廣西測震臺網臺站地方性震級偏差分析

牟劍英 向 巍 李攀攀 徐 寧

（中國南寧530022 廣西壯族自治區地震局）

0 引言

震級是一個表征地震大小的物理量，是地震的基本參數之一，也是地震應急響應、地震救援與災害損失評估的重要參數。因此，提供準確的震級，對地震科學研究和社會應急需求響應等方面的效能發揮具有重要作用。

區域地震臺網近震震級的測定，以多臺平均震級作為地震事件的震級，一般采用近震震級標度ML。對同一地震進行近震震級測定，即使地震儀器類型相同，臺基條件相似，不同臺站測量的震級也有所不同（薛志照，1992），這涉及到地震波隨距離的衰減補償，即近震量規函數和臺基校正值的研究。在區域地震臺網震級測定中，發現部分單臺震級與臺網平均震級相差較大，震級偏差一般在±0.9，若參與定位的臺站數較少，將嚴重影響地震事件震級測定的準確性。廣東、甘肅、江蘇、山西、江西等省級地震臺網在“十五”數字化改造后，陳貴美等（2010）對廣東測震臺網、項月文等（2010）對江西測震臺網、陳繼鋒等（2013）對甘肅測震臺網、康清清等（2019）對江蘇及鄰區測震臺網、梁向軍等（2019）對山西測震臺網區域震級偏差進行了分析；王麗艷等（2016）基于全國31 個省級地震臺網地震觀測資料，通過震級殘差統計分析方法，獲得東北、華北、華南、西南、青藏和新疆等5 個區域地方性震級量規函數。為進一步規范震級標準，劉瑞豐等（2015，2017）起草了新的震級國家標準，即GB 17740—2017《地震震級的規定》，對不同地區近震震級量規函數做了新的規定。

基于震級偏差統計方法，本文基于廣西測震臺網臺站場地響應、震中距和儀器設備等，對近震震級進行偏差分析，并根據單臺震級平均偏差給出臺基校正值，根據震中距平均偏差修正廣西區域量規函數。

1 臺網建設及資料選取

“十五”期間，廣西新建和改建了22 個區域直屬測震臺，實現了數字化、網絡化觀測?！笆晃濉逼陂g，通過“中國地震背景場探測項目廣西分項”，新建了德保、全州、龍勝、昭平、融安、斜陽島等6 個測震臺。至此，共建成28 個直屬測震臺，其中5 個國家級測震臺站、23 個區域級測震臺站。同時，通過共享龍灘水庫地震監測臺網11 個遙測子臺，聯網共享南寧、柳州市地震監測臺網15 個測震子臺，加密新建陸川、博白、鳳山等12 個市縣級測震臺站，構建了廣西區域地震監測網，為地震速報、地震編目和地震研究等服務。

選取廣西區域地震監測網2008 年1 月至2019 年12 月記錄的廣西及鄰區發生的1 251 次ML≥2.0 地震事件，進行近震震級偏差分析，其中每次事件定位臺站數均不少于4 個。因南寧、柳州地震臺網在2015 年升級改造（將DS-4A 短周期地震計更換為CMG-3ESPC-120 甚寬頻地震計）后震級出現異常，且在省級改造期間斷記時間較久，文中僅對28 個直屬測震臺站、11 個龍灘水庫遙測子臺和12 個市縣地方測震臺站共51 個臺站數據進行震級偏差分析。臺站和所選地震事件分布見圖1。

圖1 廣西區域51 個測震臺站及選用地震事件分布Fig.1 Distribution map of 51 stations and selected earthquakes in Guangxi area

2 震級偏差計算

若?Mi為負數，代表單臺震級大于平均震級；若?Mi為正數，代表單臺震級小于平均震級。采用平均偏差和標準偏差σ來計算衡量震級偏差的大小和數組的離散程度，其中平均偏差用來表示某單臺震級數列中各項數值與其算術平均數的離差絕對值的算術平均數，平均偏差公式如下

標準偏差用來表示某單臺組內數列各項數值的偏差離散程度，標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。標準偏差公式如下

在廣西測震臺網地震記錄進行震級偏差統計中，單臺震級總樣本數為14 784 個，其中桂西北片區的天峨、百色、大化、巖灘、平果、河池地震臺樣本數在350 個以上，桂東北片區的龍勝、全州、興安、融安、桂林地震臺樣本數均不超過100 個，在一定程度上反映了廣西地震西多東少的分布特點。斜陽島、昭平、博白等測震臺站于2014 年入網運行，事件單臺樣本數相對較少，但也可在一定程度上反映單臺震級和臺網平均震級的偏差關系。

