山西臺網(wǎng)新國家標準震級標度與傳統(tǒng)震級標度測定地方性震級的對比分析

張 玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

震級是表示地震本身大小的一個物理量，是地震的基本參數(shù)之一，地震學的研究就是從地震定位和震級測定開始的。因此，規(guī)范地震震級的測定，對地震監(jiān)測預(yù)報、震害預(yù)防、應(yīng)急救援等防震減災(zāi)工作和地震科學研究具有重要意義[1]。

基于國家標準《GB—17740—1999地震震級的規(guī)定》[2]，中國地震局頒布了《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(地震觀測)》[3]，要求我國地震臺網(wǎng)在日常地震監(jiān)測工作中測定地方性震級ML。由于測定均基于仿真后的模擬地震記錄，故被稱為傳統(tǒng)震級標度[4]。由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會于2017年5月12日發(fā)布的新標準《GB 17740—2017地震震級的規(guī)定》(即“新震級國家標準”)[5]中，對測定地方性震級ML及使用作出了規(guī)定，文章稱其為新國家標準震級標度。規(guī)定測定地方性震級ML時，繼續(xù)使用以前的方法，使用5大分區(qū)量規(guī)函數(shù)，使得全國不同區(qū)域地震臺網(wǎng)測定的近震震級更加準確。山西及鄰區(qū)適用華北地區(qū)量規(guī)函數(shù)。

文章使用了匹配新震級標準的JOPEN-MSDP6.0重新測定了山西省區(qū)域地震臺網(wǎng)2018年寬頻帶地震臺站記錄的山西及鄰區(qū)ML≥2.0的地震，速度模型為“山西2015速度模型”[6-7]，將結(jié)果與使用原全國統(tǒng)一量規(guī)函數(shù)測定結(jié)果進行對比，就地震事件震級偏差、單臺震級偏差和標準偏差三方面進行分析。

1 資料選取

山西數(shù)字測震臺網(wǎng)經(jīng)“十五”升級改造后，形成了一個覆蓋全省的數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)，改擴建后的山西數(shù)字測震臺網(wǎng)共有臺站32個，全部使用24位IP數(shù)據(jù)采集器。另外，“十五”期間山西省相繼建成了晉城、長治、運城、太原等地方臺網(wǎng)，這些臺網(wǎng)的納入使山西數(shù)字測震臺網(wǎng)的臺站達到了57個(見第9頁圖1)。同時，山西臺網(wǎng)共享鄰省河北、河南、陜西、內(nèi)蒙古自治區(qū)等臺網(wǎng)共15個臺站的實時波形數(shù)據(jù)，積累了豐富的資料[8-9]。

實際工作中發(fā)現(xiàn)，對于同一地震，由于臺站所處方位角的不同，測定的震級有時差別比較大，這對臺網(wǎng)的震級測定質(zhì)量[7]、地震速報定位與分析[10]造成了一定影響。為驗證新量規(guī)函數(shù)對測算地方性震級的可信度和精度,此次收集整理山西地區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的2018年山西及鄰區(qū)ML≥2.0地震的波形數(shù)據(jù)共150個，采用新量規(guī)函數(shù)R11(Δ)和原量規(guī)函數(shù)R1(Δ)分別對以上地震的地方性震級進行重新測定，并對其單臺震級偏差和標準誤差進行對比分析(見第10頁圖2)。

2 計算方法

按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(地震觀測)》的要求，我國地震臺網(wǎng)測定近震震級時要將寬頻帶數(shù)字地震記錄仿真成DD-1短周期位移記錄，利用S波(或Lg波)的最大振幅來測定。其計算公式[10]為：

ML=lgAμ+R(Δ)，

(1)

