鶴崗地震臺(tái)面波震級(jí)偏差分析

李大偉 張 浩 姜 博

（中國(guó)黑龍江 154100 鶴崗地震臺(tái)）

0 引言

鶴崗地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱鶴崗臺(tái)）是國(guó)家基準(zhǔn)地震臺(tái)，地處黑龍江省小興安嶺東南麓丘陵地區(qū)，臺(tái)基巖性完整、穩(wěn)定。在地質(zhì)構(gòu)造上，臺(tái)站位于佳依斷裂、青黑山斷裂和黑龍江斷裂的三角形區(qū)域內(nèi)，該區(qū)斷裂縱橫交錯(cuò)，地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜。同時(shí)，作為煤炭工業(yè)型城市，鶴崗市礦山采掘活動(dòng)可追溯到20 世紀(jì)30 年代。因此，該區(qū)成為黑龍江省孕育、發(fā)生天然地震、誘發(fā)地震的主要地域。鶴崗臺(tái)不僅承擔(dān)著全球地震觀測(cè)任務(wù)，還肩負(fù)著鶴崗礦震活動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

地震震級(jí)（M）是地震三要素中重要參數(shù)之一，也是各級(jí)政府開(kāi)展災(zāi)害救援的重要參數(shù)（劉瑞豐等，2018）。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定一個(gè)地震的震級(jí)大小尤為重要。根據(jù)地震波的類型不同，地震震級(jí)分為體波震級(jí)mb和面波震級(jí)MS，其中確定面波震級(jí)大小依賴于記錄到的地震事件面波最大地動(dòng)位移和周期。但在臺(tái)站日常工作中發(fā)現(xiàn)，鶴崗臺(tái)測(cè)定的遠(yuǎn)震面波震級(jí)MS(HEG)與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）公布的正式地震目錄中對(duì)應(yīng)的面波震級(jí)MS(CENC)存在一定偏差，而且隨著震中方位、震中距的不同而發(fā)生變化。消除震級(jí)偏差，找出偏差原因，給出震級(jí)校正值，在實(shí)際工作中具有一定意義。

1 資料選取

收集整理2018 年1 月—2020 年3 月鶴崗臺(tái)甚寬頻帶數(shù)字地震計(jì)（CTS-1E）遠(yuǎn)震事件記錄，篩選得到325 次面波記錄良好、震相清晰的事件，利用測(cè)震分析處理軟件MSDP，重新測(cè)定面波震級(jí)，最小值4.2，最大值7.6，震中分布見(jiàn)圖1。以中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的發(fā)布震級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算二者的震級(jí)偏差，并分析偏差特性。

圖1 本研究所采用地震事件震中分布Fig.1 Epicenter distribution map of earthquakes used in this study

2 震級(jí)測(cè)定原理與震級(jí)偏差統(tǒng)計(jì)

2.1 震級(jí)測(cè)定

據(jù)中國(guó)新的震級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17740—2017《地震震級(jí)的規(guī)定》（劉瑞豐，2017a）（以下簡(jiǎn)稱新國(guó)標(biāo)），面波震級(jí)測(cè)定公式為

式中，A為地震事件波形記錄中，NS 向與EW 向面波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移最大值矢量和的模，單位為μm；Δ為震中距，單位為弧度；T為水平向地動(dòng)位移最大值對(duì)應(yīng)的周期，單位為s；C為臺(tái)基校正值；σ(Δ)為面波震級(jí)的起算函數(shù)，當(dāng)2°＜Δ＜130°，σ(Δ)=1.66lgΔ+3.5；當(dāng)130°＜Δ＜180°，σ(Δ)=6.775+0.5[(2.147e-0.4465Δ+1.325)×(Δ-90)10-2+lgsinΔ+3.5 +(lgΔ-1.954)/3]（何弈成等，2016）。

在地震參數(shù)逐步修訂的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，由于使用的地震臺(tái)個(gè)數(shù)和分布不同，且測(cè)定精度也越來(lái)越高，所以，會(huì)對(duì)最初速報(bào)震級(jí)進(jìn)行修訂，在正式地震目錄中列出，供科學(xué)研究使用（劉瑞豐等，2018）。

2.2 震級(jí)偏差統(tǒng)計(jì)

將篩選的325 次遠(yuǎn)震面波震級(jí)數(shù)據(jù)，把鶴崗臺(tái)MS(HEG)作為自變量，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心MS(CENC)為因變量，應(yīng)用一元線性回歸分析（何曉群等，2001），得到二者關(guān)系式，即

式中，σ2為回歸方程的均方差。線性回歸分析結(jié)果見(jiàn)圖2。對(duì)于選定的同一地震事件，計(jì)算鶴崗臺(tái)與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的面波震級(jí)偏差ΔM，公式如下

圖2 面波震級(jí)線性回歸結(jié)果Fig.2 Results of linear regression of surface wave magnitude

