蒙城臺深震震級偏差較大成因及解決方法的研究

摘 要：蒙城臺數(shù)字化儀器記錄的深震震級比標(biāo)準(zhǔn)震級普遍偏差較大，最高達(dá)1.0以上，為了解決這一問題，利用記錄波形S波的水平向最大振幅代替?zhèn)鹘y(tǒng)面波的水平向最大振幅去計算，原有的震級計算公式不變，取得了很好的效果，震級偏差普遍降低，能達(dá)到測震觀測規(guī)范規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，提高了本臺觀測結(jié)果的可靠性，具有較強的實用性，值得進(jìn)一步推廣。

關(guān)鍵詞：深震震級 標(biāo)準(zhǔn)震級 震級偏差 S波 面波 最大振幅

中圖分類號：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-00

震級是表征地震強弱的程度，是地震參數(shù)三要素之一，常用的有地方性震級Ml、面波震級Ms或體波震級mb、mB，其中Ms在世界各地應(yīng)用的最為廣泛，有的地震機(jī)構(gòu)根究自己的觀測數(shù)據(jù)，建立了適合本區(qū)域的經(jīng)驗公式。地震儀器在改進(jìn)，地震的數(shù)字記錄波形與模擬記錄波形相比有很多不同，其中振幅及周期是影響地震震級的重要參數(shù)，對深震而言，因面波受震源深度及地表介質(zhì)吸收的影響很不發(fā)育，直接用此計算面波震級必然存在較大偏差，這樣就不能反映地震本身固有能量的大小，因此在震級計算的過程中，需要對傳統(tǒng)的計算方法加以改進(jìn)，使產(chǎn)出數(shù)據(jù)更接近真實震級。因此，解決本臺深源震級偏差過大問題，提高本臺速報質(zhì)量，提高觀測精度，建立起符合本臺實際的震級計算公式，是一個值得探索的課題。

1 觀測記錄概況

1.1 儀器概況

我臺自1999年就開始數(shù)字化觀測，至今陸續(xù)增上了有短周期fss-3m地震儀器，寬頻帶fbs-3a。bbvs-60地震儀，甚至寬頻帶KS-2000地震計，PA-23強震計，bbvs-60地震計，bbvs-120地震計，超寬頻帶360秒jcz-1t地震計，幾乎達(dá)到全頻帶覆蓋觀測，記錄了相當(dāng)豐富的深源地震波形資料。

1.2 分析計算方法

我臺在日常分析工作中，對于深源地震通常采用傳統(tǒng)的面波方法[1]，計算出來的震級與標(biāo)準(zhǔn)震級比較普片偏差很大，最大偏差可達(dá)1.0以上，使震級參數(shù)失去使用價值。

[2]

其中△為震中距，A為面波的兩水平向最大振幅，T為振幅對應(yīng)的周期，兩者前后不能錯過1/8周期，本地區(qū)為σ（Δ）為3.5為本臺起算函數(shù)的修正值[3]。

1.3 改進(jìn)分析計算方法

因此研究此類問題成因及改進(jìn)分析計算方法，提高計算結(jié)果的可靠性顯得十分重要。通過初步研究發(fā)現(xiàn)，利用體波類橫波波形的最大振幅及周期直接代替后面較晚到來的面波最大振幅及周期[4]，帶進(jìn)傳統(tǒng)的面波震級計算公式，計算出來的結(jié)果比較可靠，最大偏差不超過0.4，這就為今后的測震分析工作提供一定的經(jīng)驗基礎(chǔ)，因為震級結(jié)果的可靠性提高，使其在地震速報和應(yīng)急反應(yīng)乃至科學(xué)研究中發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

2 數(shù)理統(tǒng)計法分析處理

2.1數(shù)理統(tǒng)計

采用蒙城臺自1999年投入數(shù)字化觀測以來的震源深度300公里以上地震波記錄資料，用改進(jìn)后的方法分析計算，其統(tǒng)計結(jié)果見表一[5]。

