四川测震台网ML 震级特征研究

黄春梅，罗 勇，魏娅玲，王宇航

（四川省地震局，四川 成都 610041）

震级是表征地震强弱的量度，是地震的基本参数之一。一个既准确又统一的震级值无论是在地震日常工作还是在研究工作中均显得尤其重要。常用的震级标度有ML——地方性震级、MS——面波震级、MS（BB）——宽频带面波震级、mb或mB——体波震级、mB（BB）——宽频带体波震级和MW——矩震级（陈章立等，2014；刘瑞丰等，2017）。ML震级是区域地震台网日常工作中测定的主要震级。Richter（1935）提出了ML震级标度，其所使用的地震仪器是当时在南加州普遍使用的伍德-安德森扭力地震仪，仪器常数为：周期为0.8 s，阻尼系数为0.8，放大率为2 800，并定义伍德-安德森标准地震仪在100 km 处记录到的两水平分向最大振幅的算术平均值是1 μm 的地震为零级地震，这为地震震级的测量提供了基础。最初的地方性震级公式只适用于美国加利福尼亚地区（Richter，1958），且使用的仪器是伍德-安德森短周期地震仪，这显然存在一定的局限性。随后世界各地逐步建立了符合本区域特征的ML震级标度。1959 年，在里克特震级的基础上，李善邦（1981）将里克特的地方性震级公式写成了一般形式，建立了我国的地方性震级起算函数，即R1（Δ）和R2（Δ），将震中距拓展到1 000 km。

四川省地形起伏大，地质结构复杂，鲜水河、龙门山及安宁河—则木河三条断裂带形成“Y”字形的构造带。四川盆地位于龙门山断裂带东侧，属于比较稳定的扬子地块，其地壳物质较坚硬，呈现介质品质因子高（低衰减系数），且盆地表层松软沉积层对入射波有放大作用；川西高原地区呈现介质品质因子低（高衰减系数）；攀西地区表现出介质品质因子低（较高衰减系数）（吴微微等，2016）。由于仪器记录波形会受到震源特性、地震波的传播路径、接收台站和地震仪器以及人为因素的影响，故在日常的地震速报、编目工作中，不同台站测定同一地震的ML震级会出现离散程度很高的现象，个别台站震级偏差甚至达到1.0。由于地壳构造的复杂性和不均匀性使地震波通过地壳后变得非常复杂，为了避免地震震源特性、地震波传播路径、台站方位等因素对震级测定的影响，在进行震级和量规函数研究时必须用大量的震级数据进行统计分析（陈培善等，1983）。台网数字化以来，随着台网不断加密，四川地区地震监测能力不断提升，全省监测能力达到ML1.6。近10 年四川大震频发，积累了大量的数字地震观测资料，仅2013—2021 年四川数字地震台网就提交了近40 万次地震的数字观测报告，为分析研究四川台网ML震级特征提供了有利的条件。本研究利用2013—2022 年四川测震台网10 年间记录到四川及周边地区2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震事件的观测资料，基于震级残差统计方法得到59 个区域台的ML单台震级与台网平均震级的偏差、各单台记录地震的平均偏差和标准偏差，总结四川测震台网ML震级单台震级偏差分布特征，并分析其产生的原因，为台网日常工作中震级测定提供参考。

1 数据与方法

目前，四川测震台网接入台站近200 个，包括有区域台、地方台、企业台、流动台，其中59 个区域台均采用宽频带地震计。本研究筛选出2013—2022 年四川测震台网59 个区域记录到四川及邻区2.0 ≤ML≤5.5的36 693 次地震事件的观测波形资料，进行单台ML震级偏差统计分析，研究区台站和地震震中分布见图1。所选的地震事件观测资料均由广东省地震局开发的 MSDP 交互处理软件人工分析产出，计算ML震级是将各台速度记录进行W.A 仿真成位移记录后量取两水平向的最大幅值，利用我国地方性震级公式计算单台震级，然后计算出多台震级平均值。目前我国地震台网在计算ML震级时使用的仍是李善邦（1981）结合华北地区地震波衰减规律修改后的量规函数，即R2（Δ）。对第j 个台站，按地方性震级公式求得第 i 个地震的单台震级（Mij），然后对记录到第 i 个地震的N 个子台求平均值得到台网平均震级和标准偏差（郭履灿等，1986；陈运泰等，2004）。

图1 研究区地震震中及台站分布

2 计算结果及分析

对四川测震台网 59 个区域台站10 年期间记录的2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震共255 253 个单台震级样本数据进行整理统计，采用残差统计方法，计算得到单台震级偏差和各区域台站记录地震的平均偏差以及标准偏差，计算结果见表1。

表1 单台震级偏差统计

2.1 单台震级与台网平均震级的偏差比较

对所有样本进行单台震级与平均震级偏差值统计（图2），由该图可知，震级偏差值基本呈正态分布，相对集中于 -0.5～0.5。255 253 个单台震级样本中，单台震级偏差（绝对值）≤0.2 的有 134 486 次，占52.7%；0.2 ＜单台震级偏差（绝对值）≤0.5 的有94 028 次，占36.8%；0.5 ＜单台震级偏差（绝对值）≤1.0 的有25 926 次，占10.2%；单台震级偏差（绝对值）＞1.0 的有813 次，占 0.3%。

