海拉爾地震臺面波震級偏差分析

吳 桐 王 西 堵偉鵬 周金玲 金志輝 鄒鑫慈 丁修毅 王 怡 申 影

1）中國內蒙古自治區 021000 海拉爾地震監測中心站

2）中國內蒙古自治區 026000 錫林浩特地震監測中心站

0 引言

震級是表示地震本身大小的一個量，是地震的基本參數之一（劉瑞豐等，2014）。根據震級可以近似地得到其他震源參數；對于淺源地震，震級越大，地震所造成的災害越嚴重，所以震級是地震應急、地震救援、災害損失評估等工作中的重要參數（劉瑞豐等，2014）。因此，準確測定震級是一項意義重大的基礎性工作（劉瑞豐等，2014）。在臺站日常數據處理中發現，臺站測定的面波震級與中國地震臺網中心發布的震級之間存在一定的偏差。臺基、震源、地質構造等差異會造成震級的測定存在偏差（劉瑞豐等，2011；劉芳等，2016；李曉東等，2017；郭延杰等，2020）。因此，選取全球734個MS≥5.5且波形清晰的地震事件，對其進行分析，探究導致海拉爾地震臺面波震級偏差的原因，以期為海拉爾地震臺準確測定震級提供參考依據，進一步提高單臺地震定位的精度。

1 臺站信息與資料選取

海拉爾地震臺位于內蒙古自治區東部呼倫貝爾市海拉爾區的西北郊，地處海拉爾盆地與大興安嶺接壤地帶。為了加強對德爾布干斷裂帶、海拉爾河斷陷盆地、嫩江斷裂帶地震活動的監測，彌補我國東北西部地區地震臺網監測能力的不足，1974 年開始建設海拉爾地震臺，1978 年1 月起該臺正式投入地震觀測。巖性屬中生代侏羅紀安山巖，臺站代碼為HLR，屬國家基本臺。臺站使用BBVS-120 型寬頻帶三分項地震計和EDAS-24IP 型地震數據通信采集器。地震計安裝在觀測山洞中，山洞總長85 m，面積242.5 m2，覆蓋層厚23 m。選取海拉爾地震臺2017 年8 月1 日至2021 年12 月31 日記錄到的全球MS≥5.5 且波形清晰的734 個地震事件。

2 方法

2.1 面波的測定

海拉爾地震臺使用MSDP 地震分析處理軟件，將數字地震波形仿真成中長周期和長周期，依次量取NS 向、EW 向、垂直向最大振幅及對應周期，得到面波震級（趙瑞等，2017）。依據GB 17740—2017《地震震級的規定》（劉瑞豐等，2017）可知面波震級計算方法如下：

（1）使用基式（SK）中長周期地震儀記錄面波質點運動最大速度，計算公式為

式中，A為兩水平向面波地動位移的矢量和；T為相應的周期；Δ為震中距。

（2）使用763 型長周期地震儀記錄，以垂向瑞利波質點運動最大速度測定震級，計算公式為

式中，A為垂直向瑞利波質點運動最大速度對應的位移值；T為相應的周期；Δ為震中距；σ763(Δ)為量規函數。

使用763 型長周期地震儀記錄確定的面波震級MS7與世界標準臺網WWSSN 的震級結果基本一致（劉瑞豐等，2006），故使用MS7震級數據。下文直接用MS表示。

2.2 偏差分析

對選取的734 個地震事件進行處理，將臺站測定的面波震級與中國地震臺網中心正式目錄的面波震級進行偏差分析。

對每一個地震事件計算面波震級偏差

取面波震級平均偏差

再取面波震級標準偏差

式中，MSi(CENC)為中國地震臺網中心正式目錄中第i個地震事件的面波震級；MSi(HLR)為海拉爾地震臺測定的第i個地震事件的面波震級；ΔMSi為第i個地震事件的面波震級偏差；為面波震級平均偏差；s為面波震級標準偏差；n為地震事件數。

3 偏差計算

利用式（3）—（5）計算得到，面波震級平均偏差為-0.404 9，面波震級標準偏差為-0.377 7，說明MS(HLR)與MS(CENC)之間存在一定的偏差且偏差較大，MS(HLR)較MS(CENC)偏小0.4 級。

統計不同震級偏差與對應出現的地震事件次數之間的關系，列出震級偏差與頻次、平均震源深度表（表1）。

表1 震級偏差與頻次、平均震源深度Table 1 Statistical table of magnitude deviation,frequency and average focal depth

