地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (5): 2139-2144   PDF    
MWP震级测定方法在全球中强地震自动测定中的应用
孙丽, 梁建宏     
中国地震台网中心, 北京 100045
摘要: 本文使用MWP震级测定方法,对地震参数自动测定系统进行了改进,实现了对全球MW≥6.0地震震级更快更精确的自动测定.与传统的MLMS等震级测定方法相比,MWP震级测定方法有2个显著优点:①由于只使用P波列,因此该方法可使用S波或面波限幅记录,可用波形资料较多;②选取的时间窗位于S波之前,震级测定速度更快.对地震参数自动测定系统在2014年9月22日至2015年12月22日测定的254个全球MW≥6.0地震参数进行分析,结果表明,MWP与全球矩心矩张量(GCMT)产出的MW的一致性较好,无明显系统偏差,86.2%的MWPMW的偏差绝对值小于等于0.3,可在震后平均531 s获得全球地震时空强参数.中国地震台网对全球中强地震时空强参数的自动测定与准实时地震信息服务,对于提高中国地震台网对全球地震的应急处置能力,提升中国在国际防震减灾领域的影响有现实意义.
关键词MWP震级测定     自动测定     全球中强地震     矩震级MW    
Application of the method of MWP determination in the automatic determination of global moderate and strong earthquakes
SUN Li , LIANG Jian-hong     
China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
Abstract: We utilize the method of MWP determination to improve the Automatic Earthquake Determination System that realizes the faster and more accurate determination of the moderate and strong earthquakes automatically with MW≥6.0 all over the world. Compared with the determination methods of the traditional magnitudes ML and MS, the method of MWP determination has two significant advantages:① more seismograms whose S wave and surface wave are clipped can be used because only P waves are used in the method. ② The selected time window is before the S wave, therefore the determination of magnitude is faster. The analysis of the results of the parameters of 254 global earthquakes with MW≥6.0 occurred between September 22, 2014 and December 22, 2015 produced by the Automatic Earthquake Determination System shows that the result of MWP have a good consistency with the moment magnitude MW derived from Global Centroid Moment Tensor (GCMT) solutions and have no obvious systematic deviation. The absolute deviation value of MWP is less or equal to 0.3 for 86.2 percent events and the parameters can be determined within 531 s after an earthquake averagely. The automatic determination of the parameters of global moderate and strong earthquakes and the service of quasi real time earthquake information provided by CSN have practical significance for the improvement of the CSN's response to global earthquakes and the enhancement of China's influence in the field of international earthquake prevention and disaster mitigation.
Key words: MWP determination     automatic determination     global moderate and strong earthquakes     moment magnitude MW    
0 引言

由计算机软件自动测定地震参数并完成发布已经成为全球地震台网的普遍做法,中国地震台网也发展了自己的地震参数自动测定软件系统,实现了对中国及全球地震时空强参数的自动测定,并自2013年4月1日起正式向公众提供准实时地震信息服务.相对于传统的人工测定地震参数流程,由计算机软件自动测定地震参数时效优势显著,其中对全球地震通常在震后10 min左右完成地震时空强基本参数测定,并通过多种手段实时向政府、媒体和社会公众发布.我国作为地球科学研究和防震减灾大国,对于全球地震信息的准实时服务,有助于提高我国地震科学、地球科学在国际地学界的地位和声望,扩大我国在国际防震减灾领域的影响,为国家争取更多的外交主动.

随着地震监测技术的发展和国家对防震减灾技术要求的日益提高,矩震级、震源机制(胡幸平等,2008吕坚等,2011张广伟等,2014)和地震破裂过程(杜海林等,2009张勇等, 2009, 2013王为民等,2013刘成利等,2014刘志鹏和盖增喜,2015)等新参数不断地丰富了传统地震时空强参数的测量.在地震参数自动测定中,自动测定震级是关键技术之一.地震灾害与震级的大小密切相关,震级的大小直接关系地震灾害评估和应急处置.近年来,国内外学者提出了一系列快速测定震级的方法(Tsuboi et al,1995, 1999Wu, Teng,2002Allen, Kanamori,2003Wu et al,2006, 2007Kanjo et al,2006Zollo et al,2006Hara,2007Lomax et al,2007;Bormann, Saul,2007;Yamada, Ide,2008Yamada, Mori,2009Lomax, Michelini,2009Delouis et al,2009Allen, Ziv,2011;Earthwormcentral,2011;Vallée et al,2011Katsumata et al,2013;Seiscomp3,2014),这些方法在地震预警等实时自动测定地震参数的应用中发挥着重要作用.其中MWP震级测定方法(Tsuboi et al,1995, 1999)以其快速稳定获得矩震级初步估计的优势,在海啸预警、地震参数准实时测定等工作中得到了广泛应用.

