石玉燕 張春鵬 顏 啟 苗慶杰

（中國濟(jì)南 250014 山東省地震局）

0 引言

震級(jí)是表征地震大小的量度，它是地震基本參數(shù)之一。1935 年Richter 根據(jù)美國加州標(biāo)準(zhǔn)儀器觀測(cè)資料，首次引入了震級(jí)的標(biāo)度——地方性震級(jí)ML。在此基礎(chǔ)上，1945 年Gutenberg（1945）提出面波震級(jí)MS，采用震中距15°—30°淺源地震的20 s 周期面波測(cè)定地震震級(jí)。自此，震級(jí)在世界各國得到廣泛應(yīng)用，不同地震機(jī)構(gòu)根據(jù)本地特征研究建立了適合不同區(qū)域的震級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式。隨著計(jì)算方法的不斷改進(jìn)，各國測(cè)定的震級(jí)差別較大，同一地震不同地震機(jī)構(gòu)測(cè)定的震級(jí)通常不一致，這嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的交流與使用。震級(jí)標(biāo)度統(tǒng)一問題引起各國地震學(xué)家高度重視（劉瑞豐等，2007）。隨著我國數(shù)字化地震觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，震級(jí)測(cè)定方法有了重要進(jìn)展，2017 年新修訂了震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740 — 2017《地震震級(jí)的規(guī)定》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017）。

震級(jí)測(cè)定還受震源機(jī)制和臺(tái)站分布等諸多因素的影響，所以至今震級(jí)仍是地震學(xué)家重要研究?jī)?nèi)容之一。劉瑞豐等（2018）對(duì)汶川MS8.0地震的面波震級(jí)及其多普勒效應(yīng)進(jìn)行研究，認(rèn)為測(cè)定面波震級(jí)大小與臺(tái)站方位有關(guān)，多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的震動(dòng)加強(qiáng)方位上的臺(tái)站測(cè)得的面波震級(jí)偏大；鄧文澤（2021）對(duì)2021 年3 月5 日新西蘭克馬德克群島M7.8 地震面波震級(jí)測(cè)定進(jìn)行差異分析，認(rèn)為我國和美國測(cè)定面波震級(jí)的差異除了震級(jí)公式和測(cè)量方法不同外，由于地震的多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致震中某一方位的臺(tái)站面波震級(jí)偏大，因此面波震級(jí)與臺(tái)站選擇也有很大關(guān)系。本文利用山東區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)88 個(gè)測(cè)震臺(tái)站的原始波形記錄測(cè)定門源地震MS、MS7、MS(BB)等3 種面波震級(jí)并進(jìn)行對(duì)比分析，找出山東區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)最優(yōu)的面波震級(jí)測(cè)定方法，以期對(duì)實(shí)際地震速報(bào)工作有一定意義。

1 資料

北京時(shí)間2022 年1 月8 日1 時(shí)45 分，青海省門源縣發(fā)生MS6.9 地震。震中位于青藏高原東北緣祁連造山帶內(nèi)的祁連—海原斷裂帶中段冷龍嶺斷裂西段，該地區(qū)是青藏高原向大陸內(nèi)部擴(kuò)展的前緣部位，其東北部毗鄰阿拉善地塊，東部連接鄂爾多斯地塊，是現(xiàn)今構(gòu)造變形較強(qiáng)烈、區(qū)域內(nèi)地震較活躍地區(qū)之一。地震發(fā)生后，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）發(fā)布了此次地震的基本參數(shù)（表1）。在地震參數(shù)測(cè)定中震級(jí)測(cè)算應(yīng)當(dāng)使用震中距跨度范圍大、震相記錄豐富的臺(tái)站測(cè)定結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確可靠。此次地震山東區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站震中距范圍為15°—22°，該范圍內(nèi)臺(tái)站記錄的體波正好逐漸跨過“影區(qū)”（受上地幔低速層和高速層影響）后，可記錄到清晰的Lg、LR、LQ 波（圖1），記錄震相豐富，適合面波震級(jí)的測(cè)定。

表1 門源MS 6.9 地震中國地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)的地震基本參數(shù)Table 1 Seismic parameters of Menyuan MS 6.9 earthquake reported by China Earthquake Network

圖1 山東地震臺(tái)網(wǎng)RCH 臺(tái)站記錄的門源MS 6.9 地震原始波形Fig.1 Original waveform of Menyuan MS 6.9 earthquake recorded by RCH station of Shandong network

