張 帆，劉 芳，張 暉，趙艷紅，劉永梅

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)臺站震級偏差和近震量規(guī)函數(shù)研究

張 帆，劉 芳，張 暉，趙艷紅，劉永梅

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

采用2008年至2015 年11月內(nèi)蒙古中西部和鄰近區(qū)域43個臺站所記錄的內(nèi)蒙古中西部地區(qū)2327次地震事件，統(tǒng)計各臺站單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差、平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。震級偏差隨著震中距的變化呈遞增趨勢，在震中距范圍0～150 km內(nèi)，偏差值小于0；在震中距范圍150～500 km內(nèi)，偏差值大于0。使用臺站震級偏差結(jié)果對臺站記錄震級修正后，統(tǒng)計臺站記錄震級隨震中距的變化，對量規(guī)函數(shù)進(jìn)行修正。

地震臺網(wǎng); 內(nèi)蒙古中西部; 量規(guī)函數(shù); 震級偏差

0 引言

震級是表征地震強(qiáng)弱的量度，是衡量地震本身大小的一個量，是諸多研究中需要的重要參數(shù)之一。震級的計算不但要準(zhǔn)確,而且要有統(tǒng)一的標(biāo)度，震級的測定一直是地震學(xué)家研究的重要課題[1]。震源、介質(zhì)的地區(qū)性差異、接收地點臺站和儀器等是影響近震震級ML的因素。量規(guī)函數(shù)是在不同震中距觀測點上用質(zhì)點運動位移最大振幅及相應(yīng)周期，或質(zhì)點運動速度最大幅值測定震級時，對地震波隨距離衰減的校正值，以補償振幅隨距離和深度變化的衰減。地震波通過的介質(zhì)有地區(qū)性差異或有特殊構(gòu)造，使得各個地區(qū)的震級量規(guī)函數(shù)應(yīng)有所不同，因此，量規(guī)函數(shù)是影響震級測定精度的重要因素。

不同地質(zhì)、地震單元之間存在著不同程度的差異，多年來的實際觀測和研究表明，目前使用的近震量規(guī)函數(shù)尚不能充分反映我國地殼的地區(qū)性差異，對同一地震在觀測儀器一樣、臺基條件相似的條件下求出的震級相差較大，使得各地區(qū)測定的相同震級值的地震不能等價比較，對于區(qū)域特征差異十分明顯的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)采用反映本地區(qū)特征的區(qū)域量規(guī)函數(shù)。

1980年以來，針對我國近震震級測定中量規(guī)函數(shù)存在的問題，地震工作者開展了大量研究，陳培善等獲得了我國不同地質(zhì)、地震單元之間存在著不同程度的差異的研究結(jié)果[2]；嚴(yán)尊國開展了震級殘差統(tǒng)計分析和近震最大震相平均衰減形態(tài)等方面的研究，確立了我國東部地區(qū)和西部等地區(qū)的中國近震震級量規(guī)函數(shù)[3-6]；秦嘉政等研究了不同儀器以及地震波的區(qū)域性衰減特征對測定ML的影響[7]；彭美鳳、張誠對閩臺地區(qū)和西北地區(qū)量規(guī)函數(shù)進(jìn)行了分析[8-9]；黃緯瓊對近震衰減特征的地區(qū)差異及近震震級進(jìn)行了估算[10]；薛志照研究了近震震級ML量規(guī)函數(shù)和臺站校正值[11]；高國英利用統(tǒng)計的方法得到了新疆地區(qū)的區(qū)域量規(guī)函數(shù)[12]；樊星等對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)ML近震震級系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究[13]；趙明淳等、孟曉琴等以及項月文等分析對河北、山西和江西數(shù)字地震臺網(wǎng)在測定震級和量規(guī)函數(shù)關(guān)系方面進(jìn)行了研究，取得了很好的效果[14-16]。

