寶昌地震臺(tái)面波震級(jí)偏差分析

白少奇 賈昕曄 賈彥杰 閆紀(jì)文

（中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū) 027000 寶昌地震臺(tái)）

0 引言

震級(jí)是地震的基本參數(shù)之一，它表征地震的強(qiáng)弱（國(guó)家地震局震害防御司，1992）。地震臺(tái)站監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)工作之一就是地震震級(jí)測(cè)定，但在實(shí)際測(cè)定震級(jí)工作中，由于受各種因素的影響，目前震級(jí)測(cè)定普遍存在一定偏差。1945 年古登堡根據(jù)周期約為20 s的面波振幅確定了地震震級(jí)，從而提出了面波震級(jí)標(biāo)度。但地震震源較深時(shí)，面波發(fā)育不顯著，這使得測(cè)定的震級(jí)偏差較大；此外，不同震中距、不同方位的地震震級(jí)都存在著偏差（郭履燦等，1986）。由于面波在傳播路徑上受地殼和上地幔構(gòu)造的不均勻性、輻射的方向性及臺(tái)站的臺(tái)基響應(yīng)等因素的影響，因此地震臺(tái)站所測(cè)定的震級(jí)間會(huì)存在偏差（陳培善等，1983，1998）。2000年以后，全球地震觀測(cè)由模擬記錄轉(zhuǎn)為數(shù)字記錄，數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)投入觀測(cè)以來(lái)，在震級(jí)計(jì)算與震相識(shí)別等方面亦出現(xiàn)了一些新的問題，特別是震級(jí)計(jì)算問題已引起各國(guó)的高度關(guān)注（劉瑞豐等，2011）。近年來(lái)，我國(guó)大部分地震臺(tái)站相繼開展大震速報(bào)震級(jí)偏差的研究工作。樊冬等（2014）定義“二維震級(jí)修正法”對(duì)淮北地震臺(tái)中強(qiáng)地震震級(jí)進(jìn)行修正。長(zhǎng)春地震臺(tái)通過DK-1地震儀水平向高低倍檔和垂直向記錄測(cè)算面波震級(jí)，并與國(guó)家速報(bào)震級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析，得出長(zhǎng)春地震臺(tái)臺(tái)基校正值。格爾木地震臺(tái)、桂林地震臺(tái)、泉州地震臺(tái)、沈陽(yáng)地震臺(tái)等總結(jié)出不同方位、震中距、震級(jí)的地震震級(jí)差異性之間的關(guān)系，得出臺(tái)站震級(jí)偏差校正值。丁振東（2000）總結(jié)靖江地震臺(tái)地方震、近震的震相記錄特征，對(duì)如何正確判讀到時(shí)和水平向最大振幅的量取及大震速報(bào)中震級(jí)參數(shù)的正確處理等作了闡述，同時(shí)結(jié)合地震數(shù)字觀測(cè)對(duì)限幅地震的處理進(jìn)行了初步探討。自1979年建臺(tái)以來(lái)，寶昌地震臺(tái)積累了大量地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，但對(duì)于速報(bào)震級(jí)偏差問題尚未有深入研究。寶昌地震臺(tái)以MS面波震級(jí)為速報(bào)震級(jí)。由于地殼介質(zhì)的地區(qū)性差異較大，大范圍使用同一量規(guī)函數(shù)顯然不盡合理。同時(shí)，臺(tái)站記錄的地震數(shù)據(jù)與地震的方位、距離、震級(jí)等有較大關(guān)系（張淑珍等，2006），受上述因素的影響，寶昌地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）地震數(shù)據(jù)管理與服務(wù)網(wǎng)站公布的震級(jí)間存在偏差，最高達(dá) 1.5 級(jí)。因此，有必要對(duì)面波震級(jí)存在偏差的原因進(jìn)行探討，以提高臺(tái)站速報(bào)震級(jí)的精度。

1 資料選取與震級(jí)測(cè)定

選取 2016年1月至2018年12月寶昌地震臺(tái)記錄到的國(guó)內(nèi)外340次MS≥5.0中強(qiáng)地震，震中距為9.1°—170°，震源深度為0—620 km，寶昌地震臺(tái)測(cè)定面波震級(jí)MS所用公式為

測(cè)定面波震級(jí)MS時(shí)，使用面波的周期取值參考GB17 740—2017《地震震級(jí)的測(cè)定》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017）。

對(duì)每次地震，利用下式計(jì)算震級(jí)偏差

式中，MS(bac)為寶昌地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)；MS為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）地震數(shù)據(jù)管理與服務(wù)網(wǎng)站公布的標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)。

依據(jù)下式計(jì)算平均標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)偏差，得到C=-0.189，這說明寶昌地震臺(tái)測(cè)得的面波震級(jí)較標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)偏低

2 偏差分析

2.1 面波震級(jí)偏差與震級(jí)間的關(guān)系

以1.0級(jí)為間隔，按震級(jí)將所選340次地震分為 5 個(gè)區(qū)間進(jìn)行分析（表1）。

表1 不同震級(jí)地震的震級(jí)偏差計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation and statistical results of magnitude deviations of earthquakes with different magnitudes

