劉仲韜 宋曉煜 朱振興
(中國河北 075000 河北省地震局張家口地震監(jiān)測(cè)中心站)
震級(jí)是地震三要素之一,用來表征地震強(qiáng)度大小。震級(jí)的準(zhǔn)確測(cè)定是地震學(xué)研究和防震減災(zāi)各項(xiàng)工作開展的基礎(chǔ)。受震源性質(zhì)、介質(zhì)影響、接收站臺(tái)基、觀測(cè)儀器、震相和定位方法選擇等因素的影響(殷翔等,1981),單臺(tái)震級(jí)測(cè)定與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的發(fā)布震級(jí)往往存在偏差。面波震級(jí)指根據(jù)面波計(jì)算出來的震級(jí),通常以符號(hào)MS來表示。在2017 年12 月1 日新的震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)推廣實(shí)施前,面波震級(jí)MS作為中國地震臺(tái)網(wǎng)在進(jìn)行地震速報(bào)對(duì)外發(fā)布的震級(jí)M,在新的標(biāo)準(zhǔn)中,面波震級(jí)在測(cè)定方法上與原觀測(cè)技術(shù)規(guī)范一致,并且仍為要求地震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際測(cè)定的幾種震級(jí)之一,面波震級(jí)得到較為普遍的應(yīng)用(劉瑞豐等,2018)。因此,對(duì)單臺(tái)面波震級(jí)偏差的相關(guān)因素進(jìn)行分析,進(jìn)而減小偏差具有重要意義。
張家口地震臺(tái)位于首都圈地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)和京西北地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi),是河北省及首都圈地區(qū)綜合地震觀測(cè)臺(tái)站之一,觀測(cè)項(xiàng)目種類齊全,其測(cè)震儀器工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)質(zhì)量較高,映震能力較強(qiáng)。文中收集整理張家口地震臺(tái)2017—2018 年記錄的地震面波資料,與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心同期測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,研究二者面波震級(jí)偏差與震級(jí)大小、震中距、震中方位的關(guān)系,以期為今后張家口地震臺(tái)地震監(jiān)測(cè)能力的提升提供可靠依據(jù)。
張家口地震臺(tái)地處京西北、晉冀蒙交界地區(qū),位于張渤地震帶西北段與山西地震帶北段交匯部位,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,主要分布蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂及2 條EW 向斷裂和數(shù)條NW 向小斷裂(圖1)。其中蔚縣山前大斷裂由山西省廣靈起,經(jīng)蔚縣NE 向延伸至懷來、延慶,桑干河斷裂由陽原沿桑干河向NE 延伸至涿鹿、下花園,2 條EW 向斷裂由狼窩溝、崇禮至赤城和懷安至宣化(李峰等,2017)。
圖1 張家口地區(qū)斷裂構(gòu)造Fig.1 Faults and tectonics in the Zhangjiakou area
張家口地震臺(tái)站址巖性為侏羅系上統(tǒng)張家口組中酸性火山熔巖及火山碎屑巖,測(cè)震觀測(cè)山洞呈“W”字型,有4 個(gè)獨(dú)立洞室,總長約65 m,洞頂覆蓋層厚達(dá)30 m 以上,觀測(cè)用房建筑面積約100 m2,觀測(cè)條件良好,儀器墩建在基巖上并有隔震槽,采用BBVS-120 三分向?qū)掝l帶地震計(jì)進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。該臺(tái)觀測(cè)山洞平面示意圖見圖2。
圖2 觀測(cè)山洞平面示意圖Fig.2 The plane diagram of the observation cave
選取張家口地震臺(tái)2017—2018年記錄的全球范圍內(nèi)748次MS4.0以上地震事件(圖3),同時(shí)收集整理這些地震事件在中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一地震編目中的詳細(xì)信息,震級(jí)分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。
表1 張家口地震臺(tái)MS 震級(jí)分布信息Table 1 The MS magnitude distribution at Zhangjiakou Seismic Station