3 偏差分析與修正

3.1 偏差結果

計算廣西51 個測震臺站地震記錄的震級偏差，獲取各單臺與測震臺網平均震級的平均偏差和標準偏差，結果發現，震級平均偏差絕對值在0.1 以內的臺站有20 個，大于或等于0.1 的臺站有31 個，其中：北海、龍勝、南寧、欽州、全州、斜陽島、昭平、鳳山、陸川、天等、西林、坪上寨、仁頂、小苗坡和龍州共15 個地震臺站的單臺震級，比臺網平均震級偏大，偏差在-0.1— -0.5 之間，特別是天等和南寧地震臺，震級偏差較大，數值在0.4以上；德保、大化、東興、貴港、桂林、賀州、天峨、梧州、玉林、博白、靈山、甲龍、羅甸、向陽、岑溪和那坡共16 個地震臺站的單臺震級，比臺網平均震級偏小，偏差在0.1—0.4 之間，特別是天峨、玉林、德保、羅甸和博白地震臺，其震級偏小，偏差值均大于0.2；百色、崇左、大新、河池、靈山、靖西、平果、平南、憑祥、融安、潿洲島、巖灘、忻城、興安、坡皇洞、里納、杠里、八廣、田林、涼風坳共20 個地震臺，震級平均偏差較小，震級較為適中。各臺站標準偏差基本在0.18—0.32 之間，偏差數組離散不大。各地震臺單臺震級偏差統計結果見表1。

表1 單臺震級平均偏差和標準偏差統計Talbe 1 Statistics of the mean deviation and standard deviation of station magnitudes

將震級偏差按0.1 進行檔位劃分，其中：偏差在±0.1 以內的樣本數為5 807 個，占39%；偏差在±0.2 的樣本數有8 946，占61%；偏差在±0.3 的樣本數有11 288 個，占76%；偏差在±0.4 的樣本數有12 839 個，占87%；震級偏差絕對值在0.5—1.5 的樣本數有1 945 個，占13%，其中大于1.0 的有115 個。

統計結果顯示，震級偏差ΔM集中分布在-0.4—0.4，呈正態分布，但震級偏差橫跨-1.5—1.5，分散度較高，見圖2。將震級偏差超過1.0—1.5 的臺站記錄事件再次進行人工分析，震級偏差仍較大。

圖2 單臺震級與臺網震級偏差統計Fig.2 Deviation statistics between station and network magnitudes

3.2 震級偏差分析

從觀測儀器類型、臺基場地響應和震中距方面，對廣西測震臺網單臺震級偏差進行分析，并利用臺基校正值修正區域量規函數。

（1）觀測儀器類型。統計發現，更換地震計后，臺站震級偏差出現正負值轉變，如：龍灘水庫地震監測臺網的小苗坡臺、八廣臺，在2019 年7 月升級改造過程中，將FSS-3M地震計更換為GL-CS2 地震計，震級偏差整體呈負值；靈山臺在2014 年1 月將JCZ 地震計更換為BBVS-120 地震計、2018 年6 月將BBVS-120 地震計更換為GL-S120 地震計，2 個時間節點也出現震級偏差正負值一致性轉變。結果見圖3 中(a)、(b)、(c)圖。

圖3 臺站震級偏差時序(a)靈山臺；(b)八廣臺；(c)小苗坡；(d)平南臺；(e)百色臺；(f)河池臺；(g)南寧臺；(h)崇左臺；(i)天峨臺Fig.3 Time sequence diagrams of the station magnitude deviations

此外，采用CTS-1E 地震計進行觀測的德保臺、桂林臺、憑祥臺，單臺震級總體偏小，而采用BBVS-60、CMG-3EPSC 和GL-S60 系列地震計進行觀測的臺站，震級不存在明顯的一致性偏大或偏小現象。秦嘉政等（1986）、薛志照（1992）、陳貴美等（2010）、王亞玲等（2020）研究認為，儀器類型對震級偏差影響不大。但在廣西區域設備更換中，從時間序列看，震級偏差出現較大轉變。因此，對儀器類型選用不同造成的變化，需進一步核實臺站系統配置參數的正確性。校對發現，更換儀器設備的臺站，未在JBOSSWeb 網頁上修改相應的儀器參數，從而造成震級偏差出現正負值變化。

（2）場地響應。在震級偏差計算中發現，當臺站更換臺址而儀器設備等條件不變時，單臺震級偏差出現變化，如百色、平南、河池地震臺，在臺站點位更換后，震級偏差正負值發生變化，其中：百色臺于2016 年變更臺址后，震級偏大；河池臺于2018 年臺墩升級改造后，震級偏小。結果見圖3 中(d)、(e)、(f)圖。

結合22個廣西直屬測震臺站場地響應值（龍政強等，2014）進行震級偏差分析，發現在1—20 Hz 范圍內，場地響應值小于1 的臺站震級偏小，如賀州、貴港、百色、玉林、天峨、大化、東興、憑祥等地震臺站；場地響應值在1 附近的臺站震級偏差基本適中，如崇左、靈山、平果、平南、巖灘等地震臺站；場地響應值大于1 的臺站震級偏大，如南寧、北海、欽州等地震臺站，特別是南寧地震臺，其單臺震級比臺網平均震級大0.4 左右。場地響應對臺站震級偏差影響明顯，南寧、崇左和天峨地震臺震級偏差時序圖見圖3 中(g)、(h)、(i)圖。

