新的震级国家标准在2018年陕西宁强<i>M</i><sub>S</sub> 5.3地震震源参数测定中的应用

引用本文

张媛媛, 赵韬, 惠少兴, 等. 新的震级国家标准在2018年陕西宁强M_S 5.3地震震源参数测定中的应用[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(5): 1-7. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.05.001.

Zhang Yuanyuan, Zhao Tao, Hui Shaoxing, et al. Application of the new national magnitude standards in the determination of focal parameters of the 2018 Ningqiang M_S 5.3 earthquake in Shaanxi Province[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2019, 40(5): 1-7. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.05.001.

基金项目

中国地震局监测、预测、科研三结合课题(项目编号：3JH-201901003)；陕西省地震局启航与创新基金课题(项目编号：QC201807)

作者简介

张媛媛(1987—), 女, 工程师, 主要从事测震数据处理分析及地震速报等研究工作。E-mail:geologyzyy@126.com

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本文收到日期：2019-04-15

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新的震级国家标准在2018年陕西宁强M_S 5.3地震震源参数测定中的应用

张媛媛 , 赵韬 , 惠少兴 , 张宝文 , 关昕

中国西安 710068 陕西省地震局

本文收到日期：2019-04-15

基金项目：中国地震局监测、预测、科研三结合课题(项目编号：3JH-201901003)；陕西省地震局启航与创新基金课题(项目编号：QC201807)

作者简介：张媛媛(1987—), 女, 工程师, 主要从事测震数据处理分析及地震速报等研究工作。E-mail:geologyzyy@126.com.

摘要：利用国家测震台网记录到的2018年9月12日陕西宁强M_S 5.3地震的波形数据，使用新震级国标计算了此次地震宽频带面波震级M_S(BB)，利用CAP波形反演方法得到震源机制解及矩震级M_W。结果显示：利用50个宽频带测震台站的波形数据测得此次地震的M_S(BB)为5.0，与GCMT测定的M_S震级一致；由CAP方法反演得到的最佳双力偶参数为节面Ⅰ：走向169°/倾角81°/滑动角9°，节面Ⅱ：走向78°/倾角81°/滑动角171°；矩震级M_W为5.0，与USGS公布的结果较一致，与GCMT公布的结果仅差0.1。研究认为，此次地震震级应为5.0左右，在日常地震速报中可将M_W作为首选发布震级；而对于中强地震，M_S(BB)震级相较于M_S震级作为发布震级更为合理。

关键词：宁强M_S 5.3地震宽频带面波震级M_S(BB) 矩震级M_W 震源机制解

Application of the new national magnitude standards in the determination of focal parameters of the 2018 Ningqiang M_S 5.3 earthquake in Shaanxi Province

Zhang Yuanyuan , Zhao Tao , Hui Shaoxing , Zhang Baowen , Guan Xin

Shaanxi Earthquake Agency, Xi'an 710068, China

Abstract: Based on the waveform data of the M_S 5.3 earthquake of September 12, 2018 in Ningqiang County, Hanzhong City, Shaanxi Province recorded by the National Seismological Network, this paper calculates the broadband surface wave magnitude M_S(BB) of the earthquake by using the new magnitude national standard, and obtains the focal mechanism solution and moment magnitude M_W by using CAP waveform inversion method. The results show that the M_S(BB) of this earthquake is 5.0 by using the waveform data of 50 broadband seismic stations, which is consistent with the M_S magnitude measured by GCMT. The two nodal planes of the best double couple solution by using CAP waveform inversion method are:for the nodal planeⅠ strike 169°/dip 81°/slip 9ånd strike 78°/dip 81°/slip 171° for the nodal plane Ⅱ; and the moment magnitude is M_W 5.0, which are consistent with the results measured by USGS. The difference between the results of M_W by CAP inversion and GCMT published is only 0.1. We believe that the magnitude of this earthquake should be about 5.0. Therefore, M_W is the preferred magnitude issued in daily earthquake quick report. For moderate and strong earthquakes, M_S(BB) is more reasonable than M_S in publishing magnitude.

