四川測震臺網(wǎng)ML 震級特征研究

黃春梅，羅 勇，魏婭玲，王宇航

（四川省地震局，四川 成都 610041）

震級是表征地震強(qiáng)弱的量度，是地震的基本參數(shù)之一。一個(gè)既準(zhǔn)確又統(tǒng)一的震級值無論是在地震日常工作還是在研究工作中均顯得尤其重要。常用的震級標(biāo)度有ML——地方性震級、MS——面波震級、MS（BB）——寬頻帶面波震級、mb或mB——體波震級、mB（BB）——寬頻帶體波震級和MW——矩震級（陳章立等，2014；劉瑞豐等，2017）。ML震級是區(qū)域地震臺網(wǎng)日常工作中測定的主要震級。Richter（1935）提出了ML震級標(biāo)度，其所使用的地震儀器是當(dāng)時(shí)在南加州普遍使用的伍德-安德森扭力地震儀，儀器常數(shù)為：周期為0.8 s，阻尼系數(shù)為0.8，放大率為2 800，并定義伍德-安德森標(biāo)準(zhǔn)地震儀在100 km 處記錄到的兩水平分向最大振幅的算術(shù)平均值是1 μm 的地震為零級地震，這為地震震級的測量提供了基礎(chǔ)。最初的地方性震級公式只適用于美國加利福尼亞地區(qū)（Richter，1958），且使用的儀器是伍德-安德森短周期地震儀，這顯然存在一定的局限性。隨后世界各地逐步建立了符合本區(qū)域特征的ML震級標(biāo)度。1959 年，在里克特震級的基礎(chǔ)上，李善邦（1981）將里克特的地方性震級公式寫成了一般形式，建立了我國的地方性震級起算函數(shù)，即R1（Δ）和R2（Δ），將震中距拓展到1 000 km。

四川省地形起伏大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鮮水河、龍門山及安寧河—?jiǎng)t木河三條斷裂帶形成“Y”字形的構(gòu)造帶。四川盆地位于龍門山斷裂帶東側(cè)，屬于比較穩(wěn)定的揚(yáng)子地塊，其地殼物質(zhì)較堅(jiān)硬，呈現(xiàn)介質(zhì)品質(zhì)因子高（低衰減系數(shù)），且盆地表層松軟沉積層對入射波有放大作用；川西高原地區(qū)呈現(xiàn)介質(zhì)品質(zhì)因子低（高衰減系數(shù)）；攀西地區(qū)表現(xiàn)出介質(zhì)品質(zhì)因子低（較高衰減系數(shù)）（吳微微等，2016）。由于儀器記錄波形會受到震源特性、地震波的傳播路徑、接收臺站和地震儀器以及人為因素的影響，故在日常的地震速報(bào)、編目工作中，不同臺站測定同一地震的ML震級會出現(xiàn)離散程度很高的現(xiàn)象，個(gè)別臺站震級偏差甚至達(dá)到1.0。由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和不均勻性使地震波通過地殼后變得非常復(fù)雜，為了避免地震震源特性、地震波傳播路徑、臺站方位等因素對震級測定的影響，在進(jìn)行震級和量規(guī)函數(shù)研究時(shí)必須用大量的震級數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（陳培善等，1983）。臺網(wǎng)數(shù)字化以來，隨著臺網(wǎng)不斷加密，四川地區(qū)地震監(jiān)測能力不斷提升，全省監(jiān)測能力達(dá)到ML1.6。近10 年四川大震頻發(fā)，積累了大量的數(shù)字地震觀測資料，僅2013—2021 年四川數(shù)字地震臺網(wǎng)就提交了近40 萬次地震的數(shù)字觀測報(bào)告，為分析研究四川臺網(wǎng)ML震級特征提供了有利的條件。本研究利用2013—2022 年四川測震臺網(wǎng)10 年間記錄到四川及周邊地區(qū)2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震事件的觀測資料，基于震級殘差統(tǒng)計(jì)方法得到59 個(gè)區(qū)域臺的ML單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差、各單臺記錄地震的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，總結(jié)四川測震臺網(wǎng)ML震級單臺震級偏差分布特征，并分析其產(chǎn)生的原因，為臺網(wǎng)日常工作中震級測定提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