（3）震中距。在臺網震級測定中經常發現，震中距小的臺站震級普遍偏小。對14 784個樣本從震中距方面進行震級偏差分析。將震中距按間隔10 km 進行分組，統計單臺震級偏差，結果見表2，發現：震中距在70 km 范圍內，震級偏小明顯；震中距在70—300 km，震級大小較為適中；震中距在300 km 以上，震級偏差為負值，震級偏大。

表2 單臺震級偏差按震中距分段統計Table 2 Statistics of magnitude deviation with epicentral distance intervals

對所選樣本按震級偏差和震中距的關系繪制圖件，并對震級偏差值進行曲線擬合，結果見圖4（圖中紅色線為擬合曲線，綠色線為0 值線），可見與震中距分段統計結果（表2）較為一致。

圖4 單臺震級偏差隨震中距的變化Fig.4 The variation of the station magnitude deviation with the epicentral distance

3.3 臺基校正

由于震源能量輻射、傳播路徑、臺基巖性及場地響應的差異，臺站震中距即使相同，其單臺測定震級與臺網平均測定震級也存在差別。近震震級公式如下

式中，A為水平向地震波最大振幅，R(Δ)為地震波振幅沿傳播途徑衰減變化補償的量規函數，S(Δ)為臺基校正值。A受到人為量取的不同影響，R(Δ)受到臺站介質場地、臺站儀器、震中距等因素的影響，具有明顯的區域特征（薛志照，1992），而影響臺基校正值的主要因素是區域介質不均勻性和臺基巖性不同。根據各臺站震級偏差值進行臺基補償校正（表1），通過修改系統臺站校正值，可有效解決因場地響應造成的臺站震級偏差較大問題。

3.4 量規函數修正

廣西地震速報和地震編目采用的量規函數為改進后62、64 型短周期地震儀R1(Δ)（劉瑞豐等，2015）。由表2 可知，在震中距小于70 km 和大于300 km 時，單臺震級偏差存在浮動不穩定現象，基于臺基校正值，對廣西當前區域量規函數進行補償修正，得到修正量規函數R3(Δ)，與GB 17740—2017 中給出的近震震級量規函數R12(Δ)和廣西模擬化觀測時段黃瑞和等（1989）對廣西地區14 個臺站修正后所得量規函數R2(Δ)進行對比，見圖5。

圖5 量規函數曲線Fig.5 Calibration function curve

由圖5 可知：在震中距70 km 范圍內，廣西新修正區域量規函數R3(Δ)與模擬觀測階段R2(Δ)數值較R12(Δ)、R1(Δ)大，說明廣西區域測震臺站震級普遍偏小，且在震中距40 km 范圍內，模擬觀測階段R2(Δ)較數字化觀測階段R1(Δ)數值偏小，說明數字化觀測后測定震級偏小現象較嚴重。

4 結論

震級是地震的基本參數之一，準確測定震級，對地震科學研究、應急響應及災害評估具有重要作用。文中選用廣西數字化地震臺網2008—2020 年記錄的1 251 個ML2.0 以上地震事件，對廣西51 個測震臺站單臺震級進行偏差分析，可得出以下結論：

（1）震級偏差結果統計。對震級偏差計算結果進行統計，發現與廣西數字地震臺網平均震級相比，南寧、北海、龍勝等15 個地震臺站單臺震級偏大，桂林、賀州、天峨等16個地震臺站單臺震級偏小，崇左、靈山、平果等20 個地震臺站單臺震級較為適中。對震級偏差總體樣本按0.1 級檔位劃分，各檔位震級偏差均呈正態分布，震級偏差集中分布在-0.4—0.4，整體橫跨-1.5—1.5，分散度較高。

（2）震級偏差分析。對單臺震級偏差分析發現，震級偏差主要受場地響應影響，而儀器設備更換造成的震級偏差變化，主要因臺站參數配置未修正所致。當臺基場地響應值大于1 時，單臺震級偏大，小于1 時單臺震級偏小，約為1 時震級適中。震中距不同，震級偏差不同，體現在：震中距小于70 km，單臺震級偏?。徽鹬芯嘣?0—300 km，單臺震級與臺網平均震級較一致；震中距大于300 km，震級偏差較大。人為因素對波形振幅量取的影響，也會導致單臺震級偏差的存在。

（3）量規函數修正。以臺站平均偏差補償值作為臺站校正值，以震中距震級平均偏差補償值來修正區域量規函數，獲得廣西新的區域量規函數R3(Δ)。

在論文撰寫過程中，得到貴州省地震局王麗艷的指導，在此表示感謝。