大連地震臺面波震級偏差分析與校正

李慧卿，王九洋，張新杭，原 超，成少云

（大連地震臺，遼寧 大連 116012）

大連地震臺面波震級偏差分析與校正

李慧卿，王九洋，張新杭，原 超，成少云

（大連地震臺，遼寧 大連 116012）

中國地震臺網(wǎng)中心提供了一個試算的大連地震臺面波震級臺基校正模型?；谠撃Ｐ?，我們對1985年至2003年大連地震臺記錄的共計1357次地震進行了面波震級臺基校正試算，按照不同震中距、不同震級、不同方位角分別進行了討論，得到大多數(shù)情況下大連地震臺單臺實測面波震級小于國家臺網(wǎng)面波震級的結(jié)論。

震級偏差；面波震級；震中距；反方位角；校正模型

0 引言

在實測中，大連地震臺單臺面波震級與中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一發(fā)布的面波震級有一定偏差。這與臺站所處地理位置、震源機制、傳播路徑、甚至瑞利波與勒夫面波的差異等因素都有關(guān)［1］：臺站所處的地理位置可能對面波的吸收、衰減情況不同［2］；震源機制中，斷層錯動方向與臺站之間的相互位置，直接影響著臺站實測最大面波的振幅大??；由于面波是在地球表面?zhèn)鞑サ?，而地球表面?zhèn)鞑ヂ窂娇赡艽嬖诤艽蟮牟町?，諸如大陸地殼與海洋地殼這兩種傳播路徑上，面波顯示的形態(tài)就存在明顯差異，而這也必然將影響到面波震級的測定［3］；瑞利面波與勒夫面波本質(zhì)上是兩種性質(zhì)不同的面波，而實測中是將哪種面波作為最大面波測量，也直接影響著最終的結(jié)果。

模擬時期傅盛國（1991）［4］曾測算出大連地震臺臺基校正值，本文將依據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心提供的一個試算的大連地震臺的面波震級臺基校正模型詳細討論。

1 面波震級臺基校正思路概述

實測中，大連地震臺面波震級測定偏差主要表現(xiàn)為：近距離小地震面波震級偏小；不同震中距、不同方位角地震實測面波震級與中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的面波震級存在偏差；特定地區(qū)的地震面波形態(tài)存在明顯差異；極遠震理論最大面波到時與實測最大面波到時偏差較大等方面。這些都對大連地震臺精確測定面波震級帶來影響。在此背景下，進行大連地震臺面波震級校正具有極大意義。

為全面準(zhǔn)確描述大連地震臺面波震級的臺基校正問題，我們按照不同震中距、不同震級、不同方位角分別進行討論。

2 資料的選取與可靠性分析

2.1 面波震級試算

中國地震臺網(wǎng)中心提供的試算的大連臺面波震級臺基校正模型，見表1。

表1 大連臺面波震級臺基校正模型

表1中，該模型提供了兩種校正模型：一種為按照不同震中距分別加上相應(yīng)的臺基校正值；一種為不分震中距的臺基統(tǒng)一校正值，即表1中最后一列。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差與地震數(shù)也列在表1中。

基于該模型，我們對1985年至2003年大連地震臺共計1357次地震進行了面波震級臺基校正試算。這1357次震例中，大連地震臺單臺測定面波震級大于國家臺網(wǎng)面波震級的震例為161次，約占11.86%；等于國家臺網(wǎng)面波震級的震例為190次，約占14.00%；小于國家臺網(wǎng)面波震級的震例為1006次，約占74.13%。這與實際情況吻合，即大部分情況下，大連地震臺單臺測定面波震級小于國家臺網(wǎng)面波震級。該1357次震例分布及偏差情況見圖1-4。其中大連地震臺單臺測定面波震級大于國家臺網(wǎng)面波震級的震例標(biāo)示為方塊；等于國家臺網(wǎng)面波震級的震例標(biāo)示為十字；小于國家臺網(wǎng)面波震級的震例標(biāo)示為圓點。

