2021年3月5日新西蘭克馬德克群島M7.8面波震級(jí)測(cè)定差異分析＊

鄧文澤

（中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045）

引言

北京時(shí)間2021年3月5日，在新西蘭克馬德克群島先后發(fā)生了MS7.2和MS7.8地震。震中位于澳大利亞板塊的東部邊緣，澳大利亞板塊和太平洋板塊之間的俯沖使該地區(qū)成為地震最為活躍地區(qū)之一。地震發(fā)生后，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)（CENC）、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、歐洲地中海地震中心（EMSC）、俄羅斯科學(xué)院（RAS）、國(guó)際數(shù)據(jù)中心（IDC）和德國(guó)格拉芬堡（GFZ）等國(guó)際地震機(jī)構(gòu)，均發(fā)布了此次地震的發(fā)震時(shí)刻、震中位置和震級(jí)等基本參數(shù)，表1為速報(bào)參數(shù)。

表1 國(guó)際地震機(jī)構(gòu)速報(bào)的克馬德克群島地震參數(shù)Table 1 Seismic parameters of the Kermadec Islands reported by the International Seismological Agency

地震參數(shù)的測(cè)定受震源機(jī)制、地震傳播路徑、觀測(cè)臺(tái)站臺(tái)基、臺(tái)站方位分布等因素的影響，因此，在測(cè)定過(guò)程中我們通常采用方位角分布均勻、震中距范圍跨度大和臺(tái)站數(shù)足夠豐富的臺(tái)站[1]。但從地震震情快速發(fā)布和應(yīng)急響應(yīng)的角度來(lái)看，國(guó)家臺(tái)網(wǎng)需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成地震基本參數(shù)（時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)）的確定，并及時(shí)向政府和公眾發(fā)布。

地震發(fā)生后兩小時(shí)左右，各國(guó)際機(jī)構(gòu)測(cè)定的參數(shù)發(fā)生了一定的變化，GFZ將震級(jí)修訂為MW8.1，USGS將震級(jí)修訂為MW8.1，EMSC將震級(jí)修訂為MW8.1。震后一周USGS給出了面波震級(jí)MS_20（8.2），全球矩心矩張量項(xiàng)目中心（GCMT）給出的震級(jí)為MW8.1。從上述測(cè)定結(jié)果上來(lái)看，最先發(fā)布的速報(bào)震級(jí)主要為面波震級(jí)和體波震級(jí)，之后為矩震級(jí)，各國(guó)際機(jī)構(gòu)產(chǎn)出的矩震級(jí)結(jié)果較為一致，但面波震級(jí)MS的測(cè)定結(jié)果在7.7—8.2之間。本文將利用全球臺(tái)網(wǎng)和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)在速報(bào)過(guò)程中所使用的臺(tái)網(wǎng)資料，對(duì)2021年3月5日新西蘭克馬德克群島M7.8地震震級(jí)測(cè)定的差異進(jìn)行分析，探尋震級(jí)偏差產(chǎn)生的原因，為更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)不同震級(jí)測(cè)定差異提供一定的依據(jù)[2-5]。

1 資料的選取

地震發(fā)生后，我們通過(guò)IRIS數(shù)據(jù)中心Wilber3下載全球臺(tái)網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)，選取原始波形中高信噪比、方位角覆蓋良好的近場(chǎng)臺(tái)站波形資料，對(duì)原始記錄進(jìn)行去儀器響應(yīng)、去傾斜以及去平均值等預(yù)處理，最后共使用692個(gè)臺(tái)站，圖1中用藍(lán)色三角形表示。為了做震級(jí)的比較，本文還收集了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)資料，圖1中綠色三角形表示中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)（CENC）臺(tái)站。此外，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心為了實(shí)現(xiàn)全球地震的監(jiān)測(cè)，與IRIS等國(guó)際同行進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換，當(dāng)前中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心全球地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)在圖1中以紅色三角形表示。根據(jù)地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定要求，國(guó)家臺(tái)網(wǎng)需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成地震速報(bào)（國(guó)外地震在30分鐘內(nèi)），通常使用的臺(tái)站數(shù)量非常有限，本次地震在震后27分鐘完成，假定面波的傳播速度為3.0 km/s，速報(bào)時(shí)限內(nèi)可用于測(cè)定震級(jí)的臺(tái)網(wǎng)范圍約為44°，如圖1中黑色圓形包圍的范圍內(nèi)的紅色三角形表示地震速報(bào)所使用的臺(tái)站。

