廣西測震臺網(wǎng)臺站地方性震級偏差分析

牟劍英 向 巍 李攀攀 徐 寧

（中國南寧530022 廣西壯族自治區(qū)地震局）

0 引言

震級是一個表征地震大小的物理量，是地震的基本參數(shù)之一，也是地震應急響應、地震救援與災害損失評估的重要參數(shù)。因此，提供準確的震級，對地震科學研究和社會應急需求響應等方面的效能發(fā)揮具有重要作用。

區(qū)域地震臺網(wǎng)近震震級的測定，以多臺平均震級作為地震事件的震級，一般采用近震震級標度ML。對同一地震進行近震震級測定，即使地震儀器類型相同，臺基條件相似，不同臺站測量的震級也有所不同（薛志照，1992），這涉及到地震波隨距離的衰減補償，即近震量規(guī)函數(shù)和臺基校正值的研究。在區(qū)域地震臺網(wǎng)震級測定中，發(fā)現(xiàn)部分單臺震級與臺網(wǎng)平均震級相差較大，震級偏差一般在±0.9，若參與定位的臺站數(shù)較少，將嚴重影響地震事件震級測定的準確性。廣東、甘肅、江蘇、山西、江西等省級地震臺網(wǎng)在“十五”數(shù)字化改造后，陳貴美等（2010）對廣東測震臺網(wǎng)、項月文等（2010）對江西測震臺網(wǎng)、陳繼鋒等（2013）對甘肅測震臺網(wǎng)、康清清等（2019）對江蘇及鄰區(qū)測震臺網(wǎng)、梁向軍等（2019）對山西測震臺網(wǎng)區(qū)域震級偏差進行了分析；王麗艷等（2016）基于全國31 個省級地震臺網(wǎng)地震觀測資料，通過震級殘差統(tǒng)計分析方法，獲得東北、華北、華南、西南、青藏和新疆等5 個區(qū)域地方性震級量規(guī)函數(shù)。為進一步規(guī)范震級標準，劉瑞豐等（2015，2017）起草了新的震級國家標準，即GB 17740—2017《地震震級的規(guī)定》，對不同地區(qū)近震震級量規(guī)函數(shù)做了新的規(guī)定。

基于震級偏差統(tǒng)計方法，本文基于廣西測震臺網(wǎng)臺站場地響應、震中距和儀器設備等，對近震震級進行偏差分析，并根據(jù)單臺震級平均偏差給出臺基校正值，根據(jù)震中距平均偏差修正廣西區(qū)域量規(guī)函數(shù)。

1 臺網(wǎng)建設及資料選取

“十五”期間，廣西新建和改建了22 個區(qū)域直屬測震臺，實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡化觀測?！笆晃濉逼陂g，通過“中國地震背景場探測項目廣西分項”，新建了德保、全州、龍勝、昭平、融安、斜陽島等6 個測震臺。至此，共建成28 個直屬測震臺，其中5 個國家級測震臺站、23 個區(qū)域級測震臺站。同時，通過共享龍灘水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)11 個遙測子臺，聯(lián)網(wǎng)共享南寧、柳州市地震監(jiān)測臺網(wǎng)15 個測震子臺，加密新建陸川、博白、鳳山等12 個市縣級測震臺站，構建了廣西區(qū)域地震監(jiān)測網(wǎng)，為地震速報、地震編目和地震研究等服務。

選取廣西區(qū)域地震監(jiān)測網(wǎng)2008 年1 月至2019 年12 月記錄的廣西及鄰區(qū)發(fā)生的1 251 次ML≥2.0 地震事件，進行近震震級偏差分析，其中每次事件定位臺站數(shù)均不少于4 個。因南寧、柳州地震臺網(wǎng)在2015 年升級改造（將DS-4A 短周期地震計更換為CMG-3ESPC-120 甚寬頻地震計）后震級出現(xiàn)異常，且在省級改造期間斷記時間較久，文中僅對28 個直屬測震臺站、11 個龍灘水庫遙測子臺和12 個市縣地方測震臺站共51 個臺站數(shù)據(jù)進行震級偏差分析。臺站和所選地震事件分布見圖1。

