當涂地震站震級偏差分析

陳江琴

（中國安徽243000 馬鞍山市應急管理局）

0 引言

震級是地震時、空、強三要素之一，無論是在科學角度，還是社會需求角度，衡量地震的大小均是一件意義重大的基礎性工作（傅承義等，1985；陳運泰等，2004；劉瑞豐等，2015）。精確的震級是進行地震預報、會商分析及科學研究的基礎。當有感地震發生，特別是破壞性地震發生后，及時提供準確的地震參數，對應急救援工作的順利開展至關重要。

單個地震臺站所測定地震的震級大小與省級測震臺網中心普遍存在差異，主要原因如下：①量取的S 波位置及周期大小可能受經驗影響，存在人為誤差，需按規范操作；②地震波傳播路徑不同，可能影響振幅量取，從而影響震級測定；③觀測儀器存在誤差，如儀器靈敏度、儀器響應發生變化，將導致記錄幅度存在差異；④臺基影響。

關于震級偏差研究的文獻較多，如：陳培善等（1983）分析震級偏差存在的原因；嚴尊國等（1992）、林仙坎（2006）、張志斌等（2018）、康清清等（2019）研究量規函數；劉陽等（2010）、郭延杰等（2020）研究臺站方位角；戴維樂（1986）、曹復旺等（1988）、梁向軍等（2019）分析近震震級偏差，等等。當涂地震站2015 年10 月投入地震觀測，運行幾年后發現，臺站測出的震級（下文簡稱ML臺）較安徽省測震臺網中心所測震級（下文簡稱ML省）有一定偏差，本文主要分析震中距和方位角對震級偏差產生的影響。

1 臺站概況

馬鞍山市當涂地震站（下文簡稱當涂站）位于安徽省馬鞍山市當涂縣大青山李白文化旅游區詹村，地理位置上在長江南岸。地質構造屬下揚子斷塊，位于郯廬斷裂帶東側，地貌為丘陵地形，臺基為中生代花崗巖。

當涂站于2015 年10 月完成設備安裝和調試，投入試運行。配備BBVS-60 寬頻帶地震計和EDAS-24GN 數據采集器進行數據記錄和采集，利用交流供電，并配備UPS 輔助電源，采用光纖網絡，將數據傳輸至馬鞍山市地震局監測中心和安徽省地震局臺網中心。該臺站硬件設施較好，供電和網絡正常，觀測數據連續率達99.9%，質量較高。

2 資料選取

當涂站建站（2015 年12 月）以來至2020 年4 月，記錄到1.2 ＜ML＜5.3 近震120 個（均采用ML震級標度表示），其中所選省外地震震級ML≥2.0，地震分布見圖1。所選地震均為淺源地震，具體參數見表1（表中節選部分地震數據），其中1.2 ≤ML≤1.9 地震8 次，2.0 ≤ML≤2.9地震62 次，3.0 ≤ML≤3.9 地震40 次，4.0 ≤ML≤4.9 地震9 次，5.0 ≤ML≤5.9 地震1 次。

表1 所選地震（部分）參數Table 1 Parameters of selected earthquakes（part）

圖1 所選地震震中分布Fig.1 Epicenter distribution of selected earthquakes

影響地方性震級ML計算的主要因素有量規函數、臺基效應和地震震源（地震波輻射方向）等（嚴尊國，1986），公式如下

式中，A為地動位移，單位μm；R(Δ)為量規函數；AN、AE分別為S 波（或Lg 波）NS 向和EW 向最大振幅，單位μm；Δ為震中距，單位km。

地震波的最大振幅應大于干擾水平2 倍以上，需將S 波（或Lg 波）記錄仿真成短周期地震儀（與省地震局仿真類型一致）NS、EW 向水平記錄后量取。為減少人為誤差，振幅量取工作均由同一人嚴格按照要求完成。根據公式（1），計算得到當涂站記錄的120 個地震的單臺震級ML臺，與安徽省測震臺網中心所測震級ML省進行對比，分析震級偏差C的變化規律，其中C=ML臺-ML省，具體數值見表1（表中節選部分地震數據）。