計(jì)算鶴崗臺(tái)面波震級(jí)偏差ΔM，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)地震頻次，結(jié)果見(jiàn)表1。并由表1 結(jié)果繪制震級(jí)偏差直方圖，結(jié)果見(jiàn)圖3，可見(jiàn)鶴崗臺(tái)面波震級(jí)偏差整體基本符合正態(tài)分布，其中287 次地震的震級(jí)偏差分布在-0.2—0.5，占地震總數(shù)的88%，表明鶴崗臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)偏高。

表1 震級(jí)偏差統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of magnitude deviation

圖3 震級(jí)偏差直方圖Fig.3 Histogram of magnitude deviation

由式（4）、（5）計(jì)算得到：ΔM=0.1681 ≈ 0.17，δ=0.2685?？梢?jiàn)，鶴崗臺(tái)的測(cè)定震級(jí)MS(HEG)比中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的面波震級(jí)MS(CENC)平均約高0.17。

3 震級(jí)偏差分析

3.1 震級(jí)大小與震級(jí)偏差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

以鶴崗臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)MS(HEG)為橫坐標(biāo)，以0.1 為單位間隔，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)震級(jí)偏差的算術(shù)平均值作為縱坐標(biāo)，得到二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn)：平均值在-0.23—0.4 范圍內(nèi)變化；在本次研究中，面波震級(jí)MS集中分布在4.2—6.0 范圍內(nèi)，與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心正式目錄產(chǎn)出MS(CENC)相比，鶴崗臺(tái)MS(HEG)偏大；當(dāng)MS＞ 6.0 時(shí)，震級(jí)偏差變化無(wú)明顯傾向性變化，可能由大地震樣本數(shù)目不多所致，隨著鶴崗臺(tái)地震記錄資料的積累，再進(jìn)行探討。

圖4 MS(HEG)震級(jí)大小與震級(jí)偏差對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship between magnitude and magnitude deviation

3.2 震級(jí)偏差與震中距的關(guān)系

已知震源經(jīng)緯度和臺(tái)站經(jīng)緯度，計(jì)算震中距（Δ），單位弧度。對(duì)于選定的震例樣本，在不同震中距范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)平均震級(jí)偏差與對(duì)應(yīng)的地震數(shù)，分析二者之間的關(guān)系，見(jiàn)表2。由表2 可知：在各個(gè)震中距區(qū)間內(nèi)，震級(jí)偏差均為正值，且隨著震中距的增大而增大。究其原因可能是：①隨著震中距的增大，地震波到達(dá)臺(tái)站所經(jīng)歷的路徑增長(zhǎng)，穿過(guò)的地層也隨之增多，地震波在地層中發(fā)生的反射、折射次數(shù)也增加，能量損失加大，造成測(cè)定臺(tái)站面波記錄在幅度和振幅周期上出現(xiàn)失真現(xiàn)象（田文德等，2012）；②震中距大于90°的遠(yuǎn)震事件數(shù)量過(guò)少，且單臺(tái)震級(jí)測(cè)定的起算函數(shù)與多臺(tái)站不同。以上2 點(diǎn)均為震級(jí)偏差的重要影響因素。

表2 震級(jí)偏差與震中距的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 The relation between magnitude deviation and epicentral distance

3.3 震級(jí)偏差與臺(tái)站反方位角的關(guān)系

臺(tái)站反方位角，也就是震中相對(duì)臺(tái)站方位位置，是以臺(tái)站為坐標(biāo)原點(diǎn)，正北方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到震中與臺(tái)站的連線之間的角度。計(jì)算所選325 次地震震中相對(duì)于鶴崗臺(tái)的反方位角，以90°為間隔劃分4 個(gè)方位，統(tǒng)計(jì)不同方位的震級(jí)偏差平均值，見(jiàn)表3。由表3 可知，除西北方位的平均震級(jí)偏差為負(fù)值外，其他3 個(gè)方位均為正值。結(jié)合圖1 可知，鶴崗臺(tái)西北方位的地震發(fā)生在陸地，屬于大陸型地震；其他方位震中多在西太平洋板塊、印度洋板塊、亞歐板塊交界，屬于海洋型地震。這就說(shuō)明了，不僅地震波傳播路徑上的介質(zhì)，震中的地理位置和震源區(qū)域地質(zhì)背景和結(jié)構(gòu)特征也是影響震級(jí)偏差重要因素（劉紅桂，2012）。但若采用多臺(tái)站測(cè)定震級(jí)取算數(shù)平均值，則可減少震中方向性對(duì)震級(jí)偏差的影響（中國(guó)地震局，2003）。

表3 震級(jí)偏差與反方位角的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Relationship between magnitude deviation and back azimuth

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鶴崗臺(tái)325 次遠(yuǎn)震面波震級(jí)偏差進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：①通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，鶴崗地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)相對(duì)于國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心公布面波震級(jí)偏高，震級(jí)偏差平均值小于0.2，符合規(guī)范要求；②從面波震級(jí)本身大小來(lái)分析，鶴崗臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)MS在4.2—6.0 范圍內(nèi)，與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心相比，震級(jí)偏大；③從震中距角度分析，震級(jí)偏差均為正值，而且隨著震中距增大而增大；④從震中位置角度分析，海洋型地震震級(jí)偏差比大陸型地震大。