圖1 全部試算震例分布Fig.1 All trial distribution of earthquake examples

圖2 大連地震臺單臺面波震級大于國家臺網(wǎng)震級震例Fig.2 Earthquake examples of Dalian seismic station single surface wave magnitude greater than the national network magnitude

圖3 大連地震臺單臺面波震級等于國家臺網(wǎng)震級震例級震例Fig.3 Earthquake examples of Dalian seismic station single surface wave magnitude equivalent to the national network magnitude

圖4 大連地震臺單臺面波震級小于國家臺網(wǎng)震級震例Fig.4 Earthquake examples of Dalian seismic station single surface wave magnitude less than the national network magnitude

我們對每一次震例都分別按震中距、震級、方位角分別進行了討論，按照不加臺基校正值、加分震中距區(qū)間校正值、加總校正值分別計算了平均偏差和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.1.1 按震中距討論

按震中距討論和計算的結(jié)果，見表2。

由表2可知，對于30°以內(nèi)的地震，大連地震臺進行面波震級校正后的結(jié)果要優(yōu)于未進行面波震級校正時的情況；而對于30°以上的地震，校正后結(jié)果則不如校正前的好；按照統(tǒng)一校正模型進行校正后的結(jié)果也優(yōu)于未進行校正時的情況。亦即對于大連地震臺，震中距較近的地震，按該模型進行校正的結(jié)果較為理想；震中距較遠的地震，則不按照該模型進行校正為宜。按照統(tǒng)一校正模型進行校正的結(jié)果雖然優(yōu)于未進行校正時的情況，但考慮到校正前后的樣本中，30°以內(nèi)地震在數(shù)量上居于絕對優(yōu)勢，因此該優(yōu)化結(jié)果應(yīng)認(rèn)為仍是由震中距較近的地震貢獻的比重較大。

對于標(biāo)準(zhǔn)差的分析則表明，優(yōu)化后的各標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)了較好的一致性，除130～180°區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)差為±0.38外，其它各結(jié)果均為±0.23和±0.24。這應(yīng)當(dāng)是統(tǒng)計樣本過大時，標(biāo)準(zhǔn)差趨于常數(shù)造成的，換言之，該常數(shù)應(yīng)在±0.23或±0.24左右。此外，新的標(biāo)準(zhǔn)差幾乎全部為正數(shù)，屬系統(tǒng)性偏差，是大連地震臺面波震級絕大部分小于國家臺網(wǎng)面波震級的必然結(jié)果。

2.1.2 按震級討論

按照震級進行討論時，我們分兩種情況進行了討論，分別為以國家臺網(wǎng)震級為標(biāo)準(zhǔn)和以大連地震臺單臺實測震級為標(biāo)準(zhǔn)。

a.以國家臺網(wǎng)震級為標(biāo)準(zhǔn)

以國家臺網(wǎng)震級為標(biāo)準(zhǔn)，我們對每一個震級區(qū)間進行了分別討論。由于小于MS3.9和大于MS8.0的地震數(shù)量較少，進行標(biāo)準(zhǔn)差分析時可能離散程度較大，因此在對這兩個震級區(qū)間進行單獨討論后，我們還將其分別并入相鄰的4級地震區(qū)間和7級地震區(qū)間進行了討論，見表3a、3b、3c。

表2 按震中距討論臺基校正值

表3a 按國家臺網(wǎng)震級討論臺基校正值

表3b 分震中距區(qū)間校正

表3c 統(tǒng)一校正值

由表3a、3b、3c可知，小于MS3.9的地震僅有一例，因此其標(biāo)準(zhǔn)差由泊松誤差得出，且其離散程度較高，故不參與討論。小于MS6.9的地震，加上臺基校正值的結(jié)果明顯優(yōu)于不加臺基校正值的結(jié)果；加統(tǒng)一校正值的結(jié)果略優(yōu)于加分震中距區(qū)間校正值的結(jié)果。而MS7.0以上地震加臺基校正值的結(jié)果并未得到顯著優(yōu)化；MS8.0以上地震加臺基校正值的結(jié)果則劣于不加臺基校正值的結(jié)果。

