孫冬軍 劉芳 畢波

1)上海市地震局，上海 200062 2)上海佘山地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，上海 200062

0 引言

地震震級(jí)的測(cè)定涉及震源過(guò)程、傳播路徑、場(chǎng)地條件、儀器記錄等各方面影響因素(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2017)。由于受到震源破裂過(guò)程的影響，不同方向觀測(cè)點(diǎn)記錄到的地震波振幅大小并不相同，而振幅大小與震源到觀測(cè)點(diǎn)的射線方向有關(guān)，這種關(guān)系通常以輻射花樣來(lái)表示。而不同頻帶的地震儀在同一地點(diǎn)記錄到的同一地震的最大振幅可能不是來(lái)自相同的地震波，至少不是來(lái)自周期相同的地震波，繼而影響震級(jí)的計(jì)算結(jié)果。臺(tái)站地基的巖性會(huì)影響記錄振幅的大小，基巖臺(tái)和土層臺(tái)記錄同一事件的振幅并不一致。

地震波在介質(zhì)中傳播，根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，當(dāng)震源相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，地震計(jì)所記錄的頻率與震源的頻率不同。Somerville等(1997)在研究地震動(dòng)衰減關(guān)系時(shí)，在考慮了斷層破裂的方向性效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在斷層破裂的傳播方向上地震動(dòng)水平分量平均值增大，而在破裂傳播的相反方向上地震動(dòng)水平分量平均值減小。劉瑞豐等(2018)利用全球震中距 20°～160°范圍內(nèi)的臺(tái)站記錄到的汶川地震面波震級(jí)，闡述了汶川地震面波震級(jí)的大小和地震烈度的衰減具有明顯的地震多普勒效應(yīng)。

筆者利用寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)，舍棄了短周期的臺(tái)站，研究各臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)MS(BB)差異性的原因。MS(BB)是在原始的速度型寬頻帶記錄上直接測(cè)定。當(dāng)MW≥6.0時(shí)，MS(BB)和MW偏差不大，且對(duì)于MW6.5以上的地震，MS(BB)比MW偏小0.1以?xún)?nèi)(劉瑞豐等，2014)。

目前，計(jì)算震源機(jī)制解的方法有很多且較為成熟，如CMT方法、W-phase方法、CAP方法等(楊凱等，2018)。而震源機(jī)制解中的2個(gè)節(jié)斷層的主輔關(guān)系，則主要通過(guò)地質(zhì)背景和余震序列走向等來(lái)解釋。徐旭等(2020)通過(guò)九寨溝地震的余震精定位研究余震展布與斷層的線性特征。若臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差異性與斷層破裂面具有普適性關(guān)系，則其可以成為一個(gè)輔助手段來(lái)驗(yàn)證斷層面的準(zhǔn)確性。

1 研究資料和方法

研究選取蘆山地震和九寨溝地震，震源參數(shù)如表1 所示。蘆山地震發(fā)震斷層為上斷點(diǎn)仍埋藏在地下9km附近的一條走向212°、傾向 NW、傾角約38°的盲逆斷層，其余震呈N30°E向密集條帶狀分布(徐錫偉等，2013)。破裂長(zhǎng)度約20km，震源破裂時(shí)間約26s，屬單側(cè)破裂(徐彥等，2013)。蘆山地震可視為汶川地震一次“遲到”的強(qiáng)余震，最大滑動(dòng)量159cm(王衛(wèi)民等，2013)。而九寨溝地震位于樹(shù)正斷裂，其余震分布呈NW-SE向窄帶展布，走向152°，傾向SW，傾角70°(易桂喜等，2017)。梁建宏等(2018)利用2017年8月8—15日的余震數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定位，結(jié)果顯示九寨溝地震余震呈NW向分布，破裂長(zhǎng)度約35km、寬度約12km。梁姍姍等(2018)利用2017年8月8日—10月31日的余震進(jìn)行重定位研究，顯示余震序列呈NNW和SSE兩個(gè)方向擴(kuò)展，破裂長(zhǎng)度約58km。

表1 蘆山地震和九寨溝地震的震源參數(shù)

