徐一斐 趙 韜 邵若潼 張雪娟
(中國西安 710068 陜西省地震局)
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(bào)道、防震減災(zāi)中具有重要作用(陳運(yùn)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(shí)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(huì)效益(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(tái)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,地震臺(tái)站全部升級為數(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、震級測定的時(shí)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(shí)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(shí)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等,2017)。隨著數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,震級測定方法研究也取得了重要進(jìn)展,矩震級測定被納入國際主流地震監(jiān)測機(jī)構(gòu)日常工作,國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理協(xié)會(huì)(IASPEI)也制定了新的震級標(biāo)準(zhǔn),我國與國際主流地震監(jiān)測機(jī)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(xiàng)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(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了與國際主流地震監(jiān)測機(jī)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(huì)得到多個(gè)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(tái)網(wǎng)2008年5月至2021年5月記錄到的104次ML≥4.5地震為研究對象,使用差值統(tǒng)計(jì)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(tái)網(wǎng)的MS以及MW進(jìn)行對比。
新國標(biāo)ML震級與舊國標(biāo)ML震級相比,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)。
選取2008—2020年陜西測震臺(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,分別對這56個(gè)測試地震按照新、舊國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(xì)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
新國標(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(yàn)MS(BB)震級的穩(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(yuǎn)臺(tái)無法觀測到長周期面波震相,最終得到62個(gè)同時(shí)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(jìn)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
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(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
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?yàn)槎叩牧恳?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
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
將新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于陜西地震臺(tái)網(wǎng)得到新國標(biāo)震級,并與原規(guī)范震級進(jìn)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(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(shí),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(shí),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(shí)際大小。但測定MS(BB)震級時(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(gè)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。