教聰聰,鐘衛(wèi)星,張 歡

(上海市地震局佘山地震基準臺，上海 201602)

佘山地震基準臺位于上海西南松江區(qū)佘山國家森林公園內(nèi)西佘山南麓，是中國地震局Ⅰ類基準地震臺，擁有763長周期地震儀、SK中長周期地震儀、CDSN數(shù)字地震觀測系統(tǒng)以及數(shù)字地震臺陣等觀測儀器，為我國地震觀測儀器種類最齊全的臺站之一。2012年底在佘山臺增配了一套甚寬頻帶地震計CTS-1，2013年1月1日正式替代CDSN向中國臺網(wǎng)中心傳送數(shù)據(jù)。數(shù)字地震儀器具有頻帶寬、動態(tài)范圍大等特點，在推動地球科學研究方面發(fā)揮了重要的作用，但其在震級測定方面還存在問題，劉瑞豐等開展了寬頻帶數(shù)字地震資料仿真的研究，為了不改變測定地方性震級、體波震級和面波震級的量規(guī)函數(shù)，提出了將寬頻帶數(shù)字地震記錄仿真為DD-1、SK和763儀器記錄，然后在仿真后的記錄上測定地方性震級、體波震級和面波震級，2001年制定了《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范》(地震觀測)，一直使用至今。

2013年開始新震級國家標準GB 17740-2016文本編寫，新震級國家標準既考慮到震級測定的連續(xù)性，又科學地充分利用寬頻帶數(shù)字地震資料的特點。新標準震級包含寬頻帶面波震級MS(BB)、寬頻帶體波震級mB(BB),地方性震級ML、面波震級MS和短周期體波震級mb。佘山地震基準臺于2016年底實施傳統(tǒng)震級測定與新標準震級測定，這是在充分利用寬頻帶數(shù)字地震記錄特點的同時，保證資料的連續(xù)性。具體體現(xiàn)在mB(BB)和MS(BB)分別是寬頻帶體波震級和寬頻帶面波震級，適應地震波的頻帶范圍寬，在比較大的范圍內(nèi)，都能正確表示地震能量的大小。另外，mB(BB)和MS(BB)都是在原始速度型寬頻帶記錄上直接測定，便于計算機自動測定，并且能夠充分發(fā)揮數(shù)字地震儀器的寬頻帶、大動態(tài)的特點。因為震級是表征地震強弱的量度,它是地震的基本參數(shù)之一,是地震學研究中的一個重要的參數(shù)(劉瑞豐，2007；陳運泰，2000)，所以分析新標準震級與傳統(tǒng)震級之間的相關程度、一致性、差異性尤為重要。為了敘述方便和以示區(qū)分，以下傳統(tǒng)的震級用MS7、mb、mB和MS表示，IASPEI新震級用MS(BB)、mB(BB)、mb(n)、MS(n)表示。

1 面波震級的測定

傳統(tǒng)的面波震級MS7采用仿長周期地震記錄,以垂直向瑞利波質點運動最大速度測定長周期面波震級,其計算公式如下：

MS7=lg(A/T)max+σ763(Δ)

(1)

式(1)中σ763(Δ)為量規(guī)函數(shù)，震中距在20°至160°之間時，σ763(Δ)=1.66 lg (Δ)+3.3。

MS(BB)寬頻帶面波震級計算方法是在垂直向原始速度平坦型寬頻帶數(shù)字地震記錄上直接測定速度的最大值，計算公式如下:

MS(BB)=lg(A/T)max+1.66lg(Δ)+3.3

(2)

在實際計算中采用以下計算公式:

MS(BB)=lg(Vmax/2π)+1.66lg(Δ)+3.3

(3)

其中，(A/T)max=(Vmax/2π) ，Vmax為垂直向面波速度的最大值，單位為 μm/s。

傳統(tǒng)震級面波震級MS與新標準面波震級MS(n)都是要將速度平坦型地震記錄仿真成位移記錄的基式(SK)中長周期地震儀記錄，在仿真以后的地震波記錄上反映的是地動位移。用以下公式計算：

