蘆山地震和九寨溝地震臺站實測震級差異性分析

孫冬軍 劉芳 畢波

1)上海市地震局，上海 200062 2)上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站，上海 200062

0 引言

地震震級的測定涉及震源過程、傳播路徑、場地條件、儀器記錄等各方面影響因素(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2017)。由于受到震源破裂過程的影響，不同方向觀測點記錄到的地震波振幅大小并不相同，而振幅大小與震源到觀測點的射線方向有關(guān)，這種關(guān)系通常以輻射花樣來表示。而不同頻帶的地震儀在同一地點記錄到的同一地震的最大振幅可能不是來自相同的地震波，至少不是來自周期相同的地震波，繼而影響震級的計算結(jié)果。臺站地基的巖性會影響記錄振幅的大小，基巖臺和土層臺記錄同一事件的振幅并不一致。

地震波在介質(zhì)中傳播，根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，當震源相對介質(zhì)運動時，地震計所記錄的頻率與震源的頻率不同。Somerville等(1997)在研究地震動衰減關(guān)系時，在考慮了斷層破裂的方向性效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，在斷層破裂的傳播方向上地震動水平分量平均值增大，而在破裂傳播的相反方向上地震動水平分量平均值減小。劉瑞豐等(2018)利用全球震中距 20°～160°范圍內(nèi)的臺站記錄到的汶川地震面波震級，闡述了汶川地震面波震級的大小和地震烈度的衰減具有明顯的地震多普勒效應(yīng)。

筆者利用寬頻帶面波震級MS(BB)，舍棄了短周期的臺站，研究各臺站實測震級MS(BB)差異性的原因。MS(BB)是在原始的速度型寬頻帶記錄上直接測定。當MW≥6.0時，MS(BB)和MW偏差不大，且對于MW6.5以上的地震，MS(BB)比MW偏小0.1以內(nèi)(劉瑞豐等，2014)。

目前，計算震源機制解的方法有很多且較為成熟，如CMT方法、W-phase方法、CAP方法等(楊凱等，2018)。而震源機制解中的2個節(jié)斷層的主輔關(guān)系，則主要通過地質(zhì)背景和余震序列走向等來解釋。徐旭等(2020)通過九寨溝地震的余震精定位研究余震展布與斷層的線性特征。若臺站實測震級差異性與斷層破裂面具有普適性關(guān)系，則其可以成為一個輔助手段來驗證斷層面的準確性。

1 研究資料和方法

研究選取蘆山地震和九寨溝地震，震源參數(shù)如表1 所示。蘆山地震發(fā)震斷層為上斷點仍埋藏在地下9km附近的一條走向212°、傾向 NW、傾角約38°的盲逆斷層，其余震呈N30°E向密集條帶狀分布(徐錫偉等，2013)。破裂長度約20km，震源破裂時間約26s，屬單側(cè)破裂(徐彥等，2013)。蘆山地震可視為汶川地震一次“遲到”的強余震，最大滑動量159cm(王衛(wèi)民等，2013)。而九寨溝地震位于樹正斷裂，其余震分布呈NW-SE向窄帶展布，走向152°，傾向SW，傾角70°(易桂喜等，2017)。梁建宏等(2018)利用2017年8月8—15日的余震數(shù)據(jù)進行重新定位，結(jié)果顯示九寨溝地震余震呈NW向分布，破裂長度約35km、寬度約12km。梁姍姍等(2018)利用2017年8月8日—10月31日的余震進行重定位研究，顯示余震序列呈NNW和SSE兩個方向擴展，破裂長度約58km。

表1 蘆山地震和九寨溝地震的震源參數(shù)

蘆山地震和九寨溝地震震中位置距離約300km，位于不同的斷裂帶，震源機制解及余震分布均有較大差異。由于兩個地震的震級均為M7.0，且全國臺站波形記錄良好，利用較為豐富的臺站記錄，可以分析臺站實測震級的差異性。

本文收集了28個省級地震臺網(wǎng)記錄到的蘆山地震波形數(shù)據(jù)，以及29個省級地震臺網(wǎng)記錄到的九寨溝地震波形數(shù)據(jù)。為了消除短周期和寬頻帶記錄的差異性對震級測定帶來的影響，此次研究從所有波形記錄中篩選出寬頻帶地震記錄，逐一拾取P波、S波震相，在原始波形的垂直向量取最大振幅測算MS(BB)。由于臺基的影響基本恒定，可以通過長期的記錄來統(tǒng)計求得臺基校正值，予以校正。此外，對比分析蘆山地震和九寨溝地震，將相同臺站實測震級取差值，分析臺站實測震級差值的方向性變化，即可有效去除場地響應(yīng)和儀器自身影響。

蘆山地震共篩選572個寬頻帶臺站計算震級，實測震級MS(BB)7.1； 九寨溝地震共篩選603個寬頻帶臺站計算震級，實測震級MS(BB)6.9。挑選出同時記錄到2個地震的臺站，如圖1所示，通過比較這些臺站的實測震級大小，結(jié)合蘆山地震和九寨溝地震的震源機制解、余震分布等結(jié)果，分析地震臺站實測震級差異性的原因。

圖1 篩選出的地震臺網(wǎng)寬頻帶臺站分布

根據(jù)面波震級公式

MS(BB)=lg(Vmax/T)+R(δ)

(1)

