江蘇及鄰區(qū)地方性震級量規(guī)函數(shù)的研究

康清清 顧勤平 于悅穎 錢婷 黃群 霍祝青

1)江蘇省地震局,南京 210014

2)中國地震局地球物理研究所,北京 100081

3)江蘇省無錫地震臺,江蘇無錫 214000

4)江蘇省溧陽地震臺,江蘇溧陽 213300

0 引言

震級是表征地震大小的物理量,許多研究工作如地震統(tǒng)計、震源物理研究、地震烈度、地震與前兆現(xiàn)象的關(guān)系等都與其密切相關(guān)(陳培善等,1983),提供統(tǒng)一、準(zhǔn)確的震級標(biāo)度,無論是從地震預(yù)測科學(xué)還是社會應(yīng)對策略角度均是一件有意義的重大基礎(chǔ)性工作(劉瑞豐等,2017)。我國省級測震臺網(wǎng)量取的震級類型主要是地方性震級ML,影響該震級類型計算的因素主要有量規(guī)函數(shù)、臺基效應(yīng)、地震震源(地震輻射方向)等(嚴(yán)尊國,1986)。其中量規(guī)函數(shù)描述了地震波隨距離衰減的特性,與地殼構(gòu)造緊密相關(guān),具有明顯的區(qū)域特征(薛志照,1992),不同地區(qū)的地震波衰減特性各不相同。因此,建立與本地區(qū)的地殼特征相對應(yīng)的量規(guī)函數(shù)十分必要。

我國地震工作者圍繞量規(guī)函數(shù)開展了大量的研究,李善邦(1981)結(jié)合我國當(dāng)時常用的短周期地震儀器和基式中長周期地震儀器的特性,得到了量規(guī)函數(shù)R1(Δ)和R2(Δ),在全國范圍內(nèi)推廣使用。嚴(yán)尊國等(1992、1995)依據(jù)我國廣大地區(qū)的實際觀測資料,分別確定了我國東部和西部地區(qū)的地方性震級量規(guī)函數(shù),并約定了其使用區(qū)域。劉瑞豐等(2015、2017、2018)對2002年以前全國各測震臺網(wǎng)的大量觀測資料進行震級方面的深入研究,形成了新震級國家標(biāo)準(zhǔn)GB17740-2017(以下簡稱“新國標(biāo)”),建立了我國分區(qū)地方性震級量規(guī)函數(shù)(王麗艷等,2016)。

針對全國性的量規(guī)函數(shù),在特定區(qū)域范圍內(nèi)對觀測資料展開研究,可以進一步修正和完善原量規(guī)函數(shù),使之更趨于合理化。多個省級區(qū)域測震臺網(wǎng)根據(jù)屬地化原則,針對所管轄區(qū)域開展了更為細(xì)致的工作,如河北、福建、山西、江西、甘肅、廣東、新疆等地的臺網(wǎng)已分別取得了適用于本地區(qū)的有益結(jié)果(趙明淳等,2005；林仙坎,2006；孟曉琴等,2008；項月文等,2010；陳繼鋒等,2013；呂作勇等,2015；張志斌等,2018),而江蘇省地震局測震臺網(wǎng)自數(shù)字化以來還未進行過相關(guān)研究。

自2009年以來,江蘇及相鄰數(shù)字測震臺網(wǎng)已積累了大量寬頻帶數(shù)字地震觀測資料,為建立該區(qū)域量規(guī)函數(shù)提供了契機。本文借鑒前人所做的工作,在新國標(biāo)量規(guī)函數(shù)的基礎(chǔ)上進行校正,試圖得到更適用于江蘇及鄰區(qū)的地方性震級量規(guī)函數(shù),以提高江蘇省地震臺網(wǎng)地方性震級測定的精度。