圖1 廣西區(qū)域51 個測震臺站及選用地震事件分布Fig.1 Distribution map of 51 stations and selected earthquakes in Guangxi area

2 震級偏差計算

若?Mi為負數(shù)，代表單臺震級大于平均震級；若?Mi為正數(shù)，代表單臺震級小于平均震級。采用平均偏差和標準偏差σ來計算衡量震級偏差的大小和數(shù)組的離散程度，其中平均偏差用來表示某單臺震級數(shù)列中各項數(shù)值與其算術平均數(shù)的離差絕對值的算術平均數(shù)，平均偏差公式如下

標準偏差用來表示某單臺組內(nèi)數(shù)列各項數(shù)值的偏差離散程度，標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。標準偏差公式如下

在廣西測震臺網(wǎng)地震記錄進行震級偏差統(tǒng)計中，單臺震級總樣本數(shù)為14 784 個，其中桂西北片區(qū)的天峨、百色、大化、巖灘、平果、河池地震臺樣本數(shù)在350 個以上，桂東北片區(qū)的龍勝、全州、興安、融安、桂林地震臺樣本數(shù)均不超過100 個，在一定程度上反映了廣西地震西多東少的分布特點。斜陽島、昭平、博白等測震臺站于2014 年入網(wǎng)運行，事件單臺樣本數(shù)相對較少，但也可在一定程度上反映單臺震級和臺網(wǎng)平均震級的偏差關系。

3 偏差分析與修正

3.1 偏差結果

計算廣西51 個測震臺站地震記錄的震級偏差，獲取各單臺與測震臺網(wǎng)平均震級的平均偏差和標準偏差，結果發(fā)現(xiàn)，震級平均偏差絕對值在0.1 以內(nèi)的臺站有20 個，大于或等于0.1 的臺站有31 個，其中：北海、龍勝、南寧、欽州、全州、斜陽島、昭平、鳳山、陸川、天等、西林、坪上寨、仁頂、小苗坡和龍州共15 個地震臺站的單臺震級，比臺網(wǎng)平均震級偏大，偏差在-0.1— -0.5 之間，特別是天等和南寧地震臺，震級偏差較大，數(shù)值在0.4以上；德保、大化、東興、貴港、桂林、賀州、天峨、梧州、玉林、博白、靈山、甲龍、羅甸、向陽、岑溪和那坡共16 個地震臺站的單臺震級，比臺網(wǎng)平均震級偏小，偏差在0.1—0.4 之間，特別是天峨、玉林、德保、羅甸和博白地震臺，其震級偏小，偏差值均大于0.2；百色、崇左、大新、河池、靈山、靖西、平果、平南、憑祥、融安、潿洲島、巖灘、忻城、興安、坡皇洞、里納、杠里、八廣、田林、涼風坳共20 個地震臺，震級平均偏差較小，震級較為適中。各臺站標準偏差基本在0.18—0.32 之間，偏差數(shù)組離散不大。各地震臺單臺震級偏差統(tǒng)計結果見表1。

表1 單臺震級平均偏差和標準偏差統(tǒng)計Talbe 1 Statistics of the mean deviation and standard deviation of station magnitudes

將震級偏差按0.1 進行檔位劃分，其中：偏差在±0.1 以內(nèi)的樣本數(shù)為5 807 個，占39%；偏差在±0.2 的樣本數(shù)有8 946，占61%；偏差在±0.3 的樣本數(shù)有11 288 個，占76%；偏差在±0.4 的樣本數(shù)有12 839 個，占87%；震級偏差絕對值在0.5—1.5 的樣本數(shù)有1 945 個，占13%，其中大于1.0 的有115 個。

統(tǒng)計結果顯示，震級偏差ΔM集中分布在-0.4—0.4，呈正態(tài)分布，但震級偏差橫跨-1.5—1.5，分散度較高，見圖2。將震級偏差超過1.0—1.5 的臺站記錄事件再次進行人工分析，震級偏差仍較大。

圖2 單臺震級與臺網(wǎng)震級偏差統(tǒng)計Fig.2 Deviation statistics between station and network magnitudes

