基于峰值加速度计算震级的方法研究

江 鹏，龙承厚，孙泽涛，余 华

(四川省地震局，四川 成都 610041)

基于峰值加速度计算震级的方法研究

江 鹏，龙承厚，孙泽涛，余 华

(四川省地震局，四川 成都 610041)

近震震级ML是地震学最常见的震级标度，其测定方法常使用位移记录的S波最大振幅。本文提出了一种由衰减关系引申得到的基于峰值加速度值来计算震级的方法M=F(A,R)，并利用四川强震台网获取的加速度记录进行了验证计算，并将结果与四川测震台网给出的震级进行了比较，分析了对同一地震不同记录计算震级的离散性现象。

峰值加速度；震级；衰减关系

国内测定地震基本参数主要依靠数字地震仪观测系统(测震台网系统)，由于其观测的物理量主要是速度，近场强震常达到仪器的震级饱和，在这种情况下就无法准确测出近场强烈地震震级。强震动仪观测的物理量是地震动加速度，仪器记录最大峰值加速度可达到2g，所以利用强震动记录测定近场地震参数，对于大震或巨震后地震参数速报具有很大的现实意义[1]。

1 研究现状

近震震级ML是应用较广泛且地震学最常见的震级标度。近震震级ML是根据Wood-Anderson地震仪(以下简称W-A地震仪)所记录到的地面水平向运动的最大振幅所确定的,现有的近震震级的原始定义是由Richter在1935年通过研究美国加利福尼亚地震而归纳出来的，其定义如下：

ML=lgA-lgA*

(1)

式(1)中A为水平向分量最大记录振幅的平均值，A*为某一标准震级(零级)地震的记录振幅。对于零级地震是这样规定的:用W-A地震仪(周期0.8 s,阻尼常数0.8,静态放大倍数2800),在震中距Δ=100 km处的地震图上记下的水平向分量的最大振幅平均值为1 μm(10-3mm)的地震作为零级地震。我国近震震级ML的测定方法使用位移记录的S波最大振幅测定,计算公式为：

ML=lg(Aμ)+R(Δ)

(2)

式(2)中,Aμ为南北向和东西向S波最大地动位移的算数平均值,以μm为单位,两水平向最大振幅不一定同时到达,R(Δ)为量规函数，是考虑振幅随距离增大而减小的修正参量[2]。

2 峰值加速度与震级的关系

通常计算的ML震级其实是基于零震级的相对震级，既然存在“位移振幅、距离-震级”的对应关系，相应的也可以寻求震级与峰值加速度和距离的关系M=F(A,R)。前人在研究地震动衰减关系时已经建立了“烈度-震级”的对应关系。第五代地震区划图中提供的衰减关系模型为：

lgY=A+BM+C*lg·(R+eEM)

(3)

式(3)中Y为地震动参数aE,aE在数值上对应了新区划图的峰值加速度参数；M为面波震级；R为震中距；A、B、C、D和E为回归系数[3]。雷建成(2007)认为四川及邻区地震烈度等烈度线图表现为显著的椭圆形，提出了四川及邻区的地震动及衰减关系[3]:

(4)

式(4)中，M为震级，R为震中距，R0为距离预置项，ε是随机误差；d1,d2,d3是回归系数；a，b分别代表长、短轴[4]。王国新等也提出了一种衰减关系模型，这种模型能很明确地描述地震动随震级和距离的变化情况及衰减率随震级的变化规律[5]：

lgY=C+(α+βM)*lg·(R+R0)

(5)

式(5)中Y为峰值加速度，M为震级，R为震中距，R0为描述距离饱和的常数，C、α、β为回归系数。本文采用以上几种衰减关系对多次震例进行验证，发现由第五代区划图和雷建成提出的衰减关系计算震级的结果离散性较大，王国新等的模型适应性较好，在进行修改后得到加速度峰值与震级的对应关系[5]：

lgY=a+bM-(c-dM)*lg·(R+R0)

(6)

式(6)中Y为峰值加速度，M为震级，R为震中距，R0为距离饱和常数，a,b,c,d为回归系数。参考崔建文)、郭和提出的云南衰减关系模型，将上述关系式作数学变换后转化为震级-峰值加速度的关系式[6]：

M=(lgPGA-a+b*lg(R+R0))/(c+d*lg(R+R0)

(7)

式(7)中PGA为峰值加速度，M为近震震级，R为震中距，R0为距离饱和常数，a,b,c,d为回归系数。利用四川强震台网获取的3.0级至7.0级14次地震的162条记录进行系数回归拟合，得到峰值加速度和震级的关系式：

(8)

M=Mn*0.3-Me*0.3+Mv*0.4

(9)

式中an为南北向PGA，ae为东西向峰值加速度，av为垂直向峰值加速度，M为近震震级，R为震中距。水平向峰值加速度与垂直向峰值加速度随震中距衰减的规律有明显区别，分别回归峰值加速度和震级的关系，并对拟合得到的震级赋予权重，统计得出南北分向、东西分向和垂直分向的权重为0.3、0.3和0.4较为合理。

