內(nèi)蒙古數(shù)字測震臺網(wǎng)單臺近震震級偏差研究

王 鑫 張 帆 尹戰(zhàn)軍 戴 勇 張 暉

（中國呼和浩特010051內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

內(nèi)蒙古數(shù)字測震臺網(wǎng)單臺近震震級偏差研究

王 鑫 張 帆 尹戰(zhàn)軍 戴 勇 張 暉

（中國呼和浩特010051內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

使用內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)產(chǎn)出的觀測報告，以臺網(wǎng)平均震級為標(biāo)準(zhǔn)，選取2008年1月—2014年1月的地震事件，將該臺網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各臺站記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索整理，對樣本數(shù)接近和超過100個的39個臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類統(tǒng)計，計算各臺站單臺震級和臺網(wǎng)平均震級的偏差、平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差，從震級偏差頻次分布、儀器、量規(guī)函數(shù)、臺基等方面分析產(chǎn)生震級偏差的原因。在進(jìn)行量規(guī)函數(shù)和臺基校正后，震級偏差在±0.2之內(nèi)的樣本數(shù)達(dá)到70%。

內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)；震級偏差；量規(guī)函數(shù)；臺基

0 引言

震級是表征地震釋放能量大小的物理量，不但要求計算準(zhǔn)確，而且要求有統(tǒng)一的標(biāo)度。震級測定是地震監(jiān)測預(yù)報工作的基礎(chǔ)，看似簡單，實際上較難準(zhǔn)確測定。

“九五”期間，內(nèi)蒙古地區(qū)“呼和浩特數(shù)字遙測臺網(wǎng)”有7個子臺，其他大部分臺站仍采用模擬儀器共同測定震級，因儀器一致性較差，導(dǎo)致測定震級誤差較大?！笆濉表椖客瓿珊?，內(nèi)蒙古地區(qū)建成全覆蓋的區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)，提供各子臺測定震級的平均值，多臺測定與單臺測定震級之間仍存在系統(tǒng)偏差，單臺震級與臺網(wǎng)平均震級偏差有的達(dá)到1.2級以上，臺數(shù)少的定位地震平均震級誤差較大，地震速報參數(shù)中震級的準(zhǔn)確快速測定受到影響，《內(nèi)蒙古數(shù)字測震臺網(wǎng)觀測報告》的地震震級準(zhǔn)確程度也受到影響，有必要對各子臺震級偏差進(jìn)行定量統(tǒng)計分析，試圖從中找出引起偏差的主要因素，并對存在偏差的臺站盡可能給出校正值。這項工作對于提高內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)近震震級測定質(zhì)量具有重要意義。

1 臺網(wǎng)概況

“十五”內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)由39個測震臺組成，2008年1月建成運(yùn)行。內(nèi)蒙古行政區(qū)域大且不規(guī)則，由西南向東北展布，東西跨度大，南北縱深相對小，東西約2 200km，南北約1 400km，測震臺網(wǎng)位于38.8°—51.3°N，105.7°—123.4°E范圍內(nèi)，覆蓋整個行政區(qū)域，但地震臺站分布不均勻，西部和中部存在監(jiān)測空區(qū)（圖1）。臺站儀器實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，儀器一致性較好，觀測系統(tǒng)具有動態(tài)范圍大、頻帶寬、高分辨率等特點(diǎn)。39個臺站中，2個配備地面超寬帶地震計，14個配備地面甚寬帶地震計，1個配備井下甚寬帶地震計，22個配備地面寬帶地震計。超寬帶地震計地動速度響應(yīng)頻帶范圍為360 s—50 Hz，甚寬帶為120 s—50 Hz，寬帶為60 s—50 Hz；地震計有效動態(tài)范圍優(yōu)于130 dB，數(shù)據(jù)采集器動態(tài)范圍優(yōu)于130 dB，數(shù)據(jù)采集器字長24位，每秒100點(diǎn)采樣。