3.2 震級偏差分析

從觀測儀器類型、臺基場地響應和震中距方面，對廣西測震臺網(wǎng)單臺震級偏差進行分析，并利用臺基校正值修正區(qū)域量規(guī)函數(shù)。

（1）觀測儀器類型。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，更換地震計后，臺站震級偏差出現(xiàn)正負值轉變，如：龍灘水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)的小苗坡臺、八廣臺，在2019 年7 月升級改造過程中，將FSS-3M地震計更換為GL-CS2 地震計，震級偏差整體呈負值；靈山臺在2014 年1 月將JCZ 地震計更換為BBVS-120 地震計、2018 年6 月將BBVS-120 地震計更換為GL-S120 地震計，2 個時間節(jié)點也出現(xiàn)震級偏差正負值一致性轉變。結果見圖3 中(a)、(b)、(c)圖。

圖3 臺站震級偏差時序(a)靈山臺；(b)八廣臺；(c)小苗坡；(d)平南臺；(e)百色臺；(f)河池臺；(g)南寧臺；(h)崇左臺；(i)天峨臺Fig.3 Time sequence diagrams of the station magnitude deviations

此外，采用CTS-1E 地震計進行觀測的德保臺、桂林臺、憑祥臺，單臺震級總體偏小，而采用BBVS-60、CMG-3EPSC 和GL-S60 系列地震計進行觀測的臺站，震級不存在明顯的一致性偏大或偏小現(xiàn)象。秦嘉政等（1986）、薛志照（1992）、陳貴美等（2010）、王亞玲等（2020）研究認為，儀器類型對震級偏差影響不大。但在廣西區(qū)域設備更換中，從時間序列看，震級偏差出現(xiàn)較大轉變。因此，對儀器類型選用不同造成的變化，需進一步核實臺站系統(tǒng)配置參數(shù)的正確性。校對發(fā)現(xiàn)，更換儀器設備的臺站，未在JBOSSWeb 網(wǎng)頁上修改相應的儀器參數(shù)，從而造成震級偏差出現(xiàn)正負值變化。

（2）場地響應。在震級偏差計算中發(fā)現(xiàn)，當臺站更換臺址而儀器設備等條件不變時，單臺震級偏差出現(xiàn)變化，如百色、平南、河池地震臺，在臺站點位更換后，震級偏差正負值發(fā)生變化，其中：百色臺于2016 年變更臺址后，震級偏大；河池臺于2018 年臺墩升級改造后，震級偏小。結果見圖3 中(d)、(e)、(f)圖。

結合22個廣西直屬測震臺站場地響應值（龍政強等，2014）進行震級偏差分析，發(fā)現(xiàn)在1—20 Hz 范圍內(nèi)，場地響應值小于1 的臺站震級偏小，如賀州、貴港、百色、玉林、天峨、大化、東興、憑祥等地震臺站；場地響應值在1 附近的臺站震級偏差基本適中，如崇左、靈山、平果、平南、巖灘等地震臺站；場地響應值大于1 的臺站震級偏大，如南寧、北海、欽州等地震臺站，特別是南寧地震臺，其單臺震級比臺網(wǎng)平均震級大0.4 左右。場地響應對臺站震級偏差影響明顯，南寧、崇左和天峨地震臺震級偏差時序圖見圖3 中(g)、(h)、(i)圖。

（3）震中距。在臺網(wǎng)震級測定中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，震中距小的臺站震級普遍偏小。對14 784個樣本從震中距方面進行震級偏差分析。將震中距按間隔10 km 進行分組，統(tǒng)計單臺震級偏差，結果見表2，發(fā)現(xiàn)：震中距在70 km 范圍內(nèi)，震級偏小明顯；震中距在70—300 km，震級大小較為適中；震中距在300 km 以上，震級偏差為負值，震級偏大。

表2 單臺震級偏差按震中距分段統(tǒng)計Table 2 Statistics of magnitude deviation with epicentral distance intervals

對所選樣本按震級偏差和震中距的關系繪制圖件，并對震級偏差值進行曲線擬合，結果見圖4（圖中紅色線為擬合曲線，綠色線為0 值線），可見與震中距分段統(tǒng)計結果（表2）較為一致。

圖4 單臺震級偏差隨震中距的變化Fig.4 The variation of the station magnitude deviation with the epicentral distance

