佘山台IASPEI新震级与传统震级对比分析

教聪聪,钟卫星,张 欢

(上海市地震局佘山地震基准台，上海 201602)

佘山地震基准台位于上海西南松江区佘山国家森林公园内西佘山南麓，是中国地震局Ⅰ类基准地震台，拥有763长周期地震仪、SK中长周期地震仪、CDSN数字地震观测系统以及数字地震台阵等观测仪器，为我国地震观测仪器种类最齐全的台站之一。2012年底在佘山台增配了一套甚宽频带地震计CTS-1，2013年1月1日正式替代CDSN向中国台网中心传送数据。数字地震仪器具有频带宽、动态范围大等特点，在推动地球科学研究方面发挥了重要的作用，但其在震级测定方面还存在问题，刘瑞丰等开展了宽频带数字地震资料仿真的研究，为了不改变测定地方性震级、体波震级和面波震级的量规函数，提出了将宽频带数字地震记录仿真为DD-1、SK和763仪器记录，然后在仿真后的记录上测定地方性震级、体波震级和面波震级，2001年制定了《地震及前兆数字观测技术规范》(地震观测)，一直使用至今。

2013年开始新震级国家标准GB 17740-2016文本编写，新震级国家标准既考虑到震级测定的连续性，又科学地充分利用宽频带数字地震资料的特点。新标准震级包含宽频带面波震级MS(BB)、宽频带体波震级mB(BB),地方性震级ML、面波震级MS和短周期体波震级mb。佘山地震基准台于2016年底实施传统震级测定与新标准震级测定，这是在充分利用宽频带数字地震记录特点的同时，保证资料的连续性。具体体现在mB(BB)和MS(BB)分别是宽频带体波震级和宽频带面波震级，适应地震波的频带范围宽，在比较大的范围内，都能正确表示地震能量的大小。另外，mB(BB)和MS(BB)都是在原始速度型宽频带记录上直接测定，便于计算机自动测定，并且能够充分发挥数字地震仪器的宽频带、大动态的特点。因为震级是表征地震强弱的量度,它是地震的基本参数之一,是地震学研究中的一个重要的参数(刘瑞丰，2007；陈运泰，2000)，所以分析新标准震级与传统震级之间的相关程度、一致性、差异性尤为重要。为了叙述方便和以示区分，以下传统的震级用MS7、mb、mB和MS表示，IASPEI新震级用MS(BB)、mB(BB)、mb(n)、MS(n)表示。

1 面波震级的测定

传统的面波震级MS7采用仿长周期地震记录,以垂直向瑞利波质点运动最大速度测定长周期面波震级,其计算公式如下：

MS7=lg(A/T)max+σ763(Δ)

(1)

式(1)中σ763(Δ)为量规函数，震中距在20°至160°之间时，σ763(Δ)=1.66 lg (Δ)+3.3。

MS(BB)宽频带面波震级计算方法是在垂直向原始速度平坦型宽频带数字地震记录上直接测定速度的最大值，计算公式如下:

MS(BB)=lg(A/T)max+1.66lg(Δ)+3.3

(2)

在实际计算中采用以下计算公式:

MS(BB)=lg(Vmax/2π)+1.66lg(Δ)+3.3

(3)

其中，(A/T)max=(Vmax/2π) ，Vmax为垂直向面波速度的最大值，单位为 μm/s。

传统震级面波震级MS与新标准面波震级MS(n)都是要将速度平坦型地震记录仿真成位移记录的基式(SK)中长周期地震仪记录，在仿真以后的地震波记录上反映的是地动位移。用以下公式计算：

MS(n)=lg(A/T)max+σ(Δ)

(4)

式(4)中，σ(Δ)=1.66 lg (Δ)+3.5( 1°<Δ<130°) ，A是两水平向面波地动位移的矢量和，T是相应的周期，Δ是震中距，以(°)为单位。

2 体波震级的测定

传统体波震级采用P或PP波垂直向质点运动最大速度来测定，计算公式为：

mb或mB=lg(A/T)max+Q(Δ,h)

(5)

式中，mB为中长周期体波震级，要在基式中长周期地震仪上测定；mb为短周期体波震级，要在DD-1短周期记录上测定；A为体波质点运动最大速度所对应的地动位移振幅；T为相应的周期；Q为量规函数。

mB(BB)宽频带体波震级为中长周期体波震级,其计算公式如下：

mB(BB)=lg(A/T)max+Q(Δ,h)

(6)

在实际计算中采用以下计算公式:

mB(BB)=lg(Vmax/2π)max+Q(Δ,h)