4 偏差分析

4.1 面波震級平均偏差與震級間的關系

根據震級的不同，將734 個地震事件劃分為5.5—5.9 級、6.0—6.9 級、7.0—7.9 級、8.0 級以上等4 種類型，分別統計每種類型的地震數并計算平均震級偏差（表2）。由表2 可知，海拉爾地震臺測定的面波震級較中國地震臺網中心正式目錄的面波震級均偏小，5.5—5.9 級地震面波震級偏小約0.4 級，6.0—7.9 級地震偏小約0.3 級，8.0 級以上地震偏小約0.2 級。

表2 不同震級地震的面波震級平均偏差情況Table 2 Deviation of surface wave magnitude for different magnitudes

4.2 面波震級平均偏差與震源深度間的關系

震源深度小于60 km的地震被稱為淺源地震，全球有80%左右的天然地震是淺源地震；震源深度大于300 km 的地震被稱為深源地震；震源深度為60—300 km 的地震被稱為中深源地震（中國地震局監測預報司，2017）。

根據震級偏差的不同，對734 個地震事件分別計算相同震級偏差下地震事件的平均震源深度（表1）。另根據震源深度的不同，將734 個地震事件分為h＞300 km、60 km ≤h≤300 km、h＜60 km 等3 種類型，分別統計每種類型的地震數并計算平均震級偏差（表3）。結合表1、3 可知，震源越深，海拉爾地震臺測定的面波震級與中國地震臺網中心正式目錄的面波震級偏差越大，且均偏小。當震級偏差絕對值大于0.7 時，對應的地震事件平均震源深度也基本大于60 km。在本文所研究的地震事件中，有83.79%為淺源地震，且面波震級平均偏差為-0.3 級。

4.3 面波震級偏差與震中距間的關系

根據震中距的不同，將734 個地震事件劃分為Δ＜10°、10°≤Δ＜30°、30°≤Δ＜60°、60°≤Δ＜105°、105°≤Δ＜130°、Δ≥130°等6 種類型，分別統計每種類型地震數并計算平均震級偏差（表4）。已知Δ＜10°的地震為近震，近震震級通常不用面波震級MS來描述，因此對2 個Δ＜10°的地震事件不作分析；Δ≥105°的地震為極遠震，但式（1）適用范圍為1°＜Δ＜130°，式（2）適用范圍為3°＜Δ＜177°，因此在根據震中距劃分地震事件類型時，將極遠震分成105°≤Δ＜130°、Δ≥130°等2 種類型進行討論。由表4 可知，海拉爾地震臺測定的面波震級較中國地震臺網中心正式目錄的面波震級均偏小。大部分地震事件震中距為[30°，60°）、[60°，105°）兩個區間，個數分別為252、235，且地震面波震級均偏小約0.4 級；震中距為[10，30）、[105，130）兩個區間的地震面波震級均偏小約0.3 級；而極遠震中Δ≥130 的地震面波震級偏小約0.4 級。

表4 不同震中距的面波震級偏差情況Table 4 Deviation of surface wave magnitude with different epicenter distances

4.4 面波震級偏差與方位角間的關系

以海拉爾地震臺為坐標原點，選取正北、正東方向為坐標軸，將所選擇的734 個地震事件根據方位角的不同，劃分在東北、東南、西南、西北等4 個象限內，分別統計每個象限的地震數并計算每個象限地震的平均震級偏差（表5）。由表5 可知，海拉爾地震臺測定的面波震級與中國地震臺網中心正式目錄的面波震級相比偏小。超50%的地震事件發生在海拉爾地震臺的東南方向，該方位地震的震級偏差最大，為-0.47 級；其他方位地震的震級偏差絕對值為0.2—0.3。

表5 不同方位的面波震級偏差情況Table 5 Deviation of surface wave magnitude in different directions

4.5 面波震級偏差與地區間的關系

由表5 可知，海拉爾地震臺東南方向的地震事件占比較高且震級偏差較大，因此選取東南方向地震發生頻次較高的地區進行進一步分析（表6），并利用板塊分布圖對海拉爾地震臺東南方向地震的震級偏差與地區間的關系進行說明（圖1）。

圖1 海拉爾地震臺東南方向地震震級偏差與地區間關系示意圖Fig.1 Map of the southeast magnitude deviation and its regional relationship at the Hailar District seismic station

