新震級國家標準在大同臺的應用與評估

白偉利，楊世英，彭麗娟，閆美蓉，高存英，韓 勝，李貴明

(1.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000；2.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震三要素包括發震時間、震中和震級。其中，震級作為衡量地震大小的尺度，代表地震釋放能量的大小。一直以來，如何更準確地測定地震震級是一個比較難解決的問題。如，我國測定的面波震級與國際主要地震機構測定的震級就存在偏差，對于3.0級以上地震，我國測定的面波震級平均偏高0.2級左右，而對于5.0～7.0級地震平均偏大0.3～0.4級[1]。我國之前使用的震級標準是GB 17740-1999，經過不斷地發展，地震觀測系統逐漸實現了數字化和網絡化，到2007年底，所有地震臺站均實現數字化觀測，儀器特性、數據傳輸方式、數據分析處理方式、震級測定的時效性都發生了根本的變化[2]。故在2016年，對1999年的震級標準進行了修訂。

震級新國標在震級的測定方法和震級發布方面均進行了修訂，增加了寬頻帶面波震級MS(BB)、寬頻帶體波震級mB(BB)的測定要求，修改了短周期體波震級mb振幅的量取范圍。震級新國標于2017年1月在全國測震單臺開始試運行，與1999年的標準并行使用。由于震級新國標在地震震相標識、走時表的選用、振幅的量取、震級的測定等方面與原來的處理方法有很大的區別，且因為不同臺站的地質條件、觀測環境、地下速度模型等存在差異，震級新國標對于不同臺站的適用情況也有差異。為了研究大同國家測震臺(以下簡稱大同臺)新舊震級標準下的震級偏差，明確新震級標準在震級測定結果方面的適用性，對大同臺震級新國標的遠震處理結果進行分析，有望為其他測震單臺的地震分析工作和震級標準方面的研究提供參考。

1 資料選取

根據美國地質調查局USGS網站的地震目錄，選取大同臺2018年5月至2019年5月記錄到的國內4級以上和國外5級以上共307個地震事件(見表1)。

表1 地震事件震級和震源深度分布表Table 1 Distribution of magnitude and focal depth of earthquake events

2 震級新國標下各震級的應用分析

大同臺在采用震級新國標進行地震分析時，參考的是美國地質調查局USGS(以下簡稱USGS)發布的地震目錄。因此，為了評估震級新國標在大同臺的適用性，對所有地震事件的新國標測定震級與USGS發布的震級進行對比。

2.1 寬頻帶體波震級mB(BB)

寬頻帶體波震級mB(BB)是震級新國標新增的震級，要求直接在垂直向寬頻帶記錄上測定P波波列(包括P，pP，sP，甚至可以為PcP及其尾波，一般取在PP波之前)的最大振幅。計算公式和適用范圍如下：

mB(BB)=lg(Vmax/2π)max+Q(Δ，h)，

(1)

0.2

(2)

在選取的地震事件中，根據mB(BB)震級測定要求，篩選出符合震中距、振幅量取范圍和周期要求的地震事件211個。將測定的mB(BB)震級與USGS發布的進行對比，發現地震事件樣本的mB(BB)震級比USGS發布的震級平均只偏小0.001 4，所有樣本的標準差為0.41。

圖1是mB(BB)震級與USGS發布的震級偏差中各差值占總樣本的比例分布。可以看出，mB(BB)震級偏差基本符合正態分布，但分布不太集中。為了進一步研究，將偏差超過±0.6的20個地震事件篩選出來。其中，震中位于環太平洋地震帶且震源深度大于60 km的有16個，占80%，與樣本中其他地震事件相比，不同之處在于震源深度大，發震區域較深，震中位于海洋會造成地震波的傳播介質不同。初步分析，可能是由于發震區域的深部構造和地震波傳播介質等造成mB(BB)偏差較大，增大了樣本的標準差。除去這些因素，測定的mB(BB)震級非常接近USGS發布的震級，表明其在大同臺的適用情況非常好。

圖1 大同臺mB(BB)震級與發布震級M的對比震級偏差分布圖Fig.1 Deviation distribution between mB(BB) magnitude and published magnitude M in Datong Station

為得到更加嚴謹可靠的結論，把同一地震事件在新舊震級標準下分別測定的mB(BB)和mB震級進行對比分析。舊震級標準對mB震級的振幅量取范圍和周期要求較嚴格，選取的地震事件中，符合要求的有50個，選出這50個地震事件的mB(BB)作對比分析。

結果表明，舊mB震級與USGS發布震級的平均偏差為+0.108，樣本事件的標準差是0.307；mB(BB)震級與USGS發布震級的平均偏差是-0.034，標準差為0.325。二者的平均偏差均小于我國評比標準規定的±0.3的誤差。與舊mB震級相比，后者的偏差更小，說明mB(BB)震級的測定結果比舊mB震級更精確。

