2021年3月5日新西兰克马德克群岛M7.8面波震级测定差异分析＊

邓文泽

（中国地震台网中心，北京 100045）

引言

北京时间2021年3月5日，在新西兰克马德克群岛先后发生了MS7.2和MS7.8地震。震中位于澳大利亚板块的东部边缘，澳大利亚板块和太平洋板块之间的俯冲使该地区成为地震最为活跃地区之一。地震发生后，中国地震台网（CENC）、美国地质调查局（USGS）、欧洲地中海地震中心（EMSC）、俄罗斯科学院（RAS）、国际数据中心（IDC）和德国格拉芬堡（GFZ）等国际地震机构，均发布了此次地震的发震时刻、震中位置和震级等基本参数，表1为速报参数。

表1 国际地震机构速报的克马德克群岛地震参数Table 1 Seismic parameters of the Kermadec Islands reported by the International Seismological Agency

地震参数的测定受震源机制、地震传播路径、观测台站台基、台站方位分布等因素的影响，因此，在测定过程中我们通常采用方位角分布均匀、震中距范围跨度大和台站数足够丰富的台站[1]。但从地震震情快速发布和应急响应的角度来看，国家台网需要在尽可能短的时间内完成地震基本参数（时间、地点和震级）的确定，并及时向政府和公众发布。

地震发生后两小时左右，各国际机构测定的参数发生了一定的变化，GFZ将震级修订为MW8.1，USGS将震级修订为MW8.1，EMSC将震级修订为MW8.1。震后一周USGS给出了面波震级MS_20（8.2），全球矩心矩张量项目中心（GCMT）给出的震级为MW8.1。从上述测定结果上来看，最先发布的速报震级主要为面波震级和体波震级，之后为矩震级，各国际机构产出的矩震级结果较为一致，但面波震级MS的测定结果在7.7—8.2之间。本文将利用全球台网和中国地震台网在速报过程中所使用的台网资料，对2021年3月5日新西兰克马德克群岛M7.8地震震级测定的差异进行分析，探寻震级偏差产生的原因，为更准确的认识不同震级测定差异提供一定的依据[2-5]。

1 资料的选取

地震发生后，我们通过IRIS数据中心Wilber3下载全球台网的波形数据，选取原始波形中高信噪比、方位角覆盖良好的近场台站波形资料，对原始记录进行去仪器响应、去倾斜以及去平均值等预处理，最后共使用692个台站，图1中用蓝色三角形表示。为了做震级的比较，本文还收集了中国地震台网的观测资料，图1中绿色三角形表示中国地震台网（CENC）台站。此外，中国地震台网中心为了实现全球地震的监测，与IRIS等国际同行进行了数据交换，当前中国地震台网中心全球地震监测台网在图1中以红色三角形表示。根据地震速报技术管理规定要求，国家台网需要在规定时间内完成地震速报（国外地震在30分钟内），通常使用的台站数量非常有限，本次地震在震后27分钟完成，假定面波的传播速度为3.0 km/s，速报时限内可用于测定震级的台网范围约为44°，如图1中黑色圆形包围的范围内的红色三角形表示地震速报所使用的台站。

图1 台站分布图Fig. 1 Distribution of stations

2 震级的测定公式

面波震级的测定最早可以追溯到1945年，IASPEI在前人的研究基础上[6-13]于2011年提出了宽频带面波震级MS_BB和面波震级MS_20计算公式：

式（1）中，Vmax表示垂直向最大速度记录（单位为μm/s），面波周期T的范围为3—60 s，适用的震中距范围为2°—160°，震源深度小于60 km。式（2）中，A表示垂直向地动位移，面波周期T的范围为18—22 s，适用震中距范围为20°—160°。

我国由于历史原因一直都没有采用IASPEI推荐的面波震级公式，郭履灿和庞明虎[14]提出以北京白家疃地震台为基准的面波震级公式：

式（3）中，A表示两水平分析面波的地动位移的矢量和，单位为μm，面波周期T的范围为3—25 s，震中距范围为1°—130°。

自中国地震台网开展地震速报业务以来，为了快速实现震级的测定，我们将式（3）中的 (A/T)max替换为Vmax/2π，Vmax采用垂直向最大速度记录（单位为μm/s），一直沿用至今。

