内蒙古数字地震台网快速测定速报震级结果评估

王 磊，杨彦明*，郅 惠，倪 铭，王 勇，徐 岩

（1.内蒙古自治区地震局，呼和浩特 010010；2.呼和浩特新城区团结小学，呼和浩特 010010）

0 引言

内蒙古自治区位于中国北部，东西跨度大，活动断层纵横交错，地质构造较为复杂，地形地貌差异较大。区内有东部和中西部两大地震活动地区，东部地区主要受太平洋板块挤压导致的东北深震的影响，中西部地区主要受鄂尔多斯块体周缘、阴山以及燕山构造带的影响[1-2]。历史上曾发生多次中强以上地震，对人民群众的生产、生活，甚至生命和财产均造成较为严重的损害[3]。

1972 年，内蒙古地震监测工作正式开展，2003年开始进入快速发展阶段。通过“十五”项目建设，建成8 个国家数字测震台、28 个区域数字测震台组成的地震观测台网[4]。截止2019 年，内蒙古数字地震台网已发展为48 个省内台站和60 个邻省台站构成，所有108 个台站的监测波形数据全部实现实时传输，与周边省份地震台网和国家地震台网也实现了实时共享[5]。

随着内蒙古自治区地震监测台站的不断增加，监测台站覆盖率得到提升，地震监测能力有了较大程度的提高，快速精准地确定地震三要素（发震时刻、震中位置、地震震级）是地震速报工作的首要要求。目前，内蒙古测震台网进行地震速报时，对于行政区内M＜2.7 的地震，若为有感地震或触发AU（自动地震速报系统）警报，需要在15 min 内完成地震速报工作；对于行政区内M≥2.7 的地震，按照行政区边界范围进行划分，50 km 范围内（2.7≤M≤3.9）、100 km范围内（4.0≤M≤4.9）、200 km 范围内（5.0≤M≤5.9）、300 km 范围内（M≥6.0）发生地震后，15 min 内完成地震速报结果测定，并向国家地震台网中心进行初报①内蒙古自治区地震监测中心.内蒙古测震台网地震速报工作手册[Z].2019.。对于国内地震，人工速报的平均用时大约为2～5 min，正式测报的平均用时大约为10～15 min，地震速报时间不断缩短。但是与社会公众对地震速报时效性的要求相比，还有进步的空间[6]。内蒙古数字地震台网通过人工测量进行大震速报采取常规速报方法，拾取Pg、Sg 震相得出地震事件的发震时刻、震中位置、震源深度等，量取SME、SMN最大振幅测量地震震级。使用该方法进行震级测定，计算较为简单，稳定性较好，偏差较小[7]。前人对中国云南、四川等西南地区进行震级测定方法的相关研究，除使用S 波段中水平分量的最大振幅SME、SMN 测量地震震级外，还利用S 波段垂直分量上最大振幅SMZ 乘以适当的倍数或校正值后进行测定震级ML，研究结果稳定性较好，与常规方法几乎没有差别[8]。此外，为了进一步减小速报震级偏差，多位学者开展地震震级的对比研究工作，通过测算台站速报震级与台网公布震级之间的震级偏差，给出偏差改正值，提高地震震级的准确性[9-12]。

近年来，为了提高地震速报速度，中国地震台网中心与广东省地震局共同建设自动地震速报系统[13]，速报时间最短可缩至1 min 左右[6]。但是，由于使用台网速报分析软件（MSDP5.2.3，简称：MSDP）中测量震级的自动量取振幅功能存在振幅识别性差，量取的振幅周期不稳定，导致速报震级与后期公布编目震级存在一定的偏差。目前，与自动速报系统相比，人工速报耗时较长，但是量取结果相对准确。在地震速报规定要求用时越来越短的情况下，需要进一步探讨如何提高人工速报地震的时效性。