图2 震级偏差统计直方图

计算各区域台站记录所有地震单台震级与台网平均震级的平均偏差和标准偏差结果见表1。59 个区域台均存在震级偏差，标准偏差范围在0.19～0.33，平均偏差范围在 -0.41～0.54 之间。59 个台站中有49个台站的震级平均偏差（绝对值）＜0.3，占 83.1%；REG、JZG、SMI、YJI、MEK 这5 个台的震级偏差＜-0.3，较台网平均震级明显偏小。HMS、EMS、BZH、HLI、MNI、JJS 这6 个台的震级偏差＞0.3，较台网平均震级明显偏大。从图3 可以看出，四川区域台站ML震级偏差与地质结构存在明显的相关性，ML震级沿龙门山断裂带两侧分区特征明显，呈现“东高西低”特征。ML震级偏小明显的台站分布在龙门山断裂带西侧的川西高原地区（如：REG、JZG、YJI、MEK 4 个台），最大平均偏差为-0.41，这种偏差一方面是由于川西高原地区构造活跃且裂隙发育，在研究中表现为较低的品质因子，地震波传播至该区域能量衰减明显（马宏生等，2007；赵翠萍等，2011）；另一方面由于地壳软流层的存在，使得川西高原台站记录波形呈现“弱S”现象，用这种弱S 波形测定的ML震级较其他台站的偏低（何韬等，2013）；ML震级偏大明显的台站主要分布在龙门山断裂带东侧的四川盆地（如：HMS 、BZH、EMS、JJS 4 个台），最大平均偏差为0.54，这种偏差可能是来源于四川盆地松软土层的放大效应和台基场地影响，且四川盆地是构造稳定的扬子地块，在研究中表现为较高的介质品质因子（吴微微，2016）。

图3 单台ML 震级平均偏差的平面分布

2.2 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（Δ）的变化规律，将单台震级偏差数据以10 km 间隔求其平均偏差值（），在 0～500 km 范围内，分为 50 个间隔。式（1）中，k 为间隔序数，n 为间隔范围内震级偏差样本数。计算结果见表2。

震级残差主要是由量规函数、台基效应和地震波辐射的方向性差异等因素造成的。如果量规函数正确、不考虑台基效应且对大量地震进行统计分析时，地震波辐射的方向性差异的统计效应为0，则震级偏差随震中距的变化应在零线附近摆动。通过式（1）对离散数据进行平滑处理，得到震级残差随震中距的变化关系。四川地区ML震级偏差随震中距的变化曲线如图4，震中距＜150 km 时测定的ML震级较台网平均震级偏小，震中距≥200 km 时测定的ML震级较台网平均震级偏大。在对大量数据进行统计，不考虑台基效应时，当＞0 说明使用的量规函数值偏大，需对原量规函数进行负校正；当，说明使用的量规函数值偏小进而需对原量规函数进行正校正。当震中距＜150 km 时，单台与平均震级的平均偏差值＜0，尤其是震中距在20～30 km 时，单台震级与台网平均震级的偏差平均值＜- 0.2，说明此震中距范围内量规函数明显偏小；当震中距在 160～360 km 和390～470 km 时，震级偏差平均值在0.05～0.2，表明此震中距范围量规函数偏大。

图4 ML 震级偏差随震中距的变化

3 结论

本研究利用2013—2022 年四川测震台网记录到四川及周边地区2.0 ≤ML≤5.5 的36 693 次地震事件的观测资料，基于震级残差统计方法得到59 个区域台站的单台ML震级与台网平均震级的偏差、各单台记录地震的平均偏差和标准偏差，分析四川测震台网ML震级与单台震级偏差特征，得出结论：（1）由255 253 个单台震级样本的统计结果来看，ML震级偏差值基本呈正态分布，相对集中于 -0.5～0.5，单台ML震级偏差（绝对值）≤0.2 的样本数大于总样本数的50%。（2）计算59 个区域台站记录ML地震的平均偏差和标准偏差，标准偏差为0.19～0.33，平均偏差为 -0.41～0.54 。有49 个台站的震级平均偏差（绝对值）＜0.3，占总样本数的83.1%。（3）从ML震级偏差平面分布来看，四川区域台站ML震级偏差与地质结构存在明显的相关性。ML震级偏差沿龙门山断裂带两侧分区特征明显，呈现“东高西低”的特征。川西高原地区ML震级偏小的因素是该地区介质表现为较低的品质因子和该区域台站记录波形呈现“弱S”。四川盆地台站ML震级偏大的因素是该区域松软土层的放大效应和构造稳定的扬子地块介质高品质因子引起的。（4）根据四川地区ML震级偏差随震中距的变化曲线可知，震中距＜150 km 的台站测定ML震级较台网平均震级偏小，震中距≥200 km的台站测定ML震级较台网平均震级偏大。因此，在日常速报工作中测定ML震级时，不能只用震中距＜150 km 的台站，应适当补充震中距≥200 km 的台站，从而保证震级测定的稳定性。