新疆地區(qū)近震震級(jí)與面波震級(jí)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系初步研究①

金 花， 閆新義， 任 林， 曹昌軍

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局 ，新疆 烏魯木齊 830011)

由于不同的地震輻射地震波的頻譜存在差別，所以單一的震級(jí)標(biāo)度不適用于定義所有的地震大小。震級(jí)是地震本身大小的一個(gè)量度，它的測定與地震儀器緊密相關(guān)，過去用的模擬地震儀屬于位移記錄，而現(xiàn)在用的寬頻帶數(shù)字地震儀是地動(dòng)速度記錄，存在頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。十五測震臺(tái)網(wǎng)建成后，新疆所有測震臺(tái)站的數(shù)據(jù)采集器都使用24位，地震計(jì)多數(shù)升級(jí)為寬頻帶、甚寬頻帶和超寬頻帶，有3個(gè)臺(tái)站為短周期井下地震計(jì)。新疆臺(tái)網(wǎng)共匯集19個(gè)中國地震數(shù)字地震臺(tái)、76個(gè)區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)、鄰省共享數(shù)字地震臺(tái)共26個(gè)(甘肅5個(gè)、青海13個(gè)、西藏8個(gè))[1-4]。

1 ML和MS震級(jí)的測定

使用不同的震級(jí)標(biāo)度有助于客觀地描述地震大小。目前新疆臺(tái)網(wǎng)速報(bào)和編目工作中主要使用近震震級(jí)和面波震級(jí)。近震震級(jí)測定具有方便、簡單、有效的優(yōu)勢，有助于定量研究地震，為面波震級(jí)、體波震級(jí)標(biāo)度的建立提供思路與方法，具有廣泛的應(yīng)用[5]。面波震級(jí)可以測定遠(yuǎn)距離地震的大小，但對(duì)于近震、小震，面波不發(fā)育，無法直接量取面波震級(jí)，主要測量近震震級(jí)。從地震所產(chǎn)生的災(zāi)害來看，地震對(duì)建筑物的破壞主要是水平向和垂直向2個(gè)方向，而水平向震動(dòng)具有扭轉(zhuǎn)和剪切成分，其產(chǎn)生的破壞要比垂直向產(chǎn)生的破壞力強(qiáng)。因此，本文中利用水平向測定面波震級(jí)更能反映地震造成的破壞程度。通過收集新疆?dāng)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的2010～2018年新疆MS≥3.5可同時(shí)測定近震震級(jí)ML和面波震級(jí)MS的地震波形數(shù)據(jù)，針對(duì)新疆區(qū)域的監(jiān)測臺(tái)站進(jìn)行分析，采用同一軟件，人工量取每個(gè)地震的ML和MS，量取地震波的周期，計(jì)算臺(tái)站的震中距離等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖1為所挑選的地震震中分布圖。

圖1 研究區(qū)域地震的震中分布圖Fig.1 Epicentre maps of earthquakes in the study area

1.1 近震震級(jí)的測定

ML為近震震級(jí)，測量范圍主要是1 000 km以內(nèi)的淺源地震，測定時(shí)通常將寬頻帶數(shù)字地震記錄仿真成DD-1短周期記錄，然后量取近震震相S波的最大振幅[6],

ML=lg(Aμ)+R(Δ).

(1)

Aμ是以μm為單位的地動(dòng)位移，R(Δ)為量規(guī)函數(shù)。近震震級(jí)的大小與地震破壞程度最接近，主要原因是大多數(shù)建筑物的固有周期與短周期地震儀器的周期接近，頻帶寬度大約在0.1～1 s。本文中主要仿真W·A來量取振幅，測定ML。

1.2 面波震級(jí)的測定

(2)

A是以μm為單位的兩水平向地動(dòng)位移的矢量和的最大值;T是相應(yīng)的周期，單位為s; Δ為震中距，以度(°)為單位。

通過重新測定后，剔除誤差偏大的震級(jí)，得到ML和MS各423個(gè)，共846個(gè)震級(jí)，表1為重測的震級(jí)。

通過人工查找，發(fā)現(xiàn)新疆本地臺(tái)站記錄到的面波震級(jí)下限為MS4.0，即MS≥4.0新疆本地臺(tái)站才可以記錄到面波。當(dāng)MS<4.0時(shí)，新疆本地臺(tái)站記錄不到面波，而不少鄰省臺(tái)卻有很好的面波發(fā)育，如甘肅、青海、西藏，產(chǎn)生這種現(xiàn)象，可能是由于震源輻射的方向性和地震波傳播路徑的影響。

