白偉利，楊世英，彭麗娟，閆美蓉，高存英，韓 勝，李貴明

(1.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037000；2.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺(tái)，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震三要素包括發(fā)震時(shí)間、震中和震級(jí)。其中，震級(jí)作為衡量地震大小的尺度，代表地震釋放能量的大小。一直以來(lái)，如何更準(zhǔn)確地測(cè)定地震震級(jí)是一個(gè)比較難解決的問(wèn)題。如，我國(guó)測(cè)定的面波震級(jí)與國(guó)際主要地震機(jī)構(gòu)測(cè)定的震級(jí)就存在偏差，對(duì)于3.0級(jí)以上地震，我國(guó)測(cè)定的面波震級(jí)平均偏高0.2級(jí)左右，而對(duì)于5.0～7.0級(jí)地震平均偏大0.3～0.4級(jí)[1]。我國(guó)之前使用的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是GB 17740-1999，經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展，地震觀測(cè)系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，到2007年底，所有地震臺(tái)站均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化觀測(cè)，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)效性都發(fā)生了根本的變化[2]。故在2016年，對(duì)1999年的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂。

震級(jí)新國(guó)標(biāo)在震級(jí)的測(cè)定方法和震級(jí)發(fā)布方面均進(jìn)行了修訂，增加了寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)、寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)的測(cè)定要求，修改了短周期體波震級(jí)mb振幅的量取范圍。震級(jí)新國(guó)標(biāo)于2017年1月在全國(guó)測(cè)震單臺(tái)開(kāi)始試運(yùn)行，與1999年的標(biāo)準(zhǔn)并行使用。由于震級(jí)新國(guó)標(biāo)在地震震相標(biāo)識(shí)、走時(shí)表的選用、振幅的量取、震級(jí)的測(cè)定等方面與原來(lái)的處理方法有很大的區(qū)別，且因?yàn)椴煌_(tái)站的地質(zhì)條件、觀測(cè)環(huán)境、地下速度模型等存在差異，震級(jí)新國(guó)標(biāo)對(duì)于不同臺(tái)站的適用情況也有差異。為了研究大同國(guó)家測(cè)震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱大同臺(tái))新舊震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的震級(jí)偏差，明確新震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在震級(jí)測(cè)定結(jié)果方面的適用性，對(duì)大同臺(tái)震級(jí)新國(guó)標(biāo)的遠(yuǎn)震處理結(jié)果進(jìn)行分析，有望為其他測(cè)震單臺(tái)的地震分析工作和震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)方面的研究提供參考。

1 資料選取

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS網(wǎng)站的地震目錄，選取大同臺(tái)2018年5月至2019年5月記錄到的國(guó)內(nèi)4級(jí)以上和國(guó)外5級(jí)以上共307個(gè)地震事件(見(jiàn)表1)。

表1 地震事件震級(jí)和震源深度分布表Table 1 Distribution of magnitude and focal depth of earthquake events

2 震級(jí)新國(guó)標(biāo)下各震級(jí)的應(yīng)用分析

大同臺(tái)在采用震級(jí)新國(guó)標(biāo)進(jìn)行地震分析時(shí)，參考的是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS(以下簡(jiǎn)稱USGS)發(fā)布的地震目錄。因此，為了評(píng)估震級(jí)新國(guó)標(biāo)在大同臺(tái)的適用性，對(duì)所有地震事件的新國(guó)標(biāo)測(cè)定震級(jí)與USGS發(fā)布的震級(jí)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)

寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)是震級(jí)新國(guó)標(biāo)新增的震級(jí)，要求直接在垂直向?qū)掝l帶記錄上測(cè)定P波波列(包括P，pP，sP，甚至可以為PcP及其尾波，一般取在PP波之前)的最大振幅。計(jì)算公式和適用范圍如下：

mB(BB)=lg(Vmax/2π)max+Q(Δ，h)，

(1)

0.2

(2)

在選取的地震事件中，根據(jù)mB(BB)震級(jí)測(cè)定要求，篩選出符合震中距、振幅量取范圍和周期要求的地震事件211個(gè)。將測(cè)定的mB(BB)震級(jí)與USGS發(fā)布的進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地震事件樣本的mB(BB)震級(jí)比USGS發(fā)布的震級(jí)平均只偏小0.001 4，所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差為0.41。

