，0〜M,.l. 9 地震 18205次，M.2. 0~M,.2. 9 地震 13006次，0〜从义 9 地震 3141 次，H.4.0〜M,.4. 9 地震 664 次，ML5.0〜iW,.5. 9 地 震272次，从.6.0〜风.6.9地震44次，]\^7.0〜风.7.9地震4次，邮.8.0〜吣.8.9地震1 次。

图1给出了青海及邻区1970年以来的固定地震观测台站和加密观测台站，可以看出，台站分布极不均匀，呈现出东部密、西部稀疏的特征。

00。

90° E 95° 100' 90° E 95° 丨
图1研究[X测震观测台站（a)及地震空间（b)分布
(a)蓝色■:角形表示2009年以后开始运行的台站；红色•:角形表示2009年以前运行的台站
F ig. 1D is trib u tio n of seism ic s ta tio n s(a)an d e a rth q u a k e s(b)in Q in g h ai reg io n
(a) In the figure, the blue triangle represents the stations that have started to operate since 2009.
and the red triangle represents the stations that have operated before 2009
1970年至今.青海测震台网发展变化很大且台站分布不均匀，其必然会导致地震监测 能力的空间差异也较大。

若最小完整性震级过高，参计箅的地溪数[3会减少；而降低误 级下限行些区域监测能力低记泌不到地震.W此，区域整体的M+能直接用于地震活动
4期 余娜等：青海及邻K地震目录最小完整性銳级分析25
性研究，耑要分区域、分时段进行分析。

本文根据张培震等1对中国大陆及其邻区给出的活动地块将研究区分为4个区域，分别为I祁连区域、丨I柴达木区域、丨丨丨巴彦喀拉区域和 IV羌塘区域，分析不同区域iV l的时间演化特征，以期为地震活动性研究和台网布局提供参考。

2研究方法
最小完整性震级iV t是特定尺度的时空内可100%被检测到的地震事件的最小震级1n’l2]。

基于地震目录和统计地震学计算Mt的方法有两大类：一类是基于G-R关系，假定震级不小于M,.的地震在震级-频度分布上满足G~R关系13i:
logiu N=a—l)M
式中，《和/;为常数；N为震级彡M的地震个数。

当震级-频度分布能很好地满足G-R关系 时所对应的最小起始震级定义为M(。

的具体计算方法有最大曲率方法（MAXC) I;和拟 合度分别为90%和95%的拟合优度法（G F T P。

也称多参数方法或“完整震级范围”方法 (EMR)[1。

基于G-R关系的评估方法在小样本情况下，可能会造成评估结果不成立或者评估结果的偏差。

另一类是基于非G-R关系的方法，具体有：“震级-序号”法和基于概率的完整性震级方法（PMC) ”等…由于基于G-R关系的估算方法基于简单的分布假设，且在计算屮便于操作，是目前计算Mt.最常用的方法。

因此•本文采用定性评估的“震级-序号”法和多
参数方法分析青海及邻区随时间的变化特征，采用E M R方法分析其空间分布特征。

3最小完整性震级的时间演化特征
定性评估的“震级-序号”法是根据地震发生的先后顺序进行排序，通过考察对应序号和震级分布来定性地讨论地震完整性变化，将地震密度较大的K域连线大致为的吋序变化。

使用地震序号的优势在于，可以避免强震发生后造成较小余震的“淹没”、余震区甚 至更大范围内地震监测能力显著降低的现象18]。

图2是研究区“震级-序号”法的计算结果。

最大曲率方法是将震级-频度分布曲线一阶导数的最大值所对应的震级作为M,。

拟合度检
地震密度
15040
135
j 30
- 25
i. 20
- 15
10
0 0:5 1:0 1:5 2.0 2.5 3.0 3.5
地震序号/><丨0<次
图2 “谋级-序号”法分析研究区的时间演化
Fig. 2 Analysis of temporal variation of minimum magnitude of completeness
by “Magnitude-rank” method in Qinghai region
26地 震40卷
测法是通过搜索对应给定的实际和理论震级-频度分布下的拟合度百分比来确定H，一般 同时采用GFT-95%和GFT-90%的拟合度检测法。

