2022-01-15湯加火山噴發(fā)的地震學(xué)震級(jí)測(cè)定

石玉燕 張春鵬 顏 啟 苗慶杰

1 山東省地震局，濟(jì)南市文化東路20號(hào)， 250014

北京時(shí)間2022-01-15南太平洋島國(guó)湯加發(fā)生規(guī)模罕見(jiàn)的海底火山噴發(fā)，激發(fā)全球范圍的地震波、海嘯波、聲波和次聲波，被大量科學(xué)儀器所記錄，受到全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注?；鹕絿姲l(fā)時(shí)釋放出巨大能量，其中部分能量以地震波形式傳播，即地震波輻射能量，簡(jiǎn)稱地震輻射能或地震波能量。與火山噴發(fā)釋放的能量不同，地震波能量是一個(gè)可用地震學(xué)方法科學(xué)測(cè)量的物理量。本文利用山東地震臺(tái)網(wǎng)70套寬頻帶地震儀記錄的2022-01-15湯加火山噴發(fā)的原始地震波形數(shù)據(jù)，測(cè)算本次火山噴發(fā)事件的面波震級(jí)MS和能量震級(jí)Me，為地震臺(tái)網(wǎng)今后探尋火山噴發(fā)事件的參數(shù)速報(bào)工作提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

湯加火山噴發(fā)后，截取山東臺(tái)網(wǎng)128個(gè)測(cè)震臺(tái)站記錄的該次事件地震波數(shù)據(jù)。對(duì)原始資料進(jìn)行去儀器響應(yīng)、濾波與仿真等預(yù)處理后，選用70個(gè)信噪比高、質(zhì)量好的臺(tái)站記錄資料進(jìn)行震級(jí)測(cè)定。在臺(tái)基校正時(shí)選用山東臺(tái)網(wǎng)2014～2021年記錄的15次區(qū)域內(nèi)天然地震和5次非天然地震事件(表1)。另外，在地震波記錄特征分析中還選取2022-01-27斐濟(jì)群島MS6.0地震的地震波記錄數(shù)據(jù)。用于計(jì)算的70個(gè)寬頻帶測(cè)震臺(tái)站分布如圖1所示，所有臺(tái)站的采樣率均為100 Hz。

圖1 研究使用的70個(gè)臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of 70 seismic stations in study area

1.2 地震波記錄

本文選用的臺(tái)站到火山噴發(fā)口的震中距均在80°～90°范圍內(nèi)，相應(yīng)的地震波記錄震相發(fā)育良好并相互分開，可避免不同類型波相互交叉干擾[1-2]。圖2為SD/TCH臺(tái)三分向記錄的該震中距范圍內(nèi)兩次事件的地震波形圖，其中圖2(a)為2022-01-15湯加火山噴發(fā)的地震波形圖，圖2(b)為2022-01-27斐濟(jì)群島MS6.0地震的地震波形圖。圖中，三分向自上而下分別為垂直向UD、東西向EW和南北向NS；藍(lán)色P、S分別表示縱波和橫波到時(shí)；紅色LZ、LN和LE分別表示三分向最大振幅及最大振幅的周期值。

表1 事件參數(shù)

圖2 TCH臺(tái)三分向地震波記錄Fig.2 Three component waveforms record at TCH station

從圖2可以看出，火山噴發(fā)的垂直向P波初至比天然地震更加清晰與尖銳；火山噴發(fā)地震波垂直向比水平向最大振幅大、能量強(qiáng)，而天然地震水平向比垂直向最大振幅大、三分向地震波能量較均衡；雖然火山噴發(fā)比天然地震的面波最大振幅小、周期小，但面波波列的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、衰減慢。

為更清楚地了解火山噴發(fā)地震波頻率域特征，分別對(duì)以上兩條三分向地震波進(jìn)行時(shí)頻分析，得到火山噴發(fā)和天然地震的地震波時(shí)頻分布及頻譜曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖可見(jiàn)，火山噴發(fā)比天然地震整個(gè)波列的頻率范圍大、主頻低。

圖3 火山噴發(fā)與天然地震的地震波時(shí)頻分析Fig.3 Seismic wave time-frequency analysis of volcanic eruption and earthquake

2 面波震級(jí)

