新震級國家標(biāo)準(zhǔn)在大同臺的應(yīng)用與評估

白偉利，楊世英，彭麗娟，閆美蓉，高存英，韓 勝，李貴明

(1.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000；2.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震三要素包括發(fā)震時間、震中和震級。其中，震級作為衡量地震大小的尺度，代表地震釋放能量的大小。一直以來，如何更準(zhǔn)確地測定地震震級是一個比較難解決的問題。如，我國測定的面波震級與國際主要地震機(jī)構(gòu)測定的震級就存在偏差，對于3.0級以上地震，我國測定的面波震級平均偏高0.2級左右，而對于5.0～7.0級地震平均偏大0.3～0.4級[1]。我國之前使用的震級標(biāo)準(zhǔn)是GB 17740-1999，經(jīng)過不斷地發(fā)展，地震觀測系統(tǒng)逐漸實現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，到2007年底，所有地震臺站均實現(xiàn)數(shù)字化觀測，儀器特性、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)分析處理方式、震級測定的時效性都發(fā)生了根本的變化[2]。故在2016年，對1999年的震級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂。

震級新國標(biāo)在震級的測定方法和震級發(fā)布方面均進(jìn)行了修訂，增加了寬頻帶面波震級MS(BB)、寬頻帶體波震級mB(BB)的測定要求，修改了短周期體波震級mb振幅的量取范圍。震級新國標(biāo)于2017年1月在全國測震單臺開始試運(yùn)行，與1999年的標(biāo)準(zhǔn)并行使用。由于震級新國標(biāo)在地震震相標(biāo)識、走時表的選用、振幅的量取、震級的測定等方面與原來的處理方法有很大的區(qū)別，且因為不同臺站的地質(zhì)條件、觀測環(huán)境、地下速度模型等存在差異，震級新國標(biāo)對于不同臺站的適用情況也有差異。為了研究大同國家測震臺(以下簡稱大同臺)新舊震級標(biāo)準(zhǔn)下的震級偏差，明確新震級標(biāo)準(zhǔn)在震級測定結(jié)果方面的適用性，對大同臺震級新國標(biāo)的遠(yuǎn)震處理結(jié)果進(jìn)行分析，有望為其他測震單臺的地震分析工作和震級標(biāo)準(zhǔn)方面的研究提供參考。

1 資料選取

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局USGS網(wǎng)站的地震目錄，選取大同臺2018年5月至2019年5月記錄到的國內(nèi)4級以上和國外5級以上共307個地震事件(見表1)。

表1 地震事件震級和震源深度分布表Table 1 Distribution of magnitude and focal depth of earthquake events

2 震級新國標(biāo)下各震級的應(yīng)用分析

大同臺在采用震級新國標(biāo)進(jìn)行地震分析時，參考的是美國地質(zhì)調(diào)查局USGS(以下簡稱USGS)發(fā)布的地震目錄。因此，為了評估震級新國標(biāo)在大同臺的適用性，對所有地震事件的新國標(biāo)測定震級與USGS發(fā)布的震級進(jìn)行對比。

2.1 寬頻帶體波震級mB(BB)

寬頻帶體波震級mB(BB)是震級新國標(biāo)新增的震級，要求直接在垂直向?qū)掝l帶記錄上測定P波波列(包括P，pP，sP，甚至可以為PcP及其尾波，一般取在PP波之前)的最大振幅。計算公式和適用范圍如下：

mB(BB)=lg(Vmax/2π)max+Q(Δ，h)，

(1)

0.2

(2)

在選取的地震事件中，根據(jù)mB(BB)震級測定要求，篩選出符合震中距、振幅量取范圍和周期要求的地震事件211個。將測定的mB(BB)震級與USGS發(fā)布的進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)地震事件樣本的mB(BB)震級比USGS發(fā)布的震級平均只偏小0.001 4，所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差為0.41。

