新疆地区近震震级与面波震级经验关系初步研究①
2021-07-14闫新义曹昌军
金 花， 闫新义， 任 林， 曹昌军
(新疆维吾尔自治区地震局 ，新疆 乌鲁木齐 830011)
由于不同的地震辐射地震波的频谱存在差别，所以单一的震级标度不适用于定义所有的地震大小。震级是地震本身大小的一个量度，它的测定与地震仪器紧密相关，过去用的模拟地震仪属于位移记录，而现在用的宽频带数字地震仪是地动速度记录，存在频带宽、动态范围大的优点。十五测震台网建成后，新疆所有测震台站的数据采集器都使用24位，地震计多数升级为宽频带、甚宽频带和超宽频带，有3个台站为短周期井下地震计。新疆台网共汇集19个中国地震数字地震台、76个区域数字地震台、邻省共享数字地震台共26个(甘肃5个、青海13个、西藏8个)[1-4]。
1 ML和MS震级的测定
使用不同的震级标度有助于客观地描述地震大小。目前新疆台网速报和编目工作中主要使用近震震级和面波震级。近震震级测定具有方便、简单、有效的优势，有助于定量研究地震，为面波震级、体波震级标度的建立提供思路与方法，具有广泛的应用[5]。面波震级可以测定远距离地震的大小，但对于近震、小震，面波不发育，无法直接量取面波震级，主要测量近震震级。从地震所产生的灾害来看，地震对建筑物的破坏主要是水平向和垂直向2个方向，而水平向震动具有扭转和剪切成分，其产生的破坏要比垂直向产生的破坏力强。因此，本文中利用水平向测定面波震级更能反映地震造成的破坏程度。通过收集新疆数字地震台网记录的2010～2018年新疆MS≥3.5可同时测定近震震级ML和面波震级MS的地震波形数据，针对新疆区域的监测台站进行分析，采用同一软件，人工量取每个地震的ML和MS，量取地震波的周期，计算台站的震中距离等基础数据，图1为所挑选的地震震中分布图。
图1 研究区域地震的震中分布图Fig.1 Epicentre maps of earthquakes in the study area
1.1 近震震级的测定
ML为近震震级，测量范围主要是1 000 km以内的浅源地震，测定时通常将宽频带数字地震记录仿真成DD-1短周期记录，然后量取近震震相S波的最大振幅[6],
ML=lg(Aμ)+R(Δ).
(1)
Aμ是以μm为单位的地动位移，R(Δ)为量规函数。近震震级的大小与地震破坏程度最接近，主要原因是大多数建筑物的固有周期与短周期地震仪器的周期接近，频带宽度大约在0.1～1 s。本文中主要仿真W·A来量取振幅，测定ML。
1.2 面波震级的测定
(2)
A是以μm为单位的两水平向地动位移的矢量和的最大值;T是相应的周期，单位为s; Δ为震中距，以度(°)为单位。
通过重新测定后，剔除误差偏大的震级，得到ML和MS各423个，共846个震级，表1为重测的震级。
通过人工查找，发现新疆本地台站记录到的面波震级下限为MS4.0，即MS≥4.0新疆本地台站才可以记录到面波。当MS<4.0时，新疆本地台站记录不到面波，而不少邻省台却有很好的面波发育，如甘肃、青海、西藏，产生这种现象，可能是由于震源辐射的方向性和地震波传播路径的影响。
2 数据处理
选取新疆北天山、南天山—西昆仑区域、东部区域和阿尔金附近区域MS≥3.5的地震，进行人工量取ML和MS，满足每个地震记录的台站数≥3的要求，共计500个MS≥3.5的地震，重新测定计算后得到ML和MS各423个(表1)，共846个震级。其中，新疆东部区域，北天山附近区域震级个数少于 50，因此做出来的结果不够准确，未列出线性相关关系。本文中仅对新疆整体区域和南天山—西昆仑区域及阿尔金附近区域的地震震级分区域进行说明。
表1 重新测量后的震级统计表
2.1 新疆整体区域的ML和MS偏差计算
此处所指新疆整体区域包含北天山、南天山―西昆仑区域，东部区域和阿尔金附近区域(图1)，共记500个地震事件，范围为3.5≤MS≤7.5，最后共仿真846个震级。为了分析不同震级之间的关系，本文中采用线性回归方法对ML和MS之间的关系进行回归分析，结果如图2所示。得到关系式，
图2 ML和MS之间的关系Fig.2 Relationship between ML and MS
MS=0.96ML-0.36.
(3)
郭履灿根据华北地区的地方性震级ML和面波震级MS[7]，得到ML和MS之间的关系,
MS=1.13ML-1.08.