1 臺網(wǎng)概況和資料選取

“十五”數(shù)字化改造以來,江蘇省數(shù)字地震臺站已覆蓋全省,目前共有75個數(shù)字測震臺站,其中,深井臺站31個,地面臺站44個,平均臺間距約為40km。對于蘇中沿海地區(qū)松散沉積覆蓋層,均采用深井觀測。為了提高對網(wǎng)緣地震的監(jiān)控能力,從中國地震臺網(wǎng)中心接收河南、山東、安徽、浙江和上海等省(市)34個臺站的實時波形數(shù)據(jù)。本文采用以上臺站選出的2009年1月～2018年1月江蘇及鄰省ML≥1.5、且基本保證有5個以上臺站記錄的觀測資料,經(jīng)過綜合分析、處理、復(fù)核后,最終篩選出觀測資料良好、且單臺震級樣本數(shù)超過50個的72個臺站記錄的2602個地震事件。最終選取的臺站和地震震中分布見圖1 ,共計算得到單臺震級數(shù)據(jù)20173個,震中距范圍0.4～500km。

圖1 本文選用的臺站和地震震中分布

表1 量規(guī)函數(shù)R12(Δ)

使用廣東省地震監(jiān)測中心開發(fā)的交互處理軟件JOPENS-MSDP 5.2,利用HYPOSAT方法定位程序(Schweitzer,2001)進行地震定位,采用IASP91全球地殼模型求出發(fā)震時刻,繼而得到多臺平均值,其產(chǎn)出的地方性震級結(jié)果使用的是“舊量規(guī)函數(shù)”中的R2(Δ),而本文在進行震級計算時則利用新震級國標(biāo)中的量規(guī)函數(shù)R12(Δ)進行重新計算?？紤]到觀測資料的質(zhì)量,剔除由于儀器參數(shù)填寫錯誤而導(dǎo)致的單臺震級偏差超過2的記錄。

2 計算方法

由于目前全國測震臺站均為數(shù)字化速度型記錄,而在速度記錄上測定地方性震級容易造成周期值讀取的不穩(wěn)定,為了保證ML震級標(biāo)度的繼承性和統(tǒng)一性,將原始記錄的速度振幅值均仿真成伍德-安德森短周期地震儀記錄后,量取兩水平向最大振幅的位移值,最后采用下式計算各子臺地方性震級值,臺網(wǎng)震級取多臺震級平均值,即

ML=lgAμ+R(Δ)

(1)

式中,Aμ為兩水平分向記錄的最大地動位移的算術(shù)平均值(μm),R(Δ)為我國GB17740—2017《地震震級的規(guī)定》中的附錄A地方性震級量規(guī)函數(shù)表(表1)中的量規(guī)函數(shù)。按照規(guī)定,江蘇地區(qū)使用R12(Δ)。

由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和不均勻性,地震波通過地殼的過程非常復(fù)雜,地震波振幅也千變?nèi)f化(陳培善等,1983),同時,由于地震波輻射的方向性,處在不同方位的臺站震級差可達(dá)1.5級甚至更大,因此需要大量的全方位覆蓋的地震進行統(tǒng)計分析,以消除地震輻射方向性的差異。震級殘差統(tǒng)計方法是指用單臺地震的震級值減去該地震的多臺震級平均值,得到單臺震級偏差,根據(jù)震級偏差隨震中距的變化曲線,進而得到新的量規(guī)函數(shù)。

對第j個臺站,按式(1)求得單臺地震的震級Mij,然后對第i個地震所有記錄到的N個子臺震級求平均值Mi和標(biāo)準(zhǔn)偏差δi(郭履燦等,1986；陳運泰等,2004),即

(2)

(3)

第i個地震、第j子臺震級偏差和平均偏差為

ΔMij=Mij-Mi

(4)

(5)

(6)

式中,k為間隔序數(shù),N為間隔范圍內(nèi)震級偏差樣本數(shù)。

3 計算結(jié)果及分析

對江蘇及相鄰數(shù)字地震臺網(wǎng)72個子臺所記錄的2602個地震共20173個樣本數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計,采用上述方法,計算得到了各子臺震級相對于臺網(wǎng)震級Mi的平均偏差ΔMi和標(biāo)準(zhǔn)偏差δi,計算結(jié)果見表2。