3 震級偏差分析

由于地殼構造的復雜性和不均勻性，地震波在地殼中的傳播過程復雜，振幅也千變萬化。同時，由于地震波輻射的方向性，臺站方位不同，所測震級也會存在一定偏差（陳培善等，1983）。據震級計算公式（1），震級大小取決于兩水平向的振幅和量規函數的大小。量規函數用來校準補償地震波隨距離的衰減，與震中距直接相關。震中距不同，最大振幅出現的地震波段也不同，一般：①Δ≤70 km，最大振幅出現在Sg 波段；②70 km ＜Δ≤180 km，最大振幅出現在S11 波段；③180 km ＜Δ≤300 km 時，最大振幅出現在Sg 震相之后數個周期；④Δ＞300 km，最大振幅出現在Lg1 或Lg2 波段。

3.1 震中距對震級偏差的影響

據陳培善等（1983）的分析，若量規函數正確，隨著震中距的變化，震級偏差將在0 值線上下擺動。

3.1.1 震中距的影響。根據計算得到120 個地震的震級偏差C，按照震中距大小進行排序，結果見圖2。

圖2 震級偏差隨震中距大小的變化Fig.2 Variation of magnitude deviation with epicenter distance

（1）Δ＜70 km，共分布18 個地震，與ML省相比，單臺震級ML臺偏小，且震級偏差C隨震中距增大而逐漸減小，最大達1.1，最小為0.2。量規函數描述了地震波隨距離衰減的特性，與地殼構造緊密相關，具有明顯的區域特征（薛志照，1992）。據嚴尊國等（1983）對我國西南及湖北省和閩臺地區量規函數的研究，在震中距0—50 km 范圍內，地區不同，量規函數差異較大，而當涂站量規函數偏小，故所測單臺震級偏小。

（2）70 ≤Δ≤180 km，共分布48 個地震，且ML臺大部分比ML省小，其中：C＜ 0 的地震有30 個，偏差最小為-0.6；C＞ 0 的地震有11 個，偏差最大為0.3，其他7 個地震C=0。在此震中距范圍內，地震傳播產生反射波。在該研究區內，震中距約70—120 km時，反射波最強，此范圍內8 個地震的震級偏差C≥0，其中7 個地震的反射波較強，最大振幅位于反射波段。如：2018 年4 月6 日23:55 蕪湖無為地震、2019 年7 月15 日02:55常州溧陽地震，偏差C均為0.1，震中距分別為93 km、88 km（表1），反映了莫霍面反射波的影響。Boore（2003）和Helmberger 等（1993）也認為：震中距約100 km，強地面振動幅度不再隨震中距增大而減小，其衰減關系曲線出現一段平坦，甚至共同增大現象，此現象可用莫霍面反射波SmS、sSmS 等震相的傳播機制來解釋，表明當震中距達到反射波臨界點，其振幅較強，甚至會與震中距一起增大，導致部分地震的單臺震級偏大，以上2 個震例與此一致。但是，受地震波射線路徑和震源機制影響，部分地震即使震中距達到反射波臨界點，其震級偏差卻遠小于0，如2016 年4 月15 日 14:49 蕪湖市無為地震，震中距94 km，其反射波雖強，但偏差C=-0.4（表1）。

此外，由表1 可知，2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震，震中距為70 km，震級偏差C=0，查看其波形圖（圖3）發現：Sg 波NS 向振幅較大（箭頭所指），遠大于反射波振幅，Sg 波EW 向振幅比反射波振幅稍小，說明其震級偏大并不是因為反射波振幅大，僅僅是因為其橫波振幅大。而同等震中距的其他地震（表1）偏差值均遠小于0。據陳培善等（1983）的分析，位于地震破裂不同方向的臺站，如破裂前方和破裂后方，所測定震級可差0.3—0.5。據此分析，可知同等震中距的幾次南京地震，與2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震的破裂方向不同，故當涂站所測震級偏差不同。陳培善等（1983）認為：在節線方向，S波輻射能量強，P 波輻射能量為0，與節線成45°角，P 波輻射較強，往往超過S 波振幅，即所謂大頭P 波現象。建鄴地震實際波形和震級偏差值與此論述一致。如2016 年8 月10日23:18 南京浦口地震，震中距同為70 km，偏差C=-0.5，反射波較弱，P 波較強，垂直向P 波振幅與S 波振幅差不多，而該震有“大頭P 波”現象，與震級偏小反映一致。

圖3 2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震波形Fig.3 Seismic waveforms of Jianye,Nanjing,at 12:39 on Jan.27,2016