圖1 臺(tái)站分布圖Fig. 1 Distribution of stations

2 震級(jí)的測(cè)定公式

面波震級(jí)的測(cè)定最早可以追溯到1945年，IASPEI在前人的研究基礎(chǔ)上[6-13]于2011年提出了寬頻帶面波震級(jí)MS_BB和面波震級(jí)MS_20計(jì)算公式：

式（1）中，Vmax表示垂直向最大速度記錄（單位為μm/s），面波周期T的范圍為3—60 s，適用的震中距范圍為2°—160°，震源深度小于60 km。式（2）中，A表示垂直向地動(dòng)位移，面波周期T的范圍為18—22 s，適用震中距范圍為20°—160°。

我國(guó)由于歷史原因一直都沒(méi)有采用IASPEI推薦的面波震級(jí)公式，郭履燦和龐明虎[14]提出以北京白家疃地震臺(tái)為基準(zhǔn)的面波震級(jí)公式：

式（3）中，A表示兩水平分析面波的地動(dòng)位移的矢量和，單位為μm，面波周期T的范圍為3—25 s，震中距范圍為1°—130°。

自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)開(kāi)展地震速報(bào)業(yè)務(wù)以來(lái)，為了快速實(shí)現(xiàn)震級(jí)的測(cè)定，我們將式（3）中的 (A/T)max替換為Vmax/2π，Vmax采用垂直向最大速度記錄（單位為μm/s），一直沿用至今。

3 震級(jí)計(jì)算結(jié)果與分析

本文根據(jù)式（2）計(jì)算USGS全球臺(tái)網(wǎng)的震級(jí)，單臺(tái)震級(jí)變化范圍7.3—8.7，平均震級(jí)為8.1（圖2），USGS官網(wǎng)給出的面波震級(jí)為8.2，主要原因是其在統(tǒng)計(jì)平均震級(jí)時(shí)只采用震級(jí)偏差小于等于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的臺(tái)站。采用式（1）計(jì)算中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)（CENC）的震級(jí)，單臺(tái)震級(jí)范圍7.4—8.5，平均震級(jí)為8.0，采用式（3）計(jì)算中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心全球地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)（Cgobal）的震級(jí)，單臺(tái)震級(jí)范圍7.2—8.6，平均震級(jí)為8.0。

圖2 不同方位角的震級(jí)Fig. 2 The magnitude determined from different azimuth

圖2中USGS全球臺(tái)網(wǎng)中美國(guó)國(guó)內(nèi)臺(tái)站數(shù)為455個(gè)，占總數(shù)的66%，其平均震級(jí)為8.3（Mavg1），遠(yuǎn)高于M（CENC）的平均震級(jí)，震級(jí)偏差0.3。美國(guó)以外地區(qū)的臺(tái)站數(shù)237，占總數(shù)的34%，平均震級(jí)為7.8（Mavg2），與M（Cglobal）的震級(jí)偏差0.2。

對(duì)于以上震級(jí)存在差異性的主要原因，可作如下分析：

（1）采用的計(jì)算公式不同。USGS的面波震級(jí)計(jì)算公式與CENC的面波震級(jí)計(jì)算公式相比，使用震中距范圍完全不同，USGS的震中距范圍為20°—160°，CENC使用的震中距范圍為1°—130°。M（Cgobal）與M（CENC）的計(jì)算公式相同，但右邊的數(shù)字因子相差0.2。