3.3 臺基校正

由于震源能量輻射、傳播路徑、臺基巖性及場地響應的差異，臺站震中距即使相同，其單臺測定震級與臺網(wǎng)平均測定震級也存在差別。近震震級公式如下

式中，A為水平向地震波最大振幅，R(Δ)為地震波振幅沿傳播途徑衰減變化補償?shù)牧恳?guī)函數(shù)，S(Δ)為臺基校正值。A受到人為量取的不同影響，R(Δ)受到臺站介質場地、臺站儀器、震中距等因素的影響，具有明顯的區(qū)域特征（薛志照，1992），而影響臺基校正值的主要因素是區(qū)域介質不均勻性和臺基巖性不同。根據(jù)各臺站震級偏差值進行臺基補償校正（表1），通過修改系統(tǒng)臺站校正值，可有效解決因場地響應造成的臺站震級偏差較大問題。

3.4 量規(guī)函數(shù)修正

廣西地震速報和地震編目采用的量規(guī)函數(shù)為改進后62、64 型短周期地震儀R1(Δ)（劉瑞豐等，2015）。由表2 可知，在震中距小于70 km 和大于300 km 時，單臺震級偏差存在浮動不穩(wěn)定現(xiàn)象，基于臺基校正值，對廣西當前區(qū)域量規(guī)函數(shù)進行補償修正，得到修正量規(guī)函數(shù)R3(Δ)，與GB 17740—2017 中給出的近震震級量規(guī)函數(shù)R12(Δ)和廣西模擬化觀測時段黃瑞和等（1989）對廣西地區(qū)14 個臺站修正后所得量規(guī)函數(shù)R2(Δ)進行對比，見圖5。

圖5 量規(guī)函數(shù)曲線Fig.5 Calibration function curve

由圖5 可知：在震中距70 km 范圍內(nèi)，廣西新修正區(qū)域量規(guī)函數(shù)R3(Δ)與模擬觀測階段R2(Δ)數(shù)值較R12(Δ)、R1(Δ)大，說明廣西區(qū)域測震臺站震級普遍偏小，且在震中距40 km 范圍內(nèi)，模擬觀測階段R2(Δ)較數(shù)字化觀測階段R1(Δ)數(shù)值偏小，說明數(shù)字化觀測后測定震級偏小現(xiàn)象較嚴重。

4 結論

震級是地震的基本參數(shù)之一，準確測定震級，對地震科學研究、應急響應及災害評估具有重要作用。文中選用廣西數(shù)字化地震臺網(wǎng)2008—2020 年記錄的1 251 個ML2.0 以上地震事件，對廣西51 個測震臺站單臺震級進行偏差分析，可得出以下結論：

（1）震級偏差結果統(tǒng)計。對震級偏差計算結果進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)與廣西數(shù)字地震臺網(wǎng)平均震級相比，南寧、北海、龍勝等15 個地震臺站單臺震級偏大，桂林、賀州、天峨等16個地震臺站單臺震級偏小，崇左、靈山、平果等20 個地震臺站單臺震級較為適中。對震級偏差總體樣本按0.1 級檔位劃分，各檔位震級偏差均呈正態(tài)分布，震級偏差集中分布在-0.4—0.4，整體橫跨-1.5—1.5，分散度較高。

（2）震級偏差分析。對單臺震級偏差分析發(fā)現(xiàn)，震級偏差主要受場地響應影響，而儀器設備更換造成的震級偏差變化，主要因臺站參數(shù)配置未修正所致。當臺基場地響應值大于1 時，單臺震級偏大，小于1 時單臺震級偏小，約為1 時震級適中。震中距不同，震級偏差不同，體現(xiàn)在：震中距小于70 km，單臺震級偏?。徽鹬芯嘣?0—300 km，單臺震級與臺網(wǎng)平均震級較一致；震中距大于300 km，震級偏差較大。人為因素對波形振幅量取的影響，也會導致單臺震級偏差的存在。

（3）量規(guī)函數(shù)修正。以臺站平均偏差補償值作為臺站校正值，以震中距震級平均偏差補償值來修正區(qū)域量規(guī)函數(shù)，獲得廣西新的區(qū)域量規(guī)函數(shù)R3(Δ)。

在論文撰寫過程中，得到貴州省地震局王麗艷的指導，在此表示感謝。