張家口地震臺面波震級偏差分析

劉仲韜 宋曉煜 朱振興

（中國河北 075000 河北省地震局張家口地震監(jiān)測中心站）

0 引言

震級是地震三要素之一，用來表征地震強度大小。震級的準(zhǔn)確測定是地震學(xué)研究和防震減災(zāi)各項工作開展的基礎(chǔ)。受震源性質(zhì)、介質(zhì)影響、接收站臺基、觀測儀器、震相和定位方法選擇等因素的影響（殷翔等，1981），單臺震級測定與中國地震臺網(wǎng)中心的發(fā)布震級往往存在偏差。面波震級指根據(jù)面波計算出來的震級，通常以符號MS來表示。在2017 年12 月1 日新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)推廣實施前，面波震級MS作為中國地震臺網(wǎng)在進行地震速報對外發(fā)布的震級M，在新的標(biāo)準(zhǔn)中，面波震級在測定方法上與原觀測技術(shù)規(guī)范一致，并且仍為要求地震臺網(wǎng)實際測定的幾種震級之一，面波震級得到較為普遍的應(yīng)用（劉瑞豐等，2018）。因此，對單臺面波震級偏差的相關(guān)因素進行分析，進而減小偏差具有重要意義。

張家口地震臺位于首都圈地震重點監(jiān)視防御區(qū)和京西北地震危險區(qū)內(nèi)，是河北省及首都圈地區(qū)綜合地震觀測臺站之一，觀測項目種類齊全，其測震儀器工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，映震能力較強。文中收集整理張家口地震臺2017—2018 年記錄的地震面波資料，與中國地震臺網(wǎng)中心同期測定結(jié)果進行對比，研究二者面波震級偏差與震級大小、震中距、震中方位的關(guān)系，以期為今后張家口地震臺地震監(jiān)測能力的提升提供可靠依據(jù)。

1 地震臺概述

張家口地震臺地處京西北、晉冀蒙交界地區(qū)，位于張渤地震帶西北段與山西地震帶北段交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要分布蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂及2 條EW 向斷裂和數(shù)條NW 向小斷裂（圖1）。其中蔚縣山前大斷裂由山西省廣靈起，經(jīng)蔚縣NE 向延伸至懷來、延慶，桑干河斷裂由陽原沿桑干河向NE 延伸至涿鹿、下花園，2 條EW 向斷裂由狼窩溝、崇禮至赤城和懷安至宣化（李峰等，2017）。

圖1 張家口地區(qū)斷裂構(gòu)造Fig.1 Faults and tectonics in the Zhangjiakou area

張家口地震臺站址巖性為侏羅系上統(tǒng)張家口組中酸性火山熔巖及火山碎屑巖，測震觀測山洞呈“W”字型，有4 個獨立洞室，總長約65 m，洞頂覆蓋層厚達30 m 以上，觀測用房建筑面積約100 m2，觀測條件良好，儀器墩建在基巖上并有隔震槽，采用BBVS-120 三分向?qū)掝l帶地震計進行觀測，觀測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。該臺觀測山洞平面示意圖見圖2。

圖2 觀測山洞平面示意圖Fig.2 The plane diagram of the observation cave

2 資料選取

選取張家口地震臺2017—2018年記錄的全球范圍內(nèi)748次MS4.0以上地震事件（圖3），同時收集整理這些地震事件在中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一地震編目中的詳細信息，震級分布統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 張家口地震臺MS 震級分布信息Table 1 The MS magnitude distribution at Zhangjiakou Seismic Station

圖3 2017—2018 年不同面波震級地震分布Fig.3 Distribution map of earthquakes of different surface wave magnitudes from 2017 to 2018

由表1 可見，絕大多數(shù)地震分布在4.0—6.9 級范圍內(nèi)。在選取的地震中，山東長島海域MS4.0 地震震級最小，而張家口地震臺測定的面波震級為MS3.6，震級偏差0.4；墨西哥恰帕斯海岸遠海MS8.6 地震震級最大，張家口地震臺測定的面波震級也為MS8.6，無震級偏差。

3 面波震級偏差分析

統(tǒng)計張家口地震臺與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的面波震級，分別記為MS（ZJK）、MS（CENC），繪制二者關(guān)系圖（圖4），采用多元穩(wěn)健回歸方法，計算二者的面波震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC），可得震級偏差分布在-1.0—1.3 范圍內(nèi)，平均偏差-0.08，均方差為0.22（何奕成等，2016）。因此，張家口地震臺測定的面波震級比實際震級平均低約0.08，最小震級偏差為-1.0，最大震級偏差為1.3。

圖4 MS（ZJK）和MS（CENC）關(guān)系Fig.4 The relationship between ZJK and CENC MS magnitudes

將震級偏差間隔設(shè)定為0.1，統(tǒng)計震級偏差頻度分布，結(jié)果見圖5。由圖5 可見，面波震級偏差基本均勻分布在0 級左右，集中分布在-0.5—0.5 范圍內(nèi)，共737 個地震，占比98%以上，其中偏差為-0.1 的地震數(shù)最多，有175 個地震。基于張家口地震臺與中國地震臺網(wǎng)中心震級偏差統(tǒng)計結(jié)果，分析其與震級大小、震中距、震中方位的關(guān)系。