山東區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)經(jīng)過 “十五”數(shù)字化地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)完成后，又經(jīng)過幾次升級(jí)與改善，目前共接收126 個(gè)山東省測(cè)震臺(tái)站和31 個(gè)鄰省共享臺(tái)站的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，是區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中臺(tái)站密度較高、數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量較好的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)之一，使用全國區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一的JOPENS 系統(tǒng)接收記錄地震波實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（石玉燕等，2020）。門源MS6.9 地震發(fā)生后，山東地震臺(tái)網(wǎng)106 個(gè)臺(tái)站較好地記錄了此次地震的完整震相，本研究中選用了其中信噪比較高的88 個(gè)測(cè)震臺(tái)站的三分向原始波形資料。

圖2 88 個(gè)測(cè)震臺(tái)站的分布Fig.2 Distribution of 88 seismic stations

2 面波震級(jí)測(cè)定

2.1 面波震級(jí)測(cè)定方法

傳統(tǒng)震級(jí)標(biāo)度中面波震級(jí)包含MS、MS7兩種，MS是采用SK 中長(zhǎng)周期地震儀記錄確定的面波震級(jí)，MS7是采用763 型長(zhǎng)周期地震儀記錄確定的面波震級(jí)。我國763 型長(zhǎng)周期地震臺(tái)網(wǎng)在1985 年建成并投入使用，考慮到與國際接軌的要求，陳培善等（1988）提出了利用763 型長(zhǎng)周期地震儀的垂直向記錄測(cè)定面波震級(jí)的方法，用MS7表示；MS7與國際地震機(jī)構(gòu)WWSSN 測(cè)定結(jié)果基本一致（劉瑞豐等，2006）。對(duì)于中國地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)面波震級(jí)，一直采用垂直向LR 波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)最大速度來測(cè)定，它與新國標(biāo)中規(guī)定的MS(BB)測(cè)量方法相同。表2 列出了3 種面波震級(jí)的測(cè)定方法。

表2 3 種面波震級(jí)的測(cè)定方法Table 2 Measurement methods of three surface wave magnitudes

2.2 數(shù)據(jù)處理與震級(jí)測(cè)定

首先，對(duì)選取的88 個(gè)臺(tái)站記錄的門源MS6.9 地震原始波形數(shù)據(jù)使用MSDP 處理軟件進(jìn)行震相分析，共標(biāo)注704 條振幅和周期數(shù)據(jù)進(jìn)行震級(jí)測(cè)定。為了保證震級(jí)測(cè)定更加準(zhǔn)確可靠，本文在震級(jí)測(cè)定前先根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的震中位置，反演給出每個(gè)臺(tái)站的理論P(yáng)、S 震相到時(shí)，然后通過微調(diào)個(gè)別震相到時(shí)，使震中定位結(jié)果與中國地震臺(tái)網(wǎng)結(jié)果完全一致。這保證了震中位置參數(shù)的準(zhǔn)確，可減少因位置偏差帶來的震級(jí)測(cè)算誤差，使面波震級(jí)的研究結(jié)果更加可靠。表3 列出了88 個(gè)臺(tái)站的代碼、震中距、方位角、MS、MS7、MS(BB)的測(cè)定結(jié)果，我們對(duì)表3 中的3 種面波震級(jí)結(jié)果與中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 參與測(cè)算的88 個(gè)臺(tái)站參數(shù)和各類震級(jí)Table 3 The parameters of 88 related stations and various magnitudes

3 不同面波震級(jí)對(duì)比

3.1 山東地震臺(tái)網(wǎng)與中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定震級(jí)對(duì)比

因門源MS6.9 地震的中國地震臺(tái)網(wǎng)正式編目結(jié)果未正式發(fā)布，本文將表3 中山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的3 種震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)發(fā)布的速報(bào)震級(jí)進(jìn)行震級(jí)偏差計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)不同震級(jí)偏差范圍的臺(tái)站數(shù)量，繪制震級(jí)偏差柱狀圖（圖3）。由圖3 可見，山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的3 種震級(jí)均比中國地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)震級(jí)大，多數(shù)臺(tái)站的震級(jí)偏差為0.0—0.5。山東地震臺(tái)網(wǎng)MS(BB)震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定震級(jí)間偏差最小，說明山東地震臺(tái)網(wǎng)MS(BB)震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)震級(jí)間的一致性最好，因此，山東地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)中強(qiáng)地震時(shí)可以直接在垂直分向測(cè)量MS(BB)震級(jí)。

