劉仲韜 宋曉煜 朱振興

（中國河北 075000 河北省地震局張家口地震監(jiān)測中心站）

0 引言

震級是地震三要素之一，用來表征地震強度大小。震級的準確測定是地震學研究和防震減災各項工作開展的基礎。受震源性質、介質影響、接收站臺基、觀測儀器、震相和定位方法選擇等因素的影響（殷翔等，1981），單臺震級測定與中國地震臺網中心的發(fā)布震級往往存在偏差。面波震級指根據面波計算出來的震級，通常以符號MS來表示。在2017 年12 月1 日新的震級國家標準推廣實施前，面波震級MS作為中國地震臺網在進行地震速報對外發(fā)布的震級M，在新的標準中，面波震級在測定方法上與原觀測技術規(guī)范一致，并且仍為要求地震臺網實際測定的幾種震級之一，面波震級得到較為普遍的應用（劉瑞豐等，2018）。因此，對單臺面波震級偏差的相關因素進行分析，進而減小偏差具有重要意義。

張家口地震臺位于首都圈地震重點監(jiān)視防御區(qū)和京西北地震危險區(qū)內，是河北省及首都圈地區(qū)綜合地震觀測臺站之一，觀測項目種類齊全，其測震儀器工作穩(wěn)定，數據質量較高，映震能力較強。文中收集整理張家口地震臺2017—2018 年記錄的地震面波資料，與中國地震臺網中心同期測定結果進行對比，研究二者面波震級偏差與震級大小、震中距、震中方位的關系，以期為今后張家口地震臺地震監(jiān)測能力的提升提供可靠依據。

1 地震臺概述

張家口地震臺地處京西北、晉冀蒙交界地區(qū)，位于張渤地震帶西北段與山西地震帶北段交匯部位，地質構造復雜，主要分布蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂及2 條EW 向斷裂和數條NW 向小斷裂（圖1）。其中蔚縣山前大斷裂由山西省廣靈起，經蔚縣NE 向延伸至懷來、延慶，桑干河斷裂由陽原沿桑干河向NE 延伸至涿鹿、下花園，2 條EW 向斷裂由狼窩溝、崇禮至赤城和懷安至宣化（李峰等，2017）。

圖1 張家口地區(qū)斷裂構造Fig.1 Faults and tectonics in the Zhangjiakou area

張家口地震臺站址巖性為侏羅系上統張家口組中酸性火山熔巖及火山碎屑巖，測震觀測山洞呈“W”字型，有4 個獨立洞室，總長約65 m，洞頂覆蓋層厚達30 m 以上，觀測用房建筑面積約100 m2，觀測條件良好，儀器墩建在基巖上并有隔震槽，采用BBVS-120 三分向寬頻帶地震計進行觀測，觀測系統工作穩(wěn)定，數據質量良好。該臺觀測山洞平面示意圖見圖2。

圖2 觀測山洞平面示意圖Fig.2 The plane diagram of the observation cave

2 資料選取

選取張家口地震臺2017—2018年記錄的全球范圍內748次MS4.0以上地震事件（圖3），同時收集整理這些地震事件在中國地震臺網中心統一地震編目中的詳細信息，震級分布統計結果見表1。

表1 張家口地震臺MS 震級分布信息Table 1 The MS magnitude distribution at Zhangjiakou Seismic Station

圖3 2017—2018 年不同面波震級地震分布Fig.3 Distribution map of earthquakes of different surface wave magnitudes from 2017 to 2018

由表1 可見，絕大多數地震分布在4.0—6.9 級范圍內。在選取的地震中，山東長島海域MS4.0 地震震級最小，而張家口地震臺測定的面波震級為MS3.6，震級偏差0.4；墨西哥恰帕斯海岸遠海MS8.6 地震震級最大，張家口地震臺測定的面波震級也為MS8.6，無震級偏差。

3 面波震級偏差分析

統計張家口地震臺與中國地震臺網中心發(fā)布的面波震級，分別記為MS（ZJK）、MS（CENC），繪制二者關系圖（圖4），采用多元穩(wěn)健回歸方法，計算二者的面波震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC），可得震級偏差分布在-1.0—1.3 范圍內，平均偏差-0.08，均方差為0.22（何奕成等，2016）。因此，張家口地震臺測定的面波震級比實際震級平均低約0.08，最小震級偏差為-1.0，最大震級偏差為1.3。

圖4 MS（ZJK）和MS（CENC）關系Fig.4 The relationship between ZJK and CENC MS magnitudes

將震級偏差間隔設定為0.1，統計震級偏差頻度分布，結果見圖5。由圖5 可見，面波震級偏差基本均勻分布在0 級左右，集中分布在-0.5—0.5 范圍內，共737 個地震，占比98%以上，其中偏差為-0.1 的地震數最多，有175 個地震?；趶埣铱诘卣鹋_與中國地震臺網中心震級偏差統計結果，分析其與震級大小、震中距、震中方位的關系。

