海拉爾地震臺面波震級偏差分析

吳 桐 王 西 堵偉鵬 周金玲 金志輝 鄒鑫慈 丁修毅 王 怡 申 影

1）中國內(nèi)蒙古自治區(qū) 021000 海拉爾地震監(jiān)測中心站

2）中國內(nèi)蒙古自治區(qū) 026000 錫林浩特地震監(jiān)測中心站

0 引言

震級是表示地震本身大小的一個量，是地震的基本參數(shù)之一（劉瑞豐等，2014）。根據(jù)震級可以近似地得到其他震源參數(shù)；對于淺源地震，震級越大，地震所造成的災害越嚴重，所以震級是地震應急、地震救援、災害損失評估等工作中的重要參數(shù)（劉瑞豐等，2014）。因此，準確測定震級是一項意義重大的基礎性工作（劉瑞豐等，2014）。在臺站日常數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)，臺站測定的面波震級與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的震級之間存在一定的偏差。臺基、震源、地質(zhì)構造等差異會造成震級的測定存在偏差（劉瑞豐等，2011；劉芳等，2016；李曉東等，2017；郭延杰等，2020）。因此，選取全球734個MS≥5.5且波形清晰的地震事件，對其進行分析，探究導致海拉爾地震臺面波震級偏差的原因，以期為海拉爾地震臺準確測定震級提供參考依據(jù)，進一步提高單臺地震定位的精度。

1 臺站信息與資料選取

海拉爾地震臺位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部呼倫貝爾市海拉爾區(qū)的西北郊，地處海拉爾盆地與大興安嶺接壤地帶。為了加強對德爾布干斷裂帶、海拉爾河斷陷盆地、嫩江斷裂帶地震活動的監(jiān)測，彌補我國東北西部地區(qū)地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力的不足，1974 年開始建設海拉爾地震臺，1978 年1 月起該臺正式投入地震觀測。巖性屬中生代侏羅紀安山巖，臺站代碼為HLR，屬國家基本臺。臺站使用BBVS-120 型寬頻帶三分項地震計和EDAS-24IP 型地震數(shù)據(jù)通信采集器。地震計安裝在觀測山洞中，山洞總長85 m，面積242.5 m2，覆蓋層厚23 m。選取海拉爾地震臺2017 年8 月1 日至2021 年12 月31 日記錄到的全球MS≥5.5 且波形清晰的734 個地震事件。

2 方法

2.1 面波的測定

海拉爾地震臺使用MSDP 地震分析處理軟件，將數(shù)字地震波形仿真成中長周期和長周期，依次量取NS 向、EW 向、垂直向最大振幅及對應周期，得到面波震級（趙瑞等，2017）。依據(jù)GB 17740—2017《地震震級的規(guī)定》（劉瑞豐等，2017）可知面波震級計算方法如下：

（1）使用基式（SK）中長周期地震儀記錄面波質(zhì)點運動最大速度，計算公式為

式中，A為兩水平向面波地動位移的矢量和；T為相應的周期；Δ為震中距。

（2）使用763 型長周期地震儀記錄，以垂向瑞利波質(zhì)點運動最大速度測定震級，計算公式為

式中，A為垂直向瑞利波質(zhì)點運動最大速度對應的位移值；T為相應的周期；Δ為震中距；σ763(Δ)為量規(guī)函數(shù)。

使用763 型長周期地震儀記錄確定的面波震級MS7與世界標準臺網(wǎng)WWSSN 的震級結果基本一致（劉瑞豐等，2006），故使用MS7震級數(shù)據(jù)。下文直接用MS表示。

2.2 偏差分析

對選取的734 個地震事件進行處理，將臺站測定的面波震級與中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級進行偏差分析。

對每一個地震事件計算面波震級偏差

取面波震級平均偏差

再取面波震級標準偏差

式中，MSi(CENC)為中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄中第i個地震事件的面波震級；MSi(HLR)為海拉爾地震臺測定的第i個地震事件的面波震級；ΔMSi為第i個地震事件的面波震級偏差；為面波震級平均偏差；s為面波震級標準偏差；n為地震事件數(shù)。

3 偏差計算

利用式（3）—（5）計算得到，面波震級平均偏差為-0.404 9，面波震級標準偏差為-0.377 7，說明MS(HLR)與MS(CENC)之間存在一定的偏差且偏差較大，MS(HLR)較MS(CENC)偏小0.4 級。

統(tǒng)計不同震級偏差與對應出現(xiàn)的地震事件次數(shù)之間的關系，列出震級偏差與頻次、平均震源深度表（表1）。

表1 震級偏差與頻次、平均震源深度Table 1 Statistical table of magnitude deviation,frequency and average focal depth