同時上三張圖說明，MS7.9以下地震的平均偏差均為正數(shù)，即大連地震臺單臺震級小于國家臺網(wǎng)震級，且有隨著震級增大，這種差值逐步減小的統(tǒng)計規(guī)律，至MS8.0以上地震，大連地震臺單臺震級變得大于國家臺網(wǎng)震級。這種統(tǒng)計規(guī)律和變化趨勢在加上分震中距區(qū)間校正值和統(tǒng)一校正值時，也有類似的體現(xiàn)。

各結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相比于按震中距討論時，MS6.9以下地震的標(biāo)準(zhǔn)差集中在±0.23至±0.25左右；MS7.0以上地震的標(biāo)準(zhǔn)差則集中在±0.26至±0.28左右，表現(xiàn)出較好的分區(qū)間一致性?？紤]到MS7.0以上地震數(shù)量較少，因此該結(jié)果應(yīng)仍為大樣本討論時，標(biāo)準(zhǔn)差趨于常數(shù)的必然結(jié)果。

b.以大連地震臺單臺震級為標(biāo)準(zhǔn)

我們以大連地震臺實測震級為標(biāo)準(zhǔn)，采用和a中相同的分類方法，對問題進行了討論，計算結(jié)果見表4。

表4a 按大連地震臺單臺震級討論臺基校正值

表4b 分震中距區(qū)間校正

表4c 統(tǒng)一校正值

與a中討論情況相類似，以大連地震臺單臺震級為標(biāo)準(zhǔn)進行討論時，MS5.9以下地震，即震級較小的地震，加上臺基校正值的結(jié)果明顯優(yōu)于不加臺基校正值的結(jié)果；加統(tǒng)一校正值的結(jié)果略優(yōu)于加分震中距區(qū)間校正值的結(jié)果。而MS6.0以上地震加臺基校正值的結(jié)果并未得到顯著優(yōu)化；MS7.0以上地震加臺基校正值的結(jié)果則劣于不加臺基校正值的結(jié)果。相比于a.討論的情況，出現(xiàn)拐點變化的震級偏小了一級。

對于平均偏差符號的討論，也同樣出現(xiàn)了相似的變化。MS6.9以下地震的平均偏差均為正數(shù)，即大連地震臺單臺震級小于國家臺網(wǎng)震級，且有隨著震級增大，這種差值逐步減小的統(tǒng)計規(guī)律，至MS7.0以上地震，大連地震臺單臺震級變得大于國家臺網(wǎng)震級。這種統(tǒng)計規(guī)律和變化趨勢在加上分震中距區(qū)間校正值和統(tǒng)一校正值時，也同樣有類似的體現(xiàn)。且這種情況的拐點震級同樣比a討論的情況偏小一級。

對于標(biāo)準(zhǔn)差的討論，則呈現(xiàn)為：MS6.9以下地震的標(biāo)準(zhǔn)差集中在±0.21至±0.25左右；MS7.0以上地震的標(biāo)準(zhǔn)差則集中在±0.26至±0.29左右；MS3.9以下地震和MS8.0以上地震由于地震數(shù)量較少，離散度較大。標(biāo)準(zhǔn)差在整體上也表現(xiàn)出較好的分區(qū)間一致性。

2.1.3 按反方位角討論

按照定義，方位角是臺站相對于震中的方位角；反方位角是震中相對于臺站的方位角。由于前者無討論意義，因此僅討論后者，即按反方位角進行討論。

我們將反方位角按照每45°一個區(qū)間進行劃分，計算結(jié)果見表5。

表5a 按反方位角討論臺基校正值

表5b 分震中距區(qū)間校正

表5c 統(tǒng)一校正值

由表5可知，除0～44°反方位角區(qū)間外，其余各區(qū)間也呈現(xiàn)了如前所述的形態(tài)，即加分震中距校正值的結(jié)果優(yōu)于未加校正值的結(jié)果；加統(tǒng)一校正值的結(jié)果又優(yōu)于加分震中距區(qū)間校正值的結(jié)果。除0～44°區(qū)間加統(tǒng)一校正值外，其余各平均偏差均為正數(shù)，仍體現(xiàn)出大連地震臺單臺震級小于國家臺網(wǎng)震級的統(tǒng)計規(guī)律。各標(biāo)準(zhǔn)差則表現(xiàn)較為離散，但仍集中在±0.20至±0.31間，仍有趨于常數(shù)的態(tài)勢。