通过对国际国内震级测定方法的研究,以及吸取2013年芦山MS 7.0地震自动测定震级偏差较大经验的基础上(梁建宏等,2015),中国地震台网中心研发的地震参数自动测定软件系统(以下简称自动系统)对震级测定方法进行了改进,改进之一是使用MWP震级测定方法测定中强地震的震级.本文应用MWP震级测定方法对全球中强地震震级进行自动测定,结果显示,使用该方法可在震后快速稳定地获得地震事件矩震级MW的初步估计,改善自动测定中强地震震级的精准度,提升中国地震台网对全球地震信息的准实时服务能力.

1 MWP震级测定方法

Tsuboi (1995, 1999)的研究,宽频带垂直向P波位移可视为近似的震源时间函数,地震矩可以表示为P波位移的积分,由P波位移的积分可以获得每个台站的标量地震矩.标量地震矩表示为

(1)

式中M0为标量地震矩,p1p2分别为位移积分后的地震图上第一个峰值和第二个峰值的大小,ρα分别为P波传播路径上介质的平均密度和P波平均速度,r为震中距,FP为双偶极子震源机制确定的辐射图型.使用矩震级计算公式(Kanamori,1977)

(2)

可得矩震级MW.根据Tsuboi等(1995)研究,对辐射图型进行校正,等价于平均矩震级加上0.2.为了快速得到矩震级,在计算单台矩震级时不作辐射图型校正,即忽略FP项,计算出每个台站的MW后,将所有台站MW的平均值加上0.2,对辐射图型进行校正.此震级被称为MWP (Tsuboi et al,1995),即宽频带P波矩震级.

由于MWP震级测定方法只使用P波,因此该方法可使用S波或面波限幅记录,靠近震中台站资料可供使用.另外,测定震级选取的时间窗位于S波之前,测定速度更快.因此,MWP方法得到了广泛应用,现已经成为太平洋海啸预警中心(PTWC)、美国国家地震信息中心(NEIC)等地震自动处理系统估计震级的方法.

本文在计算单台MWP时,按照Tsuboi (1995, 1999)的做法,不去除仪器响应,直接对宽频带垂直向记录进行两次积分得到位移积分记录,采用与Tezel和Yanik (2013)类似的做法,将定位时自动拾取的初至P波到时作为TP,将初至S波理论到时作为TS,在时间窗[TPTS-3]内,寻找第一个峰值和第二个峰值p1p2,传播路径上介质的平均密度ρ取为3400 kg/m3,使用与震中距有关的P波视速度α=0.16Δ+7.9 km/s (Kanjo et al,2006),根据式(1)和式(2)以及MWP_corrected=(MWP_initial -1.03)/0.843(Whitmore et al,2002)得到校正过的每个台站的MWP.例如2015年9月17日智利MW 8.2地震,震中距为42.1°的全球地震台网RCBR台原始宽频带记录、所取的P波窗口(图 1a中蓝色窗内的波形)、所取的P波窗口内原始宽频带记录、位移记录、位移积分绝对值记录及MWP随时间的变化见图 1b,在图 1b中红色竖线位置处取得位移积分绝对值的最大值和相应的MWP最大值,可得该台MWP=8.2.

图 1 基于RCBR台原始宽频带记录的MWP处理过程 (a)原始宽频带记录;(b)所取的P波窗口内原始宽频带记录、位移记录、位移积分绝对值记录及MWP随时间的变化. Figure 1 The MWP determination process using raw broadband seismogram of station RCBR (a) Raw broadband seismogram; (b) Raw broadband seismogram, seismogram of displacement, seismogram of the integrated displacement in absolute values and MWP variation with time within the time window of P wave.

由于准实时自动测定地震参数对时效性要求较高,故发布地震参数时,可能有些台站的实时波形还未满足时间窗[TPTS-3],此时则用该时间窗内位移积分记录的最大值表示p1,计算MWP.