2008年內(nèi)蒙古數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)建成后，已積累了豐富的數(shù)據(jù)資料，在地震定位實測中發(fā)現(xiàn)同一事件不同子臺測定的震級存在偏差。本文側(cè)重研究量規(guī)函數(shù)對內(nèi)蒙古數(shù)字地震臺網(wǎng)震級測定的影響，基于震級殘差統(tǒng)計分析方法[17-18]，采用2008年以來內(nèi)蒙古及鄰省地震臺網(wǎng)震相數(shù)據(jù)，對內(nèi)蒙古中西部43個子臺震級偏差進(jìn)行定量的統(tǒng)計分析，研究其產(chǎn)生偏差的原因，修正并確立內(nèi)蒙古中西部地區(qū)區(qū)域近震震級量規(guī)函數(shù)，提高內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)測定震級的質(zhì)量。

1 資料選取

“十五”數(shù)字化建成以來，內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)由81個數(shù)字臺站（區(qū)內(nèi)39個、鄰省42個）組成了數(shù)字化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，且覆蓋了內(nèi)蒙古的大部分地區(qū)，為提高震級的測定精度提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

使用內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)記錄到了2008年10月—2015年11月內(nèi)蒙古中西部及邊境線30 km以內(nèi)的2327次地震事件（圖1），并對每一次地震記錄進(jìn)行了認(rèn)真的分析、處理（表1）。測定近震震級時，采用MSDP定位軟件，選用參與定位的4個臺以上的資料，為了避免在速度記錄上測定近震震級容易造成周期值讀取的不穩(wěn)定，進(jìn)行WA仿真，量取兩水平向最大位移值，使得周期值得到了很好的約束，基本消除了周期測定對震級計算造成的偏差。根據(jù)近震震級計算公式求取各子臺震級值，由多臺震級平均值得到臺網(wǎng)震級值。基于震級殘差統(tǒng)計方法，得到臺網(wǎng)多臺震級平均值，重新修定近震震級的量規(guī)函數(shù)。

圖1 2008年10月—2015年11月2327次地震和43個子臺分布圖Fig.1 Distribution maps of 2327 earthquakes and 43 sub stations from Oct. 2008 to Nov. 2015

表1 地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2 量規(guī)函數(shù)計算方法

依據(jù)中國近震震級標(biāo)度（GB 17740-1999），本文在遵循新修定的量規(guī)函數(shù)測定的近震震級和原測定值之間不存在系統(tǒng)偏差原則的基礎(chǔ)上，建立符合內(nèi)蒙古中西部地區(qū)特征的量規(guī)函數(shù)。根據(jù)《測震臺網(wǎng)運行管理細(xì)則》（2015）中震測函[2015]115號，所有的數(shù)字記錄均仿真成短周期地震儀（WA）后，在位移記錄上量取兩水平向最大位移值，最后采用如下公式來計算近震震級。

式中： Aμ為水平分向記錄的最大地動位移的算術(shù)平均值（μm）；R為短周期地震儀測定ML的量規(guī)函數(shù)。

臺網(wǎng)震級Mi，即對第j個臺站，按（1）式求得震級Mij，然后對第i個地震所有記錄到的子臺求震級平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。 即:

式中N為第i個地震的定位臺站數(shù)；

第i個地震，第j子臺震級偏差為：

第j個臺站的平均震級偏差為：

式中N為第j個臺站記錄到的地震個數(shù)；

第i個地震，第j子臺測定震級扣除臺站平均偏差的影響：

單臺震級偏差值隨震中距的變化：

式中：k是震中距間隔序數(shù)，N為間隔范圍內(nèi)震級偏差樣本數(shù)。

3 計算結(jié)果及分析

基于內(nèi)蒙古測定臺網(wǎng)43個子臺所記錄的2327個地震數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計，使用震級殘差統(tǒng)計方法，計算得到了各子臺震級相對于臺網(wǎng)震級的偏差、每個臺站的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。同時研究了臺震級與臺網(wǎng)平均震級偏差值分布、以及單臺震級偏差值隨震中距的變化，依據(jù)所得結(jié)果對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)近震量規(guī)函數(shù)進(jìn)行修定。

