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        新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)在陜西地震臺網(wǎng)的應(yīng)用

        2021-02-17 08:05:20徐一斐邵若潼張雪娟
        地震地磁觀測與研究 2021年5期
        關(guān)鍵詞:量規(guī)面波標(biāo)度

        徐一斐 趙 韜 邵若潼 張雪娟

        (中國西安 710068 陜西省地震局)

        0 引言

        震級是對地震大小的量度,是地震的基本參數(shù)之一,在地震監(jiān)測、預(yù)測、信息發(fā)布、科學(xué)普及、新聞報道、防震減災(zāi)中具有重要作用(陳運泰等,2004;國家質(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。震級國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740—1999《地震震級的規(guī)定》(國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2004)自實施以來,規(guī)范了地震震級的測定方法和使用,在地震監(jiān)測、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)效益和社會效益(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等,2017)。

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

        目前,我國地震觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,地震臺站全部升級為數(shù)字化臺站。儀器特性、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)分析處理方式、震級測定的時效性等都發(fā)生了根本變化。自GB 17740—1999《地震震級的規(guī)定》(國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2004)實施以來,我國已經(jīng)積累了大量的地震觀測資料,在地震震級測定方面有了新的認(rèn)識(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等,2017)。隨著數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,震級測定方法研究也取得了重要進展,矩震級測定被納入國際主流地震監(jiān)測機構(gòu)日常工作,國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理協(xié)會(IASPEI)也制定了新的震級標(biāo)準(zhǔn),我國與國際主流地震監(jiān)測機構(gòu)在震級測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,中國地震局于2011年成立項目組,開展震級國家標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作,新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740—2017《地震震級的規(guī)定》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2017)于2017年5月12日正式發(fā)布,新標(biāo)準(zhǔn)對地方性震級ML、面波震級MS、寬頻帶面波震級MS(BB)、短周期體波震級mb、寬頻帶體波震級MB(BB)和矩震級MW等6種震級標(biāo)度的測定方法及使用作出了規(guī)定。

        新的震級國家標(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測定的連續(xù)性,同時也充分借鑒了國內(nèi)外震級測定方面的研究成果,最大程度上實現(xiàn)了與國際主流地震監(jiān)測機構(gòu)震級標(biāo)度的一致。

        對于同一次地震,使用不同的震級標(biāo)度測定,通常會得到多個不同的震級,而不同震級標(biāo)度測定值之間的關(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)。新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)在測定方法、測定結(jié)果方面與原規(guī)范中的震級間具有怎樣的關(guān)系?值得深入研究。對新的國家標(biāo)準(zhǔn)震級標(biāo)度與原規(guī)范涉及的震級種類較多,震級測量分向一致、震相相同、適用震中距范圍和地震波周期相近的震級標(biāo)度之間的比較,對于確定同類型震級之間的關(guān)系更具意義。因此,以陜西地震臺網(wǎng)2008年5月至2021年5月記錄到的104次ML≥4.5地震為研究對象,使用差值統(tǒng)計和線性回歸方法,對新的國家標(biāo)準(zhǔn)震級標(biāo)度中的ML、MS(BB)與原規(guī)范中的ML、中國地震臺網(wǎng)的MS以及MW進行對比。

        1 地方性震級ML的對比

        1.1 計算公式和測量方法的差別

        新國標(biāo)ML震級與舊國標(biāo)ML震級相比,計算公式相同,均為

        它們的差別主要體現(xiàn)在2個方面: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)為全國統(tǒng)一的量規(guī)函數(shù),并沒有考慮到我國地殼結(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 對比結(jié)果

        選取2008—2020年陜西測震臺網(wǎng)記錄清晰且距省邊界100 km范圍內(nèi)的56個地震事件,分別對這56個測試地震按照新、舊國家標(biāo)準(zhǔn)進行了ML震級測定。按照要求,波形在仿真成DD-1后在位移記錄上量取新國標(biāo)ML震級,波形在仿真成W.A.型短周期記錄后量取舊國標(biāo)ML震級,詳細結(jié)果見表1。

        表1 利用新、舊國標(biāo)測量ML震級結(jié)果Table 1 ML Magnitudes measured by new and old national standards

