灌云地震臺面波震級偏差分析

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

震級是地震三要素之一，準確測定震級對于地震速報與應急等工作至關(guān)重要（董海龍等，2015）。地震波在地殼中傳播時遇到的斷裂和不同的特性巖石介質(zhì)會對震級的精確測定造成影響（李惠智，2009；田文德等，2012；吳微微等，2014）。在日常觀測中發(fā)現(xiàn)，灌云地震臺（灌云臺）測定的遠震震級與中國地震臺網(wǎng)中心公布的震級存在一定的偏差，例如，2019年1月5日18時47分（世界時）發(fā)生在印度尼西亞松巴島地區(qū)的地震，灌云地震臺測定震級為5.5，而中國地震臺網(wǎng)中心公布的震級為6.0，二者相差0.5，并且對于不同的震級、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，發(fā)現(xiàn)前人將單臺震級與中國地震臺網(wǎng)中心公布的震級做差，然后將多次結(jié)果計算平均值，以此結(jié)果作為震級偏差校正值（中國地震局監(jiān)測預報司，2003）。因此，有必要進行震級偏差計算，對偏差原因進行分析，給出校正值。這對于提高觀測精度、提升臺站監(jiān)測能力具有重要意義。

1 臺站簡介

灌云地震臺（下文簡稱灌云臺）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—響水斷裂帶（余騰等，2020；何奕成等，2021）（圖1）。臺站基巖出露，臺基巖性為花崗片麻巖，映震能力較強，周邊無大型工廠等干擾設(shè)施，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，具有優(yōu)良的地震觀測條件，為國家測震區(qū)域臺，參與遠震資料分析。灌云臺配備CMG-3ESPC寬頻帶數(shù)字地震計，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2019年1月—2021年12月記錄的遠震事件波形數(shù)據(jù)，篩選其中記錄完整的698次事件進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果顯示，灌云臺記錄的震級范圍為5.0—7.8，中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級范圍為4.7—7.9。表1給出數(shù)據(jù)的震級分檔統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，相同震級范圍內(nèi)，灌云臺與中國地震臺網(wǎng)中心記錄的地震數(shù)不同，且灌云臺記錄的遠震事件震級集中在MS5.0—6.9。以中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄的地震參數(shù)為準，繪制震中分布圖，如圖2。

表1 震級統(tǒng)計Table 1 Magnitude Statistics

圖2 震中分布Fig.2 Distribution of epicenters

3 震級測定

我國現(xiàn)行的地震面波震級計算公式由郭履燦等（1981）提出

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

中國地震臺網(wǎng)中心的震級計算公式為

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

4 震級偏差分析

4.1 面波震級對應關(guān)系

利用已收集整理的MS震級數(shù)據(jù)，以MS(GUY)為自變量，MS(CENC)為因變量，應用穩(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，以灌云臺震級為橫坐標，中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級為縱坐標，結(jié)果如圖3。

圖3 震級散點Fig.3 Scatter diagram of magnitude

4.2 震級偏差平均值

利用做差法可以求解對于同一地震灌云臺測算震級與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級的偏差，公式為ΔM=MS(GUY)-MS(CENC)。利用公式計算出灌云臺與中國地震臺網(wǎng)中心震級偏差平均值為-0.08，標準誤差（均方差）-1)]1/2。由結(jié)果可以看出，灌云臺測定的震級MS(GUY)比中國地震臺網(wǎng)中心的震級MS(CENC)平均低0.08左右。

以0.1級震級偏差為間隔，統(tǒng)計不同震級偏差頻數(shù)，繪制震級偏差頻度分布圖，結(jié)果見圖4，圖中橫坐標為震級偏差，縱坐標為對應震級偏差的地震數(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，占比98%。

圖4 震級偏差頻度Fig.4 Frequency of magnitude deviation

4.3 震級偏差影響因素分析

4.3.1 震級。以灌云臺震級為橫坐標，0.1為震級間隔，統(tǒng)計不同震級所對應的震級偏差平均值，得到震級與震級偏差關(guān)系，見圖5。圖中橫坐標為灌云臺面波震級，縱坐標為震級偏差大小。由圖5可知：①在各震級檔中，灌云臺震級與中國地震臺網(wǎng)中心之間震級偏差不大，最大偏差為0.2；②在MS5.0—8.0范圍內(nèi)，震級偏差平均值約為-0.08，即與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報目錄震級相比，平均偏差僅低0.08，可以看出灌云臺遠震記錄穩(wěn)定，且偏差較小；③MS5.0—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，灌云臺的記錄的震級偏差最小。

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

震級偏差與震級本身大小有關(guān)，這可能與震級公式中的周期校正項T有關(guān)，因為面波周期不僅是震中距的函數(shù)，還是震級的函數(shù)（訾少剛等，2006）。

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

表2 震級偏差與震中距關(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，可能導致偏差變大。此外，面波震級公式中的起算函數(shù)是震中距的函數(shù)，而每個臺站的起算函數(shù)是不一樣的，中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一正式報的震級結(jié)果，是多臺計算的平均結(jié)果，此為造成偏差的原因之一。

4.3.3 震中方位。以灌云臺位置為坐標原點，將地震事件按4個方位劃分，并計算其震級偏差平均值，結(jié)果見表3。由表3可知，東北方向震級偏差平均值最大，為-0.16；西南方向震級偏差平均值最小，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)，因為介質(zhì)路徑不同，對地震波的固有吸收衰減和散射衰減是不同的（劉紅桂，2012），直接影響了臺站記錄到的面波振幅大小，造成單臺震級偏差。而中國地震臺網(wǎng)中心的震級為多個臺站的算術(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)測預報司，2003）。

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

5 結(jié)論

對灌云臺2019—2021年698個地震事件進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，遠震事件震級集中在MS5.0—7.0，灌云臺面波震級比中國地震臺網(wǎng)中心震級平均低0.08左右，說明灌云臺遠震記錄穩(wěn)定，映震能力強，平均誤差小，記錄精度較高，臺站震級無需校正。

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