圖5 面波震級偏差頻度分布Fig.5 Frequency of MS magnitude deviations

3.1 震級偏差與震級大小的關(guān)系

以張家口地震臺測定的面波震級為橫軸，以震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC）平均值為縱軸，統(tǒng)計不同面波震級下震級偏差大小，結(jié)果見圖6。由圖6 可見：①震級偏差基本分布在0級兩側(cè)，說明從面波震級偏差與震級的關(guān)系角度來看總體偏差不大，且較為穩(wěn)定，與實際地震面波震級相比平均高約0.05；②在4.5—6.5 級范圍內(nèi)，張家口地震臺測定面波震級偏大，但偏差值不大，均在0.2 以內(nèi)，最大偏差值為0.19，對應(yīng)震級MS5.6；③在4.0—4.4級和6.6—8.2 級范圍內(nèi)，震級偏差浮動范圍較大，偏差范圍在平均值上下浮動，表明對強震和弱震而言，張家口地震臺單臺面波震級測定誤差較大且不穩(wěn)定（蘇梅艷等，2013）。

圖6 張家口地震臺面波震級大小與震級偏差關(guān)系Fig.6 The relationship between MS magnitude and magnitudedeviation of Zhangjiakou Seismic Station

3.2 震級偏差與震中距的關(guān)系

為了更好地分析張家口中心臺面波震級與震中距的關(guān)系，以地心張角來表示地震臺到震中地球球面距離的震中距。將張家口地震臺測定震中距Δ作為橫軸（單位°），以震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC）平均值為縱軸，繪制MS（ZJK）隨震中距的分布關(guān)系，結(jié)果見圖7。Δ以30°為間隔，統(tǒng)計不同震中距范圍內(nèi)的地震數(shù)，并計算此范圍內(nèi)面波震級偏差平均值，結(jié)果見表2。

表2 震中距與震級偏差關(guān)系Table 2 The relation table of epicentral distance and magnitude deviation

圖7 面波震級偏差隨震中距變化分布Fig.7 Distribution of magnitude deviations with epicentral distance

由圖7和表2可見：①Δ在 0—180°范圍內(nèi)，面波震級偏差MS（ZJK）-MS（CENC）基本為負(fù)值；②Δ在0°—30°和Δ＞90°范圍內(nèi)，震級偏差最大，均大于-0.1；③Δ在30°—60°范圍內(nèi)，震級偏差最小，為-0.05。明顯可見，在震中距0—30°范圍內(nèi)，隨著震中距增大，面波震級偏差明顯減小；在震中距30°—180°范圍內(nèi)，震級偏差隨震中距增大而不斷變大（楊晶瓊等，2019）。究其原因，震級偏差與面波震級計算公式中的量規(guī)函數(shù)及地殼介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。

面波震級計算公式如下

式中，A為記錄的最大地動水平矢量的模，T為該振幅的視周期，Δ為震中距，σ（Δ）為面波震級量規(guī)函數(shù)，C為臺基校正值（郭履燦等，1981）。

由式（1）可知，量規(guī)函數(shù)即零級地震起算函數(shù)，與震中距相關(guān)，每個測震臺站的量規(guī)函數(shù)都不相同。中國地震臺網(wǎng)中心公布的面波震級為所有臺站測定結(jié)果的平均值，由于各臺站量規(guī)函數(shù)的不同，計算過程中相當(dāng)于對所有記錄臺站的量規(guī)函數(shù)取均值，而張家口地震臺計算面波震級時是使用其單臺面波震級量規(guī)函數(shù)，此為震級偏差產(chǎn)生的原因之一（何奕成等，2016）。

當(dāng)震中距相對較大時，地殼介質(zhì)非均勻性表現(xiàn)為大尺度非均勻性，介質(zhì)逐漸趨向于均勻介質(zhì)，均勻介質(zhì)對地震波的動力學(xué)和運動學(xué)特征影響較小（謝文杰等，2012）。隨著震中距的增大，較遠地震的射線形態(tài)和傳播特征比近震更為復(fù)雜，能量更為分散，所以出現(xiàn)面波震級偏差值不斷變大現(xiàn)象。

3.3 震級偏差與震中方位的關(guān)系

以張家口地震臺為坐標(biāo)原點，將所選取地震的發(fā)生區(qū)域劃分為東北、東南、西南和西北4 個象限，統(tǒng)計各方向地震數(shù)，同時計算其面波震級偏差平均值，得到面波震級偏差與震中方位的關(guān)系，見表3。由表3 可見，東北、東南、西南3 個方位的面波震級偏差平均值為負(fù)值，而西北方向則為正值；東南方向震級偏差絕對值最大，達到0.11，而西北方向震級偏差絕對值最小，為0.02。分析認(rèn)為，面波震級偏差在震中方位上存在差異，且各方向平均偏差值相差較大，不僅與震源環(huán)境相關(guān)，同時與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，不同傳播路徑中的介質(zhì)差異對地震波的固有吸收衰減和散射衰減是不同的（劉紅桂，2012），面波振幅大小受傳播路徑影響較大，面波震級大小隨之受到影響。

表3 面波震級偏差與震中方位的關(guān)系Table 3 The relationship between surface wave magnitude deviation and epicentral azimuth

4 結(jié)論

收集整理張家口地震臺2017—2018 年記錄的全球范圍內(nèi)748 個MS4.0 以上地震事件，對面波震級資料進行綜合分析，可以得出以下結(jié)論：①MS（ZJK）比MS（CENC）平均低0.08，震級偏差分布在-1.0—1.3 范圍內(nèi)；②面波震級偏差與震級的關(guān)系：總體來說，MS（ZJK）-MS（CENC）差值不大，且較為穩(wěn)定，與MS（CENC）相比，MS（ZJK）平均高約0.05；③震級偏差與震中距的關(guān)系：震中距在0—30°，隨著震中距增大，面波震級偏差明顯減小，而震中距30°以上，隨著震中距的增大，偏差值不斷變大；④震級偏差與震中方位的關(guān)系：張家口地震臺東北、東南、西南3 個方位的面波震級偏差平均值為負(fù)值，而西北方向則為正值，其中東南方向的震級偏差絕對值最大，達到0.11，而西北方向的震級偏差絕對值最小，為0.02。