(4)
上式也是中国目前使用的近震和面波之间的转换公式。将上式所得的MS称为MS郭，它与公式(3)存在系统偏差(表2)。
通过对比上述2个关系式，发现两者间存在显著的系统偏差，可能是由于区域的不同导致，新疆地区由ML换算的MS值，ML<4.5时，MS>MS郭；ML=4.5时，MS=MS郭；ML>4.5时，MS 表2 ML和MS对照表 阿尔金山地处青藏高原的北缘，将青藏高原与塔里木盆地分割开来。本文中针对的阿尔金区域分布在阿尔金山两侧，主要选取于田，若羌，且末，民丰发生的地震。通过人工量取得到ML和MS各169个，共338个震级。用线性回归分析方法(图3)对ML和MS之间的关系进行回归分析，得到回归关系式， MS=0.95ML-0.52. (5) 南天山—西昆仑区域主要包括南天山与塔里木盆地结合部附近发生的地震，选取伽师，阿图什，乌什，皮山，叶城，乌恰地震等。得到ML和MS各171个，共342个震级。用线性回归分析方法(图4)对ML和MS之间的关系进行回归分析，得到回归关系式， MS=0.93ML-0.54 . (6) 图3 阿尔金区域ML和MS之间的关系Fig.3 Relationship between ML and MS in the altun region图4 南天山—西昆仑区域ML和MS之间的关系Fig.4 The relationship between ML and MS in the south tianshan-west kunlun region 通过对表3的分析，发现阿尔金区域的震级误差要小于南天山—西昆仑区域的系统偏差，更接近中国地震局的震级，但比较新疆区域总的震级计算结果，还是系统偏差偏大。本文中未对北天山及新疆东部的计算结果进行展示，样本数量较少，均小于50，因此测量误差大，计算结果并不理想。发现只有当样本数量足够多时，如新疆区域(包含北天山、南天山—西昆仑区域，东部区域和阿尔金附近区域)，ML和MS各423个，共846个，计算结果才相对准确，更接近中国地震局结果。 为更精准的找出新疆地震台网和中国地震地震台网测定震级的差异，通过实测震级进行比较，参考公式(1)与公式(2)，即经过仿真后所得震级。对新疆台网和中国地震台网同时记录的232个ML和199个MS数据作对比，震级差值分布图见图5。 由图5显示，可以看出新疆台网与中国地震台网ML差值主要分布在(-0.2)～0.1之间，绝大多数地震差值为0。对于ML，总体趋势是新疆台网多数比中国地震台网测定的值偏小。而对于MS(图6)，多数情况下MS差值主要分布在(-0.4)～0.2之间，地震差值为0的最多。其次是相差(-0.1)～0.1居多。在分析过程中发现，多数台站的偏差范围在±0.5之内，发现ATS(阿图什)、BTS(北塔山)、KNS(喀纳斯)、SSH(鄯善)台震级偏差较大，分别为砂岩，粉砂岩，砂岩，变质岩。其中ATS台震级偏差在±0.7的范围内，震级既有偏大的也有偏小的，而BTS(北塔山)台、KNS(喀纳斯)台、SSH(鄯善)台计算出的震级普遍偏小，偏差在-1～-0.7的范围，可能是因为台基对地震波有放小作用。综上所述，初步认为由于砂岩松散沉积，对地震震级具有一定的影响[8-10]。基于发生在新疆及其周边的地震，相比之下，中国地震台网震中距大于200 km的远台多，面波发育，利于MS的测量。当震级较大时，如MS≥5.0，中国地震台网测定的面波震级会比区域台网更准确[11]。 图5 新疆台网和中国地震台网ML差值分布图Fig.5 Distribution map of ML difference between Xinjiang network and China seismic network 图6 新疆台网和中国地震台网MS差值分布图Fig.6 Distribution of MS difference between Xinjiang network and China seismic network 本文中通过选取新疆地震台网记录的新疆地区2010～2018年MS≥ 3.5地震，人工重新测定ML和MS值，运用线性回归方法对ML和MS之间的关系进行对比分析，得到新疆不同区域的经验关系式。 (1) 研究发现，新疆地区经仿真实测后得到的MS与中国地震台网测定的MS差值范围主要分布在 (-0.4)～0.2，差值以(-0.1)～0.1居多。对于绝大多数地震，新疆台网和中国地震台网测定的ML差值为(-0.2)～0.1，差值为0的地震数量最多。 (2) 新疆地区ML和MS之间的转换关系式同郭履灿转换公式计算结果具有部分的相似性，但由于研究区域及样本个数的差异，使得两者之间又存在显著差异，存在系统偏差。新疆地区由ML换算的MS值。当ML<4.5时，MS>MS郭；ML=4.5时，两者MS值相等；当ML>4.5时，MS (3) 在计算震级时发现ATS(阿图什),BTS(北塔山),KNS(喀纳斯),SSH(鄯善)台震级偏差较大，初步认为砂岩、变质岩对地震震级具有一定的影响。因此，在分析地震时需要结合监测台站台基，留意部分台在计算过程中反复出现震级偏差大的情况，谨慎选取地震震级，减少人为失误，对地震监测的准确性具有积极作用。
2.2 阿尔金附近区域
2.3 新疆南天山—西昆仑区域ML和MS偏差计算
3 新疆台网与中国地震台网测定震级比较
4 结 论