(7)

其中的(A/T)max= (Vmax/2π) ，Vmax为垂直向P波最大振幅相对应的地面运动速度，其单位为μm/s，原始的速度平坦型宽频带数字地震记录上直接测定速度的最大值Vmax。测定mB(BB)时直接用速度量，不用仿真，便于计算机自动处理。

3 数据分析

选取2012年以来佘山地震基准台所记录到的6级以上清晰地震事件为研究对象，舍弃了重叠、记录失真的地震数据，运用msdp6.0测定443个地震事件的新标准震级宽频带面波震级MS(BB)、宽频带体波震级mB(BB)、地方性震级ML、面波震级MS(n)和短周期体波震级mb(n)，地震事件的分布情况见图1。

图1 443个地震事件分布图

回归分析是研究事物间相关变量的数量关系的一种重要方法，本文采用线性回归方法对佘山地震基准台测定得出的IASPEI新震级、传统震级以及中国地震台网中心发布的震级三者间进行对比分析，拟合出相应震级之间的关系。对于两个或多个存在着统计相关的随机变量，可以根据大量的观测数据来确定它们之间统计的定量关系，即找出一定的数学公式来表达这些关系，这种公式称作回归方程。考虑将 N 个数据点(Xi，Yi)，i= 1，2，3，…，N，拟合成如下直线模型的问题:Y= AX+ B，通常利用线性最小二乘回归 (SR) 方法就可以确定系数 A 和 B。

3.1 佘山台IASPEI新震级MS(BB)与传统面波MS7的对比分析

IASPEI新震级MS(BB)=0.88317MS7+0.68398，拟合关系如图2所示，其中相关系数r约为0.93，说明IASPEI新震级MS(BB)与传统面波MS7的相关性非常好，采用新标准后的震级保证了地震资料的连续性。IASPEI新震级MS(BB)与传统面波MS7之间有一定差值，差值分布见图3，MS(BB)与MS7差值主要分布在-0.3～0.3，以0与-0.1居多，造成差异的原因是宽频带面波震级是在原始的速度平坦型宽频带数字地震记录上直接测定速度的最大值Vmax。中国地震台网中心发布的震级标为MS7(CENC)，IASPEI新震级MS(BB)与MS7(CENC)统计关系的相关系数为0.915，MS7与MS7(CENC)统计关系的相关系数为0.912，此处体现了IASPEI新震级MS(BB)比MS7更与中国地震台网中心发布的震级吻合，所以新标准震级的优势得以体现。图4是在平面极坐标系上，佘山台MS(BB)与MS7震级偏差和方位角及震中距关系示意图,以佘山台为坐标的中心，N是正北方向，φ是地震相对于台站的方位角，R是震中距，其中(b)、(c)、(d)分别表示偏差偏小、相等、偏大。佘山台能够测定不同震中距(0～180°)和不同方位(0～360°)地震的面波震级，MS(BB)与MS7震级的偏差随震中距和方位角的变化不明显。图5是佘山台MS(BB)与MS7震级偏差和深度关系示意图，可以看出其震级的偏差与深度的关系不大。MS(BB)能够充分发挥宽频带数字地震资料的特点，适用面波周期范围为3～60 s；不用仿真，直接用速度量测定，便于计算机自动处理，适用于地震速报；在测定方法上与国际接轨，测定结果不会与国际主要地震机构存在系统偏差，所以可用新标准震级用MS(BB)替代MS7。

