震级是衡量地震本身大小的一个量,其精确测定对于地震研究和灾害预防具有不可替代的重要性(陈运泰等,2004)。受台基稳定性、震源深度以及地质构造等因素的影响,地震震级的测定往往存在一定程度的偏差。刘瑞丰等(2005, 2006)对中国地震台网与美国地震台网测定的震级进行了对比分析,发现不同震级区间中美震级的平均偏差不同。近年来,我国地震台站就震级偏差研究取得一定进展,相关研究有:多个地震台站(刘晓锋等,2013;彭丽娟等,2015;李大伟等,2021;刘仲韬等,2021;陈江琴,2021)通过对比分析不同方位、震中距和震级下的震级差异性,得到台站震级偏差校正值;樊冬等(2014)提出二维震级修正法,旨在对淮北地震台中强地震震级进行精确修正。这些研究不仅有助于准确理解和评估地震的大小和影响,还将为提升地震监测和预警能力提供重要支撑。
1945年,古登堡提出面波震级,该震级标度在中国地震台网发布震级中长期占据主导地位。2017年,地震震级国家标准GB17740—2017《地震震级的规定》(下文简称新国标)发布,面波震级仍然作为地震台网实际测定的震级之一得到广泛应用(刘瑞丰等,2018)。然而,随着新国标的推广与实施,单台测定与中国地震台网中心发布震级之间的差异问题逐渐凸显。这种差异不仅影响到地震资料的有效应用,还对测震速报的准确性构成挑战。因此,深入分析单台面波震级偏差的相关因素(郭履灿等,1981),并努力减小这些偏差,已成为当前地震研究领域的重要任务。本文选取乌加河地震台测定的全球570个地震事件的面波震级,对比分析单台测定震级与中国地震台网中心发布震级之间存在偏差,并探讨震级偏差与震级、震中距、方位角的关系。
1 台站概况乌加河地震台(下文简称乌加河台)始建于1972年,是位于内蒙古自治区地震局西部地区的国家基本台(国家一类台),观测山洞位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗乌加河镇。测点北靠色尔腾山,南临河套冲积平原,地处狼山山前东西大断裂带、河套断陷盆地北缘,远离城镇及交通主干线,是开展地震科学研究的理想场所。台站配备JCZ-1T型超宽频带地震计和EDAS-24GN6型数据采集器进行观测记录,观测数据连续、稳定。
2 偏差计算(1)资料选取。选取乌加河台2021年9月至2022年12月记录的全球570个4.0≤MS≤7.9地震事件(图 1),与中国地震台网中心发布的地震目录进行对比,深入分析二者面波震级偏差。
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图 1 地震事件分布 Fig.1 Earthquake distribution map |
(2)计算方法。根据新国标,面波震级测定公式为
$ M_{\mathrm{S}}=\lg \left(\frac{A}{T}\right)+\sigma(\Delta)+C $ | (1) |
式中:A代表地震事件波形记录中NS、EW向面波质点运动位移最大值矢量和的模,单位为μm;Δ表示震中距,单位为弧度(rad);T代表水平向地动位移最大值对应周期,单位为s;C为台基校正值;σ(Δ)为面波震级量规函数。
中国地震台网中心与乌加河台面波震级偏差及其平均偏差公式如下
$ \Delta M_{\mathrm{S}}=M_{\mathrm{S}(\mathrm{CENC})}-M_{\mathrm{S}(\mathrm{WJH})} $ | (2) |
$ \mathrm{d} M_{\mathrm{S}}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n \Delta M_{\mathrm{S}} $ | (3) |
式中:ΔMS为面波震级偏差;MS(CENC)为中国地震台网中心发布的正式目录中记录的面波震级;MS(WJH)为乌加河台实测面波震级;dMS为面波震级平均偏差。
(3)偏差计算。基于式(2)、(3),重新计算乌加河台记录的570个地震事件的面波震级MS,并与中国地震台网中心面波震级进行偏差分析,由计算结果可知,震级偏差主要分布在-1.4—0.9范围内(图 2),平均偏差为-0.134。统计发现,50个地震与中国地震台网中心发布的面波震级一致,345个地震的震级偏差ΔMS<0,175个地震的震级偏差ΔMS>0,可见与中国地震台网中心发布震级相比,乌加河台测定的面波震级偏大。
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图 2 面波震级偏差频度分析 Fig.2 Frequency analysis of MS magnitude deviations |
面波震级存在偏差的影响因素较多,下面探讨乌加河台面波震级偏差与震级区间、震中距区间、方位角的关系。