4 偏差分析

4.1 面波震級平均偏差與震級間的關系

根據(jù)震級的不同，將734 個地震事件劃分為5.5—5.9 級、6.0—6.9 級、7.0—7.9 級、8.0 級以上等4 種類型，分別統(tǒng)計每種類型的地震數(shù)并計算平均震級偏差（表2）。由表2 可知，海拉爾地震臺測定的面波震級較中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級均偏小，5.5—5.9 級地震面波震級偏小約0.4 級，6.0—7.9 級地震偏小約0.3 級，8.0 級以上地震偏小約0.2 級。

表2 不同震級地震的面波震級平均偏差情況Table 2 Deviation of surface wave magnitude for different magnitudes

4.2 面波震級平均偏差與震源深度間的關系

震源深度小于60 km的地震被稱為淺源地震，全球有80%左右的天然地震是淺源地震；震源深度大于300 km 的地震被稱為深源地震；震源深度為60—300 km 的地震被稱為中深源地震（中國地震局監(jiān)測預報司，2017）。

根據(jù)震級偏差的不同，對734 個地震事件分別計算相同震級偏差下地震事件的平均震源深度（表1）。另根據(jù)震源深度的不同，將734 個地震事件分為h＞300 km、60 km ≤h≤300 km、h＜60 km 等3 種類型，分別統(tǒng)計每種類型的地震數(shù)并計算平均震級偏差（表3）。結合表1、3 可知，震源越深，海拉爾地震臺測定的面波震級與中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級偏差越大，且均偏小。當震級偏差絕對值大于0.7 時，對應的地震事件平均震源深度也基本大于60 km。在本文所研究的地震事件中，有83.79%為淺源地震，且面波震級平均偏差為-0.3 級。

4.3 面波震級偏差與震中距間的關系

根據(jù)震中距的不同，將734 個地震事件劃分為Δ＜10°、10°≤Δ＜30°、30°≤Δ＜60°、60°≤Δ＜105°、105°≤Δ＜130°、Δ≥130°等6 種類型，分別統(tǒng)計每種類型地震數(shù)并計算平均震級偏差（表4）。已知Δ＜10°的地震為近震，近震震級通常不用面波震級MS來描述，因此對2 個Δ＜10°的地震事件不作分析；Δ≥105°的地震為極遠震，但式（1）適用范圍為1°＜Δ＜130°，式（2）適用范圍為3°＜Δ＜177°，因此在根據(jù)震中距劃分地震事件類型時，將極遠震分成105°≤Δ＜130°、Δ≥130°等2 種類型進行討論。由表4 可知，海拉爾地震臺測定的面波震級較中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級均偏小。大部分地震事件震中距為[30°，60°）、[60°，105°）兩個區(qū)間，個數(shù)分別為252、235，且地震面波震級均偏小約0.4 級；震中距為[10，30）、[105，130）兩個區(qū)間的地震面波震級均偏小約0.3 級；而極遠震中Δ≥130 的地震面波震級偏小約0.4 級。

表4 不同震中距的面波震級偏差情況Table 4 Deviation of surface wave magnitude with different epicenter distances

4.4 面波震級偏差與方位角間的關系

以海拉爾地震臺為坐標原點，選取正北、正東方向為坐標軸，將所選擇的734 個地震事件根據(jù)方位角的不同，劃分在東北、東南、西南、西北等4 個象限內(nèi)，分別統(tǒng)計每個象限的地震數(shù)并計算每個象限地震的平均震級偏差（表5）。由表5 可知，海拉爾地震臺測定的面波震級與中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級相比偏小。超50%的地震事件發(fā)生在海拉爾地震臺的東南方向，該方位地震的震級偏差最大，為-0.47 級；其他方位地震的震級偏差絕對值為0.2—0.3。

表5 不同方位的面波震級偏差情況Table 5 Deviation of surface wave magnitude in different directions

4.5 面波震級偏差與地區(qū)間的關系

由表5 可知，海拉爾地震臺東南方向的地震事件占比較高且震級偏差較大，因此選取東南方向地震發(fā)生頻次較高的地區(qū)進行進一步分析（表6），并利用板塊分布圖對海拉爾地震臺東南方向地震的震級偏差與地區(qū)間的關系進行說明（圖1）。

圖1 海拉爾地震臺東南方向地震震級偏差與地區(qū)間關系示意圖Fig.1 Map of the southeast magnitude deviation and its regional relationship at the Hailar District seismic station

