灌云地震臺(tái)面波震級(jí)偏差分析

倪昊琦 周文杰 董傳雷 陳露玥 錢 婷

（中國南京 210014 江蘇省地震局）

0 引言

震級(jí)是地震三要素之一，準(zhǔn)確測(cè)定震級(jí)對(duì)于地震速報(bào)與應(yīng)急等工作至關(guān)重要（董海龍等，2015）。地震波在地殼中傳播時(shí)遇到的斷裂和不同的特性巖石介質(zhì)會(huì)對(duì)震級(jí)的精確測(cè)定造成影響（李惠智，2009；田文德等，2012；吳微微等，2014）。在日常觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，灌云地震臺(tái)（灌云臺(tái)）測(cè)定的遠(yuǎn)震震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心公布的震級(jí)存在一定的偏差，例如，2019年1月5日18時(shí)47分（世界時(shí)）發(fā)生在印度尼西亞松巴島地區(qū)的地震，灌云地震臺(tái)測(cè)定震級(jí)為5.5，而中國地震臺(tái)網(wǎng)中心公布的震級(jí)為6.0，二者相差0.5，并且對(duì)于不同的震級(jí)、震中距和方位角，偏差大小也有所不同。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)前人將單臺(tái)震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心公布的震級(jí)做差，然后將多次結(jié)果計(jì)算平均值，以此結(jié)果作為震級(jí)偏差校正值（中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2003）。因此，有必要進(jìn)行震級(jí)偏差計(jì)算，對(duì)偏差原因進(jìn)行分析，給出校正值。這對(duì)于提高觀測(cè)精度、提升臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力具有重要意義。

1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

灌云地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱灌云臺(tái)）建于1973年，位于江蘇省北部的連云港市灌云縣，處于蘇北盆地北部，其北部為蘇魯造山帶、西側(cè)為我國東部著名的郯廬斷裂帶，南側(cè)為淮安—響水?dāng)嗔褞Вㄓ囹v等，2020；何奕成等，2021）（圖1）。臺(tái)站基巖出露，臺(tái)基巖性為花崗片麻巖，映震能力較強(qiáng)，周邊無大型工廠等干擾設(shè)施，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，具有優(yōu)良的地震觀測(cè)條件，為國家測(cè)震區(qū)域臺(tái)，參與遠(yuǎn)震資料分析。灌云臺(tái)配備CMG-3ESPC寬頻帶數(shù)字地震計(jì)，置于出露基巖上。

圖1 江蘇及鄰區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造示意Fig.1 Schematic diagram of the major geological structures in Jiangsu and its neighboring areas

2 資料選取

選取灌云臺(tái)2019年1月—2021年12月記錄的遠(yuǎn)震事件波形數(shù)據(jù)，篩選其中記錄完整的698次事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，灌云臺(tái)記錄的震級(jí)范圍為5.0—7.8，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報(bào)目錄震級(jí)范圍為4.7—7.9。表1給出數(shù)據(jù)的震級(jí)分檔統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，相同震級(jí)范圍內(nèi)，灌云臺(tái)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心記錄的地震數(shù)不同，且灌云臺(tái)記錄的遠(yuǎn)震事件震級(jí)集中在MS5.0—6.9。以中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報(bào)目錄的地震參數(shù)為準(zhǔn)，繪制震中分布圖，如圖2。

表1 震級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 1 Magnitude Statistics

圖2 震中分布Fig.2 Distribution of epicenters

3 震級(jí)測(cè)定

我國現(xiàn)行的地震面波震級(jí)計(jì)算公式由郭履燦等（1981）提出

式中，A為2個(gè)水平分向面波地動(dòng)位移矢量和，單位為μm；T為對(duì)應(yīng)周期，單位為s；Δ為震中距，以度（°）為單位，式中取其數(shù)值計(jì)算；C為臺(tái)基校正值；σ(Δ)為面波震級(jí)起算函數(shù)，當(dāng)1°＜Δ＜130°時(shí)，σ(Δ)=1.66lgΔ+3.5，當(dāng)130°≤Δ≤180°時(shí)，σ(Δ)=6.775+0.5[(2.147 e-1.4465Δ+1.325)×(Δ-90)×10-2+lg sinΔ+(lgΔ-1.954)/3]。

中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的震級(jí)計(jì)算公式為

式中，Mi為各臺(tái)站測(cè)定的同一地震面波震級(jí)，n為記錄到同一地震的臺(tái)站數(shù)。在計(jì)算MS(CENC)時(shí)，先計(jì)算平均震級(jí)，然后剔除超過給定誤差范圍的臺(tái)站震級(jí)數(shù)據(jù)重新計(jì)算平均震級(jí)，經(jīng)過多次迭代，最終得到中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的震級(jí)數(shù)據(jù)（訾少剛等，2006）。

4 震級(jí)偏差分析

4.1 面波震級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用已收集整理的MS震級(jí)數(shù)據(jù)，以MS(GUY)為自變量，MS(CENC)為因變量，應(yīng)用穩(wěn)健回歸方法（何奕成等，2016；羅伯特·安德森，2019；劉仲韜等，2021），得到MS(GUY)和MS(CENC)的關(guān)系式為

式中，σ為回歸方程的均方差。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制MS(GUY)和MS(CENC)關(guān)系圖，以灌云臺(tái)震級(jí)為橫坐標(biāo)，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報(bào)目錄震級(jí)為縱坐標(biāo)，結(jié)果如圖3。