目前，四川測震臺網(wǎng)接入臺站近200 個(gè)，包括有區(qū)域臺、地方臺、企業(yè)臺、流動(dòng)臺，其中59 個(gè)區(qū)域臺均采用寬頻帶地震計(jì)。本研究篩選出2013—2022 年四川測震臺網(wǎng)59 個(gè)區(qū)域記錄到四川及鄰區(qū)2.0 ≤ML≤5.5的36 693 次地震事件的觀測波形資料，進(jìn)行單臺ML震級偏差統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)臺站和地震震中分布見圖1。所選的地震事件觀測資料均由廣東省地震局開發(fā)的 MSDP 交互處理軟件人工分析產(chǎn)出，計(jì)算ML震級是將各臺速度記錄進(jìn)行W.A 仿真成位移記錄后量取兩水平向的最大幅值，利用我國地方性震級公式計(jì)算單臺震級，然后計(jì)算出多臺震級平均值。目前我國地震臺網(wǎng)在計(jì)算ML震級時(shí)使用的仍是李善邦（1981）結(jié)合華北地區(qū)地震波衰減規(guī)律修改后的量規(guī)函數(shù)，即R2（Δ）。對第j 個(gè)臺站，按地方性震級公式求得第 i 個(gè)地震的單臺震級（Mij），然后對記錄到第 i 個(gè)地震的N 個(gè)子臺求平均值得到臺網(wǎng)平均震級和標(biāo)準(zhǔn)偏差（郭履燦等，1986；陳運(yùn)泰等，2004）。

圖1 研究區(qū)地震震中及臺站分布

2 計(jì)算結(jié)果及分析

對四川測震臺網(wǎng) 59 個(gè)區(qū)域臺站10 年期間記錄的2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震共255 253 個(gè)單臺震級樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，采用殘差統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算得到單臺震級偏差和各區(qū)域臺站記錄地震的平均偏差以及標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 單臺震級偏差統(tǒng)計(jì)

2.1 單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差比較

對所有樣本進(jìn)行單臺震級與平均震級偏差值統(tǒng)計(jì)（圖2），由該圖可知，震級偏差值基本呈正態(tài)分布，相對集中于 -0.5～0.5。255 253 個(gè)單臺震級樣本中，單臺震級偏差（絕對值）≤0.2 的有 134 486 次，占52.7%；0.2 ＜單臺震級偏差（絕對值）≤0.5 的有94 028 次，占36.8%；0.5 ＜單臺震級偏差（絕對值）≤1.0 的有25 926 次，占10.2%；單臺震級偏差（絕對值）＞1.0 的有813 次，占 0.3%。

圖2 震級偏差統(tǒng)計(jì)直方圖

計(jì)算各區(qū)域臺站記錄所有地震單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果見表1。59 個(gè)區(qū)域臺均存在震級偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍在0.19～0.33，平均偏差范圍在 -0.41～0.54 之間。59 個(gè)臺站中有49個(gè)臺站的震級平均偏差（絕對值）＜0.3，占 83.1%；REG、JZG、SMI、YJI、MEK 這5 個(gè)臺的震級偏差＜-0.3，較臺網(wǎng)平均震級明顯偏小。HMS、EMS、BZH、HLI、MNI、JJS 這6 個(gè)臺的震級偏差＞0.3，較臺網(wǎng)平均震級明顯偏大。從圖3 可以看出，四川區(qū)域臺站ML震級偏差與地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在明顯的相關(guān)性，ML震級沿龍門山斷裂帶兩側(cè)分區(qū)特征明顯，呈現(xiàn)“東高西低”特征。ML震級偏小明顯的臺站分布在龍門山斷裂帶西側(cè)的川西高原地區(qū)（如：REG、JZG、YJI、MEK 4 個(gè)臺），最大平均偏差為-0.41，這種偏差一方面是由于川西高原地區(qū)構(gòu)造活躍且裂隙發(fā)育，在研究中表現(xiàn)為較低的品質(zhì)因子，地震波傳播至該區(qū)域能量衰減明顯（馬宏生等，2007；趙翠萍等，2011）；另一方面由于地殼軟流層的存在，使得川西高原臺站記錄波形呈現(xiàn)“弱S”現(xiàn)象，用這種弱S 波形測定的ML震級較其他臺站的偏低（何韜等，2013）；ML震級偏大明顯的臺站主要分布在龍門山斷裂帶東側(cè)的四川盆地（如：HMS 、BZH、EMS、JJS 4 個(gè)臺），最大平均偏差為0.54，這種偏差可能是來源于四川盆地松軟土層的放大效應(yīng)和臺基場地影響，且四川盆地是構(gòu)造穩(wěn)定的揚(yáng)子地塊，在研究中表現(xiàn)為較高的介質(zhì)品質(zhì)因子（吳微微，2016）。