（2）使用的記錄成分不同。USGS使用垂直向位移記錄，CENC使用垂直向速度記錄。

（3）使用的記錄頻帶不同。USGS使用18—22 s的地震記錄，而CENC使用3—25 s的地震記錄。

（4）不同方位角造成的震級(jí)測(cè)量偏差。

從圖2可以看出，M（Cglobal）與Mavg2使用的臺(tái)站分布基本一致，但震級(jí)偏差0.2。劉瑞豐等[2]的研究表明，我國(guó)測(cè)定MS總體上比USGS測(cè)定的平均值高0.2級(jí)，其主要來(lái)源是計(jì)算公式中的數(shù)字因子相差0.2。Mavg1與M（CENC）測(cè)定的震級(jí)偏差為0.3，地震速報(bào)的面波震級(jí)為7.8，與Mavg1的偏差為0.5。面波震級(jí)測(cè)定的臺(tái)站如圖1所示，大部分臺(tái)站位于震中180°方位角，由圖2可知，以上測(cè)定震級(jí)的偏差是由方位角的不同所致。震源的破裂方式對(duì)地震波的傳播具有較大影響，許力生等[15]研究表明，震源的單側(cè)破裂會(huì)導(dǎo)致明顯的多普勒效應(yīng)，沿著破裂方向傳播的地震波幅度更大、波峰更密。圖3為M（Cglobal）臺(tái)站測(cè)量震級(jí)與其平均震級(jí)的偏差，其中紅色實(shí)線表示兩個(gè)共軛的斷層面的走向。

圖3 震級(jí)偏差Fig. 3 Magnitude deviation

USGS利用全球地震臺(tái)網(wǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)體波和面波資料反演此次地震的震源破裂過(guò)程（https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000dflf/finite-fault），結(jié)果顯示，本次地震的主要滑移量在北東方向，但在北西方向也存在較小的滑動(dòng)位移量。因此，克馬德克群島地震的破裂總體上由震中向北東方向傳播，局部在北西方向傳播，由于地震多普勒效應(yīng)導(dǎo)致震中北東方向震動(dòng)加強(qiáng)明顯，震中北西方向加強(qiáng)次之，而震中西南和東南方向震動(dòng)減弱，因而，在震中以北方向的臺(tái)站測(cè)定震級(jí)偏大，以南方向測(cè)定的震級(jí)偏小。

4 討論與結(jié)論

本文介紹了全球各地震機(jī)構(gòu)對(duì)2021年3月5日克馬德克群島地震震級(jí)的測(cè)定速報(bào)以及后續(xù)修訂的情況，對(duì)面波震級(jí)測(cè)定的差異性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：

（1）我國(guó)和美國(guó)使用的測(cè)定面波震級(jí)公式不同，測(cè)量方法也存在一定的差異，CENC測(cè)定的面波震級(jí)總體上比USGS的面波震級(jí)高0.2，這與劉瑞豐等[2]的研究結(jié)果較為一致。

（2）通過(guò)對(duì)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心全球地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的112個(gè)臺(tái)站和USGS全球臺(tái)網(wǎng)692個(gè)臺(tái)站測(cè)定的面波震級(jí)分析發(fā)現(xiàn)，由于克馬德克群島地震主要破裂方向?yàn)楸睎|方向，同時(shí)在北西方向也存在較小的滑動(dòng)量，地震的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致震中北東方向測(cè)定面波震級(jí)偏大，如美國(guó)臺(tái)網(wǎng)面波震級(jí)為8.3，北西方向的測(cè)震面波震級(jí)次之，如中國(guó)臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的震級(jí)為8.0（公式（1））。而在震中西南方向測(cè)定的面波震級(jí)偏小，如中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心速報(bào)震級(jí)，速報(bào)震級(jí)在計(jì)算公式上（公式（3））比美國(guó)臺(tái)網(wǎng)高0.2，但最終的面波震級(jí)為7.8，扣除計(jì)算公式的數(shù)字誤差，兩個(gè)方向真實(shí)震級(jí)偏差為0.7。