2.1 測(cè)定方法

面波震級(jí)MS是用面波測(cè)定的一種震級(jí)標(biāo)度，采用中長(zhǎng)周期地震儀記錄的地震波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)最大值進(jìn)行測(cè)定[3-5]。我國(guó)在1966-01以后采用郭履燦等[6]提出的以北京白家疃地震臺(tái)為基準(zhǔn)的面波震級(jí)公式，并一直沿用至今。由于受我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)孔徑限制，在測(cè)定面波震級(jí)時(shí)均使用震中距為 130°以內(nèi)的臺(tái)站數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：

MS=lg(A/T)max+σ(Δ)，

(1°<Δ<130°)

(1)

對(duì)于較小的地震事件，遠(yuǎn)距離觀測(cè)資料信噪比較低，難以收集按方位角均勻分布的面波資料，從而無(wú)法有效消除輻射花樣和臺(tái)基的影響。利用區(qū)域事件可以對(duì)地震臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行面波震級(jí)測(cè)量的量規(guī)處理，獲取臺(tái)基校正值，從而有效壓制網(wǎng)內(nèi)地震事件輻射花樣的影響。設(shè)地震臺(tái)網(wǎng)由L個(gè)臺(tái)站構(gòu)成，可利用N個(gè)量規(guī)事件，根據(jù)垂直分向面波資料，利用式(1)計(jì)算每個(gè)事件的面波震級(jí)。對(duì)每個(gè)臺(tái)站求取臺(tái)基校正值：

ΔMS(i)=

(2)

式中，m

2.2 湯加火山噴發(fā)面波震級(jí)測(cè)定

首先將湯加火山噴發(fā)事件原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去儀器響應(yīng)與濾波預(yù)處理，使用區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)MSDP處理軟件人工拾取P、S波震相到時(shí)，然后將70個(gè)臺(tái)站的速度記錄仿真成位移記錄進(jìn)行最大面波振幅與周期標(biāo)注[7]，最后使用AK135全球速度模型進(jìn)行地震基本參數(shù)測(cè)算，得到本次火山噴發(fā)70個(gè)臺(tái)站校正前的面波震級(jí)值(表2)。將表1中20個(gè)區(qū)域內(nèi)地震事件速度記錄仿真成地動(dòng)位移記錄，測(cè)量垂直向面波最大振幅，計(jì)算各臺(tái)站面波震級(jí)M臺(tái)，并與國(guó)家臺(tái)網(wǎng)中心編目震級(jí)M進(jìn)行比較，得到每個(gè)臺(tái)站的震級(jí)校正值M臺(tái)-M。將70個(gè)臺(tái)站的震級(jí)校正值繪制成面波震級(jí)校正值柱狀圖(圖4(a))。

表2為70個(gè)臺(tái)站校正前后測(cè)定的湯加火山噴發(fā)面波震級(jí)，由表可知，湯加火山噴發(fā)事件面波震級(jí)為MS5.674。依據(jù)表2結(jié)果繪制本次湯加火山噴發(fā)面波震級(jí)柱狀圖(圖4(b))。

3 地震波輻射能量與能量震級(jí)

3.1 測(cè)定方法

彈性波釋放的能量與地面運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，假設(shè)地震為點(diǎn)源，震源周圍為均勻介質(zhì)，則可利用遠(yuǎn)震 P 波的垂直向記錄測(cè)定地震能量[8]：

(3)

ES-MS的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：

lgES=1.5MS+4.4

(4)

能量震級(jí)Me定義為：

(5)

3.2 湯加火山噴發(fā)的地震波輻射能量估算

基于表2中70個(gè)寬頻帶測(cè)震臺(tái)站測(cè)定的面波震級(jí)MS，利用式(4)和式(5)分別得到湯加火山噴發(fā)每個(gè)臺(tái)站的地震波輻射能量與能量震級(jí)，然后將70個(gè)臺(tái)站測(cè)算的結(jié)果求均值得到湯加火山噴發(fā)的地震波輻射能量ES與能量震級(jí)Me。

圖5為70個(gè)寬頻帶臺(tái)站測(cè)算的本次湯加火山噴發(fā)的地震波輻射能量與能量震級(jí)圖。由圖可知，本次火山噴發(fā)的地震波輻射能量為8.155×1012J，能量震級(jí)為Me5.704。