式中：Aμ為地動位移，單位μm，Aμ=(AN+AE)/2，AN、AE分別為南北向和東西向S波(或Lg波)的最大振幅;R(Δ)為量規(guī)函數(shù)(見第9頁表1)。里克特1935年提出地方性震級ML及量規(guī)函數(shù)，1959年李善邦[11]根據(jù)我國所使用的地震儀器特性和我國華北地區(qū)的地震波衰減規(guī)律，得到了地方性震級的計算方法和量規(guī)函數(shù)R1(Δ)和R2(Δ)。其中R1(Δ)適用于短周期地震儀，R2(Δ)適用于中長周期地震儀。我國地震臺網(wǎng)在計算地方性震級時使用的是R1(Δ)。

圖1 山西臺網(wǎng)ML≥2.0地震及臺站分布圖Fig.1 Distribution map of ML≥2.0 earthquakes and stations of Shanxi seismic network

現(xiàn)行的地方性震級ML的計算方法與1935年里克特的測量方法保持一致。新ML與傳統(tǒng)ML相比，其計算公式和測定方法的差異主要是仿真模式和量規(guī)函數(shù)不同。新國家標準震級標度測定震級要求仿真成DD-1型，傳統(tǒng)震級測定既可以仿真成DD-1型，又可以仿真成WA短周期記錄，實際工作中大多數(shù)都仿真成WA型；新國家標準震級中測定地方性震級ML時使用五大分區(qū)量規(guī)函數(shù)R11(Δ)，原規(guī)范的量規(guī)函數(shù)是李善邦根據(jù)我國地震儀器的特性和華北地區(qū)地震波的衰減規(guī)律得到的量規(guī)函數(shù)R1。

對于一個地震事件i，求得其第j個臺站的單臺震級MLij[1,12]為：

MLij=lgAμ+R(Δ)。

(2)

它的臺網(wǎng)震級MLi即為：其對臺網(wǎng)每個子臺j測得的單臺震級取平均值，即：

(3)

表1 量規(guī)函數(shù)對照表Table 1 Gauge function comparison table

對于第j個臺站，它的單臺震級偏差為：

ΔMLi=MLij-MLi。

(4)

它的標準偏差為：

(5)

通過以上公式，可以計算出新、舊國家標準震級下的單臺偏差和標準偏差。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 地震事件震級對比分析

對選取的150個地震事件，采用新的分區(qū)量規(guī)函數(shù)R11(Δ)和原量規(guī)函數(shù)R1(Δ)分別對ML≥2.0地震的地方性震級進行重新測定，計算得到新ML與傳統(tǒng)ML差值如圖2所示，80%的震級差值較一致，新舊震級差值絕對值都在0.1之內(nèi)，二者在震級測定上變化不大。分析震級差異原因，認為新ML與原ML的不同主要體現(xiàn)在仿真模式和量規(guī)函數(shù)兩方面。雖然新ML與原ML分別仿真成DD-1和WA兩種不同模式，并測量其水平分量上同一時間的最大振幅，二者測定的振幅相同。

以2018年1月31日07時05分山西大同M3.5地震為例，選取此次地震事件記錄完整的山自皂臺，將其分別仿真成DD-1和WA兩種短周期記錄，測量其水平分量上同一時間的最大振幅。該地震的震中距為19 km，仿真成DD-1記錄的振幅SMN為14.65 μm，SME為5.50 μm，測定震級為ML3.3；WA記錄的振幅SMN為14.65 μm，SME為5.50 μm，測定震級為ML3.1。二者測定的振幅值相同，得出的震級相差0.2，對照表1可知，在震中距19 km處的R11與R1差值為0.2，由此可以看出，新舊震級之間的差異主要是由量規(guī)函數(shù)不同所致。

圖2 重新計算得到的新ML與原ML差值圖Fig.2 Magnitude difference, ΔM is the difference between the new ML and the original ML

臺網(wǎng)震級是每個子臺震級的平均值，震中距不同的臺站參與震級計算時，量規(guī)函數(shù)對震級測定存在一定的影響。量規(guī)函數(shù)R11與R1在大多數(shù)震中距范圍內(nèi)都有差異，差值在0.1。因此次參與計算的地震事件多為小震，子臺震中距基本處在0～400 km左右，在此震中距范圍內(nèi)R11(Δ)與R1(Δ)在Δ處于5～200 km時，R11(Δ)≥R1(Δ)；Δ處于210～470 km時，R11(Δ)≤R1(Δ)，從而使得臺網(wǎng)新舊震級的差值較小，為新舊震級標度順利過渡奠定了基礎(chǔ)，實現(xiàn)新國家震級標度能夠和傳統(tǒng)震級標度很好的銜接。