按照GFT-95%>GFT-90%>M A X C 的优先级选择每次滑动计算结果，选取后的M,如阁3屮标注为M-B e st的黑色曲线所示。

图3多参数方法分析研究IX的时间演化
Fig. 3 Analysis of temporal variation of minimum magnitude of completeness
by Multi parameter method in Qinghai region
从图2和图3 nj•以看出，随着测震台网的升级改造，青海及邻区整体的随着时间的推移呈下降趋势，2008年“十五”数字地震观测网络项目完成后.从2009年丌始的变化相对稳定。

研究区整体M,的时间演化可以分为3个阶段：①1970- 1983年^为]^.3.0〜M,.4. 0;② 1984—2008 年 M(.为 H.2. 0 〜^.3. 0;③ 2009—2019 年 M,.为 H.L 8 〜H 2.9, M,的这种变化与2008年“十五”数字地震观测网络的建设与运行有很大的关系。

图4(a)是祁连区域M的时序变化曲线.可以看出，祁连区域19701983年从1.为从12.0 〜ML3.0, 1984—2007 年 M,.为 M,.2. 0〜M d. 5, 2008 —2014 年 J V T.为 M d. 5〜Mh2. 0, 2015年一2019年10月30日为M,.L5〜 1.8。

图4(b)是羌塘区域蚊的时序变化曲
地籐序号/x i c p次地®序吁/x i o»次
图4 不同区域19 70年以米iW,.的时间演化
U)祁连区域；（b)羌塘K域；（◦)柴达木区域；（d)巴彦喀拉区域
Fig. 4 Tem poral variation of M, in every zone since 1970
(a) Qi Lian region；(b) Qiang Tang；(c) Chai DaMu region；(d) Ba YanKaLa region
4期 余娜等：青海及邻区地震目录最小完整性震级分析27
线.可以看出，羌塘区域1970—2007年M.为H.3.0〜 4.0, 2008 —2010年M,.为Mh2.5 〜ML3.0, 2011—2019年10月30日为M L2.0〜iW,.2. 7。

图4(c)是柴达木区域的时序变化曲线，可以看出，柴达木区域1970- -1983年/W,为M,.3.0〜iW h4.0, 1984 -2002年 M,.为M,.2.0〜iW L3.0, 2003—2014 年 M,.为iW,.l. 5〜M,.2. 5, 2015— 2019 年 10 月30 日M,为M.2. 0。

图4(d)是巴颜喀拉[X:域吣的时序变化曲线，可以看出，巴彦喀拉区域1970—2014 年 M,.为 M|.2.0〜M h3.0, 2015—2019 年 10 月 30 日M,.为 H.I.8〜A42. 5。

4最小完整性震级的空间分布特征
“完整震级范围”方法对理论和实际地震目录的拟合情况均优于其他基于G-R关系的 方法]。

E M R方法对震级高于M的地震事件采用幂律分布，并使用最大似然函数估计a 值和6值:|8];而对于震级低于的地震事件采用正态累计分布函数W M I p，<r)来描述作 为震级M函数的检测能力，WiWIp a)表示地震台网对某一震级下检测一次地震的概率1:
1^—e-^dM,M<M…
q(.M|/u,a)=-i17v27t^ (1)
1，M>M,
式中，"是50%的地震被记录到时对应的震级；〇为相应的标准差。

其中较高的<7值对应台 网监测能力快速下降。

当iVQsJW,.时，检测概率为1。

对M,的不确定度AJU,—般采用 Bootstrap方法19’2<1]的蒙特卡洛近似估算，对观测信息进行随机取样，每次采样后计算其统计量，最后估算各个统计量的方差，即为AM。

，而A1为各次bootstrap重采样后的平 均值。

为了分析青海及邻区的空间特征.根据青海区域台网和加密观测台站的建设，将 其分为4个阶段进行分析：整体1970年1月1日〜2019年10月30 H、1970年1月1H 〜2008年12月31日、2009年1月1H〜2015年5月30日、2015年6月1日〜2019年 10月30日。