2 MWP震级测定方法的应用

基于中国地震台网和全球地震台网共享的实时波形数据,自动系统实现了对中国及全球地震时空强参数的自动测定,数据流程见图 2,其中calmag模块根据locator模块自动定位结果和波形数据缓冲区中的实时波形数据测定震级,其使用的其中一种震级测定方法就是MWP震级测定方法.对于全球中强地震,自动系统使用全球地震台网共享的415个台站和中国地震台网47个台站的实时波形数据进行自动定位和测定震级,如图 3所示.一共462个台站绝大多数装配了宽频带地震仪(见表 1),多数仪器的速度平坦响应为120 s.

图 2 自动系统数据流程图 Figure 2 The flow chart of the Automatic Earthquake Determination System

图 3 自动系统测定全球中强地震所用台站及测定的地震分布图 黑色三角形为所用台站,红色圆点为测定的地震. Figure 3 Distribution map of seismic stations and earthquakes used in the Automatic Earthquake Determination System for moderate and strong earthquakes all over the world The black triangles represent seismic stations. The red dots represent the earthquakes.

表 1 不同频带的仪器数量 Table 1 The number of instrument with different frequency band

自2014年9月22日至2015年12月22日,自动系统共测定全球MW_GCMT≥5.5(据全球矩心矩张量(GCMT)的MW)地震254个,如图 3所示,这些地震主要分布在环太平洋地震带上,最大地震为2015年9月17日发生的智利近海MW 8.2地震.对于254个地震,共计算了6402个MWP,平均每个地震事件有25.2个台站参加MWP计算,每个台站的MWPMW_GCMT比较见图 4MWP-MW_GCMT的平均值为-0.08,标准差为0.39.总体而言,在越靠近MW_GCMT的地方,MWP越集中,表明上述自动测定MWP的方法可用.另外,由图 4也可见单台确定地震事件震级的准度.

图 4 各个台站MWPMW_GCMT比较图 实线表示MWPMW_GCMT差的平均值,即MWP-MW_GCMT=-0.08,虚线表示标准差0.39. Figure 4 The comparison between MWPand MW_GCMT of each station The solid line represents the mean difference between MWP and MW_GCMT, MWP-MW_GCMT=-0.08and the dashed line represents stand deviation 0.39.

由于地震产生的地震波辐射具有方向性,处于不同方位、震中距的地震台站测得的震级也会有较大差别,因此与其他震级测定方法一样,我们将多台MWP的平均值作为地震事件的震级.为此,我们计算全部台站MWP的算术平均值和标准差,误差超过标准差的值将被丢弃,重新计算剩余MWP的算术平均值MWP_AVG,将其作为事件最终MWP.MWP_AVGMW_GCMT的对比见图 5a图 5b,自动测定地震参数的用时(完成参数测定的时刻与发震时刻的差)见图 5c.

图 5 MWP_AVGMW_GCMT的对比图 (a)ΔM=MWP_AVG-MW_GCMT分布图以及在以0.1个震级单位为间隔的ΔM区间上的地震个数,虚线表示±0.3的震级差范围;(b)MWP_AVGMW_GCMT的比较,虚线表示±0.3的震级差范围;(c)自动测定地震参数所用的时间以及在以60 s为间隔的用时区间上的地震个数,虚线表示标准差. Figure 5 The comparison between MWP_AVG and MW_GCMT (a) Distribution of ΔM=MWP_AVG-MW_GCMTand the number of earthquakes on the ΔM interval of 0.1 magnitude units and the dashed line represents the range of±0.3; (b) The comparison between MWP_AVG and MW_GCMT, the dashed line represents the range of±0.3; (c) Time cost for automatic earthquake determination and the number of earthquakes on the time used interval of 60 s, the dashed line represents standard deviation.

图 5a图 5b可见,MWP_AVGMW_GCMT的一致性较好,无明显系统偏差,对于中深源地震,亦无明显系统偏差,对于MW≥7.5的地震,MWP_AVG偏小的居多.与MW_GCMT相比,MWP_AVG的平均偏差为0.16,标准差为0.20,绝大多数地震的MWP_AVG偏差位于±0.3的偏差范围内,只有个别地震的MWP_AVG偏差绝对值大于0.3,偏差绝对值小于等于0.3的地震有219个,占86.2%,在±0.3的震级偏差范围外,偏差小于-0.3的地震个数略多于偏差大于0.3的地震个数,这可能是由于对于部分地震,在计算MWP时,部分台站实时波形数据还没有满足所需的P波时间窗,致使这些台站的MWP偏小,从而导致MWP_AVG偏小.自动测定地震参数的平均用时为531 s,标准差为165 s (见图 5c中的两条虚线),用时小于600 s的地震有187个,占73.6%.