MS(n)=lg(A/T)max+σ(Δ)

(4)

式(4)中，σ(Δ)=1.66 lg (Δ)+3.5( 1°<Δ<130°) ，A是兩水平向面波地動位移的矢量和，T是相應的周期，Δ是震中距，以(°)為單位。

2 體波震級的測定

傳統(tǒng)體波震級采用P或PP波垂直向質點運動最大速度來測定，計算公式為：

mb或mB=lg(A/T)max+Q(Δ,h)

(5)

式中，mB為中長周期體波震級，要在基式中長周期地震儀上測定；mb為短周期體波震級，要在DD-1短周期記錄上測定；A為體波質點運動最大速度所對應的地動位移振幅；T為相應的周期；Q為量規(guī)函數(shù)。

mB(BB)寬頻帶體波震級為中長周期體波震級,其計算公式如下：

mB(BB)=lg(A/T)max+Q(Δ,h)

(6)

在實際計算中采用以下計算公式:

mB(BB)=lg(Vmax/2π)max+Q(Δ,h)

(7)

其中的(A/T)max= (Vmax/2π) ，Vmax為垂直向P波最大振幅相對應的地面運動速度，其單位為μm/s，原始的速度平坦型寬頻帶數(shù)字地震記錄上直接測定速度的最大值Vmax。測定mB(BB)時直接用速度量，不用仿真，便于計算機自動處理。

3 數(shù)據(jù)分析

選取2012年以來佘山地震基準臺所記錄到的6級以上清晰地震事件為研究對象，舍棄了重疊、記錄失真的地震數(shù)據(jù)，運用msdp6.0測定443個地震事件的新標準震級寬頻帶面波震級MS(BB)、寬頻帶體波震級mB(BB)、地方性震級ML、面波震級MS(n)和短周期體波震級mb(n)，地震事件的分布情況見圖1。

圖1 443個地震事件分布圖

回歸分析是研究事物間相關變量的數(shù)量關系的一種重要方法，本文采用線性回歸方法對佘山地震基準臺測定得出的IASPEI新震級、傳統(tǒng)震級以及中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級三者間進行對比分析，擬合出相應震級之間的關系。對于兩個或多個存在著統(tǒng)計相關的隨機變量，可以根據(jù)大量的觀測數(shù)據(jù)來確定它們之間統(tǒng)計的定量關系，即找出一定的數(shù)學公式來表達這些關系，這種公式稱作回歸方程。考慮將 N 個數(shù)據(jù)點(Xi，Yi)，i= 1，2，3，…，N，擬合成如下直線模型的問題:Y= AX+ B，通常利用線性最小二乘回歸 (SR) 方法就可以確定系數(shù) A 和 B。

3.1 佘山臺IASPEI新震級MS(BB)與傳統(tǒng)面波MS7的對比分析

IASPEI新震級MS(BB)=0.88317MS7+0.68398，擬合關系如圖2所示，其中相關系數(shù)r約為0.93，說明IASPEI新震級MS(BB)與傳統(tǒng)面波MS7的相關性非常好，采用新標準后的震級保證了地震資料的連續(xù)性。IASPEI新震級MS(BB)與傳統(tǒng)面波MS7之間有一定差值，差值分布見圖3，MS(BB)與MS7差值主要分布在-0.3～0.3，以0與-0.1居多，造成差異的原因是寬頻帶面波震級是在原始的速度平坦型寬頻帶數(shù)字地震記錄上直接測定速度的最大值Vmax。中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級標為MS7(CENC)，IASPEI新震級MS(BB)與MS7(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.915，MS7與MS7(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.912，此處體現(xiàn)了IASPEI新震級MS(BB)比MS7更與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級吻合，所以新標準震級的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。圖4是在平面極坐標系上，佘山臺MS(BB)與MS7震級偏差和方位角及震中距關系示意圖,以佘山臺為坐標的中心，N是正北方向，φ是地震相對于臺站的方位角，R是震中距，其中(b)、(c)、(d)分別表示偏差偏小、相等、偏大。佘山臺能夠測定不同震中距(0～180°)和不同方位(0～360°)地震的面波震級，MS(BB)與MS7震級的偏差隨震中距和方位角的變化不明顯。圖5是佘山臺MS(BB)與MS7震級偏差和深度關系示意圖，可以看出其震級的偏差與深度的關系不大。MS(BB)能夠充分發(fā)揮寬頻帶數(shù)字地震資料的特點，適用面波周期范圍為3～60 s；不用仿真，直接用速度量測定，便于計算機自動處理，適用于地震速報；在測定方法上與國際接軌，測定結果不會與國際主要地震機構存在系統(tǒng)偏差，所以可用新標準震級用MS(BB)替代MS7。