2 數(shù)據(jù)處理

選取新疆北天山、南天山—西昆侖區(qū)域、東部區(qū)域和阿爾金附近區(qū)域MS≥3.5的地震，進(jìn)行人工量取ML和MS，滿足每個(gè)地震記錄的臺(tái)站數(shù)≥3的要求，共計(jì)500個(gè)MS≥3.5的地震，重新測定計(jì)算后得到ML和MS各423個(gè)(表1)，共846個(gè)震級(jí)。其中，新疆東部區(qū)域，北天山附近區(qū)域震級(jí)個(gè)數(shù)少于 50，因此做出來的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，未列出線性相關(guān)關(guān)系。本文中僅對(duì)新疆整體區(qū)域和南天山—西昆侖區(qū)域及阿爾金附近區(qū)域的地震震級(jí)分區(qū)域進(jìn)行說明。

表1 重新測量后的震級(jí)統(tǒng)計(jì)表

2.1 新疆整體區(qū)域的ML和MS偏差計(jì)算

此處所指新疆整體區(qū)域包含北天山、南天山―西昆侖區(qū)域，東部區(qū)域和阿爾金附近區(qū)域(圖1)，共記500個(gè)地震事件，范圍為3.5≤MS≤7.5，最后共仿真846個(gè)震級(jí)。為了分析不同震級(jí)之間的關(guān)系，本文中采用線性回歸方法對(duì)ML和MS之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖2所示。得到關(guān)系式，

圖2 ML和MS之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between ML and MS

MS=0.96ML-0.36.

(3)

郭履燦根據(jù)華北地區(qū)的地方性震級(jí)ML和面波震級(jí)MS[7]，得到ML和MS之間的關(guān)系,

MS=1.13ML-1.08.

(4)

上式也是中國目前使用的近震和面波之間的轉(zhuǎn)換公式。將上式所得的MS稱為MS郭，它與公式(3)存在系統(tǒng)偏差(表2)。

通過對(duì)比上述2個(gè)關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)兩者間存在顯著的系統(tǒng)偏差，可能是由于區(qū)域的不同導(dǎo)致，新疆地區(qū)由ML換算的MS值，ML<4.5時(shí)，MS>MS郭；ML=4.5時(shí)，MS=MS郭；ML>4.5時(shí)，MS

表2 ML和MS對(duì)照表

2.2 阿爾金附近區(qū)域

阿爾金山地處青藏高原的北緣，將青藏高原與塔里木盆地分割開來。本文中針對(duì)的阿爾金區(qū)域分布在阿爾金山兩側(cè)，主要選取于田，若羌，且末，民豐發(fā)生的地震。通過人工量取得到ML和MS各169個(gè)，共338個(gè)震級(jí)。用線性回歸分析方法(圖3)對(duì)ML和MS之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到回歸關(guān)系式，

MS=0.95ML-0.52.

(5)

2.3 新疆南天山—西昆侖區(qū)域ML和MS偏差計(jì)算

南天山—西昆侖區(qū)域主要包括南天山與塔里木盆地結(jié)合部附近發(fā)生的地震，選取伽師，阿圖什，烏什，皮山，葉城，烏恰地震等。得到ML和MS各171個(gè)，共342個(gè)震級(jí)。用線性回歸分析方法(圖4)對(duì)ML和MS之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到回歸關(guān)系式，

MS=0.93ML-0.54 .

(6)

圖3 阿爾金區(qū)域ML和MS之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between ML and MS in the altun region圖4 南天山—西昆侖區(qū)域ML和MS之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between ML and MS in the south tianshan-west kunlun region

通過對(duì)表3的分析，發(fā)現(xiàn)阿爾金區(qū)域的震級(jí)誤差要小于南天山—西昆侖區(qū)域的系統(tǒng)偏差，更接近中國地震局的震級(jí)，但比較新疆區(qū)域總的震級(jí)計(jì)算結(jié)果，還是系統(tǒng)偏差偏大。本文中未對(duì)北天山及新疆東部的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示，樣本數(shù)量較少，均小于50，因此測量誤差大，計(jì)算結(jié)果并不理想。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)樣本數(shù)量足夠多時(shí)，如新疆區(qū)域(包含北天山、南天山—西昆侖區(qū)域，東部區(qū)域和阿爾金附近區(qū)域)，ML和MS各423個(gè)，共846個(gè)，計(jì)算結(jié)果才相對(duì)準(zhǔn)確，更接近中國地震局結(jié)果。