由以上分析可知,如此计算MWP可能会带来震级偏差,但与人工震后30~60分钟测定地震参数相比,时效性优势显著.将MWP震级测定方法应用于自动测定全球中强地震震级,所得结果作为准实时发布的初步震级估计,其偏差是可以接受的.

3 讨论与结论 3.1

本文使用MWP震级测定方法,对地震参数自动测定系统进行了改进,实现了对全球中强地震更快更精确的自动测定.对2014年9月22日至2015年12月22日自动系统测定的254个全球MW≥6.0地震的MWP的分析结果表明,MWPMW_GCMT的一致性较好,无明显系统偏差,对于中深源地震,亦无明显系统偏差,86.2%的MWPMW_GCMT的偏差绝对值小于等于0.3,自动测定地震参数的平均用时为531 s,显示MWP震级测定方法在自动测定全球中强地震震级中的稳定性和可用性.

3.2

准实时自动测定与发布地震参数是当今全球各个地震台网的主流,快速稳定的震级测定方法是必然的选择.相比传统的MLMS等震级测定方法,MWP震级测定方法有2个显著优点:①由于只使用P波列,因此该方法可使用S波限幅记录,可用波形资料较多;②选取的时间窗位于S波之前,测定速度更快.由于我们强调较高的时效,MWP是自动测定的,定位的偏差、较少的台站和实时波形未满足所取的P波时间窗都可能导致计算的MWP有偏差,这也是自动测定地震参数中“快”和“准”不可兼得的普遍规律.

3.3

对于MW_GCMT≥7.5得到强震,MWP偏小的可能性大,这是因为强震破裂过程复杂,可能包含多个子事件,MWP只是其中一个子事件的震级,故造成震级低估.另外,仪器频带影响不能忽略,本文中我们使用的台站大多数装配的是速度平坦响应达到120 s的仪器(见表 1),而非Tsuboi (1995, 1999)研究所使用的速度平坦响应达到360 s的仪器.即使使用速度平坦响应达到360 s的宽频带仪器,记录的P波的频带有限性也可能造成MWP饱和.虽然我们使用了MWP_corrected=(MWP_initial-1.03) / 0.843(Whitmore et al,2002)对震级进行校正,一定程度上克服了使用MWP震级测定方法测定强震时的震级偏小问题,但本文所用台站装配的仪器频带和震级范围等与Whitmore (2002)所用资料有所不同,MWP_corrected=(MWP_initial-1.03) / 0.843的适用问题有待进一步研究.由于我们在计算MWP时对速度平坦型记录进行了两次积分,从而得到地震矩轨迹,对时间序列进行积分等同于低通滤波,低频噪声不易去除,会造成震级高估,因此,无论是在同一区域还是不同区域发生的较大前震,其持续时间很长的长周期地震波会导致测定的MWP失准,使MWP偏大,影响的大小视相继发生的两个地震的时空距离以及相对震级大小.对于这些可能导致MWP失准的情况,我们需要针对性的研究作进一步改进.

3.4

MWP震级测定方法是将宽频带P波位移近似为远场震源时间函数,从而确定标量地震矩和矩震级,其本身就是一个近似测定矩震级的方法.利用计算机软件自动测定MWP,只使用了P波到S波之间数十秒的波形资料,选取的时间窗口会因定位误差和理论走时误差而有偏差,另外,P波传播路径上介质的平均密度ρ和P波平均速度α也并非一个常数或一个线性函数,这些因素也会造成计算的MWP存在偏差,因此MWPMW_GCMT存在少许偏差是正常的.而我们要精确地测定矩震级需要更确定的方法,选取更多更长、信噪比较高的波形资料,使用更接近于真实情况的速度模型,而这需要花费较长的时间,适合于人工分析与复核.

3.5

地震灾害是人类共同面对的自然灾害,重大自然灾害事件应急与救援的国际化已成为一个国际合作的趋势.中国作为一个饱受地震灾害影响的国家,对全球中强地震参数的自动测定和准实时地震信息服务,有助于提高中国地震台网面对全球地震的应急处置水平,提升中国地震台网在全球的影响力,推动防震减灾科技的国际合作.

致谢 本文作图使用了GMT (Wessel et al,2013)和matplotlib网站(http://matplotlib.org/)提供的软件包,作者在此一并表示感谢.
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