圖1是mB(BB)震級與USGS發(fā)布的震級偏差中各差值占總樣本的比例分布?？梢钥闯觯琺B(BB)震級偏差基本符合正態(tài)分布，但分布不太集中。為了進(jìn)一步研究，將偏差超過±0.6的20個地震事件篩選出來。其中，震中位于環(huán)太平洋地震帶且震源深度大于60 km的有16個，占80%，與樣本中其他地震事件相比，不同之處在于震源深度大，發(fā)震區(qū)域較深，震中位于海洋會造成地震波的傳播介質(zhì)不同。初步分析，可能是由于發(fā)震區(qū)域的深部構(gòu)造和地震波傳播介質(zhì)等造成mB(BB)偏差較大，增大了樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。除去這些因素，測定的mB(BB)震級非常接近USGS發(fā)布的震級，表明其在大同臺的適用情況非常好。

圖1 大同臺mB(BB)震級與發(fā)布震級M的對比震級偏差分布圖Fig.1 Deviation distribution between mB(BB) magnitude and published magnitude M in Datong Station

為得到更加嚴(yán)謹(jǐn)可靠的結(jié)論，把同一地震事件在新舊震級標(biāo)準(zhǔn)下分別測定的mB(BB)和mB震級進(jìn)行對比分析。舊震級標(biāo)準(zhǔn)對mB震級的振幅量取范圍和周期要求較嚴(yán)格，選取的地震事件中，符合要求的有50個，選出這50個地震事件的mB(BB)作對比分析。

結(jié)果表明，舊mB震級與USGS發(fā)布震級的平均偏差為+0.108，樣本事件的標(biāo)準(zhǔn)差是0.307；mB(BB)震級與USGS發(fā)布震級的平均偏差是-0.034，標(biāo)準(zhǔn)差為0.325。二者的平均偏差均小于我國評比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±0.3的誤差。與舊mB震級相比，后者的偏差更小，說明mB(BB)震級的測定結(jié)果比舊mB震級更精確。

2.2 短周期體波震級mb

震級新國標(biāo)的短周期體波震級用mb表示，表2是根據(jù)震級新國標(biāo)的宣貫教材總結(jié)出來的新舊mb震級對比情況。從表2看出，二者的計算公式相同，都是對短周期仿真后在垂直向量取最大振幅進(jìn)行計算；主要差別在于振幅的量取范圍和震中距的測定范圍。新mb震級振幅可以量取垂直向整個P波波列的振幅最大值，舊mb震級振幅要求在P波到時5 s內(nèi)量取。在振幅周期方面，震級新國標(biāo)對其的規(guī)定更寬泛，只要周期小于3 s均可進(jìn)行量取；舊mb震級要求周期要大于0.5 s小于2.5 s。在震級新國標(biāo)的震級發(fā)布規(guī)定中，一般不將mb震級作為發(fā)布震級，因此，下面主要是將新舊mb震級做對比，分析新mb震級的整體偏差情況。

表2 新舊mb震級對比Table 2 Comparison of magnitude of new and old mb

經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，同時符合新舊mb震級測定要求的地震事件有193個。通過計算，新舊mb震級與USGS發(fā)布震級的偏差均比較大，分別為-0.516和-0.487。新mb震級平均比舊mb震級偏小0.03，對于舊mb震級的整體偏差值為0.487，相對而言偏差值并不大。從第42頁圖2看出，新舊mb震級差值大部分處于±0.2范圍內(nèi)，范圍內(nèi)樣本個數(shù)為139,占總數(shù)的72.02%。從整體看，分布不集中，尤其是大于0.5的分布還較多。