（3）Δ＞180 km，ML臺普遍大于或等于ML省。此范圍內共分布53 個地震，只有8 個地震的偏差C＜ 0，其中六安地區的3 個地震偏差絕對值較大（-0.4、-0.3、-0.2），其他5個地震偏差C均為-0.1；45 個地震的偏差C≥0，差值均不超過0.4。因此，該段內量規函數大部分偏大。

3.1.2 震級偏差頻次分布。按現有120 個地震樣本計算，當涂站震級平均偏差為-0.084，標準偏差為0.313 9，繪制地震震級偏差頻次分布，結果見圖4。由圖4 可見：①C＜ 0 時震級偏差分檔較多；②C=0 和C=0.1 的地震最多；③震級偏差值的離散程度不高，且由于地震樣本較少，震中分布也不密集、不均勻，導致震級偏差的頻次分布并不完全遵循正態分布（圖4）。

圖4 震級偏差頻次分布Fig.4 Frequency distribution of magnitude deviation values

3.2 方位角對震級偏差的影響

震級偏差也受地震波輻射方向的影響，而地震方位角則反映了地震波輻射的方向性。方位角是指：以臺站為原點，臺站正北與臺站的連線和震中與臺站連線的夾角（傅淑芳等，1980）。作者利用單臺交互分析軟件MSDP，量取所選地震的方位角，確保所得震中經緯度與省地震局所測接近。將120 個地震的震級偏差按方位角進行分布，結果見圖5。

圖5 震級偏差隨方位角大小的變化Fig.5 Variation of magnitude deviation with azimuth

由圖5 可見：方位角約小于66°（圖中虛線左側），震級偏差大于0 居多；方位角大于66°（圖中虛線右側），震級偏差小于0 居多。據當涂站地理位置可知：①方位角小于66°的地震多分布在郯廬斷裂帶以東，也就是說，地震波未穿過郯廬斷裂帶和長江斷裂破碎地帶，能量損失較少。②方位角大于66°的地震多分布在郯廬斷裂帶以西，同時較多地震位于長江北岸，且只有少數地震方位角分布在90°—200°，大部分地震方位角在200°—360°，地震激發的部分能量被郯廬斷裂和長江斷裂破碎吸收，導致所測震級偏小。與戴維樂（1986）在對溧陽余震震級偏差隨震中距變化的分析結果一致，即：穿過郯廬斷裂帶后，地震波能量消耗較多，震級偏小，震級偏差ΔM明顯反向，呈負值分布。

3.3 震中距與方位角對震級偏差的綜合影響

筆者統計發現，在震源機制相同、震源深度相近的條件下，同一地區發生的地震震級偏差大多一致，一般同為正值或負值，統一偏大或偏小，較少存在偏差值正負號不一致現象。由于震級偏差在±0.2 范圍內是被允許的（傅淑芳等，1980），在此只關注震級偏差超過±0.2的地震。剔除其中震中距400 km 以上的地震（地震數量少，不做統計），將發生在同一地區，震中距相近、方位角相近的地震，按方位角順序進行震級偏差統計，結果見表2。

表2 震級偏差按方位角統計（取│C│＞0.2）Table 2 Statistics of magnitude deviations by azimuth (│C│＞0.2)

由表2 可見：對于震中距和方位角相近的同一地區發生的地震，震級偏差存在2 個共同點，即偏差方向相同（偏大或偏小），且數值相差較小。下面對表2 分類一一分析。

（1）震級偏差受量規函數的影響。馬鞍山當涂站周邊地區，如當涂、花山、江寧、博望、溧水、蕪湖弋江、繁昌、和縣、南京浦口，震中距均小于70 km，偏差均為負值。發生在以上地區的地震分布在當涂站東南西北方向，震級均偏小，說明在此震中距范圍內，量規函數偏小。淮安盱眙、淮陰、鹽城地區、黃海海域地震，震級偏大0.3—0.4，按前文所述，震中距大于180 km 的地震震級普遍偏大，與此震中距范圍的量規函數偏大有直接關系。

