河北省测震台网中小地震矩震级的测定

高景春,赵英萍,徐志国,毛国良,张从珍,李冬圣

(1.河北省地震局,河北石家庄 050022;2.中国地震台网中心,北京 100045)

河北省测震台网中小地震矩震级的测定

高景春1,赵英萍1,徐志国2,毛国良1,张从珍1,李冬圣1

(1.河北省地震局,河北石家庄 050022;2.中国地震台网中心,北京 100045)

利用河北省测震台网的数字地震波形资料,反演了2008年12月至2010年4月62个中小地震的震源波谱参数,计算了这些地震的地震矩M0和矩震级Mw,利用正交回归分析方法得到了近震体波震级 ML和 Mw之间的关系式。

中小地震;地震矩;矩震级

0 引言

震级是表征地震大小的一个基本参数,常用的震级标度包括近震体波震级ML、远震体波震级mb、面波震级MS和矩震级 Mw等。目前在我国测震台网应用中,近震一般测定 ML,远震测定 mb和 MS。矩震级作为一个描述地震绝对大小的力学量,具有不饱和、适于震级范围宽等优点,是目前量度地震大小的最理想的物理量。但传统上地震矩一般由远场中长周期波形反演得到,主要用于大地震的测定。

本文利用河北省测震台网的近场数字地震波形资料,采用多台联合反演方法计算了2008年12月至2010年4月的62个中小地震的震源波谱参数,得到了这些地震的地震矩M0和矩震级Mw,利用正交回归分析方法研究了近震体波震级ML和 Mw之间的关系。

1 资料来源

河北省测震台网负责监测河北省及周边地区的地震活动,对有影响的地震进行速报,为地震预报和科学研究提供基础数据资料。对省内大部分地区监测能力达到ML1.5级,周边地区及邻近海域监测能力达到 ML2.0级。台网中心目前接收处理166个台站的实时波形数据,其中直属台站53个,共享首都圈及邻省台站113个,53个直属台站中31个地面台配备宽频带、甚宽频带观测系统,22个井下台配备短周期观测系统。这些台站中包括了“九五”期间首都圈防震减灾示范区工程建成的台站和“十五”中国数字地震网络工程项目建设的台站,由于“十五”期间建设的台站运行时间尚短,积累的地震数量不够,难以计算台站场地响应,因此本文只使用能够反演得到场地响应的87个首都圈台站的数据参与计算。参与计算的台站分布见图1。

图1 参与计算台站分布图

选择2008年12月至2010年4月 ML2.0级以上且信噪比较高的地震事件波形参与计算,得到了62个地震的结果,其中最大地震为2010年4月9日唐山4.6级,最小地震为2010年1月4日北京昌平2.2级,地震分布见图2。

图2 地震分布图

2 计算方法

2.1 基本原理

地震仪记录到的地震波是一种综合信息,包含了地震震源效应、地震波的传播路径效应、台站场地响应、仪器响应和噪声。要想测定地震矩参数,就必须首先对地震记录扣除传播路径效应、台站场地响应及仪器响应等,分离出震源部分,即首先要求出震源谱。

对于某次地震的某个台站记录,从振幅谱中扣除仪器响应、噪声影响、传播路径影响、场地响应,就可以得到该条台站记录的震源位移谱A0(f)j。

再通过(1)式求平均震源谱,并以此作为该地震的观测震源谱。

式中:N为该地震的波形记录数。

采用由式(2)表示的ω平方震源谱模型(Brune,1970)作为理论震源谱。

其中:Ω0为震源谱的低频水平,f0为拐角频率。定义目标函数:

式中求和是对所有的频率点。

采用遗传算法求解使目标函数ε为极小的理论震源谱参数Ω0和 f0。

利用下面的关系求取地震矩

2.2 参数选取

(2)S窗长。要求解某次地震的某个台站的观测振幅谱,首先要截取“S窗”,且“S窗”定义为从 S波开始到包含90%S波总能量的时间段。但“90%S波总能量”只是一个理论上的概念,具体操作一般是采用目测人机结合读取的方法,但人机结合读取需要操作人员有比较丰富的经验,而且不同的操作人员读取的“S窗”结束时间也不一致,可能会造成结果不一致。

为此,我们读取了首都圈测震台网1200余条记录的震相到时和“S窗”结束时间,发现“S窗”长和Sg-Pg存在一个线性关系(图3)。拟合出了“S窗”长 Te和 Sg-Pg的公式(6)。

式中:Tse是“S窗”的截止时间,Tpg是 Pg到时,Tsf是首个S波震相的到时,如果该台有SN到时,SF等于SN;如果没有SN,SF等于Sg。

图3 “S窗”长和Sg-Pg的线性关系

3 结果及分析

从2008年12月到2010年4月,共计算得到了62个 ML≥2.2级地震的地震矩和矩震级,结果见表1。

为了对测定的不同震级之间的关系进行分析,本文采用线性回归方法(SR1和SR2)和正交回归方法(OR)对 ML和 Mw之间的关系进行了回归分析与对比,结果如图4所示。

