新的震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在陜西地震臺(tái)網(wǎng)的應(yīng)用

徐一斐 趙 韜 邵若潼 張雪娟

（中國(guó)西安 710068 陜西省地震局）

0 引言

震級(jí)是對(duì)地震大小的量度，是地震的基本參數(shù)之一，在地震監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、信息發(fā)布、科學(xué)普及、新聞報(bào)道、防震減災(zāi)中具有重要作用（陳運(yùn)泰等，2004；國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局等，2004），是地震研究中的重要參數(shù)之一。震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740—1999《地震震級(jí)的規(guī)定》（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004）自實(shí)施以來(lái)，規(guī)范了地震震級(jí)的測(cè)定方法和使用，在地震監(jiān)測(cè)、震害防御、應(yīng)急救援等防震減災(zāi)相關(guān)工作中發(fā)揮了重要作用，取得了良好的科學(xué)效益和社會(huì)效益（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017）。

2001年，基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740—1999《地震震級(jí)的規(guī)定》（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004），中國(guó)地震局頒布了《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范（地震觀測(cè)）》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”），規(guī)定我國(guó)地震臺(tái)站（網(wǎng)）在日常地震監(jiān)測(cè)中要測(cè)定地方性震級(jí)ML、水平向面波震級(jí)MS、垂直向面波震級(jí)MS7、短周期體波震級(jí)mb、中長(zhǎng)周期體波震級(jí)mB等5種震級(jí)（中國(guó)地震局，2001），這些震級(jí)均基于模擬地震記錄。

目前，我國(guó)地震觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，地震臺(tái)站全部升級(jí)為數(shù)字化臺(tái)站。儀器特性、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)分析處理方式、震級(jí)測(cè)定的時(shí)效性等都發(fā)生了根本變化。自GB 17740—1999《地震震級(jí)的規(guī)定》（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004）實(shí)施以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)積累了大量的地震觀測(cè)資料，在地震震級(jí)測(cè)定方面有了新的認(rèn)識(shí)（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017）。隨著數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，震級(jí)測(cè)定方法研究也取得了重要進(jìn)展，矩震級(jí)測(cè)定被納入國(guó)際主流地震監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)日常工作，國(guó)際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理協(xié)會(huì)（IASPEI）也制定了新的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)與國(guó)際主流地震監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)在震級(jí)測(cè)定方面的差異逐漸顯現(xiàn)（Bormann et al，2008；IASPEI，2013；劉瑞豐等，2015；王麗艷等，2016）。為此，中國(guó)地震局于2011年成立項(xiàng)目組，開展震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，新的震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740—2017《地震震級(jí)的規(guī)定》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2017）于2017年5月12日正式發(fā)布，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地方性震級(jí)ML、面波震級(jí)MS、寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)、短周期體波震級(jí)mb、寬頻帶體波震級(jí)MB(BB)和矩震級(jí)MW等6種震級(jí)標(biāo)度的測(cè)定方法及使用作出了規(guī)定。

新的震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)保留了ML、MS和mb，取消了MS7和mB，增加了IASPEI推薦的MS(BB)、MB(BB)和MW，既在一定程度上保持了震級(jí)測(cè)定的連續(xù)性，同時(shí)也充分借鑒了國(guó)內(nèi)外震級(jí)測(cè)定方面的研究成果，最大程度上實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際主流地震監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)震級(jí)標(biāo)度的一致。

對(duì)于同一次地震，使用不同的震級(jí)標(biāo)度測(cè)定，通常會(huì)得到多個(gè)不同的震級(jí)，而不同震級(jí)標(biāo)度測(cè)定值之間的關(guān)系一直是研究者所關(guān)注的重要研究課題（劉瑞豐等，2005，2006，2007；Castellaro et al，2007；任克新，2008；楊晶瓊等，2016）。新的震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)定方法、測(cè)定結(jié)果方面與原規(guī)范中的震級(jí)間具有怎樣的關(guān)系？值得深入研究。對(duì)新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度與原規(guī)范涉及的震級(jí)種類較多，震級(jí)測(cè)量分向一致、震相相同、適用震中距范圍和地震波周期相近的震級(jí)標(biāo)度之間的比較，對(duì)于確定同類型震級(jí)之間的關(guān)系更具意義。因此，以陜西地震臺(tái)網(wǎng)2008年5月至2021年5月記錄到的104次ML≥4.5地震為研究對(duì)象，使用差值統(tǒng)計(jì)和線性回歸方法，對(duì)新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度中的ML、MS(BB)與原規(guī)范中的ML、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的MS以及MW進(jìn)行對(duì)比。

1 地方性震級(jí)ML的對(duì)比

1.1 計(jì)算公式和測(cè)量方法的差別

新國(guó)標(biāo)ML震級(jí)與舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)相比，計(jì)算公式相同，均為