從表2看出，新mb震級的計算公式變化不大，從振幅的量取范圍和振幅周期限制上看，振幅可量取的范圍更大。理論上講，新mb震級測定結(jié)果應(yīng)該比舊mb要更大。但從統(tǒng)計結(jié)果看，新mb震級平均比舊mb震級偏小0.03，在日常的地震分析中也經(jīng)常遇到新mb震級比舊mb震級更小的情況。由于兩種震級目前采用不同的JOPENSE軟件版本，根據(jù)表2的新舊mb震級計算公式，影響公式前半部分周期和振幅的是軟件進(jìn)行仿真時的傳遞函數(shù)，震級新國標(biāo)要求仿真DD-1量取，舊震級標(biāo)準(zhǔn)要求在仿真WA下量取振幅；公式后半部分是量規(guī)函數(shù)，量規(guī)函數(shù)的不同也會導(dǎo)致震級的變化。初步分析認(rèn)為，可能是由于震級計算公式中的量規(guī)函數(shù)或者兩個版本軟件仿真的傳遞函數(shù)不同，導(dǎo)致新舊mb震級偏差大小與理論上的不一致。經(jīng)過以上的分析得出，新mb震級與舊震級測定結(jié)果基本一致，新mb震級在大同臺的適用情況一般。

圖2 舊mb-新mb震級差值分布圖Fig.2 Distribution of magnitude difference between old mb and new mb

2.3 寬頻帶面波震級MS(BB)

新震級標(biāo)準(zhǔn)的寬頻帶面波震級MS(BB)是在寬頻帶速度記錄量取面波垂直向速度振幅最大值來計算的震級。根據(jù)新國標(biāo)規(guī)定，對于ML≥4.5的淺源地震，選擇寬頻帶面波震級MS(BB)為發(fā)布震級M。之前，測震單臺測定遠(yuǎn)震震級一直采用面波震級MS，在仿真SK的兩個水平向上量取最大振幅測得震級MS，因此，在對MS(BB)震級進(jìn)行分析評估時，主要將MS和MS(BB)震級做對比。表3是根據(jù)目前使用的震級規(guī)定和新國標(biāo)的宣貫教材總結(jié)兩者對比情況，兩種震級在震級計算公式、振幅量取范圍和振幅的周期方面，均存在較大的差別。

表3 MS(BB)震級與舊MS震級對比Table 3 Comparison of MS(BB)magnitude and old MS magnitude

對地震事件的震中距、振幅周期和震源深度等條件篩選，符合測定要求的有209個地震。圖3是MS(BB)震級和舊MS震級分別與USGS發(fā)布震級的偏差分布圖。MS(BB)震級的平均偏差為-0.208，MS震級的平均偏差是-0.221，二者的偏差值相差不大。經(jīng)過計算，MS(BB)震級和舊MS震級的標(biāo)準(zhǔn)差分別是0.27和0.31。從圖3也可以看出，MS(BB)震級偏差分布更集中一些，在-0.5至0.1范圍內(nèi)的有169個，占比80.09%；舊MS震級則有151個，占比71.56%。從震級偏差結(jié)果看，MS(BB)震級與舊MS震級相差不大，未體現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性，但MS(BB)震級在測定結(jié)果的穩(wěn)定性方面更好一些。

圖3 MS(BB)、舊MS與發(fā)布震級M間偏差分布圖Fig.3 Deviation distribution of MS(BB) magnitude, old MS and published magnitude M

3 結(jié)論和討論

(1)mB(BB)震級比舊mB震級偏小約0.14，震級偏差基本符合正態(tài)分布，整體不太集中；其與USGS發(fā)布的震級相差非常小，在大同臺的應(yīng)用情況非常好。

(2) 新mb震級與USGS發(fā)布震級的平均偏差值為0.516，相差較大；比舊mb震級平均偏小0.03左右，其平均測定結(jié)果與舊mb震級基本一致。

(3)MS(BB)震級的平均偏差為-0.208，符合國家規(guī)定的不超過±0.3要求；其在震級偏差大小方面與舊MS相比未體現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢，在測定結(jié)果的穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更好。

研究選取的地震事件樣本有限，且地震震級的測定受諸多因素的影響，如臺站地下速度模型、地震傳播路徑、震源區(qū)域介質(zhì)和人為因素等都會對震級的測定結(jié)果產(chǎn)生一定影響[3]。對于新舊mb震級偏差均很大及mB(BB)震級樣本標(biāo)準(zhǔn)差較大的原因分析，僅是筆者一些粗淺的見解，有待進(jìn)一步地探討和研究。