计算采用0. 1°X0. 1°进行空间网格划分，以每个格点为圆心，设定r_= 20km,rm a x=100km,地震数目下限为30次，AiW,.的bootstrap重采样次数设定为200次。

计算得到不同时段研究区最小完整性震级和4%1的空间分布情况。

图5为1970年以来青海及邻区級及AM。

空间分布，可见青海及邻区由西向东逐渐减小，其中祁连区90° E 92° 94° 96° 98° 100° 102° 104° 90°E 92* 94" 96° 98° 100° 102° 104
1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
图5 1970年以来青海及邻区JV Ua)和AJW,.(b)的空间分布
Fig. 5 Spatial distribution of M, and AM, in Qinghai regions since 1970
28地 震40卷
域和研究区东南部的最小，羌塘区域的较大，这勺测震台站的空间分布（图1)和分 布密度具有较好的一致性，台站分布较密的地区^(相对较小，台站分布稀疏的地区A1较 大。

灰色区域由于地震活动水平较低，没有满足条件并州于计算的空间网格点，无法得出 结果，该区域自记载以来一直未布设测震台站，监测能力很低。

图6为不同时段青海及邻区M,和AM(的空间分布，由图可见，研究区的紙随着时间的推移逐渐减小。

其中，研究区西北部和羌塘区域的变化最为显著。

1970 — 2008年，研 究区东部K域的西北部部分区域的iV l为]^.3.0〜ML4.0,西北部 小部分区域和研究区南部区域由于地震数目过少，没有符合条件的空间网格点，无法获得90° E 92° 94。

96。

98。

100。

102。

104。

90° E 92° 94° 96。

98° 100° 102。

104
1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0 4.5
5.0 0.2 040.6 0.8 1.0 1.2
1.2 1.6
2.0 2.4 2.8
3.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4
1.2 1.6
2.0 2.4 2.8 0.1 0.2 0.3 0.4
图6肯海及邻区不同时段H(a,c，e)和AM, (1). d. f)的空间扫描结果
(a)，（b) 1970 年1月1H 〜2008 年12 月31 日；（c)，（d) 2009 年1月1日〜2015 年5 月30 日；
(e)，（f) 2015年6月1日〜2019年10月30日
Fig. 6 Spatial distribution of M, andAM, in different periods in Qinghai region
(a) , (c) and (e) show mapping results of M, ；(b)» (d) and (f) show mapping results of AM,. (a) and (b) for
197CHM-01 〜2008-12-31; (c)and (d) for 2009-0卜01 〜2015-05-30; (e)and (f) for 2015-06-01 〜2019-10-30
4期 余娜等：青海及邻区地震目录最小完整性震级分析29
计算结果，用灰色区域来表示（图6a); 2009年1月1日〜2015年5月30 口，2008年“十 五”数字地震台网运行以来，研究区的监测能力得到很大的提高，研究区东部区域的为M d.6〜M h1.9,西北部区域的为风.1.6〜M,.2.3,羌塘区域的M,为M,.2.2〜3. 2,中部区域的为风丄7〜]\^2.3(图6c); 2015年6月1日〜2019年10月30日，经过台网 优化和加密观测台站的运行，除了羌塘区域的iV^为M,.2. 5,研究区其他区域的M,降至 MK1.4〜ML1.9(图6e)。

由图6(b)、图6(d)、图6(f)给出的AM,.的空间分布可见，大多数 地区的A iV^<0.2个震级单位。

5结论与讨论
本文根据1970年以来青海区域地震台网定位的地震目录，采用“震级-序号”法、多参 数方法和“完整震级范围”方法，分时段、分区域地分析了青海及邻区M,.的时间演化和空 间分布特征。

研究表明，研究.的空间分布存在很大的非均匀性，伴随着中国数字观测网络建设，尤其是数字地震观测台网正式运行，研究区地震监测能力得到进一步提升。

目前，祁连区域、柴达木区域和巴彦喀拉区域的东部区域最小完整性震级M,较小，在 2015年后M d.4以上的地震基本完整，羌塘区域的最小完整性震级最大，S M h2.5左右，这与测震台网分布特征和分布密度有很大的关系。