圖1是mB(BB)震級(jí)與USGS發(fā)布的震級(jí)偏差中各差值占總樣本的比例分布?？梢钥闯觯琺B(BB)震級(jí)偏差基本符合正態(tài)分布，但分布不太集中。為了進(jìn)一步研究，將偏差超過(guò)±0.6的20個(gè)地震事件篩選出來(lái)。其中，震中位于環(huán)太平洋地震帶且震源深度大于60 km的有16個(gè)，占80%，與樣本中其他地震事件相比，不同之處在于震源深度大，發(fā)震區(qū)域較深，震中位于海洋會(huì)造成地震波的傳播介質(zhì)不同。初步分析，可能是由于發(fā)震區(qū)域的深部構(gòu)造和地震波傳播介質(zhì)等造成mB(BB)偏差較大，增大了樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。除去這些因素，測(cè)定的mB(BB)震級(jí)非常接近USGS發(fā)布的震級(jí)，表明其在大同臺(tái)的適用情況非常好。

圖1 大同臺(tái)mB(BB)震級(jí)與發(fā)布震級(jí)M的對(duì)比震級(jí)偏差分布圖Fig.1 Deviation distribution between mB(BB) magnitude and published magnitude M in Datong Station

為得到更加嚴(yán)謹(jǐn)可靠的結(jié)論，把同一地震事件在新舊震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下分別測(cè)定的mB(BB)和mB震級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析。舊震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)mB震級(jí)的振幅量取范圍和周期要求較嚴(yán)格，選取的地震事件中，符合要求的有50個(gè)，選出這50個(gè)地震事件的mB(BB)作對(duì)比分析。

結(jié)果表明，舊mB震級(jí)與USGS發(fā)布震級(jí)的平均偏差為+0.108，樣本事件的標(biāo)準(zhǔn)差是0.307；mB(BB)震級(jí)與USGS發(fā)布震級(jí)的平均偏差是-0.034，標(biāo)準(zhǔn)差為0.325。二者的平均偏差均小于我國(guó)評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±0.3的誤差。與舊mB震級(jí)相比，后者的偏差更小，說(shuō)明mB(BB)震級(jí)的測(cè)定結(jié)果比舊mB震級(jí)更精確。

2.2 短周期體波震級(jí)mb

震級(jí)新國(guó)標(biāo)的短周期體波震級(jí)用mb表示，表2是根據(jù)震級(jí)新國(guó)標(biāo)的宣貫教材總結(jié)出來(lái)的新舊mb震級(jí)對(duì)比情況。從表2看出，二者的計(jì)算公式相同，都是對(duì)短周期仿真后在垂直向量取最大振幅進(jìn)行計(jì)算；主要差別在于振幅的量取范圍和震中距的測(cè)定范圍。新mb震級(jí)振幅可以量取垂直向整個(gè)P波波列的振幅最大值，舊mb震級(jí)振幅要求在P波到時(shí)5 s內(nèi)量取。在振幅周期方面，震級(jí)新國(guó)標(biāo)對(duì)其的規(guī)定更寬泛，只要周期小于3 s均可進(jìn)行量取；舊mb震級(jí)要求周期要大于0.5 s小于2.5 s。在震級(jí)新國(guó)標(biāo)的震級(jí)發(fā)布規(guī)定中，一般不將mb震級(jí)作為發(fā)布震級(jí)，因此，下面主要是將新舊mb震級(jí)做對(duì)比，分析新mb震級(jí)的整體偏差情況。

表2 新舊mb震級(jí)對(duì)比Table 2 Comparison of magnitude of new and old mb

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選，同時(shí)符合新舊mb震級(jí)測(cè)定要求的地震事件有193個(gè)。通過(guò)計(jì)算，新舊mb震級(jí)與USGS發(fā)布震級(jí)的偏差均比較大，分別為-0.516和-0.487。新mb震級(jí)平均比舊mb震級(jí)偏小0.03，對(duì)于舊mb震級(jí)的整體偏差值為0.487，相對(duì)而言偏差值并不大。從第42頁(yè)圖2看出，新舊mb震級(jí)差值大部分處于±0.2范圍內(nèi)，范圍內(nèi)樣本個(gè)數(shù)為139,占總數(shù)的72.02%。從整體看，分布不集中，尤其是大于0.5的分布還較多。