Key words: Ningqiang earthquake the broadband surface wave magnitude M_S(BB) moment magnitude M_W the focal mechanism solution

0 引言

震级是衡量地震本身大小的一个量。无论是从科学的角度，还是从社会需求的角度，衡量地震的大小都是一件意义重大的基础性工作(陈运泰等，2004)。1999年，许绍燮等(1999)制定了我国震级测定的国家标准GB17740—1999 《地震震级的规定》。近年来，随着数字地震观测资料的广泛应用(李飞等，2017)，有关震级测定的研究也不断取得进展。2013年，国际地震学与地球内部物理协会(International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior，简称IASPEI)制定了新的震级标准。为了保持我国震级测定的连续性，充分利用宽频带数字地震记录的特点，同时借鉴国际震级测定的研究成果，使我国的震级测定工作与国际接轨，刘瑞丰等(2011, 2015)完成新的震级国家标准GB17740—2017 《地震震级的规定》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017)的修定，中华人民共和国国家质量检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会于2017年5月12日进行发布。在新的国家标准中，震级标度保留了M_L、M_S、m_b，取消了M_S7、m_B，增加了IASPEI推荐的M_W、m_B(BB)、M_S(BB)(刘瑞丰等，2018)。震级新标准规定了面波震级M_S和宽频带面波震级M_S(BB)的测定方法，其中，面波震级M_S的测定方法与原地震观测技术规范一致，保持了震级测定的连续性；宽频带面波震级M_S(BB)均在原始宽频带记录上测定，充分发挥了宽频带数字地震记录的优势，同时与国际上面波震级测定方法保持一致；对于能够测定矩震级M_W的地震应求取M_W(刘瑞丰等, 2015, 2018)。

2018年9月12日陕西省宁强县发生M_S 5.3地震，震中位于青川断裂附近，距离约4 km。青川断裂是龙门山断裂带的主要分支之一，断裂西起平武，向东经青川至勉县，终止于汉中盆地。主体呈NE向展布，全长约265 km(李建等，2016)。此次地震发生在2008年汶川M_S 8.0地震余震区北段，属于余震区北段的一次较强的起伏活动。

地震发生后，中国地震台网中心(CENC)、美国地质调查局(USGS)及哈佛大学(GCMT)等官方机构给出的震级有所差别。本文拟使用MSDP6.0软件，对此次地震按照新的震级标准GB17740—2017《地震震级的规定》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017)，测定宽频带面波震级M_S(BB)，并采用CAP方法反演震源机制解及矩震级M_W，并对结果进行分析讨论。

1 研究方法 1.1 M_S(BB)震级计算方法

新的震级国家标准GB17740—2017《地震震级的规定》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017)规定宽频带面波震级M_S(BB)应在垂直向速度型宽频带记录上量取面波质点运动速度的最大值，计算公式如下

$ {M_{{\rm{S}}({\rm{BB}})}} = \lg \left({\frac{{{v_{\max }}}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}} \right) + 1.66\mathit{\Delta } + 3.3\quad \left({2° < \mathit{\Delta } < 160°, \;3 < T < 60} \right) $

(1)

式中，v_max为垂直向面波质点运动速度的最大值，单位μm/s；T为v_max对应的周期，单位s；Δ为震中距，单位(°)。

1.2 M_W震级计算方法

利用观测到的地震波振幅确定震级时，由于不同震级标度测量的是特定频段的地震波振幅，当震级大到一定级别时，测量的最大振幅不再增加，致使出现测得的地震震级不再随地震增大而增大的现象，即震级饱和现象(陈运泰等，2018)。矩震级M_W是一个表征地震绝对大小的量，可由地震矩M₀通过下式计算，因此不存在饱和现象。

$ {M_{\rm{W}}} = \frac{{{v_{\max }}}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\left({\lg {M_0} - 9.1} \right) $

(2)

式中，M₀为地震矩，单位N·m。

1.3 CAP波形反演方法

测定矩震级的方法较多，本文采用Zhao等(1994)提出并经Zhu等(1996)发展的CAP波形反演方法。该方法将宽频带数字地震波形分为体波Pnl和面波2部分，分别对其滤波，并计算理论波形与观测波形之间的误差函数，通过网格搜索最佳深度和震源机制解。

2 数据处理

本文利用国家测震台网记录的波形数据，使用MSDP6.0软件计算此次地震的宽频带面波震级M_S(BB)；使用CAP方法反演得到地震震源机制解及矩震级M_W。地震震中及用于计算震级的台站分布见图 1。

图 1 震中及台站分布 Fig.1 The distribution of the epicenter and stations

计算M_S(BB)震级时，直接在垂直向速度型宽频带波形记录上量取周期大于3 s的面波质点运动速度的最大值，如计算XZ/DXI台M_S(BB)震级时所进行的面波量取见图 2所示。