3.1 單臺震級偏差

表2給出了43個子臺震級相對于臺網(wǎng)震級 的偏差、平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差（表2）?？梢钥吹剑罘秶?0.33～0.42之間，偏差值大于0的臺站20個，偏差值小于0的臺站23個，平均偏差值0.013。SDT、MIQ、BHS、ZHW、WJH、ZCH有6個臺站震級偏差較大，偏差范圍在-0.39～0.33之間。震級偏差值較高的臺站場地響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的放大效應(yīng)，可能與場地周圍介質(zhì)、周圍覆蓋層較厚有關(guān)、軟的沉積層、臺基風(fēng)化、以及所處連續(xù)的山體構(gòu)造等因素有關(guān)。位于甘肅境內(nèi)的SDT臺站的臺基為砂礫巖，且?guī)r石風(fēng)化嚴(yán)重，場地響應(yīng)值也較大[19]。

表2 各臺站計算得到的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差

3.2 單臺震級偏差值隨震中距的變化

為了研究單臺震級偏差值隨震中距的變化規(guī)律，獲得內(nèi)蒙古中西部新的量規(guī)函數(shù)。按照單臺平均震級偏差的統(tǒng)計結(jié)果，根據(jù)式（6）從13789條單臺震級記錄偏差結(jié)果中扣除臺站的影響因素，依據(jù)公式（7）按照步長5 km，統(tǒng)計0～500 km每個震中距范圍的震級平均偏差值得到了單臺震級偏差隨震中距的變化曲線（圖2）。

從圖2可看到，震級偏差隨著震中距的變化呈遞增趨勢，在震中距范圍0～140 km內(nèi)，偏差值小于零；在震中距范圍140～500 km內(nèi)，偏差值大于零；震級偏差隨震中距的變化特征反映出地震波衰減的區(qū)域特征和介質(zhì)特征。

圖2 單臺震級偏差隨震中距的變化圖Fig.2 Variation of magnitude deviation of single station with epicenter distance

3.3 量規(guī)函數(shù)的校正

根據(jù)每個震中距范圍的震級偏差統(tǒng)計值，對全國短周期量規(guī)函數(shù)進(jìn)行校正，得到校正后內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的量規(guī)函數(shù)（圖3）。從圖3可知，全國量規(guī)函數(shù)在0≤震中距≤150 km、ML≤3.4時適合于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，當(dāng)震中距＞150 km時，ML＞3.4時，全國量規(guī)函數(shù)均偏高。表3顯示了全國及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)中西部量規(guī)函數(shù)變化表。

圖3 內(nèi)蒙古中西部地區(qū)新量規(guī)函數(shù)曲線Fig.3 New calibration function in the midwestern part of Inner Mongolia region

3.4 單臺震級與臺網(wǎng)平均震級偏差值分析和新量規(guī)函數(shù)的檢驗

為了檢驗新量規(guī)函數(shù)對臺網(wǎng)測定震級偏差的改善，統(tǒng)計分析原始的震級偏差，對比經(jīng)過臺站偏差值修正后的震級偏差和使用新量規(guī)函數(shù)后的震級偏差。圖4（a）為13789條單臺震級記錄與臺網(wǎng)平均震級偏差值頻次圖，形態(tài)基本呈正態(tài)分布，均方差為0.3047。圖4（b）為經(jīng)過臺站震級偏差值修正后的震級偏差值頻次圖，均方差0.2970；圖4（c）為臺站震級偏差值修正并使用新量規(guī)函數(shù)計算震級的臺站震級偏差值頻次圖，均方差0.2712。由圖4可見，經(jīng)過臺站偏差值的修正和量規(guī)函數(shù)的校正，臺站震級偏差均方差降低，各臺站測定相同地震的震級更加一致。

圖5給出臺站震級偏差的空間分布圖，從圖中可以看出，空間相近的臺站震級偏差有相近的趨勢，相鄰的臺站處于相似地質(zhì)條件，初步推斷，臺站所處地質(zhì)環(huán)境對震級偏差有一定的影響，震級偏差在空間上的差異也為介質(zhì)特性的研究提供了線索。

