2022年1月8日門源6.9級地震山東地震臺網(wǎng)測定面波震級對比分析

石玉燕 張春鵬 顏 啟 苗慶杰

（中國濟南 250014 山東省地震局）

0 引言

震級是表征地震大小的量度，它是地震基本參數(shù)之一。1935 年Richter 根據(jù)美國加州標準儀器觀測資料，首次引入了震級的標度——地方性震級ML。在此基礎(chǔ)上，1945 年Gutenberg（1945）提出面波震級MS，采用震中距15°—30°淺源地震的20 s 周期面波測定地震震級。自此，震級在世界各國得到廣泛應用，不同地震機構(gòu)根據(jù)本地特征研究建立了適合不同區(qū)域的震級經(jīng)驗公式。隨著計算方法的不斷改進，各國測定的震級差別較大，同一地震不同地震機構(gòu)測定的震級通常不一致，這嚴重影響了數(shù)據(jù)的交流與使用。震級標度統(tǒng)一問題引起各國地震學家高度重視（劉瑞豐等，2007）。隨著我國數(shù)字化地震觀測系統(tǒng)的實現(xiàn)，震級測定方法有了重要進展，2017 年新修訂了震級國家標準GB 17740 — 2017《地震震級的規(guī)定》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2017）。

震級測定還受震源機制和臺站分布等諸多因素的影響，所以至今震級仍是地震學家重要研究內(nèi)容之一。劉瑞豐等（2018）對汶川MS8.0地震的面波震級及其多普勒效應進行研究，認為測定面波震級大小與臺站方位有關(guān)，多普勒效應導致的震動加強方位上的臺站測得的面波震級偏大；鄧文澤（2021）對2021 年3 月5 日新西蘭克馬德克群島M7.8 地震面波震級測定進行差異分析，認為我國和美國測定面波震級的差異除了震級公式和測量方法不同外，由于地震的多普勒效應會導致震中某一方位的臺站面波震級偏大，因此面波震級與臺站選擇也有很大關(guān)系。本文利用山東區(qū)域地震臺網(wǎng)88 個測震臺站的原始波形記錄測定門源地震MS、MS7、MS(BB)等3 種面波震級并進行對比分析，找出山東區(qū)域地震臺網(wǎng)最優(yōu)的面波震級測定方法，以期對實際地震速報工作有一定意義。

1 資料

北京時間2022 年1 月8 日1 時45 分，青海省門源縣發(fā)生MS6.9 地震。震中位于青藏高原東北緣祁連造山帶內(nèi)的祁連—海原斷裂帶中段冷龍嶺斷裂西段，該地區(qū)是青藏高原向大陸內(nèi)部擴展的前緣部位，其東北部毗鄰阿拉善地塊，東部連接鄂爾多斯地塊，是現(xiàn)今構(gòu)造變形較強烈、區(qū)域內(nèi)地震較活躍地區(qū)之一。地震發(fā)生后，中國地震臺網(wǎng)中心（CENC）發(fā)布了此次地震的基本參數(shù)（表1）。在地震參數(shù)測定中震級測算應當使用震中距跨度范圍大、震相記錄豐富的臺站測定結(jié)果會更準確可靠。此次地震山東區(qū)域地震臺網(wǎng)臺站震中距范圍為15°—22°，該范圍內(nèi)臺站記錄的體波正好逐漸跨過“影區(qū)”（受上地幔低速層和高速層影響）后，可記錄到清晰的Lg、LR、LQ 波（圖1），記錄震相豐富，適合面波震級的測定。

表1 門源MS 6.9 地震中國地震臺網(wǎng)速報的地震基本參數(shù)Table 1 Seismic parameters of Menyuan MS 6.9 earthquake reported by China Earthquake Network

圖1 山東地震臺網(wǎng)RCH 臺站記錄的門源MS 6.9 地震原始波形Fig.1 Original waveform of Menyuan MS 6.9 earthquake recorded by RCH station of Shandong network