表一

序號

日期

發(fā)震時刻

震級

臺站震級

經(jīng)度（度）

維度（度）

深度（km）

地點

偏差

1

1997-11-28

22：53：41

6.5

6.3

-13.77

-68.81

600

玻利維亞

-0.2

2

1998-3-29

19：48：17

6.9

6.7

-16.92

-178.8

500

斐濟(jì)群島

-0.2

3

1998-5-16

22：22：03

6.7

6.6

-21.86

-178.99

570

圖瓦納島

-0.1

4

1998-8-20

6：40：55

6.4

6.5

28.87

139.46

448

日本小笠群島地區(qū)

0.1

5

1999-4-8

13：10：36

6.8

6.6

43.61

130.34

564

中國吉林延邊地區(qū)

-0.2

6

2000-4-23

9：27：14

6.4

6.4

-28.3

-63

604

阿根廷

0

7

2000-8-6

7：27：14

6.9

7.1

28.85

139.65

417

日本小笠群島地區(qū)

0.2

8

2000-8-15

4：30：09

6.5

6.3

-31.5

179.7

356

克馬德克群島以西

-0.2

9

2001-2-26

5：58：22

6.6

6.7

46.61

144.42

390

鄂霍次克海

0.1

10

2001-4-28

4：49：53

6.7

6.7

-17.37

-177.27

341

斐濟(jì)群島地區(qū)

0

11

2002-6-28

17：19：31

7.1

7

43.68

130.66

568

中國吉林延吉以東

邊境地區(qū)

-0.1

12

2002-8-19

11：01：02

7.4

7.6

-21.37

-178.86

588

斐濟(jì)群島地區(qū)

0.2

13

2002-8-19

11：08：29

7.6

7.5

-23.23

177.89

650

斐濟(jì)群島以南

-0.1

14

2002-8-19

11：23：09

6.6

6.7

-22.95

178.43

665

斐濟(jì)群島以南

0.1

15

2002-10-12

20：09：11

6.9

7.1

-8.3

-71.7

516

巴西西部

0.2

16

2003-5-26

23：13：31

6.6

6.6

6.8

123.7

587

菲律賓棉蘭老島

0

17

2003-6-20

6：19：39

6.6

6.8

-7.6

-71.7

572

巴西西部

0.2

18

2003-7-27

6：25：32

6.6

6.6

47.07

139.22

486

東西北利亞東南近海

0

19

2004-7-15

4：27：15

6.7

6.8

-16.9

-179.45

560

斐濟(jì)群島地區(qū)

0.1

20

2004-7-25

14：35：19

6.8

6.6

-2.4

104

582

蘇門答臘島南部

-0.2

21

2005-2-5

23：23：13

6.4

6.3

4.88

123.85

525

蘇門答臘島北部沿海

-0.1

22

2005-3-21

12：23：54

6.5

6.9

-24.71

-63.95

579

阿根廷薩爾塔省

0.4

23

2006-1-2

22：13：40

6.4

6.3

-19.45

-177.79

582

斐濟(jì)群島地區(qū)

-0.1

24

2006-1-27

16：58：52

6.7

6.5

-5.37

128.29

397

印度尼西亞班達(dá)海

-0.2

25

2007-7-16

14：17：37

6.4

6.5

36.85

135.01

349

日本海

0.1

26

2008-4-19

4：39：07

6.7

6.8

-17.3

-179

540

斐濟(jì)

0.1

27

2008-7-5

2：12：03

6.7

6.8

53.83

152.95

632

鄂霍次克海

0.1

28

2008-11-24

9：02：58

6.2

5.9

54.03

154.54

492

鄂霍次克海

-0.3

29

2009-8-9

18：56：00

7.2

7.1

33.1

138.2

320

日本本州以南地區(qū)

-0.1

30

2009-8-28

9：51：20

6.7

6.4

-7.1

123.4

667

班達(dá)海

-0.3

31

2009-10-4

10：57：55

6.8

6.7

6.23

123.9

630

棉蘭老島

-0.1

32

2009-10-8

5：41：14

6.7

6.6

4.1

122.6

540

西里貝斯海

-0.1

33

2009-11-9

18：44：55

7

7

-16.72

178.18

540

斐濟(jì)群島地區(qū)

0

34

2009-11-22

15：48：20

6.5

6.6

-17.8

-178.2

500

斐濟(jì)群島地區(qū)