它們的差別主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是仿真模式。原規(guī)范規(guī)定，可以仿真成DD-1型或W.A.型短周期記錄，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定則只能仿真成DD-1型。二是量規(guī)函數(shù)。原規(guī)范使用了李善邦（1981）根據(jù)Richter（1935）原始形式量規(guī)函數(shù)并結(jié)合我國(guó)地震儀器特性和華北地區(qū)地震波衰減規(guī)律修改后的量規(guī)函數(shù)R。該量規(guī)函數(shù)為全國(guó)統(tǒng)一的量規(guī)函數(shù)，并沒有考慮到我國(guó)地殼結(jié)構(gòu)的分區(qū)性，新標(biāo)準(zhǔn)則是根據(jù)地震波在不同區(qū)域的傳播規(guī)律建立了分區(qū)量規(guī)函數(shù)。

1.2 對(duì)比結(jié)果

選取2008—2020年陜西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄清晰且距省邊界100 km范圍內(nèi)的56個(gè)地震事件，分別對(duì)這56個(gè)測(cè)試地震按照新、舊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了ML震級(jí)測(cè)定。按照要求，波形在仿真成DD-1后在位移記錄上量取新國(guó)標(biāo)ML震級(jí)，波形在仿真成W.A.型短周期記錄后量取舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)，詳細(xì)結(jié)果見表1。

表1 利用新、舊國(guó)標(biāo)測(cè)量ML震級(jí)結(jié)果Table 1 ML Magnitudes measured by new and old national standards

對(duì)表1的新、舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)作了正交回歸分析，新、舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)關(guān)系如圖1所示，相關(guān)系數(shù)為0.964 2，RMS為0.103 4，并且新ML震級(jí)與舊ML震級(jí)間存在以下線性關(guān)系

由圖1可見，新、舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)之間存在一定的差值，差值分布如圖2所示。由 圖2可見，如果以舊ML震級(jí)為基準(zhǔn)，新ML比舊ML系統(tǒng)性偏大，但總體小于0.3。

圖1 ML震級(jí)（舊國(guó)標(biāo)）與ML震級(jí)（新國(guó)標(biāo)）間的線性關(guān)系Fig.1 The linear relationship between ML magnitudes measured by old and new national standards

圖2 新、舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)間偏差分布Fig.2 Distribution of ML magnitude differences measured by old and new national standards

2 MS(BB)、MW、MS(CENC)震級(jí)的對(duì)比

2.1 計(jì)算公式和測(cè)量方法的差別

新國(guó)標(biāo)MS(BB)使用未仿真垂直向記錄的最大速度值計(jì)算得到，其計(jì)算公式為

MS(CENC)使用仿真為基式地震儀后在水平分量量取最大位移計(jì)算得到，其計(jì)算公式為

而對(duì)于MW，可使用波形反演得到，MW能較好地體現(xiàn)地震的量級(jí)大小。

為檢驗(yàn)MS(BB)震級(jí)的穩(wěn)定性，選取陜西地震臺(tái)網(wǎng)2008—2020年記錄到的M≥4.5地震作為研究對(duì)象，并通過國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)頁(yè)和GCMT網(wǎng)頁(yè)分別查詢MS(CENC)和MW震級(jí)（Dziewonski et al，1981；Ekstr?m et al，2012；國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心，2021）。由于有些地震震級(jí)偏小，在遠(yuǎn)臺(tái)無(wú)法觀測(cè)到長(zhǎng)周期面波震相，最終得到62個(gè)同時(shí)具有MS(CENC)和MW震級(jí)記錄的地震事件，按照新的標(biāo)準(zhǔn)量取其MS(BB)震級(jí)后，對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比（表2）。

表2 MS(BB)、MS(CENC)、MW震級(jí)對(duì)比結(jié)果Table 2 Comparison among MS(BB),MS(CENC),and MW magnitudes

2.2 MS(BB)和MW對(duì)比

通過正交回歸分析，可以得到MS(BB)震級(jí)與MW震級(jí)間的關(guān)系（圖3），其相關(guān)系數(shù)為0.952 3，RMS為0.118 5，并且MS(BB)震級(jí)與MW震級(jí)間存在以下線性關(guān)系

圖3 MS(BB)震級(jí)與MW震級(jí)間的線性關(guān)系Fig.3 A linear relationship between MS(BB) and MW magnitudes

MS(BB)、MW震級(jí)的差值分布如圖4所示。由圖4可見，MS(BB)與MW無(wú)系統(tǒng)偏差，二者偏差在0附近呈正態(tài)分布，大部分偏差為-0.1—0.1。僅個(gè)別地震偏差較大，造成這種差異的主要原因可能是使用資料的不同，GCMT在進(jìn)行矩張量反演時(shí)主要使用遠(yuǎn)臺(tái)的長(zhǎng)周期面波，震中距一般大于1 000 km；而我們量取MS(BB)時(shí)主要采用區(qū)域臺(tái)網(wǎng)資料，震中距相對(duì)較小，長(zhǎng)周期面波可能還未發(fā)育完全。