表2 各子臺計算得到的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差

3.1 單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差比較

對所有樣本進行單臺震級與平均震級偏差值的統(tǒng)計,如圖2 所示,偏差值基本呈正態(tài)分布、相對集中于-0.4～0.4。在20173個單臺震級樣本中,偏差值(絕對值)在0.2以內(nèi)(包括0.2)的有13240次,占65.6%；0.2～0.5之間的有6185次,占30.7%；0.5～1.0之間的有733次,占3.6%；大于1.0的有15次,占0.1%。

圖2 單臺震級與平均震級偏差統(tǒng)計

從表2 中可以看到,多數(shù)臺站存在震級偏差,偏差范圍在-0.31～0.22之間,72個臺站中有63個臺站的震級平均偏差絕對值在0.2之內(nèi),占87.5%；JS.NJ2、JS.PK、JS.CZ、JS.HUA、AH.CHZ、SD.JIX、SH.TPS、SH.DYS和SH.HUH這9個臺的震級偏差絕對值超過0.2。其中,JS.NJ2、JS.PK、JS.CZ臺為正偏差,該偏差可能來自于場地影響,雖然其臺基類型均為基巖,但場地響應(yīng)值顯示偏大2倍左右(康清清等,2016),因此計算出的震級值也普遍偏大。JS.HUA臺位于蘇中及沿海厚覆蓋層區(qū),井下地震計埋深315m,一般來說,雖然松散沉積層對入射波有一定的放大作用(吳微微等,2016),但由于布設(shè)臺站為井下地震計,其場地響應(yīng)與其他松散沉積臺基類型的井下臺站場地響應(yīng)相比,未呈現(xiàn)出低頻部分放大2～5倍的形態(tài)特征,而是較為平坦且分布在1附近(康清清等,2016),因此計算出的震級值偏小。SD.JIX、AH.CHZ、SH.TPS、SH.DYS和SH.HUH臺計算出的震級值均偏小,這5個外省臺站記錄的樣本地震分布偏于一側(cè),很可能是受震源輻射的影響,這一現(xiàn)象還有待做進一步的研究。所有臺站標(biāo)準(zhǔn)偏差值均在0.25～0.36之間,說明震級偏差值的離散程度較小。

3.2 單臺震級偏差值隨震中距的變化

(7)

江蘇及鄰區(qū)震級偏差隨震中距的變化曲線如圖3 所示。由圖3 可以看到,當(dāng)震中距小于100km時,單臺與平均震級的平均偏差值小于0,尤其是震中距在40km以內(nèi)時,單臺震級與平均震級的平均偏差超出了0.15,說明此震中距范圍內(nèi)量規(guī)函數(shù)偏小；當(dāng)震中距在100～280km時,震級偏差均在-0.1～0.1之間擺動,表明量規(guī)函數(shù)是適用的；當(dāng)震中距在280～450km時,震級偏差均大于0,說明此震中距范圍內(nèi)量規(guī)函數(shù)偏大；震中距大于450km的資料數(shù)量較少,且地震多分布于黃海海域,存在地震波輻射方向的差異,本文不予討論。

表3 單臺震級偏差按震中距分段統(tǒng)計

圖3 單臺震級偏差隨震中距的變化圖

3.3 量規(guī)函數(shù)的校正

從圖3 可以看出,震中距小于40km的地震,單臺震級普遍偏小;震中距在280～450km范圍的地震,單臺震級普遍偏大,這表明在江蘇及鄰區(qū)震中距450km以內(nèi)的地震量規(guī)函數(shù)可以通過校正以更適用于本地區(qū)的震級計算。按照式(7)對這一范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行校正,校正后的江蘇及鄰區(qū)量規(guī)函數(shù)R′(Δ)曲線見圖4,圖4 同時也給出了GB17740—1999和GB17740—2017中用于江蘇地區(qū)的量規(guī)函數(shù)曲線,以作對比分析。

