2017, Vol. 37
2. 湖北省地震局, 武汉市洪山侧路40号, 430071
地震震级是表征地震强弱的量度, 是地震的基本参数之一[1]。1935年美国加州理工学院的地震学家Richter等[2]提出的震级标度, 是目前国际通用的地震震级标准。我国地震系统对外发布的震级是以北京地震台为基准, 使用地震面波两水平向质点运动最大值测定的面波震级。2007年湖北省地震观测系统实现了数字化和网络化的历史性突破, 并积累了大量的数字地震观测资料。通过分析这些资料, 对地震震级测定有了新的认识。
由于近震震级、体波震级和面波震级的测定都是基于传统的短周期和长周期地震仪器的量规函数, 如果使用宽频带数字地震资料直接测定震级, 则无法使用此量规函数[3-9]。因此, 需要对不同测量震级的方法进行对比分析, 以找到适合湖北省的地震震级计算方法。
1 常用震级常用的震级有近震震级ML、体波震级mb(mB)、面波震级MS等。区域地震台网主要测定近震震级ML, 在地震速报时转换成面波震级MS。但现有震级转换过程中经常出现较大的震级偏差, 导致不同台网公布的震级有所差异[7]。
近震震级源于里氏震级。我国现行的计算公式为[2]:
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式中, Aμ为地动位移, 单位μm; R(Δ)为新的量规函数。
体波震级是当强震面波限幅或深震面波不发育时, 用体波P、PP等最大振幅来测定的震级。计算公式为[2]:
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式中, mb为短周期体波震级, 在仿真DD-1短周期记录上测定; mB为中长周期体波震级, 在仿真SK中长周期地震上测定; A为体波质点运动最大速度对应的地动位移振幅, 单位μm; T为相应的周期, 单位s; Q(Δ, h)为不同震中距Δ和不同震源深度h的量规函数。
面波是浅源远震在记录图上振幅最大的波, 是能量强弱的标志。面波震级是1945年由古登堡提出的, 我国现行的计算公式为[2]:
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式中, A是两水平分向面波地动位移的矢量和, 单位μm; T是相应的周期, 单位s; Δ为震中距离, 单位(°)。
2 资料选取据中国地震台网中心发布的正式地震目录, 2007年湖北省数字测震台网正式运行以来, 湖北省及其邻区共发生3.0级以上地震427余次。其中截止到2014年, 湖北及其周边300 km范围内共记录到ML>3.0地震306次, 其中3.0~3.9级地震276次, 4.0~4.9级地震26次, 5.0~5.9级地震4次。经过分析发现, 共有180个地震事件可以同时计算近震震级、体波震级和面波震级(图 1)。
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图 1 180次地震事件震中分布 Fig. 1 Epicenter distribution of the 180 earthquake events |
近震震级是测量水平向速度型记录波形仿真成W-A短周期地震仪位移记录后, 量取的最大记录振幅及相应的周期。
测定体波震级mb时, 由于震源辐射地震波具有方位依赖性(辐射图型的方向性和破裂扩展的方向性), 并且震源有一定的深度, 深度震相等因素使得波形变得很复杂, 因此通常要测量头5 s的P波记录, 以及周期小于3 s(一般是1 s)的体波记录[3]。
图 2为ML与mb震级分析结果对比图。统计发现, mb震级大于ML震级的约占39%, 小于ML震级的约占46%。随着震级的增加, 二者偏差逐渐缩小, 最大偏差为0.6级。
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图 2 ML与mb震级分析结果对比 Fig. 2 Comparision analysis results between ML and mb |
中周期-长周期(宽频带)地震仪记录的、周期4~20 s的中长周期体波记录也用来确定体波震级, 称为长周期体波震级或中-长周期体波震级, 记为mB。通常, mB表示最大的体波震级[2]。
图 3为ML与mB震级分析结果对比图。统计发现, mB震级大于ML震级的约占52%, 小于ML震级的约占34%。随着震级的增加, 二者偏差变化不大, 最大偏差为0.3级左右。
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图 3 ML与mB震级分析结果对比 Fig. 3 Comparision analysis results between ML and mB |
测定中长周期体波震级mB与短周期体波震级mb所用的波的周期不同, 所测量的最大振幅的方法也不同, 因此mB和mb是截然不同的。
测量面波震级时水平分量量取最大面波必须是“同一时刻”, 要求相差不超过1/8个周期, 选取振幅最大或A/T比值最大的面波。考虑到大部分地震波的水平分量上的最大面波并非同步, 在实际量取最大面波时, 可以先确定一个水平分向上的最大面波, 再量取同一时刻所对应的另一水平分向, 且周期、振幅较体波有明显变化, 衰减速率变缓, 持续时间较长, 周期大于3 s的面波[5-6]。