综上所述，常规速报震级测定方法需要利用两水平方向波形数据，对S 波震相的振幅进行两次量取（NS 向和EW 向各量取一次）。为进一步缩短内蒙古地震台网速报震级测定时间，本文采用快速测定速报震级方法，即仅利用垂直分量波形数据，对S 波震相的振幅进行测量[14]，可使速报震级测定时间显著减小。此外，本文对快速测定速报震级方法和常规速报震级测定方法进行对比分析，对快速测定速报震级结果进行评估，获得震级偏差常数并进行震级校正，提高测定精度，减小震级偏差对地震速报的影响，以便能够在最短时间内获得可靠、准确的地震震级数据。

1 数据来源

选取了2014—2018 年发生在内蒙古及邻省的107 条2.0≤M≤6.0 天然地震，将超过编目分析规定的外省地震（距离内蒙古行政区边界外30 km 以上）以及非天然地震、错报事件等剔除后，得到85 条有效地震事件作为本文研究对象（图1）。利用108 个区内及邻省固定地震台站记录的上述地震波形数据、使用MSDP 软件进行速报模拟。

图1 内蒙古测震台网台站及地震事件分布图

为保证本文结果的可比性，使用MSDP 定位软件进行分析。由于在日常人工速报工作中，地震事件波形数据量巨大，利用MSDP 软件进行多台分析时容易出现卡顿、死机等情况。此外，MSDP 自动测定振幅以及自动量取Wood-Anderson（简称：W-A）仿真振幅时，也会出现量取周期过大或过小等不稳定的情况。因此，日常实际速报工作和本文均不使用W-A 仿真，只采用人工手动量取地震速度振幅的方式。

选择距震中最近的10 个台站进行分析，在水平分量上量取S 波段最大振幅，得出日常人工速报所得震级；将前述所测得振幅清除，再利用垂直分量测定S 波段最大振幅，得出本文研究的震级结果。最终将两次得到的震级进行对比研究，分析两种测定方法的结果偏差；此外，再与中国地震编目系统（JOPENS）公布的地震目录进行对比。

2 计算方法

2.1 地方震级ML 测定方法

内蒙古测震台网大震速报中震级测定采用国标GB17740—1999《地震震级的规定》中的标准化震级计算公式[15]：

式中：Aμ 代表地动位移，是两水平向的最大地动位移的算数平均值，单位为μm；R 为量规函数，Δ 为震中距，震中距不同时，其量规函数也存在差异。

其中，

式中：AN、AE分别为NS 向和EW 向S 波最大振幅（峰-峰值振幅/2）。两水平向最大振幅不一定同时到达，振幅大于干扰水平2 倍以上才可测定。

2.2 震级偏差计算方法

对采用快速测定法和常规速报法测定的震级结果进行偏差计算，

式中：Δm 为震级差值；M 为快速测定速报震级方法计算结果，即只量取垂直方向波形中S 波最大振幅测定的结果；M'为常规速报震级测定方法计算结果，即量取两水平向波形数据S 波振幅的测定结果。

3 测定结果

3.1 常规测定速报震级与快速测定震级对比

利用公式（1～2），分别采用快速测定速报震级方法和常规速报震级测定方法对85 例天然地震震级进行测定，根据公式（3）计算两种测定方法的震级差值Δm。

通过对快速测定速报震级方法和常规速报震级测定方法进行对比（表1），在所研究的85 条地震震例中，快速测定速报震级方法所给出的地震震级与常规速报震级偏差结果均为负值（其中，两例地震震级差为0，地震震级处于3.0～3.9 之间）。由图2a可知，快速测定速报震级结果与常规测定结果相比整体偏小，震级差绝对值最小为0，最大为0.5，平均震级差为0.25。M＜3.0 地震13 例，最小震级差为0.1，最大震级差为0.5；3.0≤M≤3.9 地震63 例，其中震级差从0～0.5 的地震分别为2 例、9 例、27 例、15 例、8 例和2 例；4.0≤M≤4.9 地震7 例，震级差值分布在0.1～0.4 之间；M≥5.0 地震2 例，震级差为0.1 和0.4 的地震各1 例。