為了分析方位角和震級偏差的關(guān)系，以HHC臺為例，統(tǒng)計分析該臺站記錄不同方位角地震的震級偏差。圖6給出HHC臺記錄的地震分布圖（a）,震級偏差散點圖（b）,方位角頻次圖（c）和平均震級偏差隨方位角的變化（d）。由圖6（d）看出震級偏差隨方位角的變化非常不均勻，記錄的東南方向（方位角60o～210o）震級明顯偏高，而西北方向（方位角240o～0o）地震震級偏低。通過對一個臺站的震級偏差統(tǒng)計分析得出，震級偏差和方位角有較高的相關(guān)性，影響震級偏差的因素多方面的，具體影響因素有待近一步的分析研究。

表3 全國短周期量規(guī)函數(shù)及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)新量規(guī)函數(shù)

圖 4 震級偏差值統(tǒng)計圖Fig.4 Statistic of magnitude deviation

圖5 震級偏差空間分布圖Fig.5 Map of magnitude deviation

4 討論和結(jié)論

圖 6 HHC震級偏差隨方位角分布Fig.6 Distribution of magnitude deviation of HHC with azimuth

選用內(nèi)蒙古中西部及邊境30 km范圍內(nèi)2327次地震記錄資料，基于震級殘差統(tǒng)計分析方法，采用2008年以來內(nèi)蒙古及鄰省地震臺網(wǎng)震相數(shù)據(jù)，對43個子臺震級偏差進(jìn)行定量的統(tǒng)計分析。13789條單臺震級記錄與臺網(wǎng)平均震級偏差值呈正態(tài)分布，均方差為0.3047。各子臺震級偏差范圍在-0.33～0.42之間，偏差值大于0的臺站20個，偏差值小于0的臺站23個，平均偏差值0.013。SDT、MIQ、BHS、ZHW、WJH、ZCH 6個臺站震級偏差較大，偏差范圍在-0.39～0.33之間?？臻g上相鄰的臺站震級偏差有相似的趨勢，初步推斷，臺站所處地質(zhì)環(huán)境對震級偏差有一定的影響。震級偏差隨著震中距的變化呈遞增趨勢，在震中距范圍0～150 km內(nèi)，偏差值小于零，在震中距范圍150～500 km內(nèi)，偏差值大于零。根據(jù)每個震中距范圍的震級偏差統(tǒng)計值，對全國短周期量規(guī)函數(shù)進(jìn)行校正。對比扣除臺站震級偏差量規(guī)函數(shù)的校正前后的震級偏差得出，經(jīng)過臺站偏差值的修正和量規(guī)函數(shù)的校正，臺站震級偏差均方差降低，各臺站測定相同地震的震級更加一致。通過對一個臺站的震級偏差統(tǒng)計分析得出，震級偏差和方位角有較高的相關(guān)性。根據(jù)臺站平均震級對臺站震級偏差和量規(guī)函數(shù)校正，一定程度上補償臺站差異和震中距對震級的影響，但沒有考慮到臺網(wǎng)震級的系統(tǒng)偏差，同時，受到區(qū)域構(gòu)造不均勻性和記錄地震數(shù)量的有限性影響，新修定的內(nèi)蒙古中西部地區(qū)量規(guī)函數(shù)需要在觀測實踐中檢驗和完善。

[1] 劉瑞豐， 黨京平， 陳培善. 利用速度數(shù)字地震儀記錄測定面波震級[J]. 地震地磁觀測與研究， 1996， 17（2）: 1-4.

[2] 陳培善， 秦嘉政. 量規(guī)函數(shù)、臺站方位、臺基及不同測量方法對近震震級ML的影響[J]. 地震學(xué)報， 1983， 5（1）: 87-98.

[3] 嚴(yán)尊國， 李普麗， 薛軍蓉. 中國近震震級量規(guī)函數(shù)研究[J]. 中國地震，1992，8（4）: 76-91.

[4] 嚴(yán)尊國， 李普麗，薛軍蓉. 中國近震震級量規(guī)函數(shù)檢驗研究[J]. 華南地震，1995，15（1）: 1-11.

[5] 嚴(yán)尊國. 湖北區(qū)域臺網(wǎng)測定ML震級中量規(guī)函數(shù)的修正[J]. 地震學(xué)刊， 1983，2: 9-17.