蘆山地震和九寨溝地震震中位置距離約300km，位于不同的斷裂帶，震源機(jī)制解及余震分布均有較大差異。由于兩個(gè)地震的震級(jí)均為M7.0，且全國(guó)臺(tái)站波形記錄良好，利用較為豐富的臺(tái)站記錄，可以分析臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)的差異性。

本文收集了28個(gè)省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的蘆山地震波形數(shù)據(jù)，以及29個(gè)省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的九寨溝地震波形數(shù)據(jù)。為了消除短周期和寬頻帶記錄的差異性對(duì)震級(jí)測(cè)定帶來(lái)的影響，此次研究從所有波形記錄中篩選出寬頻帶地震記錄，逐一拾取P波、S波震相，在原始波形的垂直向量取最大振幅測(cè)算MS(BB)。由于臺(tái)基的影響基本恒定，可以通過(guò)長(zhǎng)期的記錄來(lái)統(tǒng)計(jì)求得臺(tái)基校正值，予以校正。此外，對(duì)比分析蘆山地震和九寨溝地震，將相同臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)取差值，分析臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差值的方向性變化，即可有效去除場(chǎng)地響應(yīng)和儀器自身影響。

蘆山地震共篩選572個(gè)寬頻帶臺(tái)站計(jì)算震級(jí)，實(shí)測(cè)震級(jí)MS(BB)7.1； 九寨溝地震共篩選603個(gè)寬頻帶臺(tái)站計(jì)算震級(jí)，實(shí)測(cè)震級(jí)MS(BB)6.9。挑選出同時(shí)記錄到2個(gè)地震的臺(tái)站，如圖1所示，通過(guò)比較這些臺(tái)站的實(shí)測(cè)震級(jí)大小，結(jié)合蘆山地震和九寨溝地震的震源機(jī)制解、余震分布等結(jié)果，分析地震臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差異性的原因。

圖1 篩選出的地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站分布

根據(jù)面波震級(jí)公式

MS(BB)=lg(Vmax/T)+R(δ)

(1)

其中，Vmax為垂直向面波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的最大值，T為Vmax對(duì)應(yīng)的周期，R(δ)為量規(guī)函數(shù)。

輻射花樣值為μ，取V′為扣除輻射花樣的振幅，則有

V′=|Vmax/μ|

(2)

根據(jù)多普勒效應(yīng)，彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)振動(dòng)源以速率u相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而相對(duì)接收點(diǎn)靜止時(shí)，儀器所接收到的周期T′ 與振動(dòng)源周期T之間的關(guān)系為

(3)

其中，v為波在介質(zhì)中的傳播速度，θ為觀測(cè)點(diǎn)的徑向矢量與振動(dòng)源移動(dòng)方向之間的夾角。

考慮輻射花樣和多普勒效應(yīng)的影響，實(shí)際測(cè)量的震級(jí)M′為

M′=lg(V′/T′)+R(δ)

(4)

將式(1)、(2)、(3)代入(4)，得

(5)

當(dāng)震源的破裂方向和破裂長(zhǎng)度一定時(shí)，輻射花樣和多普勒效應(yīng)與臺(tái)站和震源的方向有關(guān)。當(dāng)θ為0，即觀測(cè)點(diǎn)的徑向矢量與振動(dòng)源移動(dòng)方向一致時(shí)，輻射花樣和多普勒效應(yīng)的影響最大。

2 結(jié)果分析

蘆山地震選取572個(gè)寬頻帶臺(tái)站，測(cè)定震級(jí)為MS(BB)7.1，相對(duì)震級(jí)集中在-0.1～0.2范圍內(nèi)； 九寨溝地震選取603個(gè)寬頻帶臺(tái)站，測(cè)定震級(jí)為MS(BB)6.9，相對(duì)震級(jí)集中在-0.1～0.1范圍內(nèi)(圖2)。

圖2 蘆山地震(a)和九寨溝地震(b)相對(duì)震級(jí)的臺(tái)站數(shù)

相對(duì)震級(jí)為臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)和地震震級(jí)的差值，即

M相對(duì)=M臺(tái)站實(shí)測(cè)-M平均

(6)

