基于峰值加速度計算震級的方法研究

江 鵬，龍承厚，孫澤濤，余 華

(四川省地震局，四川 成都 610041)

基于峰值加速度計算震級的方法研究

江 鵬，龍承厚，孫澤濤，余 華

(四川省地震局，四川 成都 610041)

近震震級ML是地震學(xué)最常見的震級標度，其測定方法常使用位移記錄的S波最大振幅。本文提出了一種由衰減關(guān)系引申得到的基于峰值加速度值來計算震級的方法M=F(A,R)，并利用四川強震臺網(wǎng)獲取的加速度記錄進行了驗證計算，并將結(jié)果與四川測震臺網(wǎng)給出的震級進行了比較，分析了對同一地震不同記錄計算震級的離散性現(xiàn)象。

峰值加速度；震級；衰減關(guān)系

國內(nèi)測定地震基本參數(shù)主要依靠數(shù)字地震儀觀測系統(tǒng)(測震臺網(wǎng)系統(tǒng))，由于其觀測的物理量主要是速度，近場強震常達到儀器的震級飽和，在這種情況下就無法準確測出近場強烈地震震級。強震動儀觀測的物理量是地震動加速度，儀器記錄最大峰值加速度可達到2g，所以利用強震動記錄測定近場地震參數(shù)，對于大震或巨震后地震參數(shù)速報具有很大的現(xiàn)實意義[1]。

1 研究現(xiàn)狀

近震震級ML是應(yīng)用較廣泛且地震學(xué)最常見的震級標度。近震震級ML是根據(jù)Wood-Anderson地震儀(以下簡稱W-A地震儀)所記錄到的地面水平向運動的最大振幅所確定的,現(xiàn)有的近震震級的原始定義是由Richter在1935年通過研究美國加利福尼亞地震而歸納出來的，其定義如下：

ML=lgA-lgA*

(1)

式(1)中A為水平向分量最大記錄振幅的平均值，A*為某一標準震級(零級)地震的記錄振幅。對于零級地震是這樣規(guī)定的:用W-A地震儀(周期0.8 s,阻尼常數(shù)0.8,靜態(tài)放大倍數(shù)2800),在震中距Δ=100 km處的地震圖上記下的水平向分量的最大振幅平均值為1 μm(10-3mm)的地震作為零級地震。我國近震震級ML的測定方法使用位移記錄的S波最大振幅測定,計算公式為：

ML=lg(Aμ)+R(Δ)

(2)

式(2)中,Aμ為南北向和東西向S波最大地動位移的算數(shù)平均值,以μm為單位,兩水平向最大振幅不一定同時到達,R(Δ)為量規(guī)函數(shù)，是考慮振幅隨距離增大而減小的修正參量[2]。

2 峰值加速度與震級的關(guān)系

通常計算的ML震級其實是基于零震級的相對震級，既然存在“位移振幅、距離-震級”的對應(yīng)關(guān)系，相應(yīng)的也可以尋求震級與峰值加速度和距離的關(guān)系M=F(A,R)。前人在研究地震動衰減關(guān)系時已經(jīng)建立了“烈度-震級”的對應(yīng)關(guān)系。第五代地震區(qū)劃圖中提供的衰減關(guān)系模型為：

lgY=A+BM+C*lg·(R+eEM)

(3)

式(3)中Y為地震動參數(shù)aE,aE在數(shù)值上對應(yīng)了新區(qū)劃圖的峰值加速度參數(shù)；M為面波震級；R為震中距；A、B、C、D和E為回歸系數(shù)[3]。雷建成(2007)認為四川及鄰區(qū)地震烈度等烈度線圖表現(xiàn)為顯著的橢圓形，提出了四川及鄰區(qū)的地震動及衰減關(guān)系[3]:

(4)

式(4)中，M為震級，R為震中距，R0為距離預(yù)置項，ε是隨機誤差；d1,d2,d3是回歸系數(shù)；a，b分別代表長、短軸[4]。王國新等也提出了一種衰減關(guān)系模型，這種模型能很明確地描述地震動隨震級和距離的變化情況及衰減率隨震級的變化規(guī)律[5]：

lgY=C+(α+βM)*lg·(R+R0)