表1 快速测定与常规速报测定震级对比

图2 不同震级范围震级偏差分析

根据不同震级段内震例进行震级偏差分析（图2）。M＜3.0 的地震共有13 例，对该震级差频度分布进行高斯分布函数拟合（图2a），拟合方差为0.05，校正相关系数R2为0.58，相关系数R 为0.76，符合高斯正态分布；在4.0≤M≤4.9 和M≥5.0 震级范围内的震例分别只有7 例和2 例，由于统计样本数量太少，不适用于进行统计分析。因此，对M≥3.0 震例进行统一分析，在该震级段内共有样本数量72 例，进行高斯分布函数拟合（图2b），拟合方差为0.09，校正相关系数R2为0.88，相关系数R 为0.94，震级差分布符合高斯正态分布。

由图3b 可知，全部85 条地震事件中，最小震级差为0，最大震级差为0.5。震级差为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 的地震分别有2 例、12 例、35 例、20 例、12 例和4 例。0≤Δm≤0.3 的震例有69 例，占总震例样本数的81.2%；Δm＞0.3 的震例有16 例，占总震例样本数的18.8%。对不同震级差频度分布进行高斯分布函数拟合（图3b）拟合方差为0.07，校正相关系数R2为0.84，相关系数R 为0.92，震级差分布符合高斯正态分布。

图3 两种方法测定震级结果对比

3.2 测定时间对比

对85 条天然地震震例分别采用快速测定和常规速报方法的地震测定用时（包括标注震相到时、定位、量取震级等工作流程）进行统计（图4）。由图4 看出，采用常规速报震级方法量取最大振幅所用时间为130～190 s，平均用时约156 s；快速测定速报震级量取最大振幅所用时间为73～135 s，平均用时约95 s。分析认为，快速测定速报震级方法所用时间大约为常规速报方法的3/5，明显缩短速报工作时间。

图4 地震事件量取水平向用时与垂直向用时对比图

此外，为了与上述利用10 个台站数据的地震测定用时进行对比，分别采用8 个台站和12 个台站数据对85 条地震进行重新测定。结果表明，采用8 个台站数据进行测定时，地震测定用时平均缩短30～45 s，但是震级测定结果比本文研究的结果整体偏小0.1～0.2 级，与公布震级相比偏差更大。采用12 个台站数据进行测定时，测定用时平均增加50～70 s，震级测定结果比本文研究结果整体偏大0.1～0.3 级，与公布震级结果接近。但是，由于使用台站数量的增多，地震测定用时显著增加，也不符合地震快速速报的要求。因此，本文认为采用10 个台站进行测定分析效果最佳。

4 分析与讨论

4.1 震级偏差值较大原因分析

根据图3b 可知，在85 条震例中有4 例地震震级差较大，达到0.5。4 例地震分别为2016 年10 月29 日02 时58 分辽宁省朝阳市喀喇沁左翼蒙古族自 治 县3.6 级 地 震、2016 年11 月16 日09 时13 分阿 拉 善 右 旗3.7 级 地 震、2017 年11 月14 日07 时21 分 阿 拉 善 左 旗2.6 级 地 震、2018 年12 月10 日20 时28 分赤峰市敖汉旗2.7 级地震（图1 中绿色圆点）。4 例地震事件都在行政区边界，本行政区台站使用率极低，台站包围效果一般（图5），台站分布空 隙角最大为126.7°（表2）。

图5 震级偏差较大的地震事件

表2 测定结果偏差较大的地震事件

根据上述分析，由于本文研究过程中前提条件一致，采用两种方法针对相同台站计算震级，故震级偏差与台站分布无直接相关。为寻找震级偏差的真正因素，对上述4 条地震事件重新进行人工测定速报震级，增加定位台站数为14 个进行快速测定（表3）。

