倪昊琦 周文杰 董傳雷 陳露玥 錢 婷

（中國南京 210014 江蘇省地震局）

0 引言

震級是地震三要素之一，準確測定震級對于地震速報與應急等工作至關重要（董海龍等，2015）。地震波在地殼中傳播時遇到的斷裂和不同的特性巖石介質會對震級的精確測定造成影響（李惠智，2009；田文德等，2012；吳微微等，2014）。在日常觀測中發(fā)現(xiàn)，灌云地震臺（灌云臺）測定的遠震震級與中國地震臺網(wǎng)中心公布的震級存在一定的偏差，例如，2019年1月5日18時47分（世界時）發(fā)生在印度尼西亞松巴島地區(qū)的地震，灌云地震臺測定震級為5.5，而中國地震臺網(wǎng)中心公布的震級為6.0，二者相差0.5，并且對于不同的震級、震中距和方位角，偏差大小也有所不同。通過查閱相關文獻，發(fā)現(xiàn)前人將單臺震級與中國地震臺網(wǎng)中心公布的震級做差，然后將多次結果計算平均值，以此結果作為震級偏差校正值（中國地震局監(jiān)測預報司，2003）。因此，有必要進行震級偏差計算，對偏差原因進行分析，給出校正值。這對于提高觀測精度、提升臺站監(jiān)測能力具有重要意義。

1 臺站簡介

灌云地震臺（下文簡稱灌云臺）建于1973年，位于江蘇省北部的連云港市灌云縣，處于蘇北盆地北部，其北部為蘇魯造山帶、西側為我國東部著名的郯廬斷裂帶，南側為淮安—響水斷裂帶（余騰等，2020；何奕成等，2021）（圖1）。臺站基巖出露，臺基巖性為花崗片麻巖，映震能力較強，周邊無大型工廠等干擾設施，觀測數(shù)據(jù)質量較高，具有優(yōu)良的地震觀測條件，為國家測震區(qū)域臺，參與遠震資料分析。灌云臺配備CMG-3ESPC寬頻帶數(shù)字地震計，置于出露基巖上。

圖1 江蘇及鄰區(qū)主要地質構造示意Fig.1 Schematic diagram of the major geological structures in Jiangsu and its neighboring areas

2 資料選取

選取灌云臺2019年1月—2021年12月記錄的遠震事件波形數(shù)據(jù)，篩選其中記錄完整的698次事件進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結果顯示，灌云臺記錄的震級范圍為5.0—7.8，中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級范圍為4.7—7.9。表1給出數(shù)據(jù)的震級分檔統(tǒng)計結果，可以看出，相同震級范圍內，灌云臺與中國地震臺網(wǎng)中心記錄的地震數(shù)不同，且灌云臺記錄的遠震事件震級集中在MS5.0—6.9。以中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄的地震參數(shù)為準，繪制震中分布圖，如圖2。

表1 震級統(tǒng)計Table 1 Magnitude Statistics

圖2 震中分布Fig.2 Distribution of epicenters

3 震級測定

我國現(xiàn)行的地震面波震級計算公式由郭履燦等（1981）提出

式中，A為2個水平分向面波地動位移矢量和，單位為μm；T為對應周期，單位為s；Δ為震中距，以度（°）為單位，式中取其數(shù)值計算；C為臺基校正值；σ(Δ)為面波震級起算函數(shù)，當1°＜Δ＜130°時，σ(Δ)=1.66lgΔ+3.5，當130°≤Δ≤180°時，σ(Δ)=6.775+0.5[(2.147 e-1.4465Δ+1.325)×(Δ-90)×10-2+lg sinΔ+(lgΔ-1.954)/3]。

中國地震臺網(wǎng)中心的震級計算公式為

式中，Mi為各臺站測定的同一地震面波震級，n為記錄到同一地震的臺站數(shù)。在計算MS(CENC)時，先計算平均震級，然后剔除超過給定誤差范圍的臺站震級數(shù)據(jù)重新計算平均震級，經(jīng)過多次迭代，最終得到中國地震臺網(wǎng)中心的震級數(shù)據(jù)（訾少剛等，2006）。

4 震級偏差分析

4.1 面波震級對應關系

利用已收集整理的MS震級數(shù)據(jù)，以MS(GUY)為自變量，MS(CENC)為因變量，應用穩(wěn)健回歸方法（何奕成等，2016；羅伯特·安德森，2019；劉仲韜等，2021），得到MS(GUY)和MS(CENC)的關系式為

式中，σ為回歸方程的均方差。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制MS(GUY)和MS(CENC)關系圖，以灌云臺震級為橫坐標，中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級為縱坐標，結果如圖3。