3 震级计算结果与分析

本文根据式（2）计算USGS全球台网的震级，单台震级变化范围7.3—8.7，平均震级为8.1（图2），USGS官网给出的面波震级为8.2，主要原因是其在统计平均震级时只采用震级偏差小于等于1个标准差的台站。采用式（1）计算中国地震台网（CENC）的震级，单台震级范围7.4—8.5，平均震级为8.0，采用式（3）计算中国地震台网中心全球地震监测台网（Cgobal）的震级，单台震级范围7.2—8.6，平均震级为8.0。

图2 不同方位角的震级Fig. 2 The magnitude determined from different azimuth

图2中USGS全球台网中美国国内台站数为455个，占总数的66%，其平均震级为8.3（Mavg1），远高于M（CENC）的平均震级，震级偏差0.3。美国以外地区的台站数237，占总数的34%，平均震级为7.8（Mavg2），与M（Cglobal）的震级偏差0.2。

对于以上震级存在差异性的主要原因，可作如下分析：

（1）采用的计算公式不同。USGS的面波震级计算公式与CENC的面波震级计算公式相比，使用震中距范围完全不同，USGS的震中距范围为20°—160°，CENC使用的震中距范围为1°—130°。M（Cgobal）与M（CENC）的计算公式相同，但右边的数字因子相差0.2。

（2）使用的记录成分不同。USGS使用垂直向位移记录，CENC使用垂直向速度记录。

（3）使用的记录频带不同。USGS使用18—22 s的地震记录，而CENC使用3—25 s的地震记录。

（4）不同方位角造成的震级测量偏差。

从图2可以看出，M（Cglobal）与Mavg2使用的台站分布基本一致，但震级偏差0.2。刘瑞丰等[2]的研究表明，我国测定MS总体上比USGS测定的平均值高0.2级，其主要来源是计算公式中的数字因子相差0.2。Mavg1与M（CENC）测定的震级偏差为0.3，地震速报的面波震级为7.8，与Mavg1的偏差为0.5。面波震级测定的台站如图1所示，大部分台站位于震中180°方位角，由图2可知，以上测定震级的偏差是由方位角的不同所致。震源的破裂方式对地震波的传播具有较大影响，许力生等[15]研究表明，震源的单侧破裂会导致明显的多普勒效应，沿着破裂方向传播的地震波幅度更大、波峰更密。图3为M（Cglobal）台站测量震级与其平均震级的偏差，其中红色实线表示两个共轭的断层面的走向。

图3 震级偏差Fig. 3 Magnitude deviation

USGS利用全球地震台网远场体波和面波资料反演此次地震的震源破裂过程（https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000dflf/finite-fault），结果显示，本次地震的主要滑移量在北东方向，但在北西方向也存在较小的滑动位移量。因此，克马德克群岛地震的破裂总体上由震中向北东方向传播，局部在北西方向传播，由于地震多普勒效应导致震中北东方向震动加强明显，震中北西方向加强次之，而震中西南和东南方向震动减弱，因而，在震中以北方向的台站测定震级偏大，以南方向测定的震级偏小。

4 讨论与结论

本文介绍了全球各地震机构对2021年3月5日克马德克群岛地震震级的测定速报以及后续修订的情况，对面波震级测定的差异性进行了分析，研究结果表明：

（1）我国和美国使用的测定面波震级公式不同，测量方法也存在一定的差异，CENC测定的面波震级总体上比USGS的面波震级高0.2，这与刘瑞丰等[2]的研究结果较为一致。

（2）通过对中国地震台网中心全球地震监测台网的112个台站和USGS全球台网692个台站测定的面波震级分析发现，由于克马德克群岛地震主要破裂方向为北东方向，同时在北西方向也存在较小的滑动量，地震的多普勒效应导致震中北东方向测定面波震级偏大，如美国台网面波震级为8.3，北西方向的测震面波震级次之，如中国台网测定的震级为8.0（公式（1））。而在震中西南方向测定的面波震级偏小，如中国地震台网中心速报震级，速报震级在计算公式上（公式（3））比美国台网高0.2，但最终的面波震级为7.8，扣除计算公式的数字误差，两个方向真实震级偏差为0.7。