表3 震级偏差较大地震事件重新测定结果

序号3 和4 的地震事件，增加定位台站后，与公布震级偏差仍达到0.3。

根据图1 可知，2016 年阿拉善右旗3.7 级地震（序号2 事件）与2017 年阿拉善左旗2.6 级地震（序号3 事件）震中均位于内蒙古西部阿拉善盟境内，震中相距357 km。2016 年辽宁喀喇沁左翼蒙古族自治县3.6 级地震（序号1 事件）与2018 年赤峰市敖汉旗2.7 级地震（序号4 事件）震中均位于内蒙古东北及邻区，震中相距112 km。序号1 和2 的地震事件震级均＞3 级，垂直分量S 波发育完全，增加定位台站数量后，序号1 和2 的地震事件与公布震级偏差显著减小，最小达到0.1；序号3 地震事件，震级＜3 级，垂直分量的S 波发育不完全，采用10 个定位台站进行快速测定速报震级方法，测量结果与公布震级偏小0.5 级，10 个定位台站震中距均小于180 km。增加甘肃台网HCH、HXP、JIA 和SDT4 个定位台站（Δ＞300 km）后，由于震中距增加，新增4 个台站垂直向S 波发育好，快速测定震级结果为M2.3，与公布震级偏差为0.3，符合地震速报震级允许误差范围；序号4 地震事件，震级同样小于3 级，采用10 个定位台站进行快速测定速报震级方法，测量结果与公布震级偏小0.5 级，增加HLH、XLT、XFN、WLY4 个震中距Δ＞300 km 的定位台站后，新增台站数据的垂直向S 波发育较好，快速测定震级为M2.4，与公布震级偏差为0.3，符合地震速报震级允许误差范围。

综上，M＞3.0 地震，在增加定位台站后，快速测定震级偏差显著减小，与公布震级较为接近。对于M＜3.0 级地震，由于发震震级偏小，利用10 个定位台站数据进行快速测定时，由于垂直分量的S 波发育不完全，衰减快，导致在垂直分量测量最大振幅时误差较大，增加震中距较大的台站数据后，由于新增台站垂直向S 波发育较好，在垂直分量测量最大振幅时误差较小。因此初步认为，震级偏小、定位台站震中距较小、垂直分量的S 波发育不完全，是利用快速测定速报震级方法测定震级偏差较大的主要原因。然而，增加定位台站数量后，可以显著减小震级偏差，但是需要付出增加地震测定用时为代价。

4.2 震级偏差校正

根据对不同震级差Δm 进行频次统计发现，全部85 条地震事件中，震级差为0.2 的地震有35 例，占总震例样本数的41.2%。震级差分布符合高斯正态分布，拟合的高斯正态分布曲线相关系数R 为0.92，拟合方差为0.07，FWHM（半峰全宽）约为0.2。此外，高斯曲线均数约为0.2，该数值也是正态分布的集中趋势位置，曲线以均数为中心左右对称。因此，为保证快速测定结果的可靠性，根据垂直向振幅测定震级方法，引入偏差校正值ΔM，将公式（1）修正为：

式中：Aμ 是以μm 为单位的地动位移；R 为量规函数；Δ 为震中距；ΔM 为使用垂直向量取SMZ 振幅测量震级方法的校正常数。根据上述分析，选取ΔM为0.2。

根据公式（4）对快速测定速报震级方法结果进行校正，将校正后的快速测定速报震级结果与常规速报震级进行对比。由图6a 可知，校正后的快速测定速报震级结果与常规速报震级的差值平均偏小0.05，整体偏差值介于-0.3～0.2 之间，校正后测定结果的离散度相对较小。由图6b 可知，全部85 条地震事件中，最小震级差绝对值为0，最大震级差绝对值为0.3。震级差为0 的震例有35 例，占总震例样本数的41.2%，震级差绝对值高于0.3 的震例为0。

图6 经过校正后两种方法测定震级结果对比

4.3 校正前后的快速测定震级结果与公布震级对比分析

采用快速测定速报震级方法，将校正前的85 例地震测定结果与中国地震编目系统jopens 上公布震级进行对比（图7）。

图7 校正前后的快速测定震级结果与公布震级对比

由图7a 可知，震级差介于-0.7～0.1 之间，最小震级差绝对值为0，最大震级差绝对值为0.7。震级差绝对值为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7 的地震分别有3 例、12 例、28 例、17 例、15 例、7 例、2 例和1 例。根据《地震速报技术管理规定》，符合地震速报的报出震级应与公布编目地震震级差不大于±0.3。按照上述规则，校正前，85 条地震中符合要求的共有60 条，占总震例样本数的70.6%；震级差大于±0.3 级的地震共有25 例，占总震例样本数的29.4%。由此可知，未校正前，采用快速测定法测定震级与公布震级之间存在一定差距。