3.2 單臺震級偏差對比分析

圖3為利用分區(qū)量規(guī)函數(shù)與原量規(guī)函數(shù)計算得出的單臺震級偏差統(tǒng)計圖，由圖可知，使用新量規(guī)函數(shù)計算后得出的單臺震級偏差較R1(Δ)更加集中，且向ΔMLij為0靠攏，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)利用R11(Δ)計算得到的單臺震級偏差絕對值小于0.2的占到60%，0.3～0.5的占33%，0.6～0.8的占7%，大于0.9的不到1%；用R1(Δ)計算得到的單臺震級偏差絕對值小于0.2的占比不到58%，0.3～0.5的占33%，0.6～0.8的占8%，大于0.9的占到1.4%?？梢钥闯?，使用新ML計算得到的單臺震級偏差值93%集中在±0.5附近，且新ML比原ML占比要多。因此，認為使用新量規(guī)函數(shù)測定地方性震級ML能使單臺震級偏差減小，這與王麗艷等[13]所得結(jié)論一致。

3.3 標準偏差對比

通過計算所選樣本的平均標準偏差來評判測定震級的優(yōu)劣程度，計算公式為：

(6)

首先用R11(Δ)通過式(4)計算所有地震事件的單臺震級差，再據(jù)式(5)得出每次地震的標準偏差值δi，通過式(6)得出所有地震的平均標準誤差，得出新震級國標下地方性震級標準誤差δ1為0.31。同理，用R1(Δ)計算原地方性震級標準誤差為δ2為0.33。δ1<δ2，

圖3 新分區(qū)量規(guī)函數(shù)R11(Δ)與原量規(guī)函數(shù)R1(Δ)計算所得的單臺震級偏差對比圖Fig.3 Comparison diagram of magnitude deviation calculated by the new zonal gauge function R11 (Δ) and the original gauge function R1 (Δ)

表明新量規(guī)函數(shù)計算得到的震級優(yōu)于原量規(guī)函數(shù)，故使用新國家標準震級標度測定地方性震級比傳統(tǒng)震級標度測定的精度有所提高。

4 結(jié)論

運用匹配新震級標準的JOPEN-MSDP6.0重新測定了山西及鄰區(qū)ML≥2.0地震震級，與原量規(guī)函數(shù)測定結(jié)果進行對比。得出如下結(jié)論：

(1) 使用新量規(guī)函數(shù)R11(Δ)較R1(Δ)計算所得的震級差值較小，震級變化在0.1之內(nèi)，二者在震級測定方法上變化不大，推行新國家標準震級標度后的地方性震級ML值變化很小，可以與原地方性震級很好的銜接。

(2) 通過震級差異原因分析，雖然新震級與原震級的仿真模式和量規(guī)函數(shù)均發(fā)生了變化，并對計算單臺震級產(chǎn)生了一定的影響，但仿真方式對地震震級的影響不大，量規(guī)函數(shù)是造成震級差值變化的主要原因，這與唐淋等[14]得出的“新舊震級之間的差異主要是仿真方式的變化不同所致”的結(jié)論不同，但得到晏綺云等[15]“江西測震臺網(wǎng)新、舊震級國家標準測定地方性震級的對比研究”結(jié)論的支持。

(3) 使用新量規(guī)函數(shù)R11(Δ)計算所得的單臺震級偏差較R1(Δ)差值更加集中，且大部分向ΔMLij為0靠攏。使用新量規(guī)函數(shù)計算所得的地方性震級標準誤差較R1(Δ)值有所減小，說明在山西地區(qū)使用新國家震級標度測定ML值優(yōu)于原震級標度的值，測定精度有所提高。