图 4为ML与MS震级分析结果对比图。统计发现, MS震级大于ML震级的约占40%, 小于ML震级的约占27%。随着震级的增加, MS震级由偏大变为基本一致, 最大偏差为0.4级左右。
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图 4 ML与MS震级分析结果对比 Fig. 4 Comparision analysis results between ML and MS |
统计发现, 湖北省内发生的地震震级相对较小。相当数量的地震无面波或可用于震级运算的有效面波的组数较少。统计部分有效面波组数相对较多的湖北省及其周边地区地震, 以获取有效面波出现的最小震中距离(表 1)。从表 1可以发现, 面波震级一般在1.2°以后出现, 且其参与计算的组数相对有限, 所以本文不建议将其作为速报震级。
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表 1 有效面波出现的震级和震中距统计表 Tab. 1 The statistics table of magnitude and epicenter distance when effective surface waves appear |
图 5表明, 180次地震事件的各种震级值(ML、MS、mB和mb)之间大部分相差不大, 偏差在0.3以内, 但也有偏差达0.6的地震事件。mb、mB、MS震级不同工作人员分析的结果也存在一定的偏差。
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图 5 ML、mb、mB、MS震级分析结果对比 Fig. 5 Comparision analysis results among ML, mb, mB and MS |
1) 各震级之间互不换算。
ML的优势周期是0.8 s左右, mb的优势周期是1.0 s左右, mB的优势周期是5.0 s左右, MS的优势周期是20 s左右, 不同的震级方法反映的是地震波在不同周期范围内辐射地震能量的大小。因此对于不同大小的地震, 使用不同的震级标度能更客观地描述地震的大小。
测定mb时, 一般在P波到时后5 s之内测定体波的最大振幅和其相应的周期; mB和MS分别是宽频带体波震级和宽频带面波震级, 适应地震波的频带范围宽, 在较大的范围内都能正确表示地震能量的大小。因此, 充分利用宽频带数字地震记录的特点, 使震级能够正确表示不同类型地震能量的大小, 保持震级测定的科学性。
2) 在实测的各种震级中优选ML震级对外发布, 测定ML时使用分区量规函数。
发布震级是根据地震类型, 在实测的各种震级中优选一个对外发布。然而, 在实际工作中, 一个地震不一定能够测出多种震级。例如, 对于中、深源地震, 面波可能不发育, 不能测定MS; 在湖北中东部, 对于3.0级以上浅源地震可以利用近距离面波测定面波震级, 而对于西部地区可能需要3.5级以上地震。
湖北省速报范围小于1 000 km, 用ML可以较好地测定近地震的震级, 且近震震级ML使用S波或Lg波测定, 有震相容易辨认、测定速度较快等优点。分析结果表明, 当震级ML小于5.0时, 测定的各种震级标度值(ML、MS、mB和mb)之间相差不大, 大部分偏差在0.3以内, 也有部分偏差达0.6的, 且mb、mB、MS震级不同工作人员分析的结果也存在一定的偏差。因此, 当ML小于5.0时选择其对外发布比较合适。
在近震震级ML测定中, 使用一个量规函数不能准确反映不同地区地震波的衰减特性。湖北及其周边11个省级地震台网可以分为华南(湖北、湖南、江西、安徽、江苏)、华北(河南、陕西、山西)和西南(四川、重庆、贵州)3个区域, 应分别采用不同的近震震级量规函数。
3) 测定宽频带面波震级MS和宽频带体波震级mb、mB等供研究用。
发布的震级只是为了满足对外的地震信息发布和新闻报道等需求。MS和mB都是基于速度平坦型的宽频带数字地震记录, 直接使用面波和体波的垂直向最大速度来测定的, 能够更充分地发挥数字地震仪器宽频带、大动态的特点。在分析过程中发现, 不同工作人员对于同一地震事件的分析结果偏差较大, 特别是MS震级, 主要原因是对有效面波的认识和选取不同。
由于震级的多样性, 不可能使用一种震级标度来表示所有大小不同的地震。在地震预报和科学研究中使用震级数据时, 建议采用带下标的实测震级。
4) 不同的震级计算结果反映了地震波形的不同部分相对能量的大小。
通过对比公式(1)~(4)发现, 近震震级的影响因素包括水平向最大地动位移和近震震级的量规函数; 体波震级的影响因素包括P波地动位移的最大振幅和对应的周期、体波震级的量规函数或P波波列质点运动速度的最大值、体波震级的量规函数; 面波震级的影响因素包括两水平分向地动最大位移的矢量和对应的周期、震中距。
除了相对复杂的地震震级外, 上述震级都是由2~3个因素计算得到。因此认为, 在现有条件下, 现在的地震震级的定义是相对可行的(地震释放能量的相对大小), 但不是绝对正确的(地震释放能量的绝对量), 震级的测定方法仍需要探索与完善。
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2. Earthquake Administration of Hubei Province, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China