圖3 2017—2018 年不同面波震級(jí)地震分布Fig.3 Distribution map of earthquakes of different surface wave magnitudes from 2017 to 2018
由表1 可見,絕大多數(shù)地震分布在4.0—6.9 級(jí)范圍內(nèi)。在選取的地震中,山東長島海域MS4.0 地震震級(jí)最小,而張家口地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)為MS3.6,震級(jí)偏差0.4;墨西哥恰帕斯海岸遠(yuǎn)海MS8.6 地震震級(jí)最大,張家口地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)也為MS8.6,無震級(jí)偏差。
統(tǒng)計(jì)張家口地震臺(tái)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的面波震級(jí),分別記為MS(ZJK)、MS(CENC),繪制二者關(guān)系圖(圖4),采用多元穩(wěn)健回歸方法,計(jì)算二者的面波震級(jí)偏差MS(ZJK)-MS(CENC),可得震級(jí)偏差分布在-1.0—1.3 范圍內(nèi),平均偏差-0.08,均方差為0.22(何奕成等,2016)。因此,張家口地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)比實(shí)際震級(jí)平均低約0.08,最小震級(jí)偏差為-1.0,最大震級(jí)偏差為1.3。
圖4 MS(ZJK)和MS(CENC)關(guān)系Fig.4 The relationship between ZJK and CENC MS magnitudes
將震級(jí)偏差間隔設(shè)定為0.1,統(tǒng)計(jì)震級(jí)偏差頻度分布,結(jié)果見圖5。由圖5 可見,面波震級(jí)偏差基本均勻分布在0 級(jí)左右,集中分布在-0.5—0.5 范圍內(nèi),共737 個(gè)地震,占比98%以上,其中偏差為-0.1 的地震數(shù)最多,有175 個(gè)地震。基于張家口地震臺(tái)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心震級(jí)偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果,分析其與震級(jí)大小、震中距、震中方位的關(guān)系。
圖5 面波震級(jí)偏差頻度分布Fig.5 Frequency of MS magnitude deviations
以張家口地震臺(tái)測(cè)定的面波震級(jí)為橫軸,以震級(jí)偏差MS(ZJK)-MS(CENC)平均值為縱軸,統(tǒng)計(jì)不同面波震級(jí)下震級(jí)偏差大小,結(jié)果見圖6。由圖6 可見:①震級(jí)偏差基本分布在0級(jí)兩側(cè),說明從面波震級(jí)偏差與震級(jí)的關(guān)系角度來看總體偏差不大,且較為穩(wěn)定,與實(shí)際地震面波震級(jí)相比平均高約0.05;②在4.5—6.5 級(jí)范圍內(nèi),張家口地震臺(tái)測(cè)定面波震級(jí)偏大,但偏差值不大,均在0.2 以內(nèi),最大偏差值為0.19,對(duì)應(yīng)震級(jí)MS5.6;③在4.0—4.4級(jí)和6.6—8.2 級(jí)范圍內(nèi),震級(jí)偏差浮動(dòng)范圍較大,偏差范圍在平均值上下浮動(dòng),表明對(duì)強(qiáng)震和弱震而言,張家口地震臺(tái)單臺(tái)面波震級(jí)測(cè)定誤差較大且不穩(wěn)定(蘇梅艷等,2013)。
圖6 張家口地震臺(tái)面波震級(jí)大小與震級(jí)偏差關(guān)系Fig.6 The relationship between MS magnitude and magnitudedeviation of Zhangjiakou Seismic Station
為了更好地分析張家口中心臺(tái)面波震級(jí)與震中距的關(guān)系,以地心張角來表示地震臺(tái)到震中地球球面距離的震中距。將張家口地震臺(tái)測(cè)定震中距Δ作為橫軸(單位°),以震級(jí)偏差MS(ZJK)-MS(CENC)平均值為縱軸,繪制MS(ZJK)隨震中距的分布關(guān)系,結(jié)果見圖7。Δ以30°為間隔,統(tǒng)計(jì)不同震中距范圍內(nèi)的地震數(shù),并計(jì)算此范圍內(nèi)面波震級(jí)偏差平均值,結(jié)果見表2。
表2 震中距與震級(jí)偏差關(guān)系Table 2 The relation table of epicentral distance and magnitude deviation
