新的震級國家標準在陜西地震臺網的應用

徐一斐 趙 韜 邵若潼 張雪娟

（中國西安 710068 陜西省地震局）

0 引言

震級是對地震大小的量度，是地震的基本參數之一，在地震監測、預測、信息發布、科學普及、新聞報道、防震減災中具有重要作用（陳運泰等，2004；國家質量技術監督局等，2004），是地震研究中的重要參數之一。震級國家標準GB 17740—1999《地震震級的規定》（國家質量技術監督局，2004）自實施以來，規范了地震震級的測定方法和使用，在地震監測、震害防御、應急救援等防震減災相關工作中發揮了重要作用，取得了良好的科學效益和社會效益（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2017）。

2001年，基于國家標準GB 17740—1999《地震震級的規定》（國家質量技術監督局，2004），中國地震局頒布了《地震及前兆數字觀測技術規范（地震觀測）》（以下簡稱“規范”），規定我國地震臺站（網）在日常地震監測中要測定地方性震級ML、水平向面波震級MS、垂直向面波震級MS7、短周期體波震級mb、中長周期體波震級mB等5種震級（中國地震局，2001），這些震級均基于模擬地震記錄。

目前，我國地震觀測系統實現了數字化和網絡化，地震臺站全部升級為數字化臺站。儀器特性、數據傳輸方式、數據分析處理方式、震級測定的時效性等都發生了根本變化。自GB 17740—1999《地震震級的規定》（國家質量技術監督局，2004）實施以來，我國已經積累了大量的地震觀測資料，在地震震級測定方面有了新的認識（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2017）。隨著數字地震觀測系統的廣泛應用，震級測定方法研究也取得了重要進展，矩震級測定被納入國際主流地震監測機構日常工作，國際地震學與地球內部物理協會（IASPEI）也制定了新的震級標準，我國與國際主流地震監測機構在震級測定方面的差異逐漸顯現（Bormann et al，2008；IASPEI，2013；劉瑞豐等，2015；王麗艷等，2016）。為此，中國地震局于2011年成立項目組，開展震級國家標準的修訂工作，新的震級國家標準GB 17740—2017《地震震級的規定》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2017）于2017年5月12日正式發布，新標準對地方性震級ML、面波震級MS、寬頻帶面波震級MS(BB)、短周期體波震級mb、寬頻帶體波震級MB(BB)和矩震級MW等6種震級標度的測定方法及使用作出了規定。

新的震級國家標準保留了ML、MS和mb，取消了MS7和mB，增加了IASPEI推薦的MS(BB)、MB(BB)和MW，既在一定程度上保持了震級測定的連續性，同時也充分借鑒了國內外震級測定方面的研究成果，最大程度上實現了與國際主流地震監測機構震級標度的一致。

對于同一次地震，使用不同的震級標度測定，通常會得到多個不同的震級，而不同震級標度測定值之間的關系一直是研究者所關注的重要研究課題（劉瑞豐等，2005，2006，2007；Castellaro et al，2007；任克新，2008；楊晶瓊等，2016）。新的震級國家標準在測定方法、測定結果方面與原規范中的震級間具有怎樣的關系？值得深入研究。對新的國家標準震級標度與原規范涉及的震級種類較多，震級測量分向一致、震相相同、適用震中距范圍和地震波周期相近的震級標度之間的比較，對于確定同類型震級之間的關系更具意義。因此，以陜西地震臺網2008年5月至2021年5月記錄到的104次ML≥4.5地震為研究對象，使用差值統計和線性回歸方法，對新的國家標準震級標度中的ML、MS(BB)與原規范中的ML、中國地震臺網的MS以及MW進行對比。

1 地方性震級ML的對比

1.1 計算公式和測量方法的差別

新國標ML震級與舊國標ML震級相比，計算公式相同，均為

它們的差別主要體現在2個方面：一是仿真模式。原規范規定，可以仿真成DD-1型或W.A.型短周期記錄，新標準規定則只能仿真成DD-1型。二是量規函數。原規范使用了李善邦（1981）根據Richter（1935）原始形式量規函數并結合我國地震儀器特性和華北地區地震波衰減規律修改后的量規函數R。該量規函數為全國統一的量規函數，并沒有考慮到我國地殼結構的分區性，新標準則是根據地震波在不同區域的傳播規律建立了分區量規函數。

1.2 對比結果

選取2008—2020年陜西測震臺網記錄清晰且距省邊界100 km范圍內的56個地震事件，分別對這56個測試地震按照新、舊國家標準進行了ML震級測定。按照要求，波形在仿真成DD-1后在位移記錄上量取新國標ML震級，波形在仿真成W.A.型短周期記錄后量取舊國標ML震級，詳細結果見表1。

表1 利用新、舊國標測量ML震級結果Table 1 ML Magnitudes measured by new and old national standards

對表1的新、舊國標ML震級作了正交回歸分析，新、舊國標ML震級關系如圖1所示，相關系數為0.964 2，RMS為0.103 4，并且新ML震級與舊ML震級間存在以下線性關系

由圖1可見，新、舊國標ML震級之間存在一定的差值，差值分布如圖2所示。由 圖2可見，如果以舊ML震級為基準，新ML比舊ML系統性偏大，但總體小于0.3。

圖1 ML震級（舊國標）與ML震級（新國標）間的線性關系Fig.1 The linear relationship between ML magnitudes measured by old and new national standards

圖2 新、舊國標ML震級間偏差分布Fig.2 Distribution of ML magnitude differences measured by old and new national standards