将本文研究结果与冯建刚等[221给出的 青藏高原北部各构造分区完整性震级下限相比较，发现在同一时段两者的估算结果基本一 致。

采用“震级-序号”法（图2)和多参数方法（图3)分析青海及邻区整体的的时间演化特征，发现其变化趋势基本一致。

实际上，不同的计算方法得到的值之间会存在一定的偏差[21],例如，2016年1〜3月“震级-序号”法计算得到的.值与多参数方法计算得到的M值约有0.4的偏差，而且“震级-序号”法计算得到的M值降至JW h1.0以下，这与实 际的监测能力不太符合。

分析认为，祁连地区是研究区台网分布最密集的区域，区域地震 台网能定位记录到较小的余震，此外，“震级-序号”法是按地震发生时间的先后顺序对地震 数目进行排序，2016年1〜3月期间，发生了 1月21日门源6.4级地震，故造成了 大幅下降变化。

另外，Ai.的时间演化分析中，M,.值仅反映区域平均结果，在的空间分布研究中，由于某些区域的地震数目过少而未能得到计算结果。

从全部数据总体估算的M.空间分布 (图5)与分时段估算的M。

空间分布（图6)也可以看出，在部分地区即使是监测能力最好的 2015—2019年时段的M(.结果也高于利用全部数据总体计算出的M。

结果，这可能表明E M R方法的计算受到使用数据量的影响，考虑到基于G-R关系的计算方法的这些局限性，相关结果仍然需要与基于非G-R关系的方法进行对比分析。

本文是在防灾科技学院培训期间完成，中国地震局地球物理研究所蒋长胜研究员在培 训期间讲授了原理，并提供了程序，在此表示感谢。

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地 震
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Y U N a,Z H A N G X ia o-q in g,Y A N G Xiao-xia
(E arthquake Adm inistration of Qinghai province, Xining 810000, China)
Abstract ：w e s tu d y th e m in im u m m a g n itu d e of c o m p le te n e s s, M c, in Q inghai region w h e re s tr o n g e a r th q u a k e s o cc u r fre q u e n tly and th e s e is m o s ta tio n s are sp a rse and uneven. T h is w o rk s has p ractical significance to analyze th e seism ic ris k in th is area. U sin g“m a g n itu d e- r a n k” m e th o d to in v e stig a te th e te m p o ral v aria tio n of m in im u m m a g n itu d e of c o m p lete- n e s s,and th e sp a tia l d is trib u tio n characteristics of m in im u m m a g n itu d e of co m p le te n e ss are stu d ied by LLsing “c o m p le te m a g n itu d e r a n g e” m e th o d. It is obse rv e d th a t in d ifferent s ta g e, M c is d is trib u te d in h o m o g e n e o u s ly, w hich is in goo d a g re e m e n t w ith th e spatial divS- tr ib u tio n and d is trib u tio n d en sity of seism ic sta tio n s. Since J u n e2015, th e m in im u m m a g­n itu d e of c o m p le te n e s s in th e e a s te rn region of Q ilia n. Q a id a m a n d Bayan K ara reg io n s are s m a lle r, th e e a r th q u a k e c a ta lo g u e above M L1. 4 is b asically com plete. But th e m in im u m m a g n itu d e of c o m p le te n e s s of Q ia n g ta n g region is s o m e th in g la rg e and reached Mi 2. 5 or m ore. T h e te m p o ra l v aria tio n of M(.for Q in g h ai reg io n s h o w s th a t th e M‘decreases g ra d u- ally w ith th e o p tim iz a tio n of th e n e tw o rk and in c re asin g of se ism o sta tio n s.
Key words：M in im u m m a g n itu d e of c o m p le t e n e s s；M a g n itu d e-fre q u e n c y d i s t r i b u t i o n；
L o ca tio n e a r th q u a k e catalogue。