内蒙古中西部地区台站震级偏差和近震量规函数研究

张 帆，刘 芳，张 晖，赵艳红，刘永梅

内蒙古中西部地区台站震级偏差和近震量规函数研究

张 帆，刘 芳，张 晖，赵艳红，刘永梅

（内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010051）

采用2008年至2015 年11月内蒙古中西部和邻近区域43个台站所记录的内蒙古中西部地区2327次地震事件，统计各台站单台震级与台网平均震级的偏差、平均偏差和标准偏差。震级偏差随着震中距的变化呈递增趋势，在震中距范围0～150 km内，偏差值小于0；在震中距范围150～500 km内，偏差值大于0。使用台站震级偏差结果对台站记录震级修正后，统计台站记录震级随震中距的变化，对量规函数进行修正。

地震台网; 内蒙古中西部; 量规函数; 震级偏差

0 引言

震级是表征地震强弱的量度，是衡量地震本身大小的一个量，是诸多研究中需要的重要参数之一。震级的计算不但要准确,而且要有统一的标度，震级的测定一直是地震学家研究的重要课题[1]。震源、介质的地区性差异、接收地点台站和仪器等是影响近震震级ML的因素。量规函数是在不同震中距观测点上用质点运动位移最大振幅及相应周期，或质点运动速度最大幅值测定震级时，对地震波随距离衰减的校正值，以补偿振幅随距离和深度变化的衰减。地震波通过的介质有地区性差异或有特殊构造，使得各个地区的震级量规函数应有所不同，因此，量规函数是影响震级测定精度的重要因素。

不同地质、地震单元之间存在着不同程度的差异，多年来的实际观测和研究表明，目前使用的近震量规函数尚不能充分反映我国地壳的地区性差异，对同一地震在观测仪器一样、台基条件相似的条件下求出的震级相差较大，使得各地区测定的相同震级值的地震不能等价比较，对于区域特征差异十分明显的区域，应当采用反映本地区特征的区域量规函数。

1980年以来，针对我国近震震级测定中量规函数存在的问题，地震工作者开展了大量研究，陈培善等获得了我国不同地质、地震单元之间存在着不同程度的差异的研究结果[2]；严尊国开展了震级残差统计分析和近震最大震相平均衰减形态等方面的研究，确立了我国东部地区和西部等地区的中国近震震级量规函数[3-6]；秦嘉政等研究了不同仪器以及地震波的区域性衰减特征对测定ML的影响[7]；彭美凤、张诚对闽台地区和西北地区量规函数进行了分析[8-9]；黄纬琼对近震衰减特征的地区差异及近震震级进行了估算[10]；薛志照研究了近震震级ML量规函数和台站校正值[11]；高国英利用统计的方法得到了新疆地区的区域量规函数[12]；樊星等对内蒙古中西部地区ML近震震级系统进行了初步研究[13]；赵明淳等、孟晓琴等以及项月文等分析对河北、山西和江西数字地震台网在测定震级和量规函数关系方面进行了研究，取得了很好的效果[14-16]。

2008年内蒙古数字化网络建成后，已积累了丰富的数据资料，在地震定位实测中发现同一事件不同子台测定的震级存在偏差。本文侧重研究量规函数对内蒙古数字地震台网震级测定的影响，基于震级残差统计分析方法[17-18]，采用2008年以来内蒙古及邻省地震台网震相数据，对内蒙古中西部43个子台震级偏差进行定量的统计分析，研究其产生偏差的原因，修正并确立内蒙古中西部地区区域近震震级量规函数，提高内蒙古测震台网测定震级的质量。

1 资料选取

“十五”数字化建成以来，内蒙古测震台网由81个数字台站（区内39个、邻省42个）组成了数字化监测网络，且覆盖了内蒙古的大部分地区，为提高震级的测定精度提供了坚实的数据基础。

使用内蒙古测震台网记录到了2008年10月—2015年11月内蒙古中西部及边境线30 km以内的2327次地震事件（图1），并对每一次地震记录进行了认真的分析、处理（表1）。测定近震震级时，采用MSDP定位软件，选用参与定位的4个台以上的资料，为了避免在速度记录上测定近震震级容易造成周期值读取的不稳定，进行WA仿真，量取两水平向最大位移值，使得周期值得到了很好的约束，基本消除了周期测定对震级计算造成的偏差。根据近震震级计算公式求取各子台震级值，由多台震级平均值得到台网震级值。基于震级残差统计方法，得到台网多台震级平均值，重新修定近震震级的量规函数。