4 與其他機(jī)構(gòu)結(jié)果對(duì)比

將本文測(cè)定結(jié)果與USGS和GFZ等國(guó)際機(jī)構(gòu)發(fā)布的結(jié)果(表3)進(jìn)行比較。

表2 70個(gè)臺(tái)站測(cè)算的湯加火山噴發(fā)震級(jí)參數(shù)

圖4 湯加火山噴發(fā)的面波震級(jí)柱狀圖Fig.4 Surface wave magnitude of Tonga volcanic eruption

圖5 湯加火山噴發(fā)的地震波輻射能量與能量震級(jí)Fig.5 Radiation energy and magnitude of seismic wave emitted by Tonga volcano

表3 湯加火山噴發(fā)事件國(guó)際地震機(jī)構(gòu)測(cè)定的地震基本參數(shù)

從表3可以看出，本文所得面波震級(jí)MS5.674比USGS結(jié)果小0.126，比GFZ結(jié)果小0.026。為進(jìn)一步查找本文測(cè)定震級(jí)偏小的原因，將表2中70個(gè)臺(tái)站測(cè)定的震級(jí)結(jié)果與USGS和GFZ結(jié)果進(jìn)行震級(jí)偏差計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)不同震級(jí)偏差范圍的臺(tái)站數(shù)量，繪制震級(jí)偏差柱狀圖(圖6)。由圖可見(jiàn)，90%臺(tái)站測(cè)定的震級(jí)小于USGS結(jié)果。主要原因?yàn)樯綎|地震臺(tái)網(wǎng)為區(qū)域臺(tái)網(wǎng)，臺(tái)網(wǎng)孔徑較小，臺(tái)站位置比較集中，而USGS使用全球臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)，臺(tái)站方位分布相對(duì)比較均衡。同時(shí)，地震多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致某一方位的震動(dòng)減弱[9]，這也可能是本文測(cè)定震級(jí)偏小的原因之一。

圖6 本文與國(guó)際機(jī)構(gòu)測(cè)定湯加火山噴發(fā)面波震級(jí)差值統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of surface wave magnitude difference measured by this paper and international seismic agency

綜上可知，本文使用山東地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站測(cè)定湯加火山噴發(fā)的面波震級(jí)比較準(zhǔn)確可靠，可以在今后地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)火山噴發(fā)的地震參數(shù)工作中參考與使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文是對(duì)火山噴發(fā)地震學(xué)震級(jí)測(cè)定的首次嘗試。通過(guò)對(duì)山東地震臺(tái)網(wǎng)70個(gè)寬頻帶測(cè)震臺(tái)站記錄的2022-01-15湯加火山噴發(fā)原始地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與仿真預(yù)處理，經(jīng)過(guò)面波震級(jí)的臺(tái)基校正，給出該次火山噴發(fā)的地震學(xué)震級(jí)與地震波輻射能量。主要得到以下結(jié)論：

1)本文計(jì)算的湯加火山噴發(fā)面波震級(jí)為MS5.674、能量震級(jí)為Me5.704，與GFZ測(cè)定震級(jí)基本一致，比USGS測(cè)定震級(jí)偏小0.126。臺(tái)網(wǎng)孔徑較小、臺(tái)站位置比較集中和地震多普勒效應(yīng)可能是本文測(cè)量震級(jí)偏小的原因。

2)本次湯加火山爆炸指數(shù)(VEI)為5級(jí)[10-11]，火山噴發(fā)猛烈，但本文測(cè)定的地震波輻射能量?jī)H為8.155×1012J，可見(jiàn)該次火山噴發(fā)以地震波輻射方式釋放的能量較少。其主要原因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)時(shí)，絕大部分能量是以沖擊波的形式穿過(guò)大氣層迅速釋放到空中[12]，這種能量的快速釋放會(huì)抑制深部應(yīng)力的擠壓與拉伸。

3)本次火山噴發(fā)的地震波與類似震級(jí)、類似震中距的淺源地震相比，具有垂直向P波初動(dòng)尖銳、面波衰減速度慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、頻率范圍大、主頻低等特點(diǎn)。

致謝：感謝中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心梁建宏研究員和山東省地震局崔鑫博士對(duì)本文研究給予的指導(dǎo)與幫助。