3 結(jié)論與討論

大連地震臺面波震級加臺基校正值試算統(tǒng)計規(guī)律如下：

（1）大連地震臺單臺實測面波震級通常小于國家臺網(wǎng)面波震級；

（2）分震中距區(qū)間校正值結(jié)果優(yōu)于不加校正值，而統(tǒng)一校正值結(jié)果優(yōu)于分震中距區(qū)間校正值；

（3）30°震中距以內(nèi)加校正值后優(yōu)化效果明顯，30°震中距以上加校正值后效果劣化；

（4）實測震級≤MS5.9時，加校正值后優(yōu)化效果顯著。實測震級＞MS6.0時，加校正值后未見顯著優(yōu)化，甚至出現(xiàn)劣化。如果以國家臺網(wǎng)震級為標(biāo)準(zhǔn)，則該現(xiàn)象的拐點震級提高一級；

（5）大震級地震加校正值后平均偏差出現(xiàn)變號，亦即校正過度；

（6）除0～44°反方位角區(qū)間外，各反方位角區(qū)間加分震中距校正值后得到優(yōu)化，加統(tǒng)一校正值則進一步優(yōu)化；

無論何種統(tǒng)計方式，各標(biāo)準(zhǔn)差都趨于某一常數(shù)，應(yīng)為大樣本數(shù)量統(tǒng)計的必然結(jié)果。鑒于臺基校正值與震級間的關(guān)系較為明顯，今后的討論工作應(yīng)對大地震和中小地震區(qū)分討論。

在大連地震臺震級試算工作中，由于小地震、30°以內(nèi)震中距地震所占比重較大，客觀上加大了相應(yīng)區(qū)間權(quán)重，直接影響了最終平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差。在進一步的工作中，應(yīng)盡量平均分配震級、震中距、反方位角等討論區(qū)間的地震個數(shù)。而對于特大地震面波震級，還應(yīng)考慮震級飽和可能帶來的影響。

［1］田文德，胡俊明.成都臺數(shù)字地震儀測定震級偏差分析與矯正［J］. 四川地震，2012，（3）：20-23.

［2］包秀敏，馬莉. 沈陽地震臺大震速報震級差分析［J］. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報，2013，（3）：63-67.

［3］蘇梅艷，毛世榕. 桂林臺大震速報震級偏差的分析［J］.華南地震，2013，（3）：92-98.

［4］傅盛國. 大連地震臺面波震級偏差及其矯正［J］. 東北地震研究，1991，7（4）：73-79.

ANALYSIS AND CORRECTION ON SURFACE WAVE DISPERSION IN DALIAN SEISMIC STATION

LI Hui-qing，WANG Jiu-yang，ZHANG Xin-hang，YUAN Chao，CHENG Shao-yun

（Dalian Seismic Station，Liaoning Dalian 116012，China）

The China Earthquake Networks Center provides a trial of Dalian surface wave magnitude platform calibration model， based on the model， the 1985 to 2003 in Dalian seismic station total 1357 earthquakes of surface wave magnitude platform trial and error correction. For platform in Dalian seismic surface wave magnitude correction， according to the epicentral distance， different earthquake magnitude， range angle are discussed respectively.

magnitude deviation； magnitude correction； correction model

P315.3；P315.78

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.021

1674-8565（2016）03-0109-06

2016-06-29

2016-07-26

李慧卿（1986-）女，山西省大同市人，2010年畢業(yè)于沈陽師范大學(xué)，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測工作。