(5)

式(5)中Y為峰值加速度，M為震級，R為震中距，R0為描述距離飽和的常數(shù)，C、α、β為回歸系數(shù)。本文采用以上幾種衰減關(guān)系對多次震例進行驗證，發(fā)現(xiàn)由第五代區(qū)劃圖和雷建成提出的衰減關(guān)系計算震級的結(jié)果離散性較大，王國新等的模型適應(yīng)性較好，在進行修改后得到加速度峰值與震級的對應(yīng)關(guān)系[5]：

lgY=a+bM-(c-dM)*lg·(R+R0)

(6)

式(6)中Y為峰值加速度，M為震級，R為震中距，R0為距離飽和常數(shù)，a,b,c,d為回歸系數(shù)。參考崔建文)、郭和提出的云南衰減關(guān)系模型，將上述關(guān)系式作數(shù)學(xué)變換后轉(zhuǎn)化為震級-峰值加速度的關(guān)系式[6]：

M=(lgPGA-a+b*lg(R+R0))/(c+d*lg(R+R0)

(7)

式(7)中PGA為峰值加速度，M為近震震級，R為震中距，R0為距離飽和常數(shù)，a,b,c,d為回歸系數(shù)。利用四川強震臺網(wǎng)獲取的3.0級至7.0級14次地震的162條記錄進行系數(shù)回歸擬合，得到峰值加速度和震級的關(guān)系式：

(8)

M=Mn*0.3-Me*0.3+Mv*0.4

(9)

式中an為南北向PGA，ae為東西向峰值加速度，av為垂直向峰值加速度，M為近震震級，R為震中距。水平向峰值加速度與垂直向峰值加速度隨震中距衰減的規(guī)律有明顯區(qū)別，分別回歸峰值加速度和震級的關(guān)系，并對擬合得到的震級賦予權(quán)重，統(tǒng)計得出南北分向、東西分向和垂直分向的權(quán)重為0.3、0.3和0.4較為合理。

3 震例驗證

選取2010年以來四川強震動臺網(wǎng)獲取的震級介于3.0至7.0的12次地震共計477條單向加速度記錄,采用于海英提出的近場數(shù)字強震儀記錄誤差分析與零線校正方法，對原始記錄進行零線調(diào)整以消除零線漂移的影響，使震前部分的加速度記錄值從理論上盡可能接近于零，之后對調(diào)整后的記錄數(shù)據(jù)進行0.1～25 Hz的帶通濾波處理。由于部分記錄的零線漂移并不是固定不變的，整個時程零線會隨著時間的增加而發(fā)生變化，對此類型的記錄數(shù)據(jù)還需采用Boore方法進行基線校正處理。針對記錄數(shù)據(jù)的處理情況如表2所示。從表2中可以看出，采用本文提出的方法計算出的震級與四川省測震臺網(wǎng)測定的震級基本一致性，部分ML震級由MS震級通過公式MS=1.13ML-1.08換算而來，震級差異最大值為0.9，最小值為0.0，平均差異為0.4級。