從表2看出，新mb震級(jí)的計(jì)算公式變化不大，從振幅的量取范圍和振幅周期限制上看，振幅可量取的范圍更大。理論上講，新mb震級(jí)測(cè)定結(jié)果應(yīng)該比舊mb要更大。但從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，新mb震級(jí)平均比舊mb震級(jí)偏小0.03，在日常的地震分析中也經(jīng)常遇到新mb震級(jí)比舊mb震級(jí)更小的情況。由于兩種震級(jí)目前采用不同的JOPENSE軟件版本，根據(jù)表2的新舊mb震級(jí)計(jì)算公式，影響公式前半部分周期和振幅的是軟件進(jìn)行仿真時(shí)的傳遞函數(shù)，震級(jí)新國(guó)標(biāo)要求仿真DD-1量取，舊震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求在仿真WA下量取振幅；公式后半部分是量規(guī)函數(shù)，量規(guī)函數(shù)的不同也會(huì)導(dǎo)致震級(jí)的變化。初步分析認(rèn)為，可能是由于震級(jí)計(jì)算公式中的量規(guī)函數(shù)或者兩個(gè)版本軟件仿真的傳遞函數(shù)不同，導(dǎo)致新舊mb震級(jí)偏差大小與理論上的不一致。經(jīng)過(guò)以上的分析得出，新mb震級(jí)與舊震級(jí)測(cè)定結(jié)果基本一致，新mb震級(jí)在大同臺(tái)的適用情況一般。

圖2 舊mb-新mb震級(jí)差值分布圖Fig.2 Distribution of magnitude difference between old mb and new mb

2.3 寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)

新震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)是在寬頻帶速度記錄量取面波垂直向速度振幅最大值來(lái)計(jì)算的震級(jí)。根據(jù)新國(guó)標(biāo)規(guī)定，對(duì)于ML≥4.5的淺源地震，選擇寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)為發(fā)布震級(jí)M。之前，測(cè)震單臺(tái)測(cè)定遠(yuǎn)震震級(jí)一直采用面波震級(jí)MS，在仿真SK的兩個(gè)水平向上量取最大振幅測(cè)得震級(jí)MS，因此，在對(duì)MS(BB)震級(jí)進(jìn)行分析評(píng)估時(shí)，主要將MS和MS(BB)震級(jí)做對(duì)比。表3是根據(jù)目前使用的震級(jí)規(guī)定和新國(guó)標(biāo)的宣貫教材總結(jié)兩者對(duì)比情況，兩種震級(jí)在震級(jí)計(jì)算公式、振幅量取范圍和振幅的周期方面，均存在較大的差別。

表3 MS(BB)震級(jí)與舊MS震級(jí)對(duì)比Table 3 Comparison of MS(BB)magnitude and old MS magnitude

對(duì)地震事件的震中距、振幅周期和震源深度等條件篩選，符合測(cè)定要求的有209個(gè)地震。圖3是MS(BB)震級(jí)和舊MS震級(jí)分別與USGS發(fā)布震級(jí)的偏差分布圖。MS(BB)震級(jí)的平均偏差為-0.208，MS震級(jí)的平均偏差是-0.221，二者的偏差值相差不大。經(jīng)過(guò)計(jì)算，MS(BB)震級(jí)和舊MS震級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差分別是0.27和0.31。從圖3也可以看出，MS(BB)震級(jí)偏差分布更集中一些，在-0.5至0.1范圍內(nèi)的有169個(gè)，占比80.09%；舊MS震級(jí)則有151個(gè)，占比71.56%。從震級(jí)偏差結(jié)果看，MS(BB)震級(jí)與舊MS震級(jí)相差不大，未體現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性，但MS(BB)震級(jí)在測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性方面更好一些。

圖3 MS(BB)、舊MS與發(fā)布震級(jí)M間偏差分布圖Fig.3 Deviation distribution of MS(BB) magnitude, old MS and published magnitude M

3 結(jié)論和討論

(1)mB(BB)震級(jí)比舊mB震級(jí)偏小約0.14，震級(jí)偏差基本符合正態(tài)分布，整體不太集中；其與USGS發(fā)布的震級(jí)相差非常小，在大同臺(tái)的應(yīng)用情況非常好。

(2) 新mb震級(jí)與USGS發(fā)布震級(jí)的平均偏差值為0.516，相差較大；比舊mb震級(jí)平均偏小0.03左右，其平均測(cè)定結(jié)果與舊mb震級(jí)基本一致。

(3)MS(BB)震級(jí)的平均偏差為-0.208，符合國(guó)家規(guī)定的不超過(guò)±0.3要求；其在震級(jí)偏差大小方面與舊MS相比未體現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)，在測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更好。

研究選取的地震事件樣本有限，且地震震級(jí)的測(cè)定受諸多因素的影響，如臺(tái)站地下速度模型、地震傳播路徑、震源區(qū)域介質(zhì)和人為因素等都會(huì)對(duì)震級(jí)的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定影響[3]。對(duì)于新舊mb震級(jí)偏差均很大及mB(BB)震級(jí)樣本標(biāo)準(zhǔn)差較大的原因分析，僅是筆者一些粗淺的見(jiàn)解，有待進(jìn)一步地探討和研究。