图1 2008年10月—2015年11月2327次地震和43个子台分布图Fig.1 Distribution maps of 2327 earthquakes and 43 sub stations from Oct. 2008 to Nov. 2015

表1 地震数据统计表

2 量规函数计算方法

依据中国近震震级标度（GB 17740-1999），本文在遵循新修定的量规函数测定的近震震级和原测定值之间不存在系统偏差原则的基础上，建立符合内蒙古中西部地区特征的量规函数。根据《测震台网运行管理细则》（2015）中震测函[2015]115号，所有的数字记录均仿真成短周期地震仪（WA）后，在位移记录上量取两水平向最大位移值，最后采用如下公式来计算近震震级。

式中： Aμ为水平分向记录的最大地动位移的算术平均值（μm）；R为短周期地震仪测定ML的量规函数。

台网震级Mi，即对第j个台站，按（1）式求得震级Mij，然后对第i个地震所有记录到的子台求震级平均值和标准偏差。 即:

式中N为第i个地震的定位台站数；

第i个地震，第j子台震级偏差为：

第j个台站的平均震级偏差为：

式中N为第j个台站记录到的地震个数；

第i个地震，第j子台测定震级扣除台站平均偏差的影响：

单台震级偏差值随震中距的变化：

式中：k是震中距间隔序数，N为间隔范围内震级偏差样本数。

3 计算结果及分析

基于内蒙古测定台网43个子台所记录的2327个地震数据进行整理统计，使用震级残差统计方法，计算得到了各子台震级相对于台网震级的偏差、每个台站的平均偏差和标准偏差，并对结果进行了分析。同时研究了台震级与台网平均震级偏差值分布、以及单台震级偏差值随震中距的变化，依据所得结果对内蒙古中西部地区近震量规函数进行修定。

3.1 单台震级偏差

表2给出了43个子台震级相对于台网震级 的偏差、平均偏差和标准偏差（表2）。可以看到，偏差范围在-0.33～0.42之间，偏差值大于0的台站20个，偏差值小于0的台站23个，平均偏差值0.013。SDT、MIQ、BHS、ZHW、WJH、ZCH有6个台站震级偏差较大，偏差范围在-0.39～0.33之间。震级偏差值较高的台站场地响应呈现出明显的放大效应，可能与场地周围介质、周围覆盖层较厚有关、软的沉积层、台基风化、以及所处连续的山体构造等因素有关。位于甘肃境内的SDT台站的台基为砂砾岩，且岩石风化严重，场地响应值也较大[19]。

表2 各台站计算得到的平均偏差和标准偏差

3.2 单台震级偏差值随震中距的变化

为了研究单台震级偏差值随震中距的变化规律，获得内蒙古中西部新的量规函数。按照单台平均震级偏差的统计结果，根据式（6）从13789条单台震级记录偏差结果中扣除台站的影响因素，依据公式（7）按照步长5 km，统计0～500 km每个震中距范围的震级平均偏差值得到了单台震级偏差随震中距的变化曲线（图2）。

从图2可看到，震级偏差随着震中距的变化呈递增趋势，在震中距范围0～140 km内，偏差值小于零；在震中距范围140～500 km内，偏差值大于零；震级偏差随震中距的变化特征反映出地震波衰减的区域特征和介质特征。

图2 单台震级偏差随震中距的变化图Fig.2 Variation of magnitude deviation of single station with epicenter distance

3.3 量规函数的校正

根据每个震中距范围的震级偏差统计值，对全国短周期量规函数进行校正，得到校正后内蒙古中西部地区的量规函数（图3）。从图3可知，全国量规函数在0≤震中距≤150 km、ML≤3.4时适合于内蒙古中西部地区，当震中距＞150 km时，ML＞3.4时，全国量规函数均偏高。表3显示了全国及内蒙古中西部地区中西部量规函数变化表。

图3 内蒙古中西部地区新量规函数曲线Fig.3 New calibration function in the midwestern part of Inner Mongolia region

3.4 单台震级与台网平均震级偏差值分析和新量规函数的检验

为了检验新量规函数对台网测定震级偏差的改善，统计分析原始的震级偏差，对比经过台站偏差值修正后的震级偏差和使用新量规函数后的震级偏差。图4（a）为13789条单台震级记录与台网平均震级偏差值频次图，形态基本呈正态分布，均方差为0.3047。图4（b）为经过台站震级偏差值修正后的震级偏差值频次图，均方差0.2970；图4（c）为台站震级偏差值修正并使用新量规函数计算震级的台站震级偏差值频次图，均方差0.2712。由图4可见，经过台站偏差值的修正和量规函数的校正，台站震级偏差均方差降低，各台站测定相同地震的震级更加一致。