3.1 面波震级偏差与震级区间的关系按震级大小,以1.0级为间隔,将所选570个地震分为4个区间,分析不同震级区间内震级偏差特点,统计结果见表 1。由表 1可见,乌加河台测定的面波震级,在不同震级区间内,与中国地震台网发布面波震级的偏差在-0.265— -0.042,单台震级与发布震级相差不大,差值在允许误差内,说明震级区间不同,对面波震级偏差的影响不大,单台震级测定较为稳定。其中:4.0≤MS≤4.9,单台面波震级偏差较大;震级在MS 5.0—5.9和MS 6.0—6.9,偏差值较为一致;7.0≤MS≤7.9,震级偏差最小。说明:对于弱震,乌加河台震级测定误差较大;5.0级以上地震,平均震级偏差在-0.2以内,偏差较小,可信度相对较高。
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表 1 面波震级偏差与震级间的关系 Table 1 The relationship between surface wavemagnitude deviation and magnitude |
为了更好地分析面波震级偏差与震中距的关系,将地震以Δ<30°、30°≤Δ<60°、60°≤Δ<105°、Δ≥105°四个区域进行划分,计算不同区域地震面波震级平均偏差,结果见表 2。由表 2可见,在Δ<30°区域内,地震数目最多,震级平均偏差值最大,究其原因可能是,震中距较小时,受地下介质分布不均匀的影响,面波发育较差,导致该区域内震级偏差较大。在Δ≥30°区域内,震级平均偏差值较小,低于平均标准偏差,可信度相对较高。
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表 2 面波震级偏差与震中距的关系 Table 2 The relationship between surface wavemagnitude deviation and epicenter distance |
基于全球570个地震事件的空间分布,结合震级偏差值,绘制所选地震事件的震级偏差分布图,结果见图 3,发现乌加河台震级偏大、相等和偏小的地震分布均较分散,无特定规律。
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图 3 不同面波震级偏差值的地震事件分布 Fig.3 Distribution of earthquakes with different surface wave magnitude deviations |
方位角是指,以台站为原点,台站正北与台站的连线和震中与台站连线的夹角(傅淑芳等,1980)。为分析面波震级偏差与地震方位角的关系,以乌加河台为原点,选正北、正东方向为坐标轴,将570个地震按SE、NE、NW、SW方位划分为4个象限,统计各方位地震数,计算其面波震级平均偏差,统计不同方位地震的震级偏差,结果见表 3,相应震中分布见图 4。
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表 3 不同方位地震的震级偏差统计 Table 3 Statistical table of magnitude deviation for earthquakes in different directions |
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图 4 不同方位地震事件分布 Fig.4 Distribution map of earthquakes in different directions |
由图 4、表 3可知:SE向地震数最多,占全部地震事件的50%以上;SE、NW向地震震级偏差较大,NE、SW向地震震级偏差较小。可见,地震单台定位,方向性影响较大,多台定位取平均值,结果更加准确。
4 结论收集整理乌加河台2021年9月至2022年12月记录的全球570个4.0≤MS≤7.9地震事件,与中国地震台网中心发布的正式目录中面波震级进行比对,得到以下结论:①乌加河台震级偏差分布在-1.4—0.9范围内,且MS(WJH) 比MS(CENC)平均偏大0.134。②震级在MS 4.0—4.9的地震,乌加河台震级偏差较大,而MS≥5.0地震,其震级偏差较小。③在震中距30°区域内,乌加河台震级偏差较大,而震中距大于30°区域,其震级偏差较小,其中60°≤Δ<105°,震级偏差最小,是该台测定震级的最优区间。④乌加河台SE、NE、NW三个方位的平均震级偏差为负值,而SW方位为正值,其中:在NW方位,震级偏差最大,差值为-0.229;在NE方位,震级偏差最小,差值为-0.017。
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