[6] 嚴(yán)尊國， 師蓉梅. 地方性均勻震級系統(tǒng)量規(guī)函數(shù)的區(qū)域特征[J]. 地震地磁觀測與研究， 1982， 4（4）: 4-10.

[7] 秦嘉政， 闞榮舉， 劉祖蔭. 不同儀器以及地震波的區(qū)域性衰減特征對測定ML的影響[J]. 地震研究， 1986， 9（1）: 13-25.

[8] 彭美鳳. 閩臺地區(qū)量規(guī)函數(shù)R（△）的探討[J]. 地震地磁觀測與研究， 1982，3（3）: 71-75.

[9] 張誠. 西北地區(qū)測定震級ML中的某些問題[J]. 地震地磁觀測與研究，1981，3（2）: 28-31.

[10] 黃緯瓊. 近震衰減特征的地區(qū)差異及近震震級的估算[J]. 地震學(xué)報， 1982， 4（4）: 337-349.

[11] 薛志照. 近震震級ML量規(guī)函數(shù)和臺站校正值[J]. 華北地震科學(xué)， 1992， 108 （1）: 60-651.

[12] 高國英， 艾尼瓦爾. 新疆地區(qū)量規(guī)函數(shù)、臺站校正值的分析計算[J]. 西北地震學(xué)報，1987，9（1）: 103-107.

[13] 樊星， 包東健. 內(nèi)蒙古中西部地區(qū)ML近震震級系統(tǒng)的初步研究[J]. 華北地震科學(xué)，1990，8（1）: 38-46.

[14] 趙明淳， 毛國良， 張叢珍， 等. 河北遙測臺網(wǎng)速度震級偏差與量規(guī)函數(shù)關(guān)系的研究[J]. 地震地磁觀測與研究，2005， 26（5）: 87-94.

[15] 孟曉琴， 梁向軍， 張玲， 等. 山西地震臺網(wǎng)速報震級與量規(guī)函數(shù)的研究[J]. 山西地震， 2008， 2: 19-23.

[16] 項月文， 曾文敬， 羅麗， 等. 江西數(shù)字地震臺網(wǎng)近震震級偏差與量規(guī)函數(shù)關(guān)系的研究[J]. 華南地震， 2010， 30（3）: 95-104.

[17] 郭履燦， 趙鳳竹， 趙共玲， 等. 震級與震源參數(shù)測定[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社， 1984.

[18] 陳運泰， 劉瑞豐. 地震的震級[J]. 地震地磁觀測與研究， 2004， 25（6）: 1-12.

[19] 陳繼鋒， 尹欣欣， 董宗明， 等， 甘肅地區(qū)近震震級的量規(guī)函數(shù)研究[J]. 中國地震， 2013， 29（3）: 327-334.

Research on Magnitude Deviation and Near Earthquakes Calibration Function in the Midwestern Part of Inner Mongolia Region

ZHANG Fan，LIU Fang，ZHANG Hui，ZHAO Yan-hong，LIU Yong-mei
（ Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonmous Region，Inner Mongolia Hohhot 050051，China）

To calculate the deviations between single station magnitudes and average ones by the magnitude of residual statistical methods, the paper selects 2327 seismic events recorded on the midwestern part of Inner Mongolia broadband digital seismic network from 2008 to Dec. 2015. The magnitude deviation increases along with epicentral distance which is below zero when the epicentral distance≤150 km and which is above zero when the epicentral distance≥150 km. After Excluding stations magnitude deviation, MLcalibration function is modified and the new midwestern part of Inner Mongolia region calibration function is obtained.

seismic network; midwestern part of Inner mongolia; calibration function；magnitude deviation

P315.3

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.003

1674-8565（2017）01-0017-07

內(nèi)蒙古自治區(qū)2016年度科技重大專項“重點地區(qū)地震預(yù)測預(yù)警技術(shù)研究開發(fā)與推廣示范”子課題“重點地區(qū)殼幔精細(xì)結(jié)構(gòu)反演及地震安全產(chǎn)品集成”；地震科技星火計劃（XH14012Y）；測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項（20140306）

2016-11-25

2017-01-16

張帆（1980-），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事數(shù)字地震學(xué)預(yù)報方法方面的研究工作。E-mail: spacelessness@163.com