圖4 MW震級(jí)與MS(BB)震級(jí)間偏差分布Fig.4 Distribution of differences between MW and MS(BB) magnitudes

2.3 MS(BB)和MS(CENC)對(duì)比

通過正交回歸分析，可以得到MS(BB)震級(jí)與MS(CENC)震級(jí)間的關(guān)系（圖5），其相關(guān)系數(shù)為0.964 2，RMS為0.105 9，并且MS(BB)震級(jí)與MS(CENC)震級(jí)間存在以下線性關(guān)系

圖5 MS(BB)震級(jí)與MS(CENC)震級(jí)間的線性關(guān)系Fig.5 A lLinear relationship between MS(BB) and MS(CENC) magnitudes

MS(BB)、MS(CENC)震級(jí)的偏差分布情況如圖6所示。由圖6可見，MS(BB)比MS(CENC)整體平均偏小0.2，這主要是因?yàn)槎叩牧恳?guī)函數(shù)間存在0.2的差值。

圖6 MS(BB)震級(jí)與MS(CENC)震級(jí)間偏差分布Fig.6 Distribution of differences between MS(BB) and MS(CENC) magnitudes

2.4 MS(CENC)和MW對(duì)比

正交回歸分析可以看出MS(CENC)震級(jí)與MW震級(jí)間的關(guān)系（圖7），其相關(guān)系數(shù)為0.945 7，RMS為0.126 6，MS(CENC)震級(jí)與MW震級(jí)間存在以下線性關(guān)系

圖7 MS(CENC)震級(jí)與MW震級(jí)間的線性關(guān)系Fig.7 A linear relationship between MS(CENC) and MW magnitudes

MS(CENC)、MW震級(jí)的偏差分布情況如圖8所示。由圖8可見，MS(CENC)震級(jí)相比MW震級(jí)系統(tǒng)性偏大，絕大多數(shù)地震的MS(CENC)比MW偏大0.2—0.3，擬合殘差在所述3種震級(jí)對(duì)比中相對(duì)最大。

圖8 MS(CENC)震級(jí)與MW震級(jí)間偏差分布Fig.8 Distribution of differences between MS(CENC) and MW magnitudes

3 討論與結(jié)論

將新的震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于陜西地震臺(tái)網(wǎng)得到新國(guó)標(biāo)震級(jí)，并與原規(guī)范震級(jí)進(jìn)行了分析對(duì)比，得到以下結(jié)果。

（1）新國(guó)標(biāo)地方性震級(jí)ML較舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)系統(tǒng)偏大，這主要是采用了新的量規(guī)函數(shù)。目前，陜西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)使用的是東北、華北地區(qū)新量規(guī)函數(shù)，臺(tái)站震中距為0—100 km時(shí)，新國(guó)標(biāo)中東北、華北地區(qū)量規(guī)函數(shù)比舊國(guó)標(biāo)中量規(guī)函數(shù)偏大；震中距分別為100—300 km、580—600 km時(shí)，新國(guó)標(biāo)中量規(guī)函數(shù)和舊國(guó)標(biāo)中量規(guī)函數(shù)基本一致；震中距為300—600 km時(shí)，新國(guó)標(biāo)中量規(guī)函數(shù)比舊國(guó)標(biāo)中的量規(guī)函數(shù)偏小?？傮w來(lái)看，新量規(guī)函數(shù)比舊量規(guī)函數(shù)偏大0.1—0.2。

（2）寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)與矩震級(jí)MW相比，二者間無(wú)系統(tǒng)偏差，絕大多數(shù)地震震級(jí)差為-0.1—0.1。GCMT公布的MW震級(jí)主要由波形長(zhǎng)周期面波反演獲得，均能較好地描述地震的實(shí)際大小。但測(cè)定MS(BB)震級(jí)時(shí)使用的是未仿真的垂直向記錄，因此，在震后快速產(chǎn)出效率上，MS(BB)震級(jí)更具有優(yōu)勢(shì)。

（3）寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)比面波震級(jí)MS(CENC)整體偏小0.2，二者之間存在系統(tǒng)偏差。

（4）絕大多數(shù)地震的面波震級(jí)MS(CENC)比MW偏大0.2—0.3，二者之間存在系統(tǒng)偏差。

由此認(rèn)為，新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度對(duì)傳統(tǒng)震級(jí)標(biāo)度有很好的繼承和銜接。新國(guó)標(biāo)ML震級(jí)較穩(wěn)定，較舊國(guó)標(biāo)ML震級(jí)系統(tǒng)偏大0.3左右。MS(BB)震級(jí)具有良好的穩(wěn)定性，并且只需要在垂直向未仿真狀態(tài)下量取，震后只需要測(cè)量幾個(gè)較精確的長(zhǎng)周期面波震相，即可得到較精確的震級(jí)，更便于測(cè)量。新的分區(qū)量規(guī)函數(shù)更符合區(qū)域地質(zhì)特性，故可以為震后快速、穩(wěn)定產(chǎn)出提供有力支撐。