图2 新标准MS(BB)与传统MS7之间的关系

图3 新标准MS(BB)与传统MS7差值分布图

图4 佘山台MS(BB)与MS7震级偏差和方位角及震中距关系示意图

图5 佘山台MS(BB)与MS7震级偏差和深度关系示意图

3.2 佘山台新标准面波震级MS(n)与传统面波震级MS的对比分析

新标准震级MS(n)=0.89605MS+0.49663，拟合关系如图6所示，其中相关系数r为0.9254，说明新标准面波震级MS(n)与传统面波MS的相关性非常好，采用新标准后的震级保证了地震资料的连续性。新标准MS(n)与传统MS之间有一定差值，差值分布见图7，新标准MS(n)与传统MS差值主要分布在-0.3～0，差值小于等于0居多，造成差异的原因是新旧软件都将宽频带地震记录仿真成位移记录的基式(SK)中长周期地震仪记录，但还有一定的不同：新标准面波震级MS(n)要量取的地震波质点运动位移的最大值A，传统面波震级要量取A/T的最大值了；在测定时发现，由于新软件msdp6.0的设计更针对近震和网内地震，对于远震以及极远震仿真基式的面波波形曲线没有传统的波形清晰，会对振幅的量取产生影响，所以对震级测定的影响较大。中国地震台网中心发布的震级标为MS(CENC)，新标准MS(n)与MS(CENC)统计关系的相关系数为0.8718，传统面波震级MS与MS(CENC)统计关系的相关系数为0.90808。图8是在平面极坐标系上，新标准面波震级MS与传统面波震级MS震级偏差和方位角及震中距关系示意图,同样反映了佘山台能够测定不同震中距(0～180°)和不同方位(0～360°)地震的面波震级。新标准面波震级MS(n)与传统面波震级MS的偏差随震中距和方位角的变化不明显。图9是佘山台新标准面波震级MS(n)与传统面波震级MS偏差和深度关系示意图，可以看出其震级的偏差与深度的关系不大。

图6 新标准MS(n)与传统MS之间的关系

图7 新标准MS(n)与传统MS差值分布图

图8 佘山台新标准MS与传统MS震级偏差和方位角及震中距关系示意图

图9 佘山台新标准MS(n)与传统MS震级偏差和深度关系示意图

3.3 佘山台IASPEI新震级mB(BB)与传统体波震级mB的对比分析

IASPEI新震级mB(BB)= 0.60297mB+2.9076，拟合关系如图10所示，其中相关系数r为0.65355， IASPEI新震级mB(BB)与传统体波mB之间有一定差值，差值分布见图11，IASPEI新震级mB(BB)与传统体波震级mB差值主要集中在0以上，造成差异的原因是由于宽频带面波震级是在原始的速度平坦型宽频带数字地震记录上直接测定速度的最大值Vmax，传统震级mB需要量取P波到时之后20 s之内的最大振幅,而IASPEI新震级mB(BB)要求量取P波序列的最大振幅值，整体幅值偏大。由于地震破裂持续时间与震级一同增长,对大地震来说可能是几分钟, 破裂发生后的开始几秒内很少能达到其最大振幅，对特大地震,最大地面速度Vmax甚至是在P波之后1 min才产生，如果测量时间窗太短,最大值就会缺失，这便是造成IASPEI新震级mB(BB)与传统体波震级mB差值主要集中在0以上的原因。中国地震台网中心发布的体波震级为mB(CENC)，IASPEI新震级mB(BB)与mB(CENC)统计关系的相关系数为0.8104，传统震级mB与mB(CENC)统计关系的相关系数为0.63458，此处体现了IASPEI新震级mB(BB)比mB与中国地震台网中心发布的中长周期体波震级相关性提高很多，IASPEI新震级mB(BB)的优势得以体现。图12是在平面极坐标系上，IASPEI新震级mB(BB)与传统体波震级mB震级偏差和方位角及震中距关系示意图,因为IASPEI新震级mB(BB)绝大多数都大于传统体波震级mB，所以震级偏差大于等于零的地震事件非常少，这里不作分析。震级偏差大于0的地震事件中，IASPEI新震级mB(BB)与传统体波震级mB震级的偏差随震中距和方位角的变化不明显。图13是佘山台IASPEI新震级mB(BB)与传统体波震级mB震级偏差和深度关系示意图，可以看出其震级的偏差与深度的关系不大。

