四川測震臺網ML 震級特征研究

黃春梅，羅 勇，魏婭玲，王宇航

（四川省地震局，四川 成都 610041）

震級是表征地震強弱的量度，是地震的基本參數之一。一個既準確又統一的震級值無論是在地震日常工作還是在研究工作中均顯得尤其重要。常用的震級標度有ML——地方性震級、MS——面波震級、MS（BB）——寬頻帶面波震級、mb或mB——體波震級、mB（BB）——寬頻帶體波震級和MW——矩震級（陳章立等，2014；劉瑞豐等，2017）。ML震級是區域地震臺網日常工作中測定的主要震級。Richter（1935）提出了ML震級標度，其所使用的地震儀器是當時在南加州普遍使用的伍德-安德森扭力地震儀，儀器常數為：周期為0.8 s，阻尼系數為0.8，放大率為2 800，并定義伍德-安德森標準地震儀在100 km 處記錄到的兩水平分向最大振幅的算術平均值是1 μm 的地震為零級地震，這為地震震級的測量提供了基礎。最初的地方性震級公式只適用于美國加利福尼亞地區（Richter，1958），且使用的儀器是伍德-安德森短周期地震儀，這顯然存在一定的局限性。隨后世界各地逐步建立了符合本區域特征的ML震級標度。1959 年，在里克特震級的基礎上，李善邦（1981）將里克特的地方性震級公式寫成了一般形式，建立了我國的地方性震級起算函數，即R1（Δ）和R2（Δ），將震中距拓展到1 000 km。

四川省地形起伏大，地質結構復雜，鮮水河、龍門山及安寧河—則木河三條斷裂帶形成“Y”字形的構造帶。四川盆地位于龍門山斷裂帶東側，屬于比較穩定的揚子地塊，其地殼物質較堅硬，呈現介質品質因子高（低衰減系數），且盆地表層松軟沉積層對入射波有放大作用；川西高原地區呈現介質品質因子低（高衰減系數）；攀西地區表現出介質品質因子低（較高衰減系數）（吳微微等，2016）。由于儀器記錄波形會受到震源特性、地震波的傳播路徑、接收臺站和地震儀器以及人為因素的影響，故在日常的地震速報、編目工作中，不同臺站測定同一地震的ML震級會出現離散程度很高的現象，個別臺站震級偏差甚至達到1.0。由于地殼構造的復雜性和不均勻性使地震波通過地殼后變得非常復雜，為了避免地震震源特性、地震波傳播路徑、臺站方位等因素對震級測定的影響，在進行震級和量規函數研究時必須用大量的震級數據進行統計分析（陳培善等，1983）。臺網數字化以來，隨著臺網不斷加密，四川地區地震監測能力不斷提升，全省監測能力達到ML1.6。近10 年四川大震頻發，積累了大量的數字地震觀測資料，僅2013—2021 年四川數字地震臺網就提交了近40 萬次地震的數字觀測報告，為分析研究四川臺網ML震級特征提供了有利的條件。本研究利用2013—2022 年四川測震臺網10 年間記錄到四川及周邊地區2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震事件的觀測資料，基于震級殘差統計方法得到59 個區域臺的ML單臺震級與臺網平均震級的偏差、各單臺記錄地震的平均偏差和標準偏差，總結四川測震臺網ML震級單臺震級偏差分布特征，并分析其產生的原因，為臺網日常工作中震級測定提供參考。

1 數據與方法

目前，四川測震臺網接入臺站近200 個，包括有區域臺、地方臺、企業臺、流動臺，其中59 個區域臺均采用寬頻帶地震計。本研究篩選出2013—2022 年四川測震臺網59 個區域記錄到四川及鄰區2.0 ≤ML≤5.5的36 693 次地震事件的觀測波形資料，進行單臺ML震級偏差統計分析，研究區臺站和地震震中分布見圖1。所選的地震事件觀測資料均由廣東省地震局開發的 MSDP 交互處理軟件人工分析產出，計算ML震級是將各臺速度記錄進行W.A 仿真成位移記錄后量取兩水平向的最大幅值，利用我國地方性震級公式計算單臺震級，然后計算出多臺震級平均值。目前我國地震臺網在計算ML震級時使用的仍是李善邦（1981）結合華北地區地震波衰減規律修改后的量規函數，即R2（Δ）。對第j 個臺站，按地方性震級公式求得第 i 個地震的單臺震級（Mij），然后對記錄到第 i 個地震的N 個子臺求平均值得到臺網平均震級和標準偏差（郭履燦等，1986；陳運泰等，2004）。

圖1 研究區地震震中及臺站分布

2 計算結果及分析

對四川測震臺網 59 個區域臺站10 年期間記錄的2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震共255 253 個單臺震級樣本數據進行整理統計，采用殘差統計方法，計算得到單臺震級偏差和各區域臺站記錄地震的平均偏差以及標準偏差，計算結果見表1。

表1 單臺震級偏差統計

2.1 單臺震級與臺網平均震級的偏差比較

對所有樣本進行單臺震級與平均震級偏差值統計（圖2），由該圖可知，震級偏差值基本呈正態分布，相對集中于 -0.5～0.5。255 253 個單臺震級樣本中，單臺震級偏差（絕對值）≤0.2 的有 134 486 次，占52.7%；0.2 ＜單臺震級偏差（絕對值）≤0.5 的有94 028 次，占36.8%；0.5 ＜單臺震級偏差（絕對值）≤1.0 的有25 926 次，占10.2%；單臺震級偏差（絕對值）＞1.0 的有813 次，占 0.3%。

