張 玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.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

震級(jí)是表示地震本身大小的一個(gè)物理量，是地震的基本參數(shù)之一，地震學(xué)的研究就是從地震定位和震級(jí)測(cè)定開始的。因此，規(guī)范地震震級(jí)的測(cè)定，對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、震害預(yù)防、應(yīng)急救援等防震減災(zāi)工作和地震科學(xué)研究具有重要意義[1]。

基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB—17740—1999地震震級(jí)的規(guī)定》[2]，中國(guó)地震局頒布了《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范(地震觀測(cè))》[3]，要求我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)在日常地震監(jiān)測(cè)工作中測(cè)定地方性震級(jí)ML。由于測(cè)定均基于仿真后的模擬地震記錄，故被稱為傳統(tǒng)震級(jí)標(biāo)度[4]。由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2017年5月12日發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)《GB 17740—2017地震震級(jí)的規(guī)定》(即“新震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”)[5]中，對(duì)測(cè)定地方性震級(jí)ML及使用作出了規(guī)定，文章稱其為新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度。規(guī)定測(cè)定地方性震級(jí)ML時(shí)，繼續(xù)使用以前的方法，使用5大分區(qū)量規(guī)函數(shù)，使得全國(guó)不同區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的近震震級(jí)更加準(zhǔn)確。山西及鄰區(qū)適用華北地區(qū)量規(guī)函數(shù)。

文章使用了匹配新震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的JOPEN-MSDP6.0重新測(cè)定了山西省區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)2018年寬頻帶地震臺(tái)站記錄的山西及鄰區(qū)ML≥2.0的地震，速度模型為“山西2015速度模型”[6-7]，將結(jié)果與使用原全國(guó)統(tǒng)一量規(guī)函數(shù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，就地震事件震級(jí)偏差、單臺(tái)震級(jí)偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差三方面進(jìn)行分析。

1 資料選取

山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)經(jīng)“十五”升級(jí)改造后，形成了一個(gè)覆蓋全省的數(shù)字地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，改擴(kuò)建后的山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)共有臺(tái)站32個(gè)，全部使用24位IP數(shù)據(jù)采集器。另外，“十五”期間山西省相繼建成了晉城、長(zhǎng)治、運(yùn)城、太原等地方臺(tái)網(wǎng)，這些臺(tái)網(wǎng)的納入使山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站達(dá)到了57個(gè)(見第9頁(yè)圖1)。同時(shí)，山西臺(tái)網(wǎng)共享鄰省河北、河南、陜西、內(nèi)蒙古自治區(qū)等臺(tái)網(wǎng)共15個(gè)臺(tái)站的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，積累了豐富的資料[8-9]。

實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一地震，由于臺(tái)站所處方位角的不同，測(cè)定的震級(jí)有時(shí)差別比較大，這對(duì)臺(tái)網(wǎng)的震級(jí)測(cè)定質(zhì)量[7]、地震速報(bào)定位與分析[10]造成了一定影響。為驗(yàn)證新量規(guī)函數(shù)對(duì)測(cè)算地方性震級(jí)的可信度和精度,此次收集整理山西地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的2018年山西及鄰區(qū)ML≥2.0地震的波形數(shù)據(jù)共150個(gè)，采用新量規(guī)函數(shù)R11(Δ)和原量規(guī)函數(shù)R1(Δ)分別對(duì)以上地震的地方性震級(jí)進(jìn)行重新測(cè)定，并對(duì)其單臺(tái)震級(jí)偏差和標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行對(duì)比分析(見第10頁(yè)圖2)。

2 計(jì)算方法

按照《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范(地震觀測(cè))》的要求，我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定近震震級(jí)時(shí)要將寬頻帶數(shù)字地震記錄仿真成DD-1短周期位移記錄，利用S波(或Lg波)的最大振幅來測(cè)定。其計(jì)算公式[10]為：

ML=lgAμ+R(Δ)，

(1)

式中：Aμ為地動(dòng)位移，單位μm，Aμ=(AN+AE)/2，AN、AE分別為南北向和東西向S波(或Lg波)的最大振幅;R(Δ)為量規(guī)函數(shù)(見第9頁(yè)表1)。里克特1935年提出地方性震級(jí)ML及量規(guī)函數(shù)，1959年李善邦[11]根據(jù)我國(guó)所使用的地震儀器特性和我國(guó)華北地區(qū)的地震波衰減規(guī)律，得到了地方性震級(jí)的計(jì)算方法和量規(guī)函數(shù)R1(Δ)和R2(Δ)。其中R1(Δ)適用于短周期地震儀，R2(Δ)適用于中長(zhǎng)周期地震儀。我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)在計(jì)算地方性震級(jí)時(shí)使用的是R1(Δ)。