2 MS(BB)、MW、MS(CENC)震級的對比

2.1 計算公式和測量方法的差別

新國標MS(BB)使用未仿真垂直向記錄的最大速度值計算得到，其計算公式為

MS(CENC)使用仿真為基式地震儀后在水平分量量取最大位移計算得到，其計算公式為

而對于MW，可使用波形反演得到，MW能較好地體現地震的量級大小。

為檢驗MS(BB)震級的穩定性，選取陜西地震臺網2008—2020年記錄到的M≥4.5地震作為研究對象，并通過國家地震科學數據中心網頁和GCMT網頁分別查詢MS(CENC)和MW震級（Dziewonski et al，1981；Ekstr?m et al，2012；國家地震科學數據中心，2021）。由于有些地震震級偏小，在遠臺無法觀測到長周期面波震相，最終得到62個同時具有MS(CENC)和MW震級記錄的地震事件，按照新的標準量取其MS(BB)震級后，對其進行了對比（表2）。

表2 MS(BB)、MS(CENC)、MW震級對比結果Table 2 Comparison among MS(BB),MS(CENC),and MW magnitudes

2.2 MS(BB)和MW對比

通過正交回歸分析，可以得到MS(BB)震級與MW震級間的關系（圖3），其相關系數為0.952 3，RMS為0.118 5，并且MS(BB)震級與MW震級間存在以下線性關系

圖3 MS(BB)震級與MW震級間的線性關系Fig.3 A linear relationship between MS(BB) and MW magnitudes

MS(BB)、MW震級的差值分布如圖4所示。由圖4可見，MS(BB)與MW無系統偏差，二者偏差在0附近呈正態分布，大部分偏差為-0.1—0.1。僅個別地震偏差較大，造成這種差異的主要原因可能是使用資料的不同，GCMT在進行矩張量反演時主要使用遠臺的長周期面波，震中距一般大于1 000 km；而我們量取MS(BB)時主要采用區域臺網資料，震中距相對較小，長周期面波可能還未發育完全。

圖4 MW震級與MS(BB)震級間偏差分布Fig.4 Distribution of differences between MW and MS(BB) magnitudes

2.3 MS(BB)和MS(CENC)對比

通過正交回歸分析，可以得到MS(BB)震級與MS(CENC)震級間的關系（圖5），其相關系數為0.964 2，RMS為0.105 9，并且MS(BB)震級與MS(CENC)震級間存在以下線性關系

圖5 MS(BB)震級與MS(CENC)震級間的線性關系Fig.5 A lLinear relationship between MS(BB) and MS(CENC) magnitudes

MS(BB)、MS(CENC)震級的偏差分布情況如圖6所示。由圖6可見，MS(BB)比MS(CENC)整體平均偏小0.2，這主要是因為二者的量規函數間存在0.2的差值。

圖6 MS(BB)震級與MS(CENC)震級間偏差分布Fig.6 Distribution of differences between MS(BB) and MS(CENC) magnitudes

2.4 MS(CENC)和MW對比

正交回歸分析可以看出MS(CENC)震級與MW震級間的關系（圖7），其相關系數為0.945 7，RMS為0.126 6，MS(CENC)震級與MW震級間存在以下線性關系

圖7 MS(CENC)震級與MW震級間的線性關系Fig.7 A linear relationship between MS(CENC) and MW magnitudes

MS(CENC)、MW震級的偏差分布情況如圖8所示。由圖8可見，MS(CENC)震級相比MW震級系統性偏大，絕大多數地震的MS(CENC)比MW偏大0.2—0.3，擬合殘差在所述3種震級對比中相對最大。

圖8 MS(CENC)震級與MW震級間偏差分布Fig.8 Distribution of differences between MS(CENC) and MW magnitudes

3 討論與結論

將新的震級國家標準應用于陜西地震臺網得到新國標震級，并與原規范震級進行了分析對比，得到以下結果。

（1）新國標地方性震級ML較舊國標ML震級系統偏大，這主要是采用了新的量規函數。目前，陜西省測震臺網使用的是東北、華北地區新量規函數，臺站震中距為0—100 km時，新國標中東北、華北地區量規函數比舊國標中量規函數偏大；震中距分別為100—300 km、580—600 km時，新國標中量規函數和舊國標中量規函數基本一致；震中距為300—600 km時，新國標中量規函數比舊國標中的量規函數偏小。總體來看，新量規函數比舊量規函數偏大0.1—0.2。

（2）寬頻帶面波震級MS(BB)與矩震級MW相比，二者間無系統偏差，絕大多數地震震級差為-0.1—0.1。GCMT公布的MW震級主要由波形長周期面波反演獲得，均能較好地描述地震的實際大小。但測定MS(BB)震級時使用的是未仿真的垂直向記錄，因此，在震后快速產出效率上，MS(BB)震級更具有優勢。

（3）寬頻帶面波震級MS(BB)比面波震級MS(CENC)整體偏小0.2，二者之間存在系統偏差。

（4）絕大多數地震的面波震級MS(CENC)比MW偏大0.2—0.3，二者之間存在系統偏差。

由此認為，新的國家標準震級標度對傳統震級標度有很好的繼承和銜接。新國標ML震級較穩定，較舊國標ML震級系統偏大0.3左右。MS(BB)震級具有良好的穩定性，并且只需要在垂直向未仿真狀態下量取，震后只需要測量幾個較精確的長周期面波震相，即可得到較精確的震級，更便于測量。新的分區量規函數更符合區域地質特性，故可以為震后快速、穩定產出提供有力支撐。