圖2 新標準MS(BB)與傳統(tǒng)MS7之間的關系

圖3 新標準MS(BB)與傳統(tǒng)MS7差值分布圖

圖4 佘山臺MS(BB)與MS7震級偏差和方位角及震中距關系示意圖

圖5 佘山臺MS(BB)與MS7震級偏差和深度關系示意圖

3.2 佘山臺新標準面波震級MS(n)與傳統(tǒng)面波震級MS的對比分析

新標準震級MS(n)=0.89605MS+0.49663，擬合關系如圖6所示，其中相關系數(shù)r為0.9254，說明新標準面波震級MS(n)與傳統(tǒng)面波MS的相關性非常好，采用新標準后的震級保證了地震資料的連續(xù)性。新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS之間有一定差值，差值分布見圖7，新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS差值主要分布在-0.3～0，差值小于等于0居多，造成差異的原因是新舊軟件都將寬頻帶地震記錄仿真成位移記錄的基式(SK)中長周期地震儀記錄，但還有一定的不同：新標準面波震級MS(n)要量取的地震波質點運動位移的最大值A，傳統(tǒng)面波震級要量取A/T的最大值了；在測定時發(fā)現(xiàn)，由于新軟件msdp6.0的設計更針對近震和網(wǎng)內(nèi)地震，對于遠震以及極遠震仿真基式的面波波形曲線沒有傳統(tǒng)的波形清晰，會對振幅的量取產(chǎn)生影響，所以對震級測定的影響較大。中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級標為MS(CENC)，新標準MS(n)與MS(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.8718，傳統(tǒng)面波震級MS與MS(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.90808。圖8是在平面極坐標系上，新標準面波震級MS與傳統(tǒng)面波震級MS震級偏差和方位角及震中距關系示意圖,同樣反映了佘山臺能夠測定不同震中距(0～180°)和不同方位(0～360°)地震的面波震級。新標準面波震級MS(n)與傳統(tǒng)面波震級MS的偏差隨震中距和方位角的變化不明顯。圖9是佘山臺新標準面波震級MS(n)與傳統(tǒng)面波震級MS偏差和深度關系示意圖，可以看出其震級的偏差與深度的關系不大。