圖1 山西臺(tái)網(wǎng)ML≥2.0地震及臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution map of ML≥2.0 earthquakes and stations of Shanxi seismic network

現(xiàn)行的地方性震級(jí)ML的計(jì)算方法與1935年里克特的測(cè)量方法保持一致。新ML與傳統(tǒng)ML相比，其計(jì)算公式和測(cè)定方法的差異主要是仿真模式和量規(guī)函數(shù)不同。新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度測(cè)定震級(jí)要求仿真成DD-1型，傳統(tǒng)震級(jí)測(cè)定既可以仿真成DD-1型，又可以仿真成WA短周期記錄，實(shí)際工作中大多數(shù)都仿真成WA型；新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)中測(cè)定地方性震級(jí)ML時(shí)使用五大分區(qū)量規(guī)函數(shù)R11(Δ)，原規(guī)范的量規(guī)函數(shù)是李善邦根據(jù)我國(guó)地震儀器的特性和華北地區(qū)地震波的衰減規(guī)律得到的量規(guī)函數(shù)R1。

對(duì)于一個(gè)地震事件i，求得其第j個(gè)臺(tái)站的單臺(tái)震級(jí)MLij[1,12]為：

MLij=lgAμ+R(Δ)。

(2)

它的臺(tái)網(wǎng)震級(jí)MLi即為：其對(duì)臺(tái)網(wǎng)每個(gè)子臺(tái)j測(cè)得的單臺(tái)震級(jí)取平均值，即：

(3)

表1 量規(guī)函數(shù)對(duì)照表Table 1 Gauge function comparison table

對(duì)于第j個(gè)臺(tái)站，它的單臺(tái)震級(jí)偏差為：

ΔMLi=MLij-MLi。

(4)

它的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

(5)

通過以上公式，可以計(jì)算出新、舊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)下的單臺(tái)偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 地震事件震級(jí)對(duì)比分析

對(duì)選取的150個(gè)地震事件，采用新的分區(qū)量規(guī)函數(shù)R11(Δ)和原量規(guī)函數(shù)R1(Δ)分別對(duì)ML≥2.0地震的地方性震級(jí)進(jìn)行重新測(cè)定，計(jì)算得到新ML與傳統(tǒng)ML差值如圖2所示，80%的震級(jí)差值較一致，新舊震級(jí)差值絕對(duì)值都在0.1之內(nèi)，二者在震級(jí)測(cè)定上變化不大。分析震級(jí)差異原因，認(rèn)為新ML與原ML的不同主要體現(xiàn)在仿真模式和量規(guī)函數(shù)兩方面。雖然新ML與原ML分別仿真成DD-1和WA兩種不同模式，并測(cè)量其水平分量上同一時(shí)間的最大振幅，二者測(cè)定的振幅相同。

以2018年1月31日07時(shí)05分山西大同M3.5地震為例，選取此次地震事件記錄完整的山自皂臺(tái)，將其分別仿真成DD-1和WA兩種短周期記錄，測(cè)量其水平分量上同一時(shí)間的最大振幅。該地震的震中距為19 km，仿真成DD-1記錄的振幅SMN為14.65 μm，SME為5.50 μm，測(cè)定震級(jí)為ML3.3；WA記錄的振幅SMN為14.65 μm，SME為5.50 μm，測(cè)定震級(jí)為ML3.1。二者測(cè)定的振幅值相同，得出的震級(jí)相差0.2，對(duì)照表1可知，在震中距19 km處的R11與R1差值為0.2，由此可以看出，新舊震級(jí)之間的差異主要是由量規(guī)函數(shù)不同所致。

圖2 重新計(jì)算得到的新ML與原ML差值圖Fig.2 Magnitude difference, ΔM is the difference between the new ML and the original ML

臺(tái)網(wǎng)震級(jí)是每個(gè)子臺(tái)震級(jí)的平均值，震中距不同的臺(tái)站參與震級(jí)計(jì)算時(shí)，量規(guī)函數(shù)對(duì)震級(jí)測(cè)定存在一定的影響。量規(guī)函數(shù)R11與R1在大多數(shù)震中距范圍內(nèi)都有差異，差值在0.1。因此次參與計(jì)算的地震事件多為小震，子臺(tái)震中距基本處在0～400 km左右，在此震中距范圍內(nèi)R11(Δ)與R1(Δ)在Δ處于5～200 km時(shí)，R11(Δ)≥R1(Δ)；Δ處于210～470 km時(shí)，R11(Δ)≤R1(Δ)，從而使得臺(tái)網(wǎng)新舊震級(jí)的差值較小，為新舊震級(jí)標(biāo)度順利過渡奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)新國(guó)家震級(jí)標(biāo)度能夠和傳統(tǒng)震級(jí)標(biāo)度很好的銜接。