圖2 震級偏差統計直方圖

計算各區域臺站記錄所有地震單臺震級與臺網平均震級的平均偏差和標準偏差結果見表1。59 個區域臺均存在震級偏差，標準偏差范圍在0.19～0.33，平均偏差范圍在 -0.41～0.54 之間。59 個臺站中有49個臺站的震級平均偏差（絕對值）＜0.3，占 83.1%；REG、JZG、SMI、YJI、MEK 這5 個臺的震級偏差＜-0.3，較臺網平均震級明顯偏小。HMS、EMS、BZH、HLI、MNI、JJS 這6 個臺的震級偏差＞0.3，較臺網平均震級明顯偏大。從圖3 可以看出，四川區域臺站ML震級偏差與地質結構存在明顯的相關性，ML震級沿龍門山斷裂帶兩側分區特征明顯，呈現“東高西低”特征。ML震級偏小明顯的臺站分布在龍門山斷裂帶西側的川西高原地區（如：REG、JZG、YJI、MEK 4 個臺），最大平均偏差為-0.41，這種偏差一方面是由于川西高原地區構造活躍且裂隙發育，在研究中表現為較低的品質因子，地震波傳播至該區域能量衰減明顯（馬宏生等，2007；趙翠萍等，2011）；另一方面由于地殼軟流層的存在，使得川西高原臺站記錄波形呈現“弱S”現象，用這種弱S 波形測定的ML震級較其他臺站的偏低（何韜等，2013）；ML震級偏大明顯的臺站主要分布在龍門山斷裂帶東側的四川盆地（如：HMS 、BZH、EMS、JJS 4 個臺），最大平均偏差為0.54，這種偏差可能是來源于四川盆地松軟土層的放大效應和臺基場地影響，且四川盆地是構造穩定的揚子地塊，在研究中表現為較高的介質品質因子（吳微微，2016）。

圖3 單臺ML 震級平均偏差的平面分布

2.2 單臺震級偏差值隨震中距的變化

為了研究單臺震級偏差值隨震中距（Δ）的變化規律，將單臺震級偏差數據以10 km 間隔求其平均偏差值（），在 0～500 km 范圍內，分為 50 個間隔。式（1）中，k 為間隔序數，n 為間隔范圍內震級偏差樣本數。計算結果見表2。

震級殘差主要是由量規函數、臺基效應和地震波輻射的方向性差異等因素造成的。如果量規函數正確、不考慮臺基效應且對大量地震進行統計分析時，地震波輻射的方向性差異的統計效應為0，則震級偏差隨震中距的變化應在零線附近擺動。通過式（1）對離散數據進行平滑處理，得到震級殘差隨震中距的變化關系。四川地區ML震級偏差隨震中距的變化曲線如圖4，震中距＜150 km 時測定的ML震級較臺網平均震級偏小，震中距≥200 km 時測定的ML震級較臺網平均震級偏大。在對大量數據進行統計，不考慮臺基效應時，當＞0 說明使用的量規函數值偏大，需對原量規函數進行負校正；當，說明使用的量規函數值偏小進而需對原量規函數進行正校正。當震中距＜150 km 時，單臺與平均震級的平均偏差值＜0，尤其是震中距在20～30 km 時，單臺震級與臺網平均震級的偏差平均值＜- 0.2，說明此震中距范圍內量規函數明顯偏小；當震中距在 160～360 km 和390～470 km 時，震級偏差平均值在0.05～0.2，表明此震中距范圍量規函數偏大。

圖4 ML 震級偏差隨震中距的變化

3 結論

本研究利用2013—2022 年四川測震臺網記錄到四川及周邊地區2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震事件的觀測資料，基于震級殘差統計方法得到59 個區域臺站的單臺ML震級與臺網平均震級的偏差、各單臺記錄地震的平均偏差和標準偏差，分析四川測震臺網ML震級與單臺震級偏差特征，得出結論：（1）由255 253 個單臺震級樣本的統計結果來看，ML震級偏差值基本呈正態分布，相對集中于 -0.5～0.5，單臺ML震級偏差（絕對值）≤0.2 的樣本數大于總樣本數的50%。（2）計算59 個區域臺站記錄ML地震的平均偏差和標準偏差，標準偏差為0.19～0.33，平均偏差為 -0.41～0.54 。有49 個臺站的震級平均偏差（絕對值）＜0.3，占總樣本數的83.1%。（3）從ML震級偏差平面分布來看，四川區域臺站ML震級偏差與地質結構存在明顯的相關性。ML震級偏差沿龍門山斷裂帶兩側分區特征明顯，呈現“東高西低”的特征。川西高原地區ML震級偏小的因素是該地區介質表現為較低的品質因子和該區域臺站記錄波形呈現“弱S”。四川盆地臺站ML震級偏大的因素是該區域松軟土層的放大效應和構造穩定的揚子地塊介質高品質因子引起的。（4）根據四川地區ML震級偏差隨震中距的變化曲線可知，震中距＜150 km 的臺站測定ML震級較臺網平均震級偏小，震中距≥200 km的臺站測定ML震級較臺網平均震級偏大。因此，在日常速報工作中測定ML震級時，不能只用震中距＜150 km 的臺站，應適當補充震中距≥200 km 的臺站，從而保證震級測定的穩定性。