图 2 XZ/DXI台记录的宁强M_S 5.3地震波形 Fig.2 The seismic waveform of Ningqiang M_S 5.3 earthquake recorded by XZ/DXI station

3 M_S(BB)震级计算结果

对所有符合要求的台站按式(1)求取M_S(BB)(表 1)。本文共使用50个台站测定M_S(BB)，其震中距为5.1°—26.5°(图 3)。如图 3所示，台站的方位角分布较均匀。所有单台M_S(BB)分布在4.7—5.4之间，QH/MAD、QH/DUL、NM/HLR、NM/MDG、HL/FUY等5个台测得的M_S(BB)值最小，均为4.7；NM/LIX、NM/ZLT、NM/NJT等3个台测得的M_S(BB)值最大，均为5.4。对50个单台的M_S(BB)求取算数平均值，即得到此次地震的M_S(BB)为5.0。图 4为所有单台M_S(BB)与平均M_S(BB)的震级差分布。本文M_S(BB)震级结果与GCMT测定的M_S震级一致，与中国地震台网中心(CENC)对外发布的M_S震级相差0.3(表 2)。

表 1 宁强地震宽频带面波震级(M_S(BB))测定台站、震中距、方位角及测定结果Table 1 The stations, epicentral distances and azimuths of the seismic stations used to determine the broad band surface magnitude (M_S(BB)) of the Ningqiang earthquake in this paper

序号	台站代码	震中距/(°)	方位角/(°)	M_S(BB)
1	QH/DAR	5.1	282	4.9
2	QH/MAD	6.5	291	4.7
3	QH/QSH	7.2	280	5.1
4	QH/DUL	7.2	299	4.7
5	QH/YUS	7.2	274	4.9
6	XZ/CAD	7.4	259	4.9
7	QH/QML	8.3	282	5.3
8	QH/ZAD	8.7	273	4.9
9	YN/CAY	11.2	212	4.8
10	QH/TTH	11.2	281	5.1
11	TJ/ZTZ	11.4	52	5.1
12	TJ/BAD	11.7	51	5.1
13	JS/YC	12.1	83	5.3
14	GD/ZHJ	12.2	159	5.1
15	XZ/DXI	12.6	264	4.9
16	XJ/YMS	13.0	318	4.8
17	SH/TMS	13.3	93	5.1
18	SH/SSE	13.3	93	5.2
19	GD/NAO	13.7	130	5.1
20	FJ/DSXP	13.8	128	5.1
21	HI/DOF	14.0	168	5.1
22	HI/JFL	14.4	168	4.9
23	NM/LIX	14.5	39	5.4
24	TW/SSLB	16.2	120	5.1
25	TW/TPUB	16.3	122	5.1
26	XJ/BTS	17.1	321	5.0
27	XJ/TCH	17.6	314	4.9
28	XJ/WSC	17.6	312	5.1
29	XJ/QHE	17.8	325	5.1
30	NM/ARS	18.0	33	5.1
31	XJ/LHG	18.1	312	5.2
32	XJ/FUY	18.7	324	4.9
33	NM/CHR	19.2	33	5.0
34	NM/HLR	19.5	29	4.7
35	NM/ZLT	19.9	35	5.4
36	XJ/ALT	20.0	324	5.0
37	JL/YST	20.2	48	5.0
38	NM/NJT	20.4	36	5.4
39	HL/BNX	21.1	46	5.0
40	HL/NEH	21.2	37	5.3
41	NM/GNH	21.4	28	4.9
42	NM/MDG	21.5	27	4.7
43	HL/TOH	22.1	46	4.8
44	HL/WDL	22.1	38	5.1
45	HL/JGD	22.2	33	5.0
46	HL/HEH	23.7	36	5.2
47	HL/XUK	23.8	40	5.0
48	HL/LBE	24.1	45	4.8
49	HL/JIY	24.3	41	5.2
50	HL/FUY	26.5	46	4.7
注：M_S(BB)平均为5.0

表 1 宁强地震宽频带面波震级(M_S(BB))测定台站、震中距、方位角及测定结果 Table 1 The stations, epicentral distances and azimuths of the seismic stations used to determine the broad band surface magnitude (M_S(BB)) of the Ningqiang earthquake in this paper

图 3 量取M_S(BB)震级台站的震中距、方位角及震级分布 Fig.3 The distribution of the epicentral distance, azimuth and magnitudes for the stations with M_S(BB) magnitude

图 4 单台M_S(BB)与平均M_S(BB)的震级差分布 Fig.4 The distribution of magnitude difference between single station M_S(BB) and average M_S(BB)