圖6 新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS之間的關系

圖7 新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS差值分布圖

圖8 佘山臺新標準MS與傳統(tǒng)MS震級偏差和方位角及震中距關系示意圖

圖9 佘山臺新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS震級偏差和深度關系示意圖

3.3 佘山臺IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波震級mB的對比分析

IASPEI新震級mB(BB)= 0.60297mB+2.9076，擬合關系如圖10所示，其中相關系數(shù)r為0.65355， IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波mB之間有一定差值，差值分布見圖11，IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波震級mB差值主要集中在0以上，造成差異的原因是由于寬頻帶面波震級是在原始的速度平坦型寬頻帶數(shù)字地震記錄上直接測定速度的最大值Vmax，傳統(tǒng)震級mB需要量取P波到時之后20 s之內(nèi)的最大振幅,而IASPEI新震級mB(BB)要求量取P波序列的最大振幅值，整體幅值偏大。由于地震破裂持續(xù)時間與震級一同增長,對大地震來說可能是幾分鐘, 破裂發(fā)生后的開始幾秒內(nèi)很少能達到其最大振幅，對特大地震,最大地面速度Vmax甚至是在P波之后1 min才產(chǎn)生，如果測量時間窗太短,最大值就會缺失，這便是造成IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波震級mB差值主要集中在0以上的原因。中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的體波震級為mB(CENC)，IASPEI新震級mB(BB)與mB(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.8104，傳統(tǒng)震級mB與mB(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.63458，此處體現(xiàn)了IASPEI新震級mB(BB)比mB與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的中長周期體波震級相關性提高很多，IASPEI新震級mB(BB)的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。圖12是在平面極坐標系上，IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波震級mB震級偏差和方位角及震中距關系示意圖,因為IASPEI新震級mB(BB)絕大多數(shù)都大于傳統(tǒng)體波震級mB，所以震級偏差大于等于零的地震事件非常少，這里不作分析。震級偏差大于0的地震事件中，IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波震級mB震級的偏差隨震中距和方位角的變化不明顯。圖13是佘山臺IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波震級mB震級偏差和深度關系示意圖，可以看出其震級的偏差與深度的關系不大。

圖10 新標準mB(BB)與傳統(tǒng)mB之間的關系

圖11 新標準mB(BB)與傳統(tǒng)mB差值分布圖

圖12 佘山臺mB(BB)與mB震級偏差和方位角及震中距關系示意圖

圖13 佘山臺mB(BB)與mB震級偏差和深度關系示意圖

3.4 佘山臺新標準體波震級mb(n)與傳統(tǒng)體波震級mb的對比分析

新標準mb(n)= 0.62916mb+2.1405，其中相關系數(shù)r為0.67214，擬合關系如圖14。新標準體波震級mb(n)與傳統(tǒng)體波震級mb之間有一定差值，差值分布見圖15，新標準mb(n)與傳統(tǒng)體波mb差值主要集中在-0.1～0.1，以0居多，差值大于0.2的地震個數(shù)明顯多于差值小于0.2的地震個數(shù)。新標準體波震級mb(n)與傳統(tǒng)體波震級mb都需要在仿真DD-1短周期儀器記錄上測定，區(qū)別在于在新標準體波震級mb在測定時，要選用整個P波波列最大震幅(包括P、pP、sP，甚至可以為PcP及其尾波，一般取在PP波之前)，并且不用量A/T的最大值了；傳統(tǒng)體波震級mb在測定時，一般在P波到時之后5秒之內(nèi)測定體波的最大振幅和其相應的周期，而對于6.0級以上地震，震源平均破裂時間要超過5秒，使得6.5級以上地震的mb處于完全飽和狀態(tài)。由于測定P波振幅“時間窗”沒有限制造成差異差值大于0.2的偏多。出現(xiàn)偏差主要與量取P波最大振幅時所選時間窗的長短有關,量取較小地震的振幅受時間窗影響不大,但對較大地震的影響卻比較大，新標準mb(n)比傳統(tǒng)體波mb更不容易達到飽和狀態(tài),因此新標準mb(n)比傳統(tǒng)體波震級mb更準確地衡量地震的大小,尤其對于高輻射能量的特大地震更為精確，這是其優(yōu)勢所在。中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的短周期體波震級標為mb(CENC)，新標準mb(n)與mb(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.6683，傳統(tǒng)震級mb與mb(CENC)統(tǒng)計關系的相關系數(shù)為0.5593，此處體現(xiàn)了新標準mb(n)比傳統(tǒng)體波震級mb與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的體波相關性提高了一些。圖16是在平面極坐標系上，佘山臺新標準mb(n)與傳統(tǒng)mb震級偏差和深度關系示意圖，可以看出偏差隨震中距和方位角的變化不明顯。圖17是佘山臺新標準mb(n)與傳統(tǒng)mb震級偏差和深度關系示意圖，可以看出其震級的偏差與深度的關系不大。