圖7 面波震級(jí)偏差隨震中距變化分布Fig.7 Distribution of magnitude deviations with epicentral distance
由圖7和表2可見:①Δ在 0—180°范圍內(nèi),面波震級(jí)偏差MS(ZJK)-MS(CENC)基本為負(fù)值;②Δ在0°—30°和Δ>90°范圍內(nèi),震級(jí)偏差最大,均大于-0.1;③Δ在30°—60°范圍內(nèi),震級(jí)偏差最小,為-0.05。明顯可見,在震中距0—30°范圍內(nèi),隨著震中距增大,面波震級(jí)偏差明顯減??;在震中距30°—180°范圍內(nèi),震級(jí)偏差隨震中距增大而不斷變大(楊晶瓊等,2019)。究其原因,震級(jí)偏差與面波震級(jí)計(jì)算公式中的量規(guī)函數(shù)及地殼介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。
面波震級(jí)計(jì)算公式如下
式中,A為記錄的最大地動(dòng)水平矢量的模,T為該振幅的視周期,Δ為震中距,σ(Δ)為面波震級(jí)量規(guī)函數(shù),C為臺(tái)基校正值(郭履燦等,1981)。
由式(1)可知,量規(guī)函數(shù)即零級(jí)地震起算函數(shù),與震中距相關(guān),每個(gè)測(cè)震臺(tái)站的量規(guī)函數(shù)都不相同。中國地震臺(tái)網(wǎng)中心公布的面波震級(jí)為所有臺(tái)站測(cè)定結(jié)果的平均值,由于各臺(tái)站量規(guī)函數(shù)的不同,計(jì)算過程中相當(dāng)于對(duì)所有記錄臺(tái)站的量規(guī)函數(shù)取均值,而張家口地震臺(tái)計(jì)算面波震級(jí)時(shí)是使用其單臺(tái)面波震級(jí)量規(guī)函數(shù),此為震級(jí)偏差產(chǎn)生的原因之一(何奕成等,2016)。
當(dāng)震中距相對(duì)較大時(shí),地殼介質(zhì)非均勻性表現(xiàn)為大尺度非均勻性,介質(zhì)逐漸趨向于均勻介質(zhì),均勻介質(zhì)對(duì)地震波的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征影響較?。ㄖx文杰等,2012)。隨著震中距的增大,較遠(yuǎn)地震的射線形態(tài)和傳播特征比近震更為復(fù)雜,能量更為分散,所以出現(xiàn)面波震級(jí)偏差值不斷變大現(xiàn)象。
以張家口地震臺(tái)為坐標(biāo)原點(diǎn),將所選取地震的發(fā)生區(qū)域劃分為東北、東南、西南和西北4 個(gè)象限,統(tǒng)計(jì)各方向地震數(shù),同時(shí)計(jì)算其面波震級(jí)偏差平均值,得到面波震級(jí)偏差與震中方位的關(guān)系,見表3。由表3 可見,東北、東南、西南3 個(gè)方位的面波震級(jí)偏差平均值為負(fù)值,而西北方向則為正值;東南方向震級(jí)偏差絕對(duì)值最大,達(dá)到0.11,而西北方向震級(jí)偏差絕對(duì)值最小,為0.02。分析認(rèn)為,面波震級(jí)偏差在震中方位上存在差異,且各方向平均偏差值相差較大,不僅與震源環(huán)境相關(guān),同時(shí)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān),不同傳播路徑中的介質(zhì)差異對(duì)地震波的固有吸收衰減和散射衰減是不同的(劉紅桂,2012),面波振幅大小受傳播路徑影響較大,面波震級(jí)大小隨之受到影響。
表3 面波震級(jí)偏差與震中方位的關(guān)系Table 3 The relationship between surface wave magnitude deviation and epicentral azimuth
收集整理張家口地震臺(tái)2017—2018 年記錄的全球范圍內(nèi)748 個(gè)MS4.0 以上地震事件,對(duì)面波震級(jí)資料進(jìn)行綜合分析,可以得出以下結(jié)論:①M(fèi)S(ZJK)比MS(CENC)平均低0.08,震級(jí)偏差分布在-1.0—1.3 范圍內(nèi);②面波震級(jí)偏差與震級(jí)的關(guān)系:總體來說,MS(ZJK)-MS(CENC)差值不大,且較為穩(wěn)定,與MS(CENC)相比,MS(ZJK)平均高約0.05;③震級(jí)偏差與震中距的關(guān)系:震中距在0—30°,隨著震中距增大,面波震級(jí)偏差明顯減小,而震中距30°以上,隨著震中距的增大,偏差值不斷變大;④震級(jí)偏差與震中方位的關(guān)系:張家口地震臺(tái)東北、東南、西南3 個(gè)方位的面波震級(jí)偏差平均值為負(fù)值,而西北方向則為正值,其中東南方向的震級(jí)偏差絕對(duì)值最大,達(dá)到0.11,而西北方向的震級(jí)偏差絕對(duì)值最小,為0.02。