图5给出台站震级偏差的空间分布图，从图中可以看出，空间相近的台站震级偏差有相近的趋势，相邻的台站处于相似地质条件，初步推断，台站所处地质环境对震级偏差有一定的影响，震级偏差在空间上的差异也为介质特性的研究提供了线索。

为了分析方位角和震级偏差的关系，以HHC台为例，统计分析该台站记录不同方位角地震的震级偏差。图6给出HHC台记录的地震分布图（a）,震级偏差散点图（b）,方位角频次图（c）和平均震级偏差随方位角的变化（d）。由图6（d）看出震级偏差随方位角的变化非常不均匀，记录的东南方向（方位角60o～210o）震级明显偏高，而西北方向（方位角240o～0o）地震震级偏低。通过对一个台站的震级偏差统计分析得出，震级偏差和方位角有较高的相关性，影响震级偏差的因素多方面的，具体影响因素有待近一步的分析研究。

表3 全国短周期量规函数及内蒙古中西部地区新量规函数

图 4 震级偏差值统计图Fig.4 Statistic of magnitude deviation

图5 震级偏差空间分布图Fig.5 Map of magnitude deviation

4 讨论和结论

图 6 HHC震级偏差随方位角分布Fig.6 Distribution of magnitude deviation of HHC with azimuth

选用内蒙古中西部及边境30 km范围内2327次地震记录资料，基于震级残差统计分析方法，采用2008年以来内蒙古及邻省地震台网震相数据，对43个子台震级偏差进行定量的统计分析。13789条单台震级记录与台网平均震级偏差值呈正态分布，均方差为0.3047。各子台震级偏差范围在-0.33～0.42之间，偏差值大于0的台站20个，偏差值小于0的台站23个，平均偏差值0.013。SDT、MIQ、BHS、ZHW、WJH、ZCH 6个台站震级偏差较大，偏差范围在-0.39～0.33之间。空间上相邻的台站震级偏差有相似的趋势，初步推断，台站所处地质环境对震级偏差有一定的影响。震级偏差随着震中距的变化呈递增趋势，在震中距范围0～150 km内，偏差值小于零，在震中距范围150～500 km内，偏差值大于零。根据每个震中距范围的震级偏差统计值，对全国短周期量规函数进行校正。对比扣除台站震级偏差量规函数的校正前后的震级偏差得出，经过台站偏差值的修正和量规函数的校正，台站震级偏差均方差降低，各台站测定相同地震的震级更加一致。通过对一个台站的震级偏差统计分析得出，震级偏差和方位角有较高的相关性。根据台站平均震级对台站震级偏差和量规函数校正，一定程度上补偿台站差异和震中距对震级的影响，但没有考虑到台网震级的系统偏差，同时，受到区域构造不均匀性和记录地震数量的有限性影响，新修定的内蒙古中西部地区量规函数需要在观测实践中检验和完善。

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Research on Magnitude Deviation and Near Earthquakes Calibration Function in the Midwestern Part of Inner Mongolia Region

ZHANG Fan，LIU Fang，ZHANG Hui，ZHAO Yan-hong，LIU Yong-mei
（ Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonmous Region，Inner Mongolia Hohhot 050051，China）

To calculate the deviations between single station magnitudes and average ones by the magnitude of residual statistical methods, the paper selects 2327 seismic events recorded on the midwestern part of Inner Mongolia broadband digital seismic network from 2008 to Dec. 2015. The magnitude deviation increases along with epicentral distance which is below zero when the epicentral distance≤150 km and which is above zero when the epicentral distance≥150 km. After Excluding stations magnitude deviation, MLcalibration function is modified and the new midwestern part of Inner Mongolia region calibration function is obtained.

seismic network; midwestern part of Inner mongolia; calibration function；magnitude deviation

P315.3

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.003

1674-8565（2017）01-0017-07

内蒙古自治区2016年度科技重大专项“重点地区地震预测预警技术研究开发与推广示范”子课题“重点地区壳幔精细结构反演及地震安全产品集成”；地震科技星火计划（XH14012Y）；测震台网青年骨干培养专项（20140306）

2016-11-25

2017-01-16

张帆（1980-），男，内蒙古自治区呼和浩特市人，毕业于北京航空航天大学，硕士，工程师，现主要从事数字地震学预报方法方面的研究工作。E-mail: spacelessness@163.com