山東區(qū)域地震臺網(wǎng)經(jīng)過 “十五”數(shù)字化地震觀測網(wǎng)絡項目建設(shè)完成后，又經(jīng)過幾次升級與改善，目前共接收126 個山東省測震臺站和31 個鄰省共享臺站的實時波形數(shù)據(jù)，是區(qū)域測震臺網(wǎng)中臺站密度較高、數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量較好的觀測臺網(wǎng)之一，使用全國區(qū)域地震臺網(wǎng)統(tǒng)一的JOPENS 系統(tǒng)接收記錄地震波實時數(shù)據(jù)（石玉燕等，2020）。門源MS6.9 地震發(fā)生后，山東地震臺網(wǎng)106 個臺站較好地記錄了此次地震的完整震相，本研究中選用了其中信噪比較高的88 個測震臺站的三分向原始波形資料。

圖2 88 個測震臺站的分布Fig.2 Distribution of 88 seismic stations

2 面波震級測定

2.1 面波震級測定方法

傳統(tǒng)震級標度中面波震級包含MS、MS7兩種，MS是采用SK 中長周期地震儀記錄確定的面波震級，MS7是采用763 型長周期地震儀記錄確定的面波震級。我國763 型長周期地震臺網(wǎng)在1985 年建成并投入使用，考慮到與國際接軌的要求，陳培善等（1988）提出了利用763 型長周期地震儀的垂直向記錄測定面波震級的方法，用MS7表示；MS7與國際地震機構(gòu)WWSSN 測定結(jié)果基本一致（劉瑞豐等，2006）。對于中國地震臺網(wǎng)速報面波震級，一直采用垂直向LR 波質(zhì)點運動最大速度來測定，它與新國標中規(guī)定的MS(BB)測量方法相同。表2 列出了3 種面波震級的測定方法。

表2 3 種面波震級的測定方法Table 2 Measurement methods of three surface wave magnitudes

2.2 數(shù)據(jù)處理與震級測定

首先，對選取的88 個臺站記錄的門源MS6.9 地震原始波形數(shù)據(jù)使用MSDP 處理軟件進行震相分析，共標注704 條振幅和周期數(shù)據(jù)進行震級測定。為了保證震級測定更加準確可靠，本文在震級測定前先根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定的震中位置，反演給出每個臺站的理論P、S 震相到時，然后通過微調(diào)個別震相到時，使震中定位結(jié)果與中國地震臺網(wǎng)結(jié)果完全一致。這保證了震中位置參數(shù)的準確，可減少因位置偏差帶來的震級測算誤差，使面波震級的研究結(jié)果更加可靠。表3 列出了88 個臺站的代碼、震中距、方位角、MS、MS7、MS(BB)的測定結(jié)果，我們對表3 中的3 種面波震級結(jié)果與中國地震臺網(wǎng)測定的結(jié)果進行對比分析。

表3 參與測算的88 個臺站參數(shù)和各類震級Table 3 The parameters of 88 related stations and various magnitudes

3 不同面波震級對比

3.1 山東地震臺網(wǎng)與中國地震臺網(wǎng)測定震級對比

因門源MS6.9 地震的中國地震臺網(wǎng)正式編目結(jié)果未正式發(fā)布，本文將表3 中山東地震臺網(wǎng)測定的3 種震級與中國地震臺網(wǎng)發(fā)布的速報震級進行震級偏差計算，并統(tǒng)計不同震級偏差范圍的臺站數(shù)量，繪制震級偏差柱狀圖（圖3）。由圖3 可見，山東地震臺網(wǎng)測定的3 種震級均比中國地震臺網(wǎng)速報震級大，多數(shù)臺站的震級偏差為0.0—0.5。山東地震臺網(wǎng)MS(BB)震級與中國地震臺網(wǎng)測定震級間偏差最小，說明山東地震臺網(wǎng)MS(BB)震級與中國地震臺網(wǎng)速報震級間的一致性最好，因此，山東地震臺網(wǎng)速報中強地震時可以直接在垂直分向測量MS(BB)震級。