0.1

35

2010-2-18

6：13：16

6.5

6.6

42.73

130.91

600

中俄交界

0.1

36

2010-5-25

0：18：30

6.5

6.4

-8

-71.6

600

巴西

-0.1

37

2010-7-24

6：08：11

6.6

6.8

6.18

123.8

600

棉蘭老島附近海域

0.2

38

2010-7-24

6：51：11

7.2

7.4

5.98

123.86

590

棉蘭老島附近海域

0.2

39

2010-7-24

7：15：08

7.1

6.7

6.7

123.2

600

棉蘭老島附近海域

-0.4

40

2010-11-30

11：24：41

6.5

6.5

28.41

139.13

460

日本小笠原群島地區(qū)

0

41

2011-1-1

17：56：57

7.1

7.4

-26.19

-63.9

560

阿根廷

0.3

42

2011-1-13

5：32：54

6.6

6.7

26.95

140.07

520

日本小笠原群島地區(qū)

0.1

43

2011-2-10

22：39：27

6.6

6.5

4.1

123.1

530

西里貝斯海

-0.1

44

2011-2-21

18：57：50

6.6

6.5

-26

178.4

540

斐濟(jì)以南地區(qū)

-0.1

45

2011-4-3

22：07：08

6.7

6.8

-17.6

-178.6

540

斐濟(jì)地區(qū)

0.1

46

2011-7-29

15：42：23

6.6

6.9

-23.6

179.8

540

斐濟(jì)以南地區(qū)

0.3

47

2011-8-30

14：57：41

6.7

6.6

-6.4

126.8

450

班達(dá)海

-0.1

48

2011-9-2

21：47：11

6.5

6

-28.4

-63.1

590

阿根廷

-0.5

49

2011-9-16

3：30：59

7

6.9

-21.5

-179.3

590

斐濟(jì)群島附近海域

-0.1

50

2011-11-23

2：48：15

6.6

6.6

-15.3

-65.1

540

玻利維亞

0

51

2012-1-1

13：27：55

7

7.1

31.4

138.3

360

日本本州東部海域

0.1

52

2012-5-28

13：07：23

6.6

6.5

-28

-63.2

580

阿根廷

-0.1

53

2012-8-14

10：59：37

7.2

7.1

49.66

145.41

600

鄂霍次克海

-0.1

2.2線性回歸分析

2.2.1利用最小二乘原理對震級偏差做一元線性回歸分析其結(jié)果如下：

標(biāo)準(zhǔn)誤差s=0.15 回歸系數(shù)a=0.6990 截距b=2.0346 回歸方程的顯著性檢驗

相關(guān)系數(shù)r=0.8596

2.2.2偏差直方及趨勢線圖

圖1

2.2.3偏差擬合散點圖

圖2

2.2.4一元線性回歸方程：

2.2.5 震級散點及擬合方程圖

圖3

2.2.6震級線性預(yù)測曲線圖

圖4

2.2.7 相關(guān)分析

回歸方程的顯著性檢驗

相關(guān)系數(shù)r=0.8596。兩組數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)震級和臺站震級）之間的關(guān)系程度用以下公式驗證，求出的相關(guān)系數(shù)r結(jié)果為0.8596392481，r大于0.8說明兩者之間高度相關(guān)。相關(guān)計算公式如下：

3 震例檢驗

將基于該經(jīng)驗基礎(chǔ)的方法，用到其他臺站去檢驗也同樣適應(yīng)。為了減輕負(fù)擔(dān)，僅用7.0以上地震做樣本，例河北省邯鄲中心臺將本臺保存記錄的7.0及以上的深源地震，利用該分析方法也同樣收到良好的效果，最大偏差僅為0.3級，在觀測規(guī)范要求的誤差之內(nèi)，如下表二

表二

序號

日期

發(fā)震時刻

震級

經(jīng)度（度）

維度（度）

深度（km）

地點

邯鄲中心臺站震級

偏差

1

2002-06-28

17-19-31

7.1

130.66

43.68

568

中國吉林延吉以東邊境地區(qū)

6.9

-0.2

2

2002-08-19

11-01-02

7.4

-21.37

-178.86

588

斐濟(jì)群島地區(qū)