圖3 震級(jí)散點(diǎn)Fig.3 Scatter diagram of magnitude

4.2 震級(jí)偏差平均值

利用做差法可以求解對(duì)于同一地震灌云臺(tái)測(cè)算震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報(bào)目錄震級(jí)的偏差，公式為ΔM=MS(GUY)-MS(CENC)。利用公式計(jì)算出灌云臺(tái)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心震級(jí)偏差平均值為-0.08，標(biāo)準(zhǔn)誤差（均方差）-1)]1/2。由結(jié)果可以看出，灌云臺(tái)測(cè)定的震級(jí)MS(GUY)比中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的震級(jí)MS(CENC)平均低0.08左右。

以0.1級(jí)震級(jí)偏差為間隔，統(tǒng)計(jì)不同震級(jí)偏差頻數(shù)，繪制震級(jí)偏差頻度分布圖，結(jié)果見圖4，圖中橫坐標(biāo)為震級(jí)偏差，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)震級(jí)偏差的地震數(shù)。由圖4可知，MS(GUY)和MS(CENC)的差值主要分布在-0.4—0.5，該范圍內(nèi)地震數(shù)為686個(gè)，占比98%。

圖4 震級(jí)偏差頻度Fig.4 Frequency of magnitude deviation

4.3 震級(jí)偏差影響因素分析

4.3.1 震級(jí)。以灌云臺(tái)震級(jí)為橫坐標(biāo)，0.1為震級(jí)間隔，統(tǒng)計(jì)不同震級(jí)所對(duì)應(yīng)的震級(jí)偏差平均值，得到震級(jí)與震級(jí)偏差關(guān)系，見圖5。圖中橫坐標(biāo)為灌云臺(tái)面波震級(jí)，縱坐標(biāo)為震級(jí)偏差大小。由圖5可知：①在各震級(jí)檔中，灌云臺(tái)震級(jí)與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心之間震級(jí)偏差不大，最大偏差為0.2；②在MS5.0—8.0范圍內(nèi)，震級(jí)偏差平均值約為-0.08，即與中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報(bào)目錄震級(jí)相比，平均偏差僅低0.08，可以看出灌云臺(tái)遠(yuǎn)震記錄穩(wěn)定，且偏差較?。虎跰S5.0—6.5范圍內(nèi)，偏差折線最接近均值線，說明在該范圍內(nèi)的地震，灌云臺(tái)的記錄的震級(jí)偏差最小。

圖5 震級(jí)偏差與震級(jí)關(guān)系Fig.5 Relationship between magnitude deviation and magnitude

震級(jí)偏差與震級(jí)本身大小有關(guān)，這可能與震級(jí)公式中的周期校正項(xiàng)T有關(guān)，因?yàn)槊娌ㄖ芷诓粌H是震中距的函數(shù)，還是震級(jí)的函數(shù)（訾少剛等，2006）。

4.3.2 震中距。以20°為間隔，分析震級(jí)偏差與震中距關(guān)系，表2為不同震中距范圍內(nèi)地震數(shù)和震級(jí)偏差平均值。由表2可見：①各個(gè)震中距范圍內(nèi)，震級(jí)偏差平均值均為負(fù)；②當(dāng)震中距大于60°時(shí)，震級(jí)偏差最大，為-0.10；③當(dāng)震中距為0°—20°時(shí)，震級(jí)偏差最小，為-0.04。

表2 震級(jí)偏差與震中距關(guān)系Table 2 Relationship between magnitude deviation and epicentral distance

隨著震中距的增加，地震波傳播所穿過的地下圈層變多，在地層中發(fā)生多次反射、折射，能量損失增大，從而造成波形記錄失真，可能導(dǎo)致偏差變大。此外，面波震級(jí)公式中的起算函數(shù)是震中距的函數(shù)，而每個(gè)臺(tái)站的起算函數(shù)是不一樣的，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報(bào)的震級(jí)結(jié)果，是多臺(tái)計(jì)算的平均結(jié)果，此為造成偏差的原因之一。

4.3.3 震中方位。以灌云臺(tái)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，將地震事件按4個(gè)方位劃分，并計(jì)算其震級(jí)偏差平均值，結(jié)果見表3。由表3可知，東北方向震級(jí)偏差平均值最大，為-0.16；西南方向震級(jí)偏差平均值最小，為-0.01。這與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況有關(guān)，也與深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，因?yàn)榻橘|(zhì)路徑不同，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），直接影響了臺(tái)站記錄到的面波振幅大小，造成單臺(tái)震級(jí)偏差。而中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的震級(jí)為多個(gè)臺(tái)站的算術(shù)平均值，在一定程度上消除了方向性的影響（中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2003）。

表3 震級(jí)偏差與震中方位關(guān)系Table 3 Relationship between magnitude deviation and epicenter orientation

5 結(jié)論

對(duì)灌云臺(tái)2019—2021年698個(gè)地震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，遠(yuǎn)震事件震級(jí)集中在MS5.0—7.0，灌云臺(tái)面波震級(jí)比中國地震臺(tái)網(wǎng)中心震級(jí)平均低0.08左右，說明灌云臺(tái)遠(yuǎn)震記錄穩(wěn)定，映震能力強(qiáng)，平均誤差小，記錄精度較高，臺(tái)站震級(jí)無需校正。

由震級(jí)偏差與震級(jí)大小的關(guān)系可知，當(dāng)5.0≤MS≤6.5時(shí)，灌云臺(tái)記錄的震級(jí)偏差較小，震級(jí)較為準(zhǔn)確，而當(dāng)MS＞6.5時(shí)，震級(jí)偏差開始變大；由震級(jí)偏差與震中距的關(guān)系可知，灌云臺(tái)記錄的震級(jí)精度隨震中距的增加而減?。挥烧鸺?jí)偏差與震中方位的關(guān)系可知，灌云臺(tái)記錄到的東北方向和東南方向的地震震級(jí)偏差較大，可能與地震的海陸分布有關(guān)。