（2）震級偏差受斷裂帶和反射波的影響。蕪湖繁昌的2 次地震，震中距分別為59 km和71 km，所測震級均偏小0.6，與其他震中距相近的地震相比，震級偏小更多。分析認為，除與量規函數偏小有關外，還可能與地震射線穿過六合—馬鞍山斷裂（由蕪湖市繁昌縣經馬鞍山市、南京市到南京市六合區）有關。同理，蕪湖南陵地震震中距雖然在反射波臨界范圍內，但震級偏小較大，可能也與地震射線穿過南陵—小丹陽斷裂（由蕪湖市南陵縣延伸至馬鞍山到南京小丹陽）有關。蕪湖無為縣發生的3 個地震（方位角在254.36°—261.0°）震中距均達到反射波臨界點，反射波較強，測定震級偏小0.3—0.4。由于無為縣位于長江北岸岸邊，與當涂站隔江相望，地震波穿過長江斷裂破碎帶，部分能量被吸收，所以震級偏小。同理，銅陵樅陽也在長江北岸，震級偏差也較大（-0.5）。

另外，由表1 可知，無為縣2018 年4 月6 日23:55 發生的地震（方位角為265.5°），其反射波P11 和S11 均較強，震級偏大0.1。4 次無為縣地震的震中距相近，但震級偏差卻不一致，說明震級偏差大小不僅與量規函數、斷裂帶有關，還與反射波有關。

合肥肥東5 次地震的震中距均達到反射波臨界點，有部分反射波較強，部分反射波不強，該區震級偏小0.3—0.6，可能與量規函數偏小及地震波穿過郯廬斷裂帶有關（戴維樂，1986）。滕吉文等（1985）對馬鞍山—常熟做人工爆破測線的地震記錄表明：Δ=80—120 km，莫霍界面反射波較弱；Δ＞120 km，莫霍界面反射波略有增強，是因為觀測剖面經無錫—宿遷大斷裂，而該斷裂深達莫霍界面附近，介質變成破碎的不規則體，當地震射線穿過時，能量被強烈吸收。因此，肥東地震震級偏小應與地震射線穿過郯廬斷裂有較大關系。同理，常州金壇、武進2 個地震的震中距也達到反射波臨界點，震級均偏小0.4，應與地震波橫穿茅山東側斷裂帶有關。

（3）震級偏差受震源機制的影響。合肥長豐和淮南謝家集區3 個地震（震中距在181—204 km）的震級偏大0.3—0.4，方位角在305.5°—307.95°之間。查看波形發現，3 個地震的S 波較強，P 波較弱。按照陳培善等（1983）的理論，3 個地震的震源機制一致。前文所述2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震（圖3）比其他幾個地震震級偏大的原因亦在于此。

（4）震級偏差受地質結構的影響。六安舒城縣、金安區地震震中距約200 km，震級卻偏小0.3—0.4，六安霍山縣3 個地震震中距在230—246 km，震級均偏小0.1—0.2（表1）。如前文所述，該震中距范圍的震級普遍偏大，相鄰的金寨地震（震中距269 km）震級偏大0.3，還有1 個金寨地震震級偏大0.1。六安地區周邊斷裂帶較多，存在“霍山地震窗”，地震活動活躍，地質構造結構比較破碎，從而導致震級偏小，說明舒城、金安和霍山地區的地質結構比金寨地區破碎。但是鄰近地區地震的震級偏差差異明顯，可能與地質結構有較大差異有關，也可能與震源機制不一致有關，或者2 種原因共同存在。因此，震級偏差的不同，可在一定程度上反映地質結構的差異。

4 結論

綜上所述，可以得出以下結論。

（1）通過分析震中距對震級偏差的影響，得出以下結果：①Δ＜70 km，震級偏小，且震中距越小，震級偏差越大；②70≤Δ≤180 km，震級大部分偏小，但在反射波臨界范圍內，部分地震震級偏差較小，多在±0.2 范圍內擺動，可忽略；③Δ＞180 km，震級普遍偏大。

（2）通過分析方位角對震級偏差的影響，得出以下結果：方位角≤66°時，震級偏差大于0 的地震較多，方位角≥66°時，震級偏差小于0 的地震較多，究其原因，與地震射線是否穿過郯廬斷裂帶和長江斷裂有直接關系。

（3）綜合分析震中距和方位角對震級偏差的影響，認為：量規函數、斷裂帶、反射波和震源機制均會對震級偏差產生影響；震級偏差不同可在一定程度上反映地質結構的差異。

論文對當涂站震級按震中距和方位角進行闡述，分析特點，尋找規律，總結相關經驗，以便于今后分析同類地震時能起到參考作用。本研究建立在現有120 個地震樣本之上，觀測資料有限，震中距分布不均勻、不密集，分析也不全面，結果可能存在偏頗，尚需今后收集足夠多的震例，利用震級殘差統計法對震級進行校正，或按照方位角進行校正。