3 新疆臺(tái)網(wǎng)與中國地震臺(tái)網(wǎng)測定震級(jí)比較

為更精準(zhǔn)的找出新疆地震臺(tái)網(wǎng)和中國地震地震臺(tái)網(wǎng)測定震級(jí)的差異，通過實(shí)測震級(jí)進(jìn)行比較，參考公式(1)與公式(2)，即經(jīng)過仿真后所得震級(jí)。對(duì)新疆臺(tái)網(wǎng)和中國地震臺(tái)網(wǎng)同時(shí)記錄的232個(gè)ML和199個(gè)MS數(shù)據(jù)作對(duì)比，震級(jí)差值分布圖見圖5。

由圖5顯示，可以看出新疆臺(tái)網(wǎng)與中國地震臺(tái)網(wǎng)ML差值主要分布在(-0.2)～0.1之間，絕大多數(shù)地震差值為0。對(duì)于ML，總體趨勢是新疆臺(tái)網(wǎng)多數(shù)比中國地震臺(tái)網(wǎng)測定的值偏小。而對(duì)于MS(圖6)，多數(shù)情況下MS差值主要分布在(-0.4)～0.2之間，地震差值為0的最多。其次是相差(-0.1)～0.1居多。在分析過程中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)臺(tái)站的偏差范圍在±0.5之內(nèi)，發(fā)現(xiàn)ATS(阿圖什)、BTS(北塔山)、KNS(喀納斯)、SSH(鄯善)臺(tái)震級(jí)偏差較大，分別為砂巖，粉砂巖，砂巖，變質(zhì)巖。其中ATS臺(tái)震級(jí)偏差在±0.7的范圍內(nèi)，震級(jí)既有偏大的也有偏小的，而BTS(北塔山)臺(tái)、KNS(喀納斯)臺(tái)、SSH(鄯善)臺(tái)計(jì)算出的震級(jí)普遍偏小，偏差在-1～-0.7的范圍，可能是因?yàn)榕_(tái)基對(duì)地震波有放小作用。綜上所述，初步認(rèn)為由于砂巖松散沉積，對(duì)地震震級(jí)具有一定的影響[8-10]?；诎l(fā)生在新疆及其周邊的地震，相比之下，中國地震臺(tái)網(wǎng)震中距大于200 km的遠(yuǎn)臺(tái)多，面波發(fā)育，利于MS的測量。當(dāng)震級(jí)較大時(shí)，如MS≥5.0，中國地震臺(tái)網(wǎng)測定的面波震級(jí)會(huì)比區(qū)域臺(tái)網(wǎng)更準(zhǔn)確[11]。

圖5 新疆臺(tái)網(wǎng)和中國地震臺(tái)網(wǎng)ML差值分布圖Fig.5 Distribution map of ML difference between Xinjiang network and China seismic network

圖6 新疆臺(tái)網(wǎng)和中國地震臺(tái)網(wǎng)MS差值分布圖Fig.6 Distribution of MS difference between Xinjiang network and China seismic network

4 結(jié) 論

本文中通過選取新疆地震臺(tái)網(wǎng)記錄的新疆地區(qū)2010～2018年MS≥ 3.5地震，人工重新測定ML和MS值，運(yùn)用線性回歸方法對(duì)ML和MS之間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，得到新疆不同區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

(1) 研究發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)經(jīng)仿真實(shí)測后得到的MS與中國地震臺(tái)網(wǎng)測定的MS差值范圍主要分布在 (-0.4)～0.2，差值以(-0.1)～0.1居多。對(duì)于絕大多數(shù)地震，新疆臺(tái)網(wǎng)和中國地震臺(tái)網(wǎng)測定的ML差值為(-0.2)～0.1，差值為0的地震數(shù)量最多。

(2) 新疆地區(qū)ML和MS之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式同郭履燦轉(zhuǎn)換公式計(jì)算結(jié)果具有部分的相似性，但由于研究區(qū)域及樣本個(gè)數(shù)的差異，使得兩者之間又存在顯著差異，存在系統(tǒng)偏差。新疆地區(qū)由ML換算的MS值。當(dāng)ML<4.5時(shí)，MS>MS郭；ML=4.5時(shí)，兩者M(jìn)S值相等；當(dāng)ML>4.5時(shí)，MS

(3) 在計(jì)算震級(jí)時(shí)發(fā)現(xiàn)ATS(阿圖什),BTS(北塔山),KNS(喀納斯),SSH(鄯善)臺(tái)震級(jí)偏差較大，初步認(rèn)為砂巖、變質(zhì)巖對(duì)地震震級(jí)具有一定的影響。因此，在分析地震時(shí)需要結(jié)合監(jiān)測臺(tái)站臺(tái)基，留意部分臺(tái)在計(jì)算過程中反復(fù)出現(xiàn)震級(jí)偏差大的情況，謹(jǐn)慎選取地震震級(jí)，減少人為失誤，對(duì)地震監(jiān)測的準(zhǔn)確性具有積極作用。