其中，Vmax為垂直向面波質(zhì)點運動速度的最大值，T為Vmax對應(yīng)的周期，R(δ)為量規(guī)函數(shù)。

輻射花樣值為μ，取V′為扣除輻射花樣的振幅，則有

V′=|Vmax/μ|

(2)

根據(jù)多普勒效應(yīng)，彈性波在介質(zhì)中傳播時，當振動源以速率u相對于介質(zhì)運動而相對接收點靜止時，儀器所接收到的周期T′ 與振動源周期T之間的關(guān)系為

(3)

其中，v為波在介質(zhì)中的傳播速度，θ為觀測點的徑向矢量與振動源移動方向之間的夾角。

考慮輻射花樣和多普勒效應(yīng)的影響，實際測量的震級M′為

M′=lg(V′/T′)+R(δ)

(4)

將式(1)、(2)、(3)代入(4)，得

(5)

當震源的破裂方向和破裂長度一定時，輻射花樣和多普勒效應(yīng)與臺站和震源的方向有關(guān)。當θ為0，即觀測點的徑向矢量與振動源移動方向一致時，輻射花樣和多普勒效應(yīng)的影響最大。

2 結(jié)果分析

蘆山地震選取572個寬頻帶臺站，測定震級為MS(BB)7.1，相對震級集中在-0.1～0.2范圍內(nèi)； 九寨溝地震選取603個寬頻帶臺站，測定震級為MS(BB)6.9，相對震級集中在-0.1～0.1范圍內(nèi)(圖2)。

圖2 蘆山地震(a)和九寨溝地震(b)相對震級的臺站數(shù)

相對震級為臺站實測震級和地震震級的差值，即

M相對=M臺站實測-M平均

(6)

圖3為蘆山地震臺站分布，其中，圖3(a)為震級范圍MS(BB)7.0～7.3的臺站分布，該震級范圍內(nèi)的臺站分布較為均勻，無明顯方向性；圖3(b)為MS(BB)<7.0的臺站分布，其臺站分布具有明顯方向性，呈現(xiàn) NE-WS 向分布，分布方向與徐錫偉等(2013)給出其斷層走向為212°一致；圖3(c)為MS(BB)>7.3的臺站分布，其臺站分布同樣具有明顯方向性，呈現(xiàn) NW-ES 向分布，與斷層傾向NW一致。蘆山地震是單側(cè)破裂的逆斷層，而其實測震級偏大的臺站分布與斷層走向方向不一致，其臺站實測震級方向性差異與單側(cè)破裂的輻射花樣(包括點源的輻射花樣和多普勒效應(yīng)方向性因子乘積)聯(lián)系不緊密，關(guān)系不明顯。

圖3 蘆山地震的地震臺網(wǎng)寬頻帶臺站分布

圖4 九寨溝地震的地震臺網(wǎng)寬頻帶臺站分布

圖4為九寨溝地震臺站分布，其中，圖4(a)為MS(BB)6.8～7.0范圍內(nèi)的臺站分布，分布較為均勻，無明顯方向性；圖4(b)為MS(BB)<6.8的臺站分布，總體分布較為離散，除去正下方部分臺站，呈現(xiàn) NW-SE 向分布；圖4(c)為MS(BB)>7.0的臺站分布圖，其分布具有明顯方向性，整體上呈現(xiàn)NE向分布，與易桂喜等(2017)給出九寨溝地震的斷層傾向SW處于同一條直線分布。九寨溝地震作為雙側(cè)破裂的走滑斷層，實測震級偏大的臺站分布與斷層走向不一致，臺站實測震級差異性分布也與輻射花樣和多普勒效應(yīng)聯(lián)系不緊密，關(guān)系不明顯。

圖5 蘆山地震和九寨溝地震均有記錄的地震臺網(wǎng)寬頻帶臺站分布

3 結(jié)論

本文收集了28個省級地震臺網(wǎng)記錄到的蘆山地震波形數(shù)據(jù)和 29個省級地震臺網(wǎng)記錄到的九寨溝地震波形數(shù)據(jù)，分別對蘆山地震和九寨溝地震的MS(BB)進行了測算，繪制了臺站實測震級的分布。獲得的主要認識有：

(1)蘆山地震實測震級為MS(BB)7.1，比中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級偏大0.1； 九寨溝地震實測MS(BB)6.9，比中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級偏小0.1。

(2)蘆山地震實測震級MS(BB)>7.3的臺站分布具有明顯方向性，呈現(xiàn) NW-SE 向分布；MS(BB)<7.0的臺站呈現(xiàn) NE-WS 向分布，與斷層的走向一致。

(3)九寨溝地震MS(BB)<6.8的臺站總體分布較為離散，除去正下方部分臺站，呈現(xiàn) NW-SE 向分布，與斷層走向一致；MS(BB)>7.0的臺站分布則具有明顯方向性，整體上呈現(xiàn)NE向分布。

(4)蘆山地震和九寨溝地震的臺站實測震級差異性分布與輻射花樣和多普勒效應(yīng)聯(lián)系不緊密，關(guān)系不明顯。

(5)通過相同臺站記錄的不同地震震級比較，去除場地響應(yīng)的影響，并考慮短周期和寬頻帶儀器的因素，排除輻射花樣和多普勒效應(yīng)影響，蘆山地震和九寨溝地震臺站實測震級差異性仍然存在，綜合考慮地震震級涉及的影響因素，蘆山地震和九寨溝地震的臺站實測震級差異性可能與地震波的傳播路徑有關(guān)。