2 資料選取

研究采用內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)中心產(chǎn)出的地震觀測報告，選取2008年1月—2014年1月，臺網(wǎng)記錄的內(nèi)蒙古及臨省地區(qū)發(fā)生的789 個地震事件。由于關(guān)注多臺定位地震震級，所以選取震級ML2.5—5.0，較小地震也有4個以上臺站記錄到，從中選取樣本數(shù)接近或超過100個的39個臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類統(tǒng)計，樣本數(shù)總計8 021條。所選用地震事件震中分布見圖2。

圖1 內(nèi)蒙古測震臺站分布Fig.1 The distribution of stations in Inner Mongolia

圖2 地震事件震中分布Fig.2 The distribution of the earthquakes epicenter

3 計算方法

現(xiàn)代地震臺站觀測系統(tǒng)采用速度記錄，但仍沿用振幅計算近震震級公式（中國地震局，

2001）式中，Aμ以μm為單位，AE和AN分別是東西向和南北向S（Lg）波位移最大振幅：，R（Δ）為量規(guī)函數(shù)，宜采用本地區(qū)量規(guī)函數(shù)?！笆濉币詠聿]有針對本地區(qū)量規(guī)函數(shù)進(jìn)行認(rèn)真研究，所以內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)仍沿用早期的量規(guī)函數(shù)（陳培善等，1983；劉瑞豐等，1996）。由于39個臺站采用寬頻帶儀器，在使用公式（1）計算近震震級時，為了繼續(xù)使用原來的量規(guī)函數(shù)R1（Δ），一定要將寬頻帶數(shù)字地震資料仿真成短周期記錄，量規(guī)函數(shù)R1（Δ）見表1。

通過計算每條地震各個臺站的單臺震級和臺網(wǎng)平均震級偏差，就可以計算每個臺站總的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差，然后對偏差量分布進(jìn)行統(tǒng)計；對6類儀器進(jìn)行分別統(tǒng)計，計算各類儀器的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差；以10km為間隔，對震中距進(jìn)行分段統(tǒng)計，計算各段頻次及平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差，分析產(chǎn)生震級偏差的分布規(guī)律，從而進(jìn)行校正。

表1 量規(guī)函數(shù)Table 1 The gauge function table

第i個地震，第j子臺震級偏差公式為

其中Mij為某個臺站測定的單臺震級，Mi為臺網(wǎng)平均震級。平均偏差為

標(biāo)準(zhǔn)離差為

4 計算結(jié)果分析

采用式（2）、式（3）計算，得到內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)39個子臺所記錄789個地震各子臺震級相對于臺網(wǎng)震級的偏差、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)離差。計算結(jié)果見表2，從表中可以看出，多數(shù)臺站存在一定程度的震級偏差，偏差范圍在-0.39—0.37，其中29個臺站的平均偏差在±0.2之內(nèi)，占總臺數(shù)的74%，離差值總體不大，數(shù)值大小代表了震級偏差值的離散程度（李雪英等，2004）。

4.1 儀器類型影響

為多方面深入探究震級偏差原因，把上述39個臺站按所使用地震計類型分為6類，分別統(tǒng)計不同類型地震計的樣本數(shù)、震級平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差，方法和步驟與統(tǒng)計各臺震級偏差一樣，其偏差量分布基本為正態(tài)分布。計算結(jié)果見表3和表2，可以看出，各個臺站偏差量各不相同，BBVS-60、BBVS-120、CTS-1、JCZ-1儀器系統(tǒng)偏差均不大，離差值也不大，CMG-3TB和KS-2000儀器系統(tǒng)偏差偏大，主要由樣本數(shù)量過少造成?？梢?，儀器類型對震級偏差有一定影響，但影響不大。

表2 震級偏差計算結(jié)果Table 2 Magnitude deviation calculation result

表3 6種不同儀器記錄數(shù)據(jù)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差Table 3 Average deviation and dispersion deviation of 6 different instruments record data