圖14 新標準mb(n)與傳統(tǒng)mb之間的關系

圖15 新標準mb(n)與傳統(tǒng)mb差值分布圖

圖16 佘山臺新標準mb(n)與傳統(tǒng)mb震級偏差和方位角及震中距關系示意圖

圖17 佘山臺新標準mb(n)與傳統(tǒng)mb震級偏差和深度關系示意圖

4 討論與結論

IASPEI新震級MS(BB)與傳統(tǒng)面波MS7的相關性非常好，采用新標準后的震級保證了地震資料的連續(xù)性。IASPEI新震級MS(BB)與傳統(tǒng)面波MS7之間有一定差，MS(BB)與MS7差值主要分布在-0.3～0.3，以0與-0.1居多，造成差異的結果是由于寬頻帶面波震級是在原始的速度平坦型寬頻帶數(shù)字地震記錄上直接測定速度的最大值Vmax。新標準面波震級MS(n)與傳統(tǒng)面波MS的相關性非常好，采用新標準后的震級保證了地震資料的連續(xù)性。新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS之間有一定差值，新標準MS(n)與傳統(tǒng)MS差值主要分布在-0.3～0，差值小于等于0居多，造成差異的原因是新標準面波震級MS(n)要量取的地震波質點運動位移的最大值A，傳統(tǒng)面波震級MS要量取A/T的最大值；新軟件msdp6.0的設計更針對近震和網(wǎng)內(nèi)地震，對于遠震以及極遠震仿真基式的面波波形曲線沒有傳統(tǒng)的面波波形清晰，會對振幅的量取產(chǎn)生影響，所以對震級測定的影響較大。IASPEI新震級mB(BB)與傳統(tǒng)體波mB之間有一定差值，差值主要集中在0以上，造成差異的結果是由于寬頻帶面波震級是在原始的速度平坦型寬頻帶數(shù)字地震儀記錄上直接測定速度的最大值Vmax，傳統(tǒng)震級mB需要量取P波到時之后20秒之內(nèi)的最大振幅,而IASPEI新震級mB(BB)要求量取P波序列的最大振幅值，整體幅值偏大。新標準體波震級mb(n)與傳統(tǒng)體波震級mb之間有一定差值，差值主要集中在-0.1～0.1，以0居多，差值大于0.2的地震個數(shù)明顯多于差值小于0.2的地震個數(shù)。新標準體波震級mb(n)與傳統(tǒng)體波震級mb都需要在仿真DD-1短周期儀記錄上測定，區(qū)別在于在新標準體波震級mb(n)在測定時，要選用整個P波波列最大震幅(包括P、pP、sP，甚至可以為PcP及其尾波，一般取在PP波之前)，并且不用量A/T的最大值了；傳統(tǒng)體波震級mb在測定時，一般在P波到時之后5秒之內(nèi)測定體波的最大振幅和其相應的周期。上述內(nèi)容總結了IASPEI新震級MS(BB)、IASPEI新震級mB(BB)、新標準面波震級MS(n)、新標準體波震級mb(n)與其相對應的傳統(tǒng)震級造成偏差的原因。

中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布最終震級M(CENC)為方位覆蓋面寬廣的多地震臺測定的平均震級，由于各地震臺地震儀器頻譜響應的不同及地震波輻射方向性的差異，各地震臺站測定的同一地震震級大小會存在一定偏差?？傮w來講，IASPEI新震級MS(BB)、IASPEI新震級mB(BB)、新標準面波震級MS(n)、新標準體波震級mB(n)與其相對應的傳統(tǒng)震級一致性很好，說明了采用新標準后的震級保證了地震資料的連續(xù)性。IASPEI新震級MS(BB)、IASPEI新震級mB(BB)、新標準mb與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布震級的一致性均比其相對應的傳統(tǒng)震級與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布震級的一致性要高，說明了IASPEI新震級的科學性，以及新標準震級的可用性。