圖3 山東地震臺(tái)網(wǎng)與中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的面波震級(jí)偏差分布藍(lán)色為山東地震臺(tái)網(wǎng)MS 與中國地震臺(tái)網(wǎng)間震級(jí)偏差；橙色為山東地震臺(tái)網(wǎng)MS7與中國地震臺(tái)網(wǎng)間震級(jí)偏差；灰色為山東地震臺(tái)網(wǎng)MS(BB)與中國地震臺(tái)網(wǎng)間震級(jí)偏差Fig.3 Distribution of surface wave magnitude deviation measured by Shandong Seismic Network and China Seismic Network

3.2 山東地震臺(tái)網(wǎng)與青海地震臺(tái)網(wǎng)編目震級(jí)對(duì)比

門源MS6.9 地震發(fā)生后青海地震臺(tái)網(wǎng)使用96 個(gè)臺(tái)站測(cè)定此次地震正式編目震級(jí)為MS7.1，由表3 可知，山東地震臺(tái)網(wǎng)88 個(gè)臺(tái)站測(cè)定的MS、MS7、MS(BB)等3 種面波震級(jí)平均值與青海地震臺(tái)網(wǎng)編目結(jié)果間的偏差分別為-0.1、-0.04、0.14，3 種震級(jí)偏差均小于0.2。由此可見，山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的3 種震級(jí)結(jié)果都穩(wěn)定可靠，MS7震級(jí)與青海地震臺(tái)網(wǎng)編目震級(jí)間偏差最小，因此山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的3 種震級(jí)均可用于日常地震速報(bào)。仿真后測(cè)算的MS、MS7震級(jí)比MS(BB)結(jié)果更接近于編目震級(jí)，但從地震速報(bào) “又快又準(zhǔn)”的需求考慮，MS(BB)測(cè)算更簡(jiǎn)單，更適合在地震速報(bào)中使用。

3.3 山東地震臺(tái)網(wǎng)MS、MS7、MS(BB)震級(jí)對(duì)比

將表3 中88 個(gè)臺(tái)站的3 種震級(jí)一一對(duì)應(yīng)作散點(diǎn)分布圖（圖4）。由圖4 可以看出，山東地震臺(tái)網(wǎng)88 個(gè)臺(tái)站測(cè)定門源MS6.9 地震的平均面波震級(jí)分別為MS7.20、MS77.16、MS(BB)6.96，由此可見，山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)得的傳統(tǒng)面波震級(jí)MS最大，MS(BB)最?。籑S與MS7基本一致，比MS(BB)震級(jí)大0.2 級(jí)左右。而山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的MS(BB)震級(jí)更接近于中國地震臺(tái)網(wǎng)（CENC）的測(cè)定結(jié)果。

圖4 88 個(gè)臺(tái)站測(cè)定的MS、MS7、MS(BB)面波震級(jí)散點(diǎn)圖藍(lán)色、橙色、灰色水平虛線分別為擬合的MS、MS7、MS(BB)震級(jí)均值線Fig.4 Scatter plots of MS,MS7,and MS(BB) surface wave magnitudes measured at 88 stations

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)山東區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)88 個(gè)測(cè)震臺(tái)站記錄的門源MS6.9 地震原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)定門源地震3 種面波震級(jí)MS、MS7、MS(BB)，并與中國地震臺(tái)網(wǎng)和青海區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的面波震級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

（1）山東地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的門源MS6.9 地震的面波震級(jí)MS、MS7、MS(BB)分別為7.20、7.16、6.96。

（2）MS(BB)震級(jí)的測(cè)定方法簡(jiǎn)單，不同臺(tái)站之間的偏差較小，一致性較好，適合在地震速報(bào)中使用。這與震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17740 — 2017《地震震級(jí)的規(guī)定》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017）相一致。

（3）矩震級(jí)MW是用震源參數(shù)測(cè)定的震級(jí)，是表示地震大小的理想震級(jí)，國外地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)外發(fā)布震級(jí)基本是MW。對(duì)于此次門源地震，“全球矩心矩張量項(xiàng)目GCMT”發(fā)布的矩震級(jí)為6.7（http://www.globalcmt.org ）。本文得到的MS(BB)也與MW最接近。

感謝中國地震臺(tái)網(wǎng)中心杜廣寶博士和鄧文澤工程師對(duì)本研究給予的幫助，感謝審稿專家給出的寶貴意見與建議。