4.2 量規(guī)函數(shù)影響

統(tǒng)計39個臺站的累計樣本數(shù)，對震中距以10km為步長分段計算平均偏差量，計算結(jié)果見表4，震級差和震中距關(guān)系見圖3。由表4和圖3可見，震中距在0—120km以內(nèi)的震級平均偏差為負(fù)值，0—90km以內(nèi)的震級平均偏差超出0.1，0—70km以內(nèi)的震級平均偏差超出0.2，其他范圍內(nèi)震級平均偏差約0，說明震中距在0—70km以內(nèi)實測震級偏小，量規(guī)函數(shù)對震級有影響，震中距70km以上，量規(guī)函數(shù)對震級基本沒有影響。

圖3 震級差和震中距關(guān)系（5點(diǎn)平滑）Fig.3 Relationship between magnitude difference and epicentraldistance （smooth with 5 points）

表4 震中距分段震級平均偏差統(tǒng)計Table 4 Average magnitude deviation statistics by epicentral distance

表4只列出震中距0—240km以內(nèi)的震級平均偏差，取震中距0—1 000km以內(nèi)的震級平均偏差負(fù)值作為量規(guī)函數(shù)的校正值，對39個臺站震級數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。在校正R（Δ）后，重新計算各個臺的震級平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差，結(jié)果見表5（表5中臺站儀器型號和樣本數(shù)與表2一致，故表5中不再重復(fù)列出）。將平均偏差負(fù)值作為該臺站校正值（主要臺基因素），認(rèn)為偏差量小于0.05沒有實際意義，取作0（陳培善等，1983）。表5中震級平均偏差范圍在-0.40—0.36，其中29個臺站的震級平均偏差在±0.2之內(nèi)，占74%以上。對比表2和表5可以看出，平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)離差總體下降明顯。

表5 震中距校正后39個臺站震級偏差Table 5 Magnitude deviation calculation result after epicentral distance correction

4.3 臺基影響

統(tǒng)計分析39個臺站震級偏差分布，結(jié)果表明，偏差基本正態(tài)分布，震級平均偏差和正態(tài)分布極值點(diǎn)基本吻合，說明對臺站進(jìn)行臺基校正具有實際意義。地震研專家把臺基校正直接表述為臺站校正（劉瑞豐等，2007）的含義，是由臺站引起的震級偏差并非只有臺基因素。

對39個臺站的累計樣本做偏差統(tǒng)計，結(jié)果見表6和圖4。從圖4可以看出，偏差基本呈正態(tài)分布，但分散度較高，偏差在±0.2之內(nèi)的樣本數(shù)只有58%，偏差在±0.3之內(nèi)的樣本數(shù)占73%，離差為0.32。

按表5所列臺站校正值對39個臺站進(jìn)行臺基校正，重新統(tǒng)計整理樣本數(shù)據(jù)，累計樣本做偏差量的重新統(tǒng)計，結(jié)果見表7和圖5。從圖5可見，偏差的正態(tài)分布相對較好，分散度較圖4有一定下降，偏差在±0.2之內(nèi)的樣本數(shù)占64%，偏差在±0.3之內(nèi)的樣本數(shù)占78%，離差為0.28，可見對每個臺站進(jìn)行臺基校正是有意義的，也很必要。雖然經(jīng)過校正后震級偏差有所下降，但仍然存在偏差，說明影響近震震級偏差因素較多。