表 2 本文与不同研究机构所测宁强地震M_S、M_S(BB)震级 Table 2 The magnitude of M_S and M_S(BB) for Ningqiang earthquake contributed by this paper and the other seismological institutions

4 震源机制解反演结果

本文利用CAP波形反演方法计算了震源机制解，得到最佳双力偶的参数分别为节面Ⅰ：走向169°/倾角81°/滑动角9°；节面Ⅱ：走向78°/倾角81°/滑动角171°，计算结果见图 5。由图 5(a)可见，不同台站的理论地震波形与观测地震波形的相位和振幅均拟合较好。图 5(b)为不同震源深度下搜索的震源机制解所对应的拟合误差。由图 5(b)可见，当震源深度为11 km时，拟合误差最小，即为最佳震源机制解，此处对应矩震级M_W为5.0，发震断层为走滑型。与各个机构M_W震级测定结果相比，本文结果与USGS的一致，与GCMT的相差0.1(表 3)。

图 5 宁强M_S 5.3地震波形拟合与震源机制 (a)理论波形(红)与观测波形(黑)拟合。波形左侧上面一行为台站代码，下面一行为震中距(km)及理论到时与实际到时的整体移动时间(s)，波形下方的2行数字分别为理论波形相对于观测波形的移动时间(s)及二者的相关系数(单位%)；(b)不同震源深度下搜索的震源机制解对应误差(当深度为11 km时，误差最小，即为最佳解) Fig.5 Waveform fitting and focal mechanism for Ningqiang M_S 5.3 earthquake

表 3 本文及不同研究机构测得的宁强地震震源机制 Table 3 The focal mechanisms of Ningqiang earthquake contributed by this paper and the other seismological institutions

5 结论与讨论

本文利用国家测震台网记录到的2018年9月12日宁强M_S 5.3地震的波形数据，使用MSDP6.0软件计算了此次地震宽频带面波震级M_S(BB)；使用CAP方法反演得到震源机制解及矩震级M_W。利用50个宽频带测震台站的波形数据计算得到此次地震的M_S(BB)震级为5.0，与GCMT测定的M_S震级一致，与中国地震台网中心对外发布的M_S震级相差0.3。CAP波形反演结果显示，此次地震的最佳双力偶参数为节面Ⅰ：走向169°/倾角81°/滑动角9°；节面Ⅱ：走向78°/倾角81°/滑动角171°，矩震级为M_W 5.0，与USGS公布的结果较一致。CAP方法反演得到的M_W与GCMT公布的结果仅差0.1。

由于历史原因，我国与美国在测量在M_S震级时所采用的方法不同，这导致两者间往往存在偏差。我国使用SK仪记录的两水平向、周期为3—25 s的面波资料，采用郭履灿等(1981)的公式计算M_S；美国则采用宽频带数字地震仪记录的、周期为18—22 s的垂直向面波资料，使用式(1)计算M_S(刘瑞丰等，2006)。我国对于新震级M_S(BB)的测定也采用宽频带数字地震仪记录的垂直向面波资料，使用式(1)进行计算，不同的是所选面波周期为3—60 s。由此可见，在计算方法上新震级M_S(BB)与美国测定的M_S震级较接近。相关研究表明，新震级M_S(BB)与我国M_S震级之间存在一定差异，M_S(BB)相较于M_S系统地偏小(刘瑞丰等，2011；郝美仙等，2016；黄春梅等，2018；李晓东等，2018)，与本文的结果较一致。

矩震级M_W是一个描述地震绝对大小的力学量，也是国际地震学界推荐优先使用的震级标度(USGS，2002)。对比本文、USGS和GCMT对该地震M_W震级的测定结果可知，本文与USGS测得的M_W均为5.0，GCMT测得M_W为5.1，各机构所得M_W较接近。因此认为，此次地震的震级应为M_W 5.0左右。据此，新震级国家标准GB17740—2017《地震震级的规定》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017)要求将矩震级M_W作为首选发布震级是合理的。

对比此次地震的各种震级可见，本文所得M_S(BB)震级与M_W震级一致，亦与GCMT测定的M_S震级一致，与中国地震台网中心对外发布的M_S震级相差0.3。这与前人得到的M_S(BB)震级相较于我国M_S震级更接近M_W震级的结论一致(刘瑞丰等，2011；黄春梅等，2018)。因此，对于中强地震，M_S(BB)震级相较于M_S震级作为发布震级更合理。

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