表6 東南方向不同地區的面波震級偏差情況Table 6 Deviation of surface wave magnitude in different regions in southeast direction

結合表6 與圖1 可知，在海拉爾地震臺東南方向內發生的地震事件中，位于東偏南45°內的地區，震中距為30°≤Δ＜130°的地震震級偏差較小，如美國加利福尼亞州及其附近地區和墨西哥及其附近地區（圖中③區），約為-0.28 級；震中距Δ≥130°的地震震級偏差與平均偏差相近，如智利及其附近地區（圖中④區），約為-0.46 級。而位于南偏東45°內的地區，震中距為30°≤Δ＜130°的地震震級偏差較大，如瓦努阿圖群島、所羅門群島及其附近地區與印度尼西亞及其附近地區（圖中②區）約為-0.61 級。對于震中距為20°左右的地震震級偏差較小，如日本及其附近地區（圖中①區），約為-0.28 級。

5 面波震級MS 與矩震級MW 間偏差分析

由不同震級標度測定的是特定頻段的地震波振幅，當震級大到一定級別時，測定的最大振幅不再增加，這使測得的地震震級不再隨地震的增大而增大，該現象被稱為震級飽和（陳運泰等，2018）。為了解決此問題，基于地震矩與面波震級間的關系，Kanamori（1977）提出矩震級的概念，Hanks 等（1979）給出矩震級定義式

式中，M0為地震矩，單位dyne·cm（沙海軍等，2018）。

現將海拉爾地震臺測定的面波震級MS(HLR)與美國地質調查局（USGS）官網發布的地震矩震級MW(USGS)進行偏差分析。計算MS(HLR)-MW(USGS)，得到震級的平均偏差為-0.429 2，震級偏差的標準差為s′=0.387 1 。結合平均偏差與標準偏差，可以說明MS(HLR)與MW(USGS)之間也存在一定的偏差且偏差較大，MS(HLR)較MW(USGS)相比偏小0.43 級。

同時，對臺網中心正式目錄的面波震級MS(CENC)與美國地質勘探局官網發布的地震矩震級MW(USGS)之間相比較，計算MS(CENC)-MW(USGS)，得到震級平均偏差為-0.028 25?？梢钥闯龆唛g差距較小，基本一致。而臺站測定的面波震級分別與臺網中心正式目錄的面波震級和美國地質勘探局官網發布的地震矩震級相比，平均偏差均較大，分別為-0.404 9、-0.429 2；標準差分別為-0.377 7、-0.387 1。故海拉爾地震臺面波震級偏差較大，較MS(CENC)與MW(USGS)均偏小0.4 級左右。

6 結論

（1）海拉爾地震臺測定的地震面波震級偏差較大，比中國地震臺網中心正式目錄的面波震級平均小0.4 級，比美國地質調查局官網發布的矩震級平均小0.43 級。

（2）將海拉爾地震臺測定的面波震級與中國地震臺網中心正式目錄的面波震級相比，通過偏差分析計算可知：①震級與面波震級偏差之間為反相關，即震級越大，偏差越小。8.0 級以上的地震震級偏差為-0.20 級，而大部分地震分布在5.5—6.9 級，該范圍內震級偏差為-0.40 級，與海拉爾地震臺測定的面波震級平均偏差相符。②震源深度與面波震級偏差之間為正相關，即震源越深，偏差越大。而大部分地震為淺源地震，偏差為-0.30 級。③震中距與面波震級偏差之間存在一定的關系，即震中距范圍在[10°，30°）、[105°，130°）間的地震面波震級偏差較小，為-0.30 級，在其他范圍內偏差為-0.40 級，與海拉爾地震臺測定的面波震級平均偏差相符。④方位角與面波震級偏差之間存在一定的關系，即方位角位于東南方向時，面波震級偏差最大，為-0.47 級；方位角位于西北方向時，面波震級偏差最小，為-0.20 級。⑤對發生在海拉爾地震臺東南方向的地震事件按地區分析時發現，對于發生在日本地區、美國加州地區和墨西哥地區的地震，面波震級偏差較小，為-0.30 級；而對于發生在澳大利亞板塊與太平洋板塊碰撞地帶的地震，如瓦努阿圖群島、所羅門群島及其附近地區與印度尼西亞及其附近地區，面波震級偏差較大，為-0.61 級。