3.2 單臺(tái)震級(jí)偏差對(duì)比分析

圖3為利用分區(qū)量規(guī)函數(shù)與原量規(guī)函數(shù)計(jì)算得出的單臺(tái)震級(jí)偏差統(tǒng)計(jì)圖，由圖可知，使用新量規(guī)函數(shù)計(jì)算后得出的單臺(tái)震級(jí)偏差較R1(Δ)更加集中，且向ΔMLij為0靠攏，對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)利用R11(Δ)計(jì)算得到的單臺(tái)震級(jí)偏差絕對(duì)值小于0.2的占到60%，0.3～0.5的占33%，0.6～0.8的占7%，大于0.9的不到1%；用R1(Δ)計(jì)算得到的單臺(tái)震級(jí)偏差絕對(duì)值小于0.2的占比不到58%，0.3～0.5的占33%，0.6～0.8的占8%，大于0.9的占到1.4%?？梢钥闯觯褂眯翸L計(jì)算得到的單臺(tái)震級(jí)偏差值93%集中在±0.5附近，且新ML比原ML占比要多。因此，認(rèn)為使用新量規(guī)函數(shù)測(cè)定地方性震級(jí)ML能使單臺(tái)震級(jí)偏差減小，這與王麗艷等[13]所得結(jié)論一致。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比

通過計(jì)算所選樣本的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差來評(píng)判測(cè)定震級(jí)的優(yōu)劣程度，計(jì)算公式為：

(6)

首先用R11(Δ)通過式(4)計(jì)算所有地震事件的單臺(tái)震級(jí)差，再據(jù)式(5)得出每次地震的標(biāo)準(zhǔn)偏差值δi，通過式(6)得出所有地震的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差，得出新震級(jí)國(guó)標(biāo)下地方性震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)誤差δ1為0.31。同理，用R1(Δ)計(jì)算原地方性震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)誤差為δ2為0.33。δ1<δ2，

圖3 新分區(qū)量規(guī)函數(shù)R11(Δ)與原量規(guī)函數(shù)R1(Δ)計(jì)算所得的單臺(tái)震級(jí)偏差對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram of magnitude deviation calculated by the new zonal gauge function R11 (Δ) and the original gauge function R1 (Δ)

表明新量規(guī)函數(shù)計(jì)算得到的震級(jí)優(yōu)于原量規(guī)函數(shù)，故使用新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度測(cè)定地方性震級(jí)比傳統(tǒng)震級(jí)標(biāo)度測(cè)定的精度有所提高。

4 結(jié)論

運(yùn)用匹配新震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的JOPEN-MSDP6.0重新測(cè)定了山西及鄰區(qū)ML≥2.0地震震級(jí)，與原量規(guī)函數(shù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。得出如下結(jié)論：

(1) 使用新量規(guī)函數(shù)R11(Δ)較R1(Δ)計(jì)算所得的震級(jí)差值較小，震級(jí)變化在0.1之內(nèi)，二者在震級(jí)測(cè)定方法上變化不大，推行新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)震級(jí)標(biāo)度后的地方性震級(jí)ML值變化很小，可以與原地方性震級(jí)很好的銜接。

(2) 通過震級(jí)差異原因分析，雖然新震級(jí)與原震級(jí)的仿真模式和量規(guī)函數(shù)均發(fā)生了變化，并對(duì)計(jì)算單臺(tái)震級(jí)產(chǎn)生了一定的影響，但仿真方式對(duì)地震震級(jí)的影響不大，量規(guī)函數(shù)是造成震級(jí)差值變化的主要原因，這與唐淋等[14]得出的“新舊震級(jí)之間的差異主要是仿真方式的變化不同所致”的結(jié)論不同，但得到晏綺云等[15]“江西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)新、舊震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定地方性震級(jí)的對(duì)比研究”結(jié)論的支持。

(3) 使用新量規(guī)函數(shù)R11(Δ)計(jì)算所得的單臺(tái)震級(jí)偏差較R1(Δ)差值更加集中，且大部分向ΔMLij為0靠攏。使用新量規(guī)函數(shù)計(jì)算所得的地方性震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)誤差較R1(Δ)值有所減小，說明在山西地區(qū)使用新國(guó)家震級(jí)標(biāo)度測(cè)定ML值優(yōu)于原震級(jí)標(biāo)度的值，測(cè)定精度有所提高。