图10 新标准mB(BB)与传统mB之间的关系

图11 新标准mB(BB)与传统mB差值分布图

图12 佘山台mB(BB)与mB震级偏差和方位角及震中距关系示意图

图13 佘山台mB(BB)与mB震级偏差和深度关系示意图

3.4 佘山台新标准体波震级mb(n)与传统体波震级mb的对比分析

新标准mb(n)= 0.62916mb+2.1405，其中相关系数r为0.67214，拟合关系如图14。新标准体波震级mb(n)与传统体波震级mb之间有一定差值，差值分布见图15，新标准mb(n)与传统体波mb差值主要集中在-0.1～0.1，以0居多，差值大于0.2的地震个数明显多于差值小于0.2的地震个数。新标准体波震级mb(n)与传统体波震级mb都需要在仿真DD-1短周期仪器记录上测定，区别在于在新标准体波震级mb在测定时，要选用整个P波波列最大震幅(包括P、pP、sP，甚至可以为PcP及其尾波，一般取在PP波之前)，并且不用量A/T的最大值了；传统体波震级mb在测定时，一般在P波到时之后5秒之内测定体波的最大振幅和其相应的周期，而对于6.0级以上地震，震源平均破裂时间要超过5秒，使得6.5级以上地震的mb处于完全饱和状态。由于测定P波振幅“时间窗”没有限制造成差异差值大于0.2的偏多。出现偏差主要与量取P波最大振幅时所选时间窗的长短有关,量取较小地震的振幅受时间窗影响不大,但对较大地震的影响却比较大，新标准mb(n)比传统体波mb更不容易达到饱和状态,因此新标准mb(n)比传统体波震级mb更准确地衡量地震的大小,尤其对于高辐射能量的特大地震更为精确，这是其优势所在。中国地震台网中心发布的短周期体波震级标为mb(CENC)，新标准mb(n)与mb(CENC)统计关系的相关系数为0.6683，传统震级mb与mb(CENC)统计关系的相关系数为0.5593，此处体现了新标准mb(n)比传统体波震级mb与中国地震台网中心发布的体波相关性提高了一些。图16是在平面极坐标系上，佘山台新标准mb(n)与传统mb震级偏差和深度关系示意图，可以看出偏差随震中距和方位角的变化不明显。图17是佘山台新标准mb(n)与传统mb震级偏差和深度关系示意图，可以看出其震级的偏差与深度的关系不大。

图14 新标准mb(n)与传统mb之间的关系

图15 新标准mb(n)与传统mb差值分布图

图16 佘山台新标准mb(n)与传统mb震级偏差和方位角及震中距关系示意图

图17 佘山台新标准mb(n)与传统mb震级偏差和深度关系示意图

4 讨论与结论

IASPEI新震级MS(BB)与传统面波MS7的相关性非常好，采用新标准后的震级保证了地震资料的连续性。IASPEI新震级MS(BB)与传统面波MS7之间有一定差，MS(BB)与MS7差值主要分布在-0.3～0.3，以0与-0.1居多，造成差异的结果是由于宽频带面波震级是在原始的速度平坦型宽频带数字地震记录上直接测定速度的最大值Vmax。新标准面波震级MS(n)与传统面波MS的相关性非常好，采用新标准后的震级保证了地震资料的连续性。新标准MS(n)与传统MS之间有一定差值，新标准MS(n)与传统MS差值主要分布在-0.3～0，差值小于等于0居多，造成差异的原因是新标准面波震级MS(n)要量取的地震波质点运动位移的最大值A，传统面波震级MS要量取A/T的最大值；新软件msdp6.0的设计更针对近震和网内地震，对于远震以及极远震仿真基式的面波波形曲线没有传统的面波波形清晰，会对振幅的量取产生影响，所以对震级测定的影响较大。IASPEI新震级mB(BB)与传统体波mB之间有一定差值，差值主要集中在0以上，造成差异的结果是由于宽频带面波震级是在原始的速度平坦型宽频带数字地震仪记录上直接测定速度的最大值Vmax，传统震级mB需要量取P波到时之后20秒之内的最大振幅,而IASPEI新震级mB(BB)要求量取P波序列的最大振幅值，整体幅值偏大。新标准体波震级mb(n)与传统体波震级mb之间有一定差值，差值主要集中在-0.1～0.1，以0居多，差值大于0.2的地震个数明显多于差值小于0.2的地震个数。新标准体波震级mb(n)与传统体波震级mb都需要在仿真DD-1短周期仪记录上测定，区别在于在新标准体波震级mb(n)在测定时，要选用整个P波波列最大震幅(包括P、pP、sP，甚至可以为PcP及其尾波，一般取在PP波之前)，并且不用量A/T的最大值了；传统体波震级mb在测定时，一般在P波到时之后5秒之内测定体波的最大振幅和其相应的周期。上述内容总结了IASPEI新震级MS(BB)、IASPEI新震级mB(BB)、新标准面波震级MS(n)、新标准体波震级mb(n)与其相对应的传统震级造成偏差的原因。

中国地震台网中心发布最终震级M(CENC)为方位覆盖面宽广的多地震台测定的平均震级，由于各地震台地震仪器频谱响应的不同及地震波辐射方向性的差异，各地震台站测定的同一地震震级大小会存在一定偏差。总体来讲，IASPEI新震级MS(BB)、IASPEI新震级mB(BB)、新标准面波震级MS(n)、新标准体波震级mB(n)与其相对应的传统震级一致性很好，说明了采用新标准后的震级保证了地震资料的连续性。IASPEI新震级MS(BB)、IASPEI新震级mB(BB)、新标准mb与中国地震台网中心发布震级的一致性均比其相对应的传统震级与中国地震台网中心发布震级的一致性要高，说明了IASPEI新震级的科学性，以及新标准震级的可用性。