年-月-日 时:分:秒 纬度/(°) 经度/(°) ML 地震矩 Mw 台站数2008-12-22 08:22:17.4 40.19 116.08 2.7 8.42E+12 2.5 212008-12-31 10:11:13.0 37.49 114.96 3.1 1.76E+13 2.8 82009-01-08 22:31:21.9 39.46 118.07 2.7 1.04E+13 2.6 112009-01-15 05:38:33.1 37.35 114.93 2.8 1.51E+13 2.7 52009-01-18 09:51:01.8 38.69 113.13 2.7 9.07E+12 2.6 42009-02-13 20:24:05.6 38.99 116.73 2.7 8.43E+12 2.5 132009-02-16 05:41:09.1 37.56 115.17 2.7 6.84E+12 2.5 52009-02-19 10:21:27.5 39.78 118.70 2.6 6.88E+12 2.5 92009-03-10 12:26:21.1 39.51 118.13 2.5 4.65E+12 2.4 52009-03-14 12:49:41.7 39.98 118.86 2.6 4.87E+12 2.4 62009-03-16 17:06:59.5 40.13 118.90 2.8 7.55E+12 2.5 82009-03-30 03:02:46.8 39.65 118.48 2.5 4.60E+12 2.4 72009-04-02 06:49:17.2 40.09 115.49 2.6 3.68E+12 2.3 132009-04-08 01:07:28.1 40.68 113.75 2.7 3.61E+12 2.3 82009-04-15 00:38:08.3 39.71 118.39 3.4 3.88E+13 3.0 212009-04-15 01:15:42.1 39.70 118.37 3.0 1.23E+13 2.7 102009-04-15 07:25:14.1 39.72 118.40 3.1 2.45E+13 2.9 82009-05-01 10:16:20.2 40.62 114.30 2.7 5.00E+12 2.4 82009-05-03 16:47:33.9 39.53 114.14 2.6 5.01E+12 2.4 32009-05-05 19:46:28.5 40.03 116.95 2.7 6.24E+12 2.5 252009-05-10 11:44:41.4 37.32 114.88 2.7 8.21E+12 2.5 42009-05-11 20:50:00.0 38.29 116.99 2.7 9.73E+12 2.6 42009-05-14 23:37:15.7 41.78 119.12 3.1 1.00E+13 2.6 42009-05-19 01:54:07.2 39.75 118.44 2.5 3.89E+12 2.3 52009-07-14 06:58:01.6 39.86 119.25 2.8 9.19E+12 2.6 42009-07-15 07:05:01.4 37.54 115.15 2.4 3.33E+12 2.3 32009-07-17 18:20:37.8 40.52 115.68 2.8 5.37E+12 2.4 122009-07-27 07:05:14.9 39.75 118.39 2.4 3.16E+12 2.3 42009-08-29 10:41:54.4 39.75 118.72 2.8 8.12E+12 2.5 52009-08-31 01:21:08.0 39.69 118.31 3.1 1.81E+13 2.8 112009-09-08 02:53:42.2 39.85 118.80 2.9 7.17E+12 2.5 72009-09-22 02:35:15.3 39.33 117.81 2.5 4.95E+12 2.4 102009-09-25 07:42:08.3 39.27 117.79 3.2 2.27E+13 2.8 242009-10-03 01:53:43.8 40.13 116.39 3.2 1.95E+13 2.8 272009-10-08 07:00:02.3 39.97 118.89 2.9 9.98E+12 2.6 42009-10-15 17:59:12.6 39.71 118.79 2.8 7.60E+12 2.5 5

续表

图4 矩震级Mw和近震震级ML的回归关系

通过对3种回归结果的对比分析,我们认为用正交回归方法得到的结果要比一般线性回归方法得到的结果更接近实际情况,所得到的相应的回归关系如表2所示。

表2 矩震级 Mw和近震震级ML正交回归关系表

通过正交回归方法得到的ML和Mw之间的关系式为:

4 讨论

本文研究表明,在区域测震台网常规测定中小地震的矩震级是可行的。但需要注意的是本文所采用的方法只适用于 M5.0以下的中小地震,中强地震矩震级的测定仍需依赖于使用宽频带波形的矩张量反演方法,2种方法所测定的 Mw的衔接问题需要进一步研究讨论。中小地震的矩震级测定客观上仍有不确定性,这种不确定性尚待积累更多样本资料后进一步研究。

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Study on Moment Magnitude of Small and Moderate Earthquakes Located by Hebei Seismic Network

GAO Jing-chun1,ZHAO Ying-ping1,XU Zhi-guo2,MAO Guo-liang1,ZHANG Cong-zhen1,LI Dong-sheng1
(1.Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050022,China;
2.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China)

Based on digital seismic waveform data from Hebei seismic network,source spectrum parameters of 62small and moderate earthquakes form December 2008to April 2010are derived,the seismic moment M0and moment magnitudeMwof the earthquakes are calculated.The relational expression between body wave magnitudeMLand moment magnitudeMwof local earthquake are obtained using orthogonal regression method.

small and moderate earthquake;seismic moment;moment magnitude

P315.3

A

1003-1375(2011)02-0001-05

2010-10-05

地震行业科研专项(200708037)

高景春(1966-),男(汉族),河北玉田人,研究员,主要从事地震观测技术研究.E-mail:jcgao@eq-he.ac.cn