表6 東南方向不同地區(qū)的面波震級偏差情況Table 6 Deviation of surface wave magnitude in different regions in southeast direction

結合表6 與圖1 可知，在海拉爾地震臺東南方向內(nèi)發(fā)生的地震事件中，位于東偏南45°內(nèi)的地區(qū)，震中距為30°≤Δ＜130°的地震震級偏差較小，如美國加利福尼亞州及其附近地區(qū)和墨西哥及其附近地區(qū)（圖中③區(qū)），約為-0.28 級；震中距Δ≥130°的地震震級偏差與平均偏差相近，如智利及其附近地區(qū)（圖中④區(qū)），約為-0.46 級。而位于南偏東45°內(nèi)的地區(qū)，震中距為30°≤Δ＜130°的地震震級偏差較大，如瓦努阿圖群島、所羅門群島及其附近地區(qū)與印度尼西亞及其附近地區(qū)（圖中②區(qū)）約為-0.61 級。對于震中距為20°左右的地震震級偏差較小，如日本及其附近地區(qū)（圖中①區(qū)），約為-0.28 級。

5 面波震級MS 與矩震級MW 間偏差分析

由不同震級標度測定的是特定頻段的地震波振幅，當震級大到一定級別時，測定的最大振幅不再增加，這使測得的地震震級不再隨地震的增大而增大，該現(xiàn)象被稱為震級飽和（陳運泰等，2018）。為了解決此問題，基于地震矩與面波震級間的關系，Kanamori（1977）提出矩震級的概念，Hanks 等（1979）給出矩震級定義式

式中，M0為地震矩，單位dyne·cm（沙海軍等，2018）。

現(xiàn)將海拉爾地震臺測定的面波震級MS(HLR)與美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）官網(wǎng)發(fā)布的地震矩震級MW(USGS)進行偏差分析。計算MS(HLR)-MW(USGS)，得到震級的平均偏差為-0.429 2，震級偏差的標準差為s′=0.387 1 。結合平均偏差與標準偏差，可以說明MS(HLR)與MW(USGS)之間也存在一定的偏差且偏差較大，MS(HLR)較MW(USGS)相比偏小0.43 級。

同時，對臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級MS(CENC)與美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)發(fā)布的地震矩震級MW(USGS)之間相比較，計算MS(CENC)-MW(USGS)，得到震級平均偏差為-0.028 25。可以看出二者間差距較小，基本一致。而臺站測定的面波震級分別與臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級和美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)發(fā)布的地震矩震級相比，平均偏差均較大，分別為-0.404 9、-0.429 2；標準差分別為-0.377 7、-0.387 1。故海拉爾地震臺面波震級偏差較大，較MS(CENC)與MW(USGS)均偏小0.4 級左右。

6 結論

（1）海拉爾地震臺測定的地震面波震級偏差較大，比中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級平均小0.4 級，比美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)發(fā)布的矩震級平均小0.43 級。

（2）將海拉爾地震臺測定的面波震級與中國地震臺網(wǎng)中心正式目錄的面波震級相比，通過偏差分析計算可知：①震級與面波震級偏差之間為反相關，即震級越大，偏差越小。8.0 級以上的地震震級偏差為-0.20 級，而大部分地震分布在5.5—6.9 級，該范圍內(nèi)震級偏差為-0.40 級，與海拉爾地震臺測定的面波震級平均偏差相符。②震源深度與面波震級偏差之間為正相關，即震源越深，偏差越大。而大部分地震為淺源地震，偏差為-0.30 級。③震中距與面波震級偏差之間存在一定的關系，即震中距范圍在[10°，30°）、[105°，130°）間的地震面波震級偏差較小，為-0.30 級，在其他范圍內(nèi)偏差為-0.40 級，與海拉爾地震臺測定的面波震級平均偏差相符。④方位角與面波震級偏差之間存在一定的關系，即方位角位于東南方向時，面波震級偏差最大，為-0.47 級；方位角位于西北方向時，面波震級偏差最小，為-0.20 級。⑤對發(fā)生在海拉爾地震臺東南方向的地震事件按地區(qū)分析時發(fā)現(xiàn)，對于發(fā)生在日本地區(qū)、美國加州地區(qū)和墨西哥地區(qū)的地震，面波震級偏差較小，為-0.30 級；而對于發(fā)生在澳大利亞板塊與太平洋板塊碰撞地帶的地震，如瓦努阿圖群島、所羅門群島及其附近地區(qū)與印度尼西亞及其附近地區(qū)，面波震級偏差較大，為-0.61 級。