圖4 量規(guī)函數(shù)曲線

圖4中江蘇及鄰區(qū)校正后的量規(guī)函數(shù)R′(Δ)曲線在震中距小于40km時,對R12(Δ)曲線改正量較大；新震級國標(biāo)中R12(Δ)在這一震中距范圍內(nèi)相比R(Δ)略有增大,但還不夠補償?shù)卣鸩S震源距的衰減。這一范圍內(nèi)震級偏差可能是由于震源深度變化引起的,隨著震源深度的增加,震源距和震中距之間的差別變大,這就使隨震中距變化的量規(guī)函數(shù)存在較大差別。震中距在100～280km范圍時,3種量規(guī)函數(shù)差別不大。當(dāng)震中距在280～450km范圍時,R′(Δ)比R12(Δ)略小。

4 量規(guī)函數(shù)的檢驗

為了檢驗校正后量規(guī)函數(shù)的精度和可用性,利用本文選取的2018～2019年江蘇及鄰區(qū)ML≥1.5地震觀測資料,采用校正后的量規(guī)函數(shù)對其震級進行重新測定,并與采用GB17740—2017震級國標(biāo)中量規(guī)函數(shù)計算的單臺震級偏差和標(biāo)準(zhǔn)誤差結(jié)果進行對比。得到的單臺震級偏差統(tǒng)計結(jié)果對比如圖5 所示。由圖5 可以看出,使用校正后的量規(guī)函數(shù)R′(Δ)計算所得的單臺震級偏差較R12(Δ)更加集中于ΔMij=0的方向,這說明使用校正后的量規(guī)函數(shù)能減小單臺震級偏差。根據(jù)式(3)得到單臺震級的標(biāo)準(zhǔn)誤差,將研究區(qū)域內(nèi)各臺站標(biāo)準(zhǔn)誤差值求平均值得到區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)誤差,修正前后的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.2768和0.2627,表明利用校正后的量規(guī)函數(shù)計算得到的震級優(yōu)于R12(Δ)。綜上所述,使用校正后的量規(guī)函數(shù)能夠提高江蘇及鄰區(qū)地方性震級的測定精度。

圖5 使用校正后的量規(guī)函數(shù)R′(Δ)與量規(guī)函數(shù)R12(Δ)計算所得的單臺震級偏差統(tǒng)計對比

5 討論和結(jié)論

選用2009～2018年江蘇及鄰區(qū)測震臺網(wǎng)數(shù)字地震記錄資料,利用震級殘差統(tǒng)計分析方法,對區(qū)域范圍內(nèi)72個臺站的觀測數(shù)據(jù)進行了歸類分析,得到單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差值、震級偏差值隨震中距的變化和量規(guī)函數(shù)。除JS.PK、JS.NJ2、JS.CZ、JS.HUA、AH.CHZ、SD.JIX、SH.TPS、SH.DYS和SH.HUH 9個臺的震級偏差較大外,有63個臺站的震級平均偏差均在±0.2之內(nèi),占87.5%。其中,JS.NJ2、JS.PK、JS.CZ、JS.HUA和AN.CHZ臺的偏差可能來自于場地影響；SD.JIX、SH.TPS、SH.DYS和SH.HUH臺的偏差可能是受震源輻射的影響,這一現(xiàn)象還有待做進一步的研究。

震中距小于100km、尤其是40km以內(nèi)及震中距在280～450km之間的新量規(guī)函數(shù)較之前有一定的變化；震中距在100～280km范圍時,校正前后量規(guī)函數(shù)的變化在0.1～0.2之間,變化較小。通過實際測定地方性震級表明,使用校正后的量規(guī)函數(shù)計算所得的單臺震級偏差更加集中,并向ΔMij=0靠攏；且使用校正后量規(guī)函數(shù)計算所得的地方性震級的標(biāo)準(zhǔn)誤差從0.2768減小到0.2627,說明使用校正后的量規(guī)函數(shù)能夠提高本地區(qū)地方性震級的測定精度。

致謝：衷心感謝中國地震局地球物理研究所劉瑞豐研究員的啟發(fā)和指導(dǎo)以及甘肅省地震局陳繼峰、四川省地震局吳微微的大力幫助。