2.2 短周期體波震級mb

震級新國標的短周期體波震級用mb表示，表2是根據震級新國標的宣貫教材總結出來的新舊mb震級對比情況。從表2看出，二者的計算公式相同，都是對短周期仿真后在垂直向量取最大振幅進行計算；主要差別在于振幅的量取范圍和震中距的測定范圍。新mb震級振幅可以量取垂直向整個P波波列的振幅最大值，舊mb震級振幅要求在P波到時5 s內量取。在振幅周期方面，震級新國標對其的規定更寬泛，只要周期小于3 s均可進行量取；舊mb震級要求周期要大于0.5 s小于2.5 s。在震級新國標的震級發布規定中，一般不將mb震級作為發布震級，因此，下面主要是將新舊mb震級做對比，分析新mb震級的整體偏差情況。

表2 新舊mb震級對比Table 2 Comparison of magnitude of new and old mb

經過數據篩選，同時符合新舊mb震級測定要求的地震事件有193個。通過計算，新舊mb震級與USGS發布震級的偏差均比較大，分別為-0.516和-0.487。新mb震級平均比舊mb震級偏小0.03，對于舊mb震級的整體偏差值為0.487，相對而言偏差值并不大。從第42頁圖2看出，新舊mb震級差值大部分處于±0.2范圍內，范圍內樣本個數為139,占總數的72.02%。從整體看，分布不集中，尤其是大于0.5的分布還較多。

從表2看出，新mb震級的計算公式變化不大，從振幅的量取范圍和振幅周期限制上看，振幅可量取的范圍更大。理論上講，新mb震級測定結果應該比舊mb要更大。但從統計結果看，新mb震級平均比舊mb震級偏小0.03，在日常的地震分析中也經常遇到新mb震級比舊mb震級更小的情況。由于兩種震級目前采用不同的JOPENSE軟件版本，根據表2的新舊mb震級計算公式，影響公式前半部分周期和振幅的是軟件進行仿真時的傳遞函數，震級新國標要求仿真DD-1量取，舊震級標準要求在仿真WA下量取振幅；公式后半部分是量規函數，量規函數的不同也會導致震級的變化。初步分析認為，可能是由于震級計算公式中的量規函數或者兩個版本軟件仿真的傳遞函數不同，導致新舊mb震級偏差大小與理論上的不一致。經過以上的分析得出，新mb震級與舊震級測定結果基本一致，新mb震級在大同臺的適用情況一般。

圖2 舊mb-新mb震級差值分布圖Fig.2 Distribution of magnitude difference between old mb and new mb

2.3 寬頻帶面波震級MS(BB)

新震級標準的寬頻帶面波震級MS(BB)是在寬頻帶速度記錄量取面波垂直向速度振幅最大值來計算的震級。根據新國標規定，對于ML≥4.5的淺源地震，選擇寬頻帶面波震級MS(BB)為發布震級M。之前，測震單臺測定遠震震級一直采用面波震級MS，在仿真SK的兩個水平向上量取最大振幅測得震級MS，因此，在對MS(BB)震級進行分析評估時，主要將MS和MS(BB)震級做對比。表3是根據目前使用的震級規定和新國標的宣貫教材總結兩者對比情況，兩種震級在震級計算公式、振幅量取范圍和振幅的周期方面，均存在較大的差別。

表3 MS(BB)震級與舊MS震級對比Table 3 Comparison of MS(BB)magnitude and old MS magnitude

對地震事件的震中距、振幅周期和震源深度等條件篩選，符合測定要求的有209個地震。圖3是MS(BB)震級和舊MS震級分別與USGS發布震級的偏差分布圖。MS(BB)震級的平均偏差為-0.208，MS震級的平均偏差是-0.221，二者的偏差值相差不大。經過計算，MS(BB)震級和舊MS震級的標準差分別是0.27和0.31。從圖3也可以看出，MS(BB)震級偏差分布更集中一些，在-0.5至0.1范圍內的有169個，占比80.09%；舊MS震級則有151個，占比71.56%。從震級偏差結果看，MS(BB)震級與舊MS震級相差不大，未體現出更高的準確性，但MS(BB)震級在測定結果的穩定性方面更好一些。

圖3 MS(BB)、舊MS與發布震級M間偏差分布圖Fig.3 Deviation distribution of MS(BB) magnitude, old MS and published magnitude M

3 結論和討論

(1)mB(BB)震級比舊mB震級偏小約0.14，震級偏差基本符合正態分布，整體不太集中；其與USGS發布的震級相差非常小，在大同臺的應用情況非常好。

(2) 新mb震級與USGS發布震級的平均偏差值為0.516，相差較大；比舊mb震級平均偏小0.03左右，其平均測定結果與舊mb震級基本一致。

(3)MS(BB)震級的平均偏差為-0.208，符合國家規定的不超過±0.3要求；其在震級偏差大小方面與舊MS相比未體現出更明顯的優勢，在測定結果的穩定性方面表現更好。

研究選取的地震事件樣本有限，且地震震級的測定受諸多因素的影響，如臺站地下速度模型、地震傳播路徑、震源區域介質和人為因素等都會對震級的測定結果產生一定影響[3]。對于新舊mb震級偏差均很大及mB(BB)震級樣本標準差較大的原因分析，僅是筆者一些粗淺的見解，有待進一步地探討和研究。