3 震例验证

选取2010年以来四川强震动台网获取的震级介于3.0至7.0的12次地震共计477条单向加速度记录,采用于海英提出的近场数字强震仪记录误差分析与零线校正方法，对原始记录进行零线调整以消除零线漂移的影响，使震前部分的加速度记录值从理论上尽可能接近于零，之后对调整后的记录数据进行0.1～25 Hz的带通滤波处理。由于部分记录的零线漂移并不是固定不变的，整个时程零线会随着时间的增加而发生变化，对此类型的记录数据还需采用Boore方法进行基线校正处理。针对记录数据的处理情况如表2所示。从表2中可以看出，采用本文提出的方法计算出的震级与四川省测震台网测定的震级基本一致性，部分ML震级由MS震级通过公式MS=1.13ML-1.08换算而来，震级差异最大值为0.9，最小值为0.0，平均差异为0.4级。

表1 震例验证使用地震记录情况表

表2 计算得出震级与台网中心提供的震级对比表

图1 地震震级计算结果分布示意

众所周知，地震波在传播过程中受介质变化的影响，各地震台站记录的地震动会表现出不同的衰减特性。通常采用的衰减关系是由历史地震的强震动观测记录经过统计分析得到的。由于我国强震动观测起步较晚，强震动台站数量有限，现有的衰减关系多采用美国西部地区、意大利或日本地区的强震动记录通过一定的转换关系后结合国内实际场地条件拟合得出，受地区和地震记录的数目、观测质量的影响较大。图1～2给出了12次地震记录计算出的震级分布情况，从这些图中可以看出，同一个地震的多组记录计算震级时，随震中距的增大震级出现一定程度的变化，且这种变化并无规律可寻，个别地震由多个地震台站记录计算的震级离散性较大，分析认为这种现象与台站的场地条件相关性较大。在震级与峰值加速度的关系M=F(A,R)中，峰值加速度A对震级的影响起主要作用，而强震台站获取的峰值加速度受场址地形地貌和覆盖层的影响较大，偶现跳跃性变化。例如芦山地震中51BXD台站获取的超过常用对数的峰值加速度是受台站地形效应显著影响的结果[7]。同时可以看出，强震动记录数量越多，震级计算结果分布越集中，误差也越小，于是对台网密度和布局提出了更高的要求。

图2 地震震级计算结果分布示意

4 结论

本文提出了一种由衰减关系引申得到的基于峰值加速度计算震级的方法，并利用四川强震台网获取的记录进行了验证计算，其结果与测震台网给出的最终震级一致性较好。同一次地震不同台站的强震记录计算震级时，震级有一定的离散性，分析认为这种现象与台站的场地条件相关性较大。在震级与峰值加速度的关系M=F(A,R)中，峰值加速度A对震级的影响起主要作用，而强震台站获取的峰值加速度受场址地形地貌和覆盖层的影响较大。

[1] 崔建文，李世成，高东，赵永庆，包一峰.云南分区地震动衰减关系[J]．地震研究,2006,29(4)：386-391.

[2] 章文波.利用近场地震加速度记录测定近震震级Ml的研究[J].地震工程与工程振动，1995，15(3):4-11

[3] 俞言祥，李山有，肖亮.为新区划图编制所建立的地震动衰减关系[J]．震灾防御技术，2013,8(1)：24-33.

[4] 雷建成，高孟潭，俞言祥.四川及邻区地震动衰减关系[J]．地震学报，2007,29(5)：500-511.

[5] 王国新，陶夏新，地震动衰减关系拟合的新两步法[J].地震工程与工程振动，2001,20(1):24-28.

[6] 郭和，崔建文，辛灿锦，吴边，林崇峰.基于强震动记录测定近场地震参数方法研究[J]．震灾防御技术，2009，4(3)：340-346.

[7] 温瑞智，任叶飞，黄旭涛，卢滔，齐文浩.芦山7.0级地震强震动记录及其震害相关性[J].地震工程与工程振动，2013，33(4):1-14.

ACalculationMethodofSeismicMagnitudeBasedonPeakAccelerationRecordings

JIANG Peng,LONG Chenghou,SUN Zetao,YU Hua

(Sichuan Earthquake Agency,Sichuan Chengdu 610041,China)

This paper presents a calculation method of the attenuation relationship by the magnitude of the peak acceleration data based on the formaM=F(A，R).We verify by calculation of acceleration records from Sichuan Earthquake Network.Then we use the data of the Sichuan Earthquake Network to test our results and analyze the discrete phenomena of an earthquake with different recording.

peak ground acce1eration；magnitude；attenuation relation

2017-07-31

四川省地震局科技专项(项目编号：LY1605)、国家科技支撑计划课题(课题编号：2014BAK0304).

江鹏(1987-)，男，河北省宁晋县人，工程师，从事强震动观测工作.

P315.913

B

1001-8115(2017)04-0001-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.001