圖5 面波震級偏差頻度分布Fig.5 Frequency of MS magnitude deviations

3.1 震級偏差與震級大小的關系

以張家口地震臺測定的面波震級為橫軸，以震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC）平均值為縱軸，統計不同面波震級下震級偏差大小，結果見圖6。由圖6 可見：①震級偏差基本分布在0級兩側，說明從面波震級偏差與震級的關系角度來看總體偏差不大，且較為穩(wěn)定，與實際地震面波震級相比平均高約0.05；②在4.5—6.5 級范圍內，張家口地震臺測定面波震級偏大，但偏差值不大，均在0.2 以內，最大偏差值為0.19，對應震級MS5.6；③在4.0—4.4級和6.6—8.2 級范圍內，震級偏差浮動范圍較大，偏差范圍在平均值上下浮動，表明對強震和弱震而言，張家口地震臺單臺面波震級測定誤差較大且不穩(wěn)定（蘇梅艷等，2013）。

圖6 張家口地震臺面波震級大小與震級偏差關系Fig.6 The relationship between MS magnitude and magnitudedeviation of Zhangjiakou Seismic Station

3.2 震級偏差與震中距的關系

為了更好地分析張家口中心臺面波震級與震中距的關系，以地心張角來表示地震臺到震中地球球面距離的震中距。將張家口地震臺測定震中距Δ作為橫軸（單位°），以震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC）平均值為縱軸，繪制MS（ZJK）隨震中距的分布關系，結果見圖7。Δ以30°為間隔，統計不同震中距范圍內的地震數，并計算此范圍內面波震級偏差平均值，結果見表2。

表2 震中距與震級偏差關系Table 2 The relation table of epicentral distance and magnitude deviation

圖7 面波震級偏差隨震中距變化分布Fig.7 Distribution of magnitude deviations with epicentral distance

由圖7和表2可見：①Δ在 0—180°范圍內，面波震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC）基本為負值；②Δ在0°—30°和Δ＞90°范圍內，震級偏差最大，均大于-0.1；③Δ在30°—60°范圍內，震級偏差最小，為-0.05。明顯可見，在震中距0—30°范圍內，隨著震中距增大，面波震級偏差明顯減小；在震中距30°—180°范圍內，震級偏差隨震中距增大而不斷變大（楊晶瓊等，2019）。究其原因，震級偏差與面波震級計算公式中的量規(guī)函數及地殼介質性質有關。

面波震級計算公式如下

式中，A為記錄的最大地動水平矢量的模，T為該振幅的視周期，Δ為震中距，σ（Δ）為面波震級量規(guī)函數，C為臺基校正值（郭履燦等，1981）。

由式（1）可知，量規(guī)函數即零級地震起算函數，與震中距相關，每個測震臺站的量規(guī)函數都不相同。中國地震臺網中心公布的面波震級為所有臺站測定結果的平均值，由于各臺站量規(guī)函數的不同，計算過程中相當于對所有記錄臺站的量規(guī)函數取均值，而張家口地震臺計算面波震級時是使用其單臺面波震級量規(guī)函數，此為震級偏差產生的原因之一（何奕成等，2016）。

當震中距相對較大時，地殼介質非均勻性表現為大尺度非均勻性，介質逐漸趨向于均勻介質，均勻介質對地震波的動力學和運動學特征影響較小（謝文杰等，2012）。隨著震中距的增大，較遠地震的射線形態(tài)和傳播特征比近震更為復雜，能量更為分散，所以出現面波震級偏差值不斷變大現象。

3.3 震級偏差與震中方位的關系

以張家口地震臺為坐標原點，將所選取地震的發(fā)生區(qū)域劃分為東北、東南、西南和西北4 個象限，統計各方向地震數，同時計算其面波震級偏差平均值，得到面波震級偏差與震中方位的關系，見表3。由表3 可見，東北、東南、西南3 個方位的面波震級偏差平均值為負值，而西北方向則為正值；東南方向震級偏差絕對值最大，達到0.11，而西北方向震級偏差絕對值最小，為0.02。分析認為，面波震級偏差在震中方位上存在差異，且各方向平均偏差值相差較大，不僅與震源環(huán)境相關，同時與區(qū)域地質構造及深部介質結構特征密切相關，不同傳播路徑中的介質差異對地震波的固有吸收衰減和散射衰減是不同的（劉紅桂，2012），面波振幅大小受傳播路徑影響較大，面波震級大小隨之受到影響。

表3 面波震級偏差與震中方位的關系Table 3 The relationship between surface wave magnitude deviation and epicentral azimuth

4 結論

收集整理張家口地震臺2017—2018 年記錄的全球范圍內748 個MS4.0 以上地震事件，對面波震級資料進行綜合分析，可以得出以下結論：①MS（ZJK）比MS（CENC）平均低0.08，震級偏差分布在-1.0—1.3 范圍內；②面波震級偏差與震級的關系：總體來說，MS（ZJK）-MS（CENC）差值不大，且較為穩(wěn)定，與MS（CENC）相比，MS（ZJK）平均高約0.05；③震級偏差與震中距的關系：震中距在0—30°，隨著震中距增大，面波震級偏差明顯減小，而震中距30°以上，隨著震中距的增大，偏差值不斷變大；④震級偏差與震中方位的關系：張家口地震臺東北、東南、西南3 個方位的面波震級偏差平均值為負值，而西北方向則為正值，其中東南方向的震級偏差絕對值最大，達到0.11，而西北方向的震級偏差絕對值最小，為0.02。