由表1可見，當(dāng)震級(jí)為4.0—5.9時(shí)，震級(jí)偏差絕對(duì)值較大，最大平均偏差絕對(duì)值為0.60；當(dāng)震級(jí)為 6.0—7.9 時(shí)，震級(jí)偏差絕對(duì)值較小，接近標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)；震級(jí)為8.8—8.9時(shí)，偏差絕對(duì)值變大。隨著震級(jí)的增大，偏差絕對(duì)值呈現(xiàn)兩邊大、中間小的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為，震級(jí)較小時(shí)，對(duì)應(yīng)震中距也較小，地震的傳播受介質(zhì)不均勻性的影響較大，所以震級(jí)偏差絕對(duì)值較大；而對(duì)于大地震，由于此次統(tǒng)計(jì)中記錄到的地震次數(shù)有限，所以偏差絕對(duì)值亦偏大。

2.2 面波震級(jí)偏差與震中方位間的關(guān)系

表2為以90°為間隔寶昌地震臺(tái)不同方位的平均震級(jí)偏差。以寶昌地震臺(tái)為中心繪制不同方位地震震中分布圖（圖1）。

圖1 不同方位地震震中分布Fig.1 Epicenter distribution map with different azimuths

表2 不同震中方位地震的震級(jí)偏差計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of magnitude deviation of earthquakes with different epicenter azimuth

由圖1可見，震例中東南方位的地震數(shù)量較多，占66%。同時(shí)，由表2可知，東南方向地震的震級(jí)偏差主要為負(fù)值，較標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)偏小0.23。西南方向地震震級(jí)偏差較小，小于標(biāo)準(zhǔn)平均偏差。而西北、東北方向的地震由于地震數(shù)據(jù)較少，無(wú)法判斷其震級(jí)偏差的大小。以上說明，地震內(nèi)部介質(zhì)的不均勻性使得地震波傳播過程中能量吸收的差異較大，從而造成測(cè)定震級(jí)的偏差。而臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定的震級(jí)是由多個(gè)地震臺(tái)站測(cè)定震級(jí)的算術(shù)平均值求得的，消除了方向性的影響，而單臺(tái)無(wú)法消除方向性，所以震級(jí)測(cè)定時(shí)應(yīng)引起重視。

2.3 面波震級(jí)偏差與震中距間的關(guān)系

根據(jù)震中距的不同，將地震震中所在區(qū)域分為Δ＜10°、10°≤Δ＜20°、20°≤Δ＜30°、30°≤Δ＜105°、Δ≥105°等。對(duì)不同區(qū)域，計(jì)算其震級(jí)平均偏差并統(tǒng)計(jì)地震次數(shù)（表3）。

表3 不同震中距地震的震級(jí)偏差計(jì)算結(jié)果Table 3 Magnitude deviations for earthquakes with different epicentral distances

由表3可見，在Δ＜10°、20°≤Δ＜30°、105°≤Δ＜180°這3個(gè)區(qū)域內(nèi)，震級(jí)偏差平均值較大，均高于平均標(biāo)準(zhǔn)偏差，需要進(jìn)行校正。在10°≤Δ＜20°、30°≤Δ＜105°區(qū)域內(nèi)，震級(jí)偏差平均值較小，低于平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，當(dāng)震中距不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的震級(jí)偏差也不同。

（1）震中距臺(tái)站較近時(shí)，由于受地下介質(zhì)分布不均勻的影響，面波不發(fā)育，有效地震也僅為2次，所以，在Δ＜10°區(qū)域內(nèi)震級(jí)偏差較大。

（2）在20°≤Δ＜30°區(qū)域內(nèi)震級(jí)偏差較大是由于該區(qū)域如震中距21°—28°內(nèi)有數(shù)量較多的偏差值較大的震例，其最大偏差絕對(duì)值為1.5。同時(shí)，該區(qū)域的地震主要發(fā)生在日本、菲律賓、緬甸地區(qū)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，震中位于20°≤Δ＜30°區(qū)域內(nèi)的地震有42次，其中，震級(jí)偏差絕對(duì)值大于0.3的地震有18次，占43%，其偏差基本都為負(fù)值。

（3）對(duì)于105°≤Δ＜180°區(qū)域內(nèi)的極遠(yuǎn)震，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)地震分布較分散，共有52次，其中，偏差絕對(duì)值大于0.3的地震21次，占40%，其偏差也基本都為負(fù)值。此外，用于計(jì)算極遠(yuǎn)震震級(jí)的相關(guān)軟件不夠完善，故該區(qū)域內(nèi)震級(jí)偏差較大。

3 結(jié)論

（1）震中距為10°—20°、30°—105°時(shí)，寶昌地震臺(tái)震級(jí)偏差較小，是臺(tái)站測(cè)定震級(jí)的最優(yōu)區(qū)間。

（2）震中位于寶昌地震臺(tái)東南方向的地震，震級(jí)偏差較大，而西南方向的偏差較小，其余2個(gè)方向由于數(shù)據(jù)較少無(wú)法判斷是否有影響。

（3）寶昌地震臺(tái)測(cè)算的6.0—7.9級(jí)地震震級(jí)偏差較小；而近震及大地震，震級(jí)偏差較大。

由于數(shù)據(jù)較少，主要討論了寶昌地震臺(tái)測(cè)定震級(jí)與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）地震數(shù)據(jù)管理與服務(wù)網(wǎng)站公布震級(jí)間出現(xiàn)偏差的原因，故所得結(jié)論有一定局限性。今后，將利用多臺(tái)資料，從臺(tái)站及震源附近地殼結(jié)構(gòu)、臺(tái)基、臺(tái)站高程等多方面對(duì)震級(jí)測(cè)定的影響因素作進(jìn)一步探討。