根据公式（4），将校正后的地震测定结果与公布震级进行对比。由图7b 可知，震级差介于-0.5～0.3 之间，最小震级差绝对值为0，最大震级差绝对值为0.5。震级差绝对值为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 的地震分别有28 例、27 例、18 例、9 例、2 例和1 例。按照《地震速报技术管理规定》，震级差大于±0.3 级的地震共有3 例，占总震例样本数的3.5%；符合速报要求的共有82 条，占总震例样本数的96.5%。可以看出采用快速测定速报震级方法测算速报震级，震例合格率为95%以上，测定速度震级稳定性较好，校正后的结果偏差较小，测定速报时间显著缩短。因此，该方法适用于地震台网速报的处理要求，可以提供较为可靠的参考。

以上分析认为，当地震震级偏小，导致垂直分量的S 波发育不完全、衰减快，使用快速测量震级方法会出现震级偏小且误差较大的情况。因此，对于震级偏小并且垂直分量S 波发育不完全的地震，若未达到速报等级M3.0，但在速报工作中需要响应AU 或为有感地震的事件，不建议采用快速测定速报震级方法测定震级。

5 结论

选取了内蒙古地震台网2014—2018 年天然地震事件85 例，分别采用常规法和快速测定速报震级方法测定地震速报震级，通过对两种方法测定结果进行对比分析，得出以下结论。

1）快速测定速报震级结果与常规测定结果相比整体偏小，震级差绝对值介于0～0.5 之间，平均震级差为0.25。0≤Δm≤0.3 的震例有69 例，占总震例样本数的81.2%；Δm＞0.3 的震例有16 例，占总震例样本数的18.8%。对不同震级差频度分布进行高斯分布函数拟合，震级差分布符合高斯正态分布。

2）常规法测定震级需要利用两水平方向波形数据，对S 波震相的振幅进行两次量取；快速测定速报震级法，利用垂直分量，只需量取1 次。快速测定速报震级方法所用时间大约为常规速报方法的3/5，可显著缩短速报工作时间，平均缩短为约90 s左右，能够更加快速地获取地震速报结果。

3）将常规方法和快速测定法测算的速报震级结果进行对比认为，震级偏小、定位台站震中距较小、垂直分量的S 波发育不完全是利用快速测定速报震级方法测定震级偏差较大的主要原因。对于M≥3.0 地震，在增加定位台站后，快速测定震级偏差显著减小，与公布震级较为接近。对于M＜3.0地震，震级偏小、垂直分量的S 波发育不完全、衰减快，导致在垂直分量测量最大振幅时误差较大，增加震中距较大的台站数据后，由于新增台站垂直向S 波发育较好，在垂直分量测量最大振幅时误差较小。然而，增加定位台站数量后，可以显著减小震级偏差，但需要付出增加地震测定用时为代价。因此，对于M＜3.0 的地震事件，不建议采用快速测定速报震级方法测定震级。

4）校正后的地震测定结果与公布震级相比，震级差介于-0.5～0.3 之间，最小震级差绝对值为0，最大震级差绝对值为0.5。按照《地震速报技术管理规定》，符合速报要求的共有82 条，占总震例样本数的96.5%；震级差大于±0.3 级的地震共有3 例，占总震例样本数的3.5%。震级校正后，测定精度提高，减小了震级偏差对地震速报的影响。因此，该方法适用于地震台网速报的处理要求，可以提供较为可靠的参考。

致谢本文使用MSDP 软件进行研究，在此对该软件的开发者表示感谢。同时，感谢评审老师给文章提出宝贵的修改意见。