表1 震例驗證使用地震記錄情況表

表2 計算得出震級與臺網(wǎng)中心提供的震級對比表

圖1 地震震級計算結(jié)果分布示意

眾所周知，地震波在傳播過程中受介質(zhì)變化的影響，各地震臺站記錄的地震動會表現(xiàn)出不同的衰減特性。通常采用的衰減關(guān)系是由歷史地震的強震動觀測記錄經(jīng)過統(tǒng)計分析得到的。由于我國強震動觀測起步較晚，強震動臺站數(shù)量有限，現(xiàn)有的衰減關(guān)系多采用美國西部地區(qū)、意大利或日本地區(qū)的強震動記錄通過一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系后結(jié)合國內(nèi)實際場地條件擬合得出，受地區(qū)和地震記錄的數(shù)目、觀測質(zhì)量的影響較大。圖1～2給出了12次地震記錄計算出的震級分布情況，從這些圖中可以看出，同一個地震的多組記錄計算震級時，隨震中距的增大震級出現(xiàn)一定程度的變化，且這種變化并無規(guī)律可尋，個別地震由多個地震臺站記錄計算的震級離散性較大，分析認為這種現(xiàn)象與臺站的場地條件相關(guān)性較大。在震級與峰值加速度的關(guān)系M=F(A,R)中，峰值加速度A對震級的影響起主要作用，而強震臺站獲取的峰值加速度受場址地形地貌和覆蓋層的影響較大，偶現(xiàn)跳躍性變化。例如蘆山地震中51BXD臺站獲取的超過常用對數(shù)的峰值加速度是受臺站地形效應(yīng)顯著影響的結(jié)果[7]。同時可以看出，強震動記錄數(shù)量越多，震級計算結(jié)果分布越集中，誤差也越小，于是對臺網(wǎng)密度和布局提出了更高的要求。

圖2 地震震級計算結(jié)果分布示意

4 結(jié)論

本文提出了一種由衰減關(guān)系引申得到的基于峰值加速度計算震級的方法，并利用四川強震臺網(wǎng)獲取的記錄進行了驗證計算，其結(jié)果與測震臺網(wǎng)給出的最終震級一致性較好。同一次地震不同臺站的強震記錄計算震級時，震級有一定的離散性，分析認為這種現(xiàn)象與臺站的場地條件相關(guān)性較大。在震級與峰值加速度的關(guān)系M=F(A,R)中，峰值加速度A對震級的影響起主要作用，而強震臺站獲取的峰值加速度受場址地形地貌和覆蓋層的影響較大。

[1] 崔建文，李世成，高東，趙永慶，包一峰.云南分區(qū)地震動衰減關(guān)系[J]．地震研究,2006,29(4)：386-391.

[2] 章文波.利用近場地震加速度記錄測定近震震級Ml的研究[J].地震工程與工程振動，1995，15(3):4-11

[3] 俞言祥，李山有，肖亮.為新區(qū)劃圖編制所建立的地震動衰減關(guān)系[J]．震災(zāi)防御技術(shù)，2013,8(1)：24-33.

[4] 雷建成，高孟潭，俞言祥.四川及鄰區(qū)地震動衰減關(guān)系[J]．地震學(xué)報，2007,29(5)：500-511.

[5] 王國新，陶夏新，地震動衰減關(guān)系擬合的新兩步法[J].地震工程與工程振動，2001,20(1):24-28.

[6] 郭和，崔建文，辛燦錦，吳邊，林崇峰.基于強震動記錄測定近場地震參數(shù)方法研究[J]．震災(zāi)防御技術(shù)，2009，4(3)：340-346.

[7] 溫瑞智，任葉飛，黃旭濤，盧滔，齊文浩.蘆山7.0級地震強震動記錄及其震害相關(guān)性[J].地震工程與工程振動，2013，33(4):1-14.

ACalculationMethodofSeismicMagnitudeBasedonPeakAccelerationRecordings

JIANG Peng,LONG Chenghou,SUN Zetao,YU Hua

(Sichuan Earthquake Agency,Sichuan Chengdu 610041,China)

This paper presents a calculation method of the attenuation relationship by the magnitude of the peak acceleration data based on the formaM=F(A，R).We verify by calculation of acceleration records from Sichuan Earthquake Network.Then we use the data of the Sichuan Earthquake Network to test our results and analyze the discrete phenomena of an earthquake with different recording.

peak ground acce1eration；magnitude；attenuation relation

2017-07-31

四川省地震局科技專項(項目編號：LY1605)、國家科技支撐計劃課題(課題編號：2014BAK0304).

江鵬(1987-)，男，河北省寧晉縣人，工程師，從事強震動觀測工作.

P315.913

B

1001-8115(2017)04-0001-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.001