表6 累計樣本偏差量統(tǒng)計Table 6 Deviation value statistics for samples

表7 校正后樣本偏差量統(tǒng)計Table 7 Deviation value statistics after correction

圖4 表6中偏差量頻次分布Fig.4 Frequencydistribution of deviation value for Table 6

圖5 表7中偏差量頻次分布Fig.5 Frequency distribution of deviation value for Table 7

5 討論

從上述結(jié)果看，引起單臺震級偏差的因素比較復(fù)雜。內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)生的近震在震中距60km范圍內(nèi)受量規(guī)函數(shù)影響。臺基是影響震級偏差的一個重要因素，與臺站周圍地質(zhì)構(gòu)造、覆蓋層厚度及臺基巖性等有關(guān)，位于內(nèi)蒙古中部的保合少地震臺臺基校正值為-0.36，說明其震級測定偏大；位于內(nèi)蒙古東部的海拉爾地震臺臺基校正值為0.40，說明其震級測定偏小，與之前筆者對內(nèi)蒙古地區(qū)測震臺站進(jìn)行臺基響應(yīng)的計算結(jié)果吻合（王鑫等，2015），保合少地震臺放大，海拉爾地震臺衰減，至于產(chǎn)生能量放大衰減的原因需要進(jìn)一步研究，有可能是臺站周圍存在斷裂帶的原因（孟智民等，2005）。由于地震分布的不均勻性，同一臺站記錄來自同一方向的地震較多，震源的輻射花樣相對于某個方向上的臺站記錄，震級也會產(chǎn)生一定影響。上述只是從常規(guī)震級偏差因素進(jìn)行定量分析，隨著地震數(shù)據(jù)的不斷積累，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，尤其是觀測系統(tǒng)靈敏度，否則求出的各種校正值可能受儀器影響，可以從更多方面對震級偏差進(jìn)行深入研究（如方位對震級偏差的影響等）。

本文通過選用內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)“十五”運(yùn)行以來所產(chǎn)出的觀測報告，對樣本數(shù)接近100的每個臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類統(tǒng)計、計算，并且對結(jié)果進(jìn)行分析，給出量規(guī)函數(shù)的校正值和臺基校正值。結(jié)果表明，部分臺站確實存在震級偏差現(xiàn)象，影響震級偏差的因素有儀器、量規(guī)函數(shù)、臺基等。內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)臺站主要影響因素是量規(guī)函數(shù)，其次為臺基。經(jīng)過量規(guī)函數(shù)和臺基校正后，大部分臺站的偏差有所下降。由此可見，震級偏差來自臺站位置和臺基及其他因素的綜合影響，進(jìn)行量規(guī)函數(shù)和臺基研究具有實際意義，有必要進(jìn)行深入研究。

本文得到中國地震局地球物理研究所劉瑞豐研究員的指導(dǎo)，在此深表感謝。

陳培善，秦嘉政.量規(guī)函數(shù)、臺站方位、臺基及不同測量方法對近震震級ML的影響［J］.地震學(xué)報，1983，5（1）：87-98.

李雪英，陳立強(qiáng)，趙英萍，毛國良.首都圈數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)單臺震級偏差研究［J］.華北地震科學(xué)，2004，22（3）：33-39.

劉瑞豐，陳運(yùn)泰，等.中國地震臺網(wǎng)震級的對比［J］.地震學(xué)報，2004，29（5）：467-476.

劉瑞豐，黨京平，陳培善.利用速度數(shù)字地震儀記錄測定面波震級［J］.地震地磁觀測與研究，1996，17（2）：1-4.

孟智民，李少睿，張春芳，張憲.陜西數(shù)字地震臺網(wǎng)子臺測定震級的研究［J］.地震研究，2005，28（2）：150-156.

王鑫，尹戰(zhàn)軍，郝美仙，張暉.內(nèi)蒙古臺站場地響應(yīng)區(qū)域特征分析［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2015，10（1）：163-172.

中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范［M］.北京：地震出版社，2001：1-200.

Study on the magnitude deviation of single station in Inner Mongolia Digital Seismic Network

Wang Xin，Zhang Fan，Yin Zhanjun，Dai Yong and Zhang Hui
（Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010051，China）

In this paper，we classifed statistical data of 39 stations with samples close to and more than 100.Using observation data from Inner Mongolia Seismic Network between January 2008 and January 2014，on the basis of network recorded magnitude，the average magnitude deviation and standard deviation are calculated.From the magnitude frequency distribution，instrument gauge function and station site，we analyze the causes of magnitude deviation.After gauge function and station correction，the magnitude deviations of 70 percent samples are within 0.2.

Inner Mongolia Digital Seismic Network，magnitude deviation，gauge function，station foundation

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.005

王鑫（1982—），男，工程師，畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院地球物理專業(yè)，主要從事臺網(wǎng)地震監(jiān)測與系統(tǒng)運(yùn)維工作。E-mail：wangxin0111@163.com

2015年度中國地震局監(jiān)測預(yù)報司“測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項”（編號：20150405）資助

本文收到日期：2015-04-01