圖3 山東地震臺網(wǎng)與中國地震臺網(wǎng)測定的面波震級偏差分布藍色為山東地震臺網(wǎng)MS 與中國地震臺網(wǎng)間震級偏差；橙色為山東地震臺網(wǎng)MS7與中國地震臺網(wǎng)間震級偏差；灰色為山東地震臺網(wǎng)MS(BB)與中國地震臺網(wǎng)間震級偏差Fig.3 Distribution of surface wave magnitude deviation measured by Shandong Seismic Network and China Seismic Network

3.2 山東地震臺網(wǎng)與青海地震臺網(wǎng)編目震級對比

門源MS6.9 地震發(fā)生后青海地震臺網(wǎng)使用96 個臺站測定此次地震正式編目震級為MS7.1，由表3 可知，山東地震臺網(wǎng)88 個臺站測定的MS、MS7、MS(BB)等3 種面波震級平均值與青海地震臺網(wǎng)編目結(jié)果間的偏差分別為-0.1、-0.04、0.14，3 種震級偏差均小于0.2。由此可見，山東地震臺網(wǎng)測定的3 種震級結(jié)果都穩(wěn)定可靠，MS7震級與青海地震臺網(wǎng)編目震級間偏差最小，因此山東地震臺網(wǎng)測定的3 種震級均可用于日常地震速報。仿真后測算的MS、MS7震級比MS(BB)結(jié)果更接近于編目震級，但從地震速報 “又快又準”的需求考慮，MS(BB)測算更簡單，更適合在地震速報中使用。

3.3 山東地震臺網(wǎng)MS、MS7、MS(BB)震級對比

將表3 中88 個臺站的3 種震級一一對應作散點分布圖（圖4）。由圖4 可以看出，山東地震臺網(wǎng)88 個臺站測定門源MS6.9 地震的平均面波震級分別為MS7.20、MS77.16、MS(BB)6.96，由此可見，山東地震臺網(wǎng)測得的傳統(tǒng)面波震級MS最大，MS(BB)最?。籑S與MS7基本一致，比MS(BB)震級大0.2 級左右。而山東地震臺網(wǎng)測定的MS(BB)震級更接近于中國地震臺網(wǎng)（CENC）的測定結(jié)果。

圖4 88 個臺站測定的MS、MS7、MS(BB)面波震級散點圖藍色、橙色、灰色水平虛線分別為擬合的MS、MS7、MS(BB)震級均值線Fig.4 Scatter plots of MS,MS7,and MS(BB) surface wave magnitudes measured at 88 stations

4 結(jié)論與討論

通過對山東區(qū)域地震臺網(wǎng)88 個測震臺站記錄的門源MS6.9 地震原始波形數(shù)據(jù)進行分析，測定門源地震3 種面波震級MS、MS7、MS(BB)，并與中國地震臺網(wǎng)和青海區(qū)域地震臺網(wǎng)測定的面波震級進行對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）山東地震臺網(wǎng)測定的門源MS6.9 地震的面波震級MS、MS7、MS(BB)分別為7.20、7.16、6.96。

（2）MS(BB)震級的測定方法簡單，不同臺站之間的偏差較小，一致性較好，適合在地震速報中使用。這與震級國家標準GB 17740 — 2017《地震震級的規(guī)定》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2017）相一致。

（3）矩震級MW是用震源參數(shù)測定的震級，是表示地震大小的理想震級，國外地震臺網(wǎng)對外發(fā)布震級基本是MW。對于此次門源地震，“全球矩心矩張量項目GCMT”發(fā)布的矩震級為6.7（http://www.globalcmt.org ）。本文得到的MS(BB)也與MW最接近。

感謝中國地震臺網(wǎng)中心杜廣寶博士和鄧文澤工程師對本研究給予的幫助，感謝審稿專家給出的寶貴意見與建議。