圖3 震級散點Fig.3 Scatter diagram of magnitude

4.2 震級偏差平均值

利用做差法可以求解對于同一地震灌云臺測算震級與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級的偏差，公式為ΔM=MS(GUY)-MS(CENC)。利用公式計算出灌云臺與中國地震臺網(wǎng)中心震級偏差平均值為-0.08，標準誤差（均方差）-1)]1/2。由結果可以看出，灌云臺測定的震級MS(GUY)比中國地震臺網(wǎng)中心的震級MS(CENC)平均低0.08左右。

以0.1級震級偏差為間隔，統(tǒng)計不同震級偏差頻數(shù)，繪制震級偏差頻度分布圖，結果見圖4，圖中橫坐標為震級偏差，縱坐標為對應震級偏差的地震數(shù)。由圖4可知，MS(GUY)和MS(CENC)的差值主要分布在-0.4—0.5，該范圍內地震數(shù)為686個，占比98%。

圖4 震級偏差頻度Fig.4 Frequency of magnitude deviation

4.3 震級偏差影響因素分析

4.3.1 震級。以灌云臺震級為橫坐標，0.1為震級間隔，統(tǒng)計不同震級所對應的震級偏差平均值，得到震級與震級偏差關系，見圖5。圖中橫坐標為灌云臺面波震級，縱坐標為震級偏差大小。由圖5可知：①在各震級檔中，灌云臺震級與中國地震臺網(wǎng)中心之間震級偏差不大，最大偏差為0.2；②在MS5.0—8.0范圍內，震級偏差平均值約為-0.08，即與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級相比，平均偏差僅低0.08，可以看出灌云臺遠震記錄穩(wěn)定，且偏差較小；③MS5.0—6.5范圍內，偏差折線最接近均值線，說明在該范圍內的地震，灌云臺的記錄的震級偏差最小。

圖5 震級偏差與震級關系Fig.5 Relationship between magnitude deviation and magnitude

震級偏差與震級本身大小有關，這可能與震級公式中的周期校正項T有關，因為面波周期不僅是震中距的函數(shù)，還是震級的函數(shù)（訾少剛等，2006）。

4.3.2 震中距。以20°為間隔，分析震級偏差與震中距關系，表2為不同震中距范圍內地震數(shù)和震級偏差平均值。由表2可見：①各個震中距范圍內，震級偏差平均值均為負；②當震中距大于60°時，震級偏差最大，為-0.10；③當震中距為0°—20°時，震級偏差最小，為-0.04。

表2 震級偏差與震中距關系Table 2 Relationship between magnitude deviation and epicentral distance

隨著震中距的增加，地震波傳播所穿過的地下圈層變多，在地層中發(fā)生多次反射、折射，能量損失增大，從而造成波形記錄失真，可能導致偏差變大。此外，面波震級公式中的起算函數(shù)是震中距的函數(shù)，而每個臺站的起算函數(shù)是不一樣的，中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報的震級結果，是多臺計算的平均結果，此為造成偏差的原因之一。

4.3.3 震中方位。以灌云臺位置為坐標原點，將地震事件按4個方位劃分，并計算其震級偏差平均值，結果見表3。由表3可知，東北方向震級偏差平均值最大，為-0.16；西南方向震級偏差平均值最小，為-0.01。這與區(qū)域地質構造情況有關，也與深部介質結構特征有關，因為介質路徑不同，對地震波的固有吸收衰減和散射衰減是不同的（劉紅桂，2012），直接影響了臺站記錄到的面波振幅大小，造成單臺震級偏差。而中國地震臺網(wǎng)中心的震級為多個臺站的算術平均值，在一定程度上消除了方向性的影響（中國地震局監(jiān)測預報司，2003）。

表3 震級偏差與震中方位關系Table 3 Relationship between magnitude deviation and epicenter orientation

5 結論

對灌云臺2019—2021年698個地震事件進行統(tǒng)計，結果顯示，遠震事件震級集中在MS5.0—7.0，灌云臺面波震級比中國地震臺網(wǎng)中心震級平均低0.08左右，說明灌云臺遠震記錄穩(wěn)定，映震能力強，平均誤差小，記錄精度較高，臺站震級無需校正。

由震級偏差與震級大小的關系可知，當5.0≤MS≤6.5時，灌云臺記錄的震級偏差較小，震級較為準確，而當MS＞6.5時，震級偏差開始變大；由震級偏差與震中距的關系可知，灌云臺記錄的震級精度隨震中距的增加而減小；由震級偏差與震中方位的關系可知，灌云臺記錄到的東北方向和東南方向的地震震級偏差較大，可能與地震的海陸分布有關。