圖3為蘆山地震臺(tái)站分布，其中，圖3(a)為震級(jí)范圍MS(BB)7.0～7.3的臺(tái)站分布，該震級(jí)范圍內(nèi)的臺(tái)站分布較為均勻，無(wú)明顯方向性；圖3(b)為MS(BB)<7.0的臺(tái)站分布，其臺(tái)站分布具有明顯方向性，呈現(xiàn) NE-WS 向分布，分布方向與徐錫偉等(2013)給出其斷層走向?yàn)?12°一致；圖3(c)為MS(BB)>7.3的臺(tái)站分布，其臺(tái)站分布同樣具有明顯方向性，呈現(xiàn) NW-ES 向分布，與斷層傾向NW一致。蘆山地震是單側(cè)破裂的逆斷層，而其實(shí)測(cè)震級(jí)偏大的臺(tái)站分布與斷層走向方向不一致，其臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)方向性差異與單側(cè)破裂的輻射花樣(包括點(diǎn)源的輻射花樣和多普勒效應(yīng)方向性因子乘積)聯(lián)系不緊密，關(guān)系不明顯。

圖3 蘆山地震的地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站分布

圖4 九寨溝地震的地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站分布

圖4為九寨溝地震臺(tái)站分布，其中，圖4(a)為MS(BB)6.8～7.0范圍內(nèi)的臺(tái)站分布，分布較為均勻，無(wú)明顯方向性；圖4(b)為MS(BB)<6.8的臺(tái)站分布，總體分布較為離散，除去正下方部分臺(tái)站，呈現(xiàn) NW-SE 向分布；圖4(c)為MS(BB)>7.0的臺(tái)站分布圖，其分布具有明顯方向性，整體上呈現(xiàn)NE向分布，與易桂喜等(2017)給出九寨溝地震的斷層傾向SW處于同一條直線分布。九寨溝地震作為雙側(cè)破裂的走滑斷層，實(shí)測(cè)震級(jí)偏大的臺(tái)站分布與斷層走向不一致，臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差異性分布也與輻射花樣和多普勒效應(yīng)聯(lián)系不緊密，關(guān)系不明顯。

圖5 蘆山地震和九寨溝地震均有記錄的地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站分布

3 結(jié)論

本文收集了28個(gè)省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的蘆山地震波形數(shù)據(jù)和 29個(gè)省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的九寨溝地震波形數(shù)據(jù)，分別對(duì)蘆山地震和九寨溝地震的MS(BB)進(jìn)行了測(cè)算，繪制了臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)的分布。獲得的主要認(rèn)識(shí)有：

(1)蘆山地震實(shí)測(cè)震級(jí)為MS(BB)7.1，比中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的震級(jí)偏大0.1； 九寨溝地震實(shí)測(cè)MS(BB)6.9，比中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的震級(jí)偏小0.1。

(2)蘆山地震實(shí)測(cè)震級(jí)MS(BB)>7.3的臺(tái)站分布具有明顯方向性，呈現(xiàn) NW-SE 向分布；MS(BB)<7.0的臺(tái)站呈現(xiàn) NE-WS 向分布，與斷層的走向一致。

(3)九寨溝地震MS(BB)<6.8的臺(tái)站總體分布較為離散，除去正下方部分臺(tái)站，呈現(xiàn) NW-SE 向分布，與斷層走向一致；MS(BB)>7.0的臺(tái)站分布則具有明顯方向性，整體上呈現(xiàn)NE向分布。

(4)蘆山地震和九寨溝地震的臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差異性分布與輻射花樣和多普勒效應(yīng)聯(lián)系不緊密，關(guān)系不明顯。

(5)通過(guò)相同臺(tái)站記錄的不同地震震級(jí)比較，去除場(chǎng)地響應(yīng)的影響，并考慮短周期和寬頻帶儀器的因素，排除輻射花樣和多普勒效應(yīng)影響，蘆山地震和九寨溝地震臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差異性仍然存在，綜合考慮地震震級(jí)涉及的影響因素，蘆山地震和九寨溝地震的臺(tái)站實(shí)測(cè)震級(jí)差異性可能與地震波的傳播路徑有關(guān)。