7.3

-0.1

3

2002-08-19

11-08-29

7.6

-23.23

177.89

650

斐濟(jì)群島以南

7.5

-0.1

4

2009-08-09

18-56-00

7.2

33.1

138.2

320

日本本州以南地區(qū)

7.3

0.1

5

2009-11-09

18-44-55

7.0

-16.72

178.18

540

斐濟(jì)群島地區(qū)

7.0

0

6

2010-07-24

06-51-11

7.2

5.98

123.86

590

棉蘭老島附近海域

6.9

-0.3

7

2010-07-24

07-15-08

7.1

6.7

123.2

600

棉蘭老島附近海域

7.3

0.2

8

2011-01-01

17-56-57

7.1

-26.19

-63.9

560

阿根廷

7.3

0.2

9

2011-09-16

03-30-59

7.0

-21.5

-179.3

590

斐濟(jì)群島附近海域

6.9

-0.1

10

2012-01-01

13-27-55

7.0

31.4

138.3

360

日本本州東部海域

7.3

0.2

11

2012-08-14

10-59-37

7.2

49.66

145.41

600

鄂霍次克海

7.0

-0.2

4 部分震級偏差較大機(jī)理探討

對比后可以看到有部分震級偏差比較大，在0.4左右，同一震級計算公式為什么有的偏差比較大，有的很小，本研究主要認(rèn)為以下幾個方面因素的影響。1.震源場地差異性，2.傳輸介質(zhì)差異性；3.地震波頻率特性差異，4.傳輸距離。地震波的傳播會受震源介質(zhì)，傳輸介質(zhì)，應(yīng)力場以及幾何擴(kuò)散和頻散影響，地震波行程中各頻段的能量衰也減存在差異。因為在解釋有關(guān)地震的地球物理機(jī)制時 ，通常是以假象的模型，認(rèn)為地球的表層、地殼、地幔是分層均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，實際上并非如此。前人研究發(fā)現(xiàn)即使是同一層介質(zhì)也不均勻，有低速層，高速層，有的折射率大，有的小，介質(zhì)密度有的比重很大，有的較小，有的很致密，有的松散，有的含液量大，有的含液很小等等，這就導(dǎo)致地震波穿過這種行行色色的不同介質(zhì)時，會被放大或縮小，波形衰減程度不一等，同時場地的幾何擴(kuò)散效應(yīng)、自身頻散也不一樣，再加上傳輸距離遠(yuǎn)近不一，最后來到接收點后的地震波所攜帶的能量信息已經(jīng)不是震源處的情形，造成一定差異性，尤其面波在以上方面的所受影響大些，而體波則小些，最主要表現(xiàn)在地震波的振幅和周期上，而地震波的振幅和周期恰恰是參與地震震級計算的因子之一，所以造成震級偏差很大程度的不一致，有的通過臺站修正值進(jìn)行校正來減小誤差[6]。

5 結(jié)論

本臺采用的S波最大振幅及周期計算本臺深震震級簡便實用，符合本地區(qū)地質(zhì)條件，最大偏差不超過0.4級。在不改變傳統(tǒng)公式的情況下，直接代入計算，傳統(tǒng)震級計算公式原有的物理意義沒有改變。通過改進(jìn)分析計算方法，震級誤差普遍變小，達(dá)到觀測規(guī)范要求的誤差范圍之內(nèi)。提高了本臺監(jiān)測的效能和資料的使用率。利用該方法在其它臺進(jìn)行震例分析檢驗，也同樣適應(yīng)，該經(jīng)驗方法值得推廣，至于為什么會有這種現(xiàn)象，有待今后進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國地震臺網(wǎng)與美國地震臺網(wǎng)測定震級的對比（Ⅱ）-面波震級。劉瑞豐、陳運泰、Peter Bormann等。地震學(xué)報，2006年，第28卷，第1期，1-7。

[2] IASPEI新標(biāo)準(zhǔn)體波震級分析研究。任克新、徐志國、劉瑞豐等。中國地震。2009年，第25期。第4卷。377-385。

[3] 基于中國地震臺網(wǎng)觀測報告的Ml與Ms經(jīng)驗關(guān)系。汪素云、王建、俞言祥等。中國地震。2010年，第26卷，第1期，14-22。