        對表1的新、舊國標(biāo)ML震級作了正交回歸分析,新、舊國標(biāo)ML震級關(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震級與舊ML震級間存在以下線性關(guān)系

        由圖1可見,新、舊國標(biāo)ML震級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(舊國標(biāo))與ML震級(新國標(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、舊國標(biāo)ML震級間偏差分布Fig.2 Distribution of ML magnitude differences measured by old and new national standards

        2 MS(BB)、MW、MS(CENC)震級的對比

        2.1 計算公式和測量方法的差別

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

        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算得到,其計算公式為

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

        為檢驗MS(BB)震級的穩(wěn)定性,選取陜西地震臺網(wǎng)2008—2020年記錄到的M≥4.5地震作為研究對象,并通過國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)頁和GCMT網(wǎng)頁分別查詢MS(CENC)和MW震級(Dziewonski et al,1981;Ekstr?m et al,2012;國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心,2021)。由于有些地震震級偏小,在遠臺無法觀測到長周期面波震相,最終得到62個同時具有MS(CENC)和MW震級記錄的地震事件,按照新的標(biāo)準(zhǔn)量取其MS(BB)震級后,對其進行了對比(表2)。

        表2 MS(BB)、MS(CENC)、MW震級對比結(jié)果Table 2 Comparison among MS(BB),MS(CENC),and MW magnitudes

        2.2 MS(BB)和MW對比

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

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

        MS(BB)、MW震級的差值分布如圖4所示。由圖4可見,MS(BB)與MW無系統(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在進行矩張量反演時主要使用遠臺的長周期面波,震中距一般大于1 000 km;而我們量取MS(BB)時主要采用區(qū)域臺網(wǎng)資料,震中距相對較小,長周期面波可能還未發(fā)育完全。

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

        2.3 MS(BB)和MS(CENC)對比

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

        圖5 MS(BB)震級與MS(CENC)震級間的線性關(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,這主要是因為二者的量規(guī)函數(shù)間存在0.2的差值。

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

        2.4 MS(CENC)和MW對比

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

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

        MS(CENC)、MW震級的偏差分布情況如圖8所示。由圖8可見,MS(CENC)震級相比MW震級系統(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種震級對比中相對最大。

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

        3 討論與結(jié)論

        將新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于陜西地震臺網(wǎng)得到新國標(biāo)震級,并與原規(guī)范震級進行了分析對比,得到以下結(jié)果。

        (1)新國標(biāo)地方性震級ML較舊國標(biāo)ML震級系統(tǒng)偏大,這主要是采用了新的量規(guī)函數(shù)。目前,陜西省測震臺網(wǎng)使用的是東北、華北地區(qū)新量規(guī)函數(shù),臺站震中距為0—100 km時,新國標(biāo)中東北、華北地區(qū)量規(guī)函數(shù)比舊國標(biāo)中量規(guī)函數(shù)偏大;震中距分別為100—300 km、580—600 km時,新國標(biāo)中量規(guī)函數(shù)和舊國標(biāo)中量規(guī)函數(shù)基本一致;震中距為300—600 km時,新國標(biāo)中量規(guī)函數(shù)比舊國標(biāo)中的量規(guī)函數(shù)偏小??傮w來看,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MS(BB)與矩震級MW相比,二者間無系統(tǒng)偏差,絕大多數(shù)地震震級差為-0.1—0.1。GCMT公布的MW震級主要由波形長周期面波反演獲得,均能較好地描述地震的實際大小。但測定MS(BB)震級時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)震級更具有優(yōu)勢。

        (3)寬頻帶面波震級MS(BB)比面波震級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,新的國家標(biāo)準(zhǔn)震級標(biāo)度對傳統(tǒng)震級標(biāo)度有很好的繼承和銜接。新國標(biāo)ML震級較穩(wěn)定,較舊國標(biāo)ML震級系統(tǒng)偏大0.3左右。MS(BB)震級具有良好的穩(wěn)定性,并且只需要在垂直向未仿真狀態(tài)下量取,震后只需要測量幾個較精確的長周期面波震相,即可得到較精確的震級,更便于測量。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。

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