圖3 單臺ML 震級平均偏差的平面分布

2.2 單臺震級偏差值隨震中距的變化

為了研究單臺震級偏差值隨震中距（Δ）的變化規(guī)律，將單臺震級偏差數(shù)據(jù)以10 km 間隔求其平均偏差值（），在 0～500 km 范圍內(nèi)，分為 50 個(gè)間隔。式（1）中，k 為間隔序數(shù)，n 為間隔范圍內(nèi)震級偏差樣本數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表2。

震級殘差主要是由量規(guī)函數(shù)、臺基效應(yīng)和地震波輻射的方向性差異等因素造成的。如果量規(guī)函數(shù)正確、不考慮臺基效應(yīng)且對大量地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，地震波輻射的方向性差異的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)為0，則震級偏差隨震中距的變化應(yīng)在零線附近擺動(dòng)。通過式（1）對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，得到震級殘差隨震中距的變化關(guān)系。四川地區(qū)ML震級偏差隨震中距的變化曲線如圖4，震中距＜150 km 時(shí)測定的ML震級較臺網(wǎng)平均震級偏小，震中距≥200 km 時(shí)測定的ML震級較臺網(wǎng)平均震級偏大。在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不考慮臺基效應(yīng)時(shí)，當(dāng)＞0 說明使用的量規(guī)函數(shù)值偏大，需對原量規(guī)函數(shù)進(jìn)行負(fù)校正；當(dāng)，說明使用的量規(guī)函數(shù)值偏小進(jìn)而需對原量規(guī)函數(shù)進(jìn)行正校正。當(dāng)震中距＜150 km 時(shí)，單臺與平均震級的平均偏差值＜0，尤其是震中距在20～30 km 時(shí)，單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差平均值＜- 0.2，說明此震中距范圍內(nèi)量規(guī)函數(shù)明顯偏小；當(dāng)震中距在 160～360 km 和390～470 km 時(shí)，震級偏差平均值在0.05～0.2，表明此震中距范圍量規(guī)函數(shù)偏大。

圖4 ML 震級偏差隨震中距的變化

3 結(jié)論

本研究利用2013—2022 年四川測震臺網(wǎng)記錄到四川及周邊地區(qū)2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震事件的觀測資料，基于震級殘差統(tǒng)計(jì)方法得到59 個(gè)區(qū)域臺站的單臺ML震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差、各單臺記錄地震的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，分析四川測震臺網(wǎng)ML震級與單臺震級偏差特征，得出結(jié)論：（1）由255 253 個(gè)單臺震級樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，ML震級偏差值基本呈正態(tài)分布，相對集中于 -0.5～0.5，單臺ML震級偏差（絕對值）≤0.2 的樣本數(shù)大于總樣本數(shù)的50%。（2）計(jì)算59 個(gè)區(qū)域臺站記錄ML地震的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.19～0.33，平均偏差為 -0.41～0.54 。有49 個(gè)臺站的震級平均偏差（絕對值）＜0.3，占總樣本數(shù)的83.1%。（3）從ML震級偏差平面分布來看，四川區(qū)域臺站ML震級偏差與地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在明顯的相關(guān)性。ML震級偏差沿龍門山斷裂帶兩側(cè)分區(qū)特征明顯，呈現(xiàn)“東高西低”的特征。川西高原地區(qū)ML震級偏小的因素是該地區(qū)介質(zhì)表現(xiàn)為較低的品質(zhì)因子和該區(qū)域臺站記錄波形呈現(xiàn)“弱S”。四川盆地臺站ML震級偏大的因素是該區(qū)域松軟土層的放大效應(yīng)和構(gòu)造穩(wěn)定的揚(yáng)子地塊介質(zhì)高品質(zhì)因子引起的。（4）根據(jù)四川地區(qū)ML震級偏差隨震中距的變化曲線可知，震中距＜150 km 的臺站測定ML震級較臺網(wǎng)平均震級偏小，震中距≥200 km的臺站測定ML震級較臺網(wǎng)平均震級偏大。因此，在日常速報(bào)工作中測定ML震級時(shí)，不能只用震中距＜150 km 的臺站，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充震中距≥200 km 的臺站，從而保證震級測定的穩(wěn)定性。