张家口地震台面波震级偏差分析

刘仲韬 宋晓煜 朱振兴

（中国河北 075000 河北省地震局张家口地震监测中心站）

0 引言

震级是地震三要素之一，用来表征地震强度大小。震级的准确测定是地震学研究和防震减灾各项工作开展的基础。受震源性质、介质影响、接收站台基、观测仪器、震相和定位方法选择等因素的影响（殷翔等，1981），单台震级测定与中国地震台网中心的发布震级往往存在偏差。面波震级指根据面波计算出来的震级，通常以符号MS来表示。在2017 年12 月1 日新的震级国家标准推广实施前，面波震级MS作为中国地震台网在进行地震速报对外发布的震级M，在新的标准中，面波震级在测定方法上与原观测技术规范一致，并且仍为要求地震台网实际测定的几种震级之一，面波震级得到较为普遍的应用（刘瑞丰等，2018）。因此，对单台面波震级偏差的相关因素进行分析，进而减小偏差具有重要意义。

张家口地震台位于首都圈地震重点监视防御区和京西北地震危险区内，是河北省及首都圈地区综合地震观测台站之一，观测项目种类齐全，其测震仪器工作稳定，数据质量较高，映震能力较强。文中收集整理张家口地震台2017—2018 年记录的地震面波资料，与中国地震台网中心同期测定结果进行对比，研究二者面波震级偏差与震级大小、震中距、震中方位的关系，以期为今后张家口地震台地震监测能力的提升提供可靠依据。

1 地震台概述

张家口地震台地处京西北、晋冀蒙交界地区，位于张渤地震带西北段与山西地震带北段交汇部位，地质构造复杂，主要分布蔚县山前大断裂、桑干河断裂及2 条EW 向断裂和数条NW 向小断裂（图1）。其中蔚县山前大断裂由山西省广灵起，经蔚县NE 向延伸至怀来、延庆，桑干河断裂由阳原沿桑干河向NE 延伸至涿鹿、下花园，2 条EW 向断裂由狼窝沟、崇礼至赤城和怀安至宣化（李峰等，2017）。

图1 张家口地区断裂构造Fig.1 Faults and tectonics in the Zhangjiakou area

张家口地震台站址岩性为侏罗系上统张家口组中酸性火山熔岩及火山碎屑岩，测震观测山洞呈“W”字型，有4 个独立洞室，总长约65 m，洞顶覆盖层厚达30 m 以上，观测用房建筑面积约100 m2，观测条件良好，仪器墩建在基岩上并有隔震槽，采用BBVS-120 三分向宽频带地震计进行观测，观测系统工作稳定，数据质量良好。该台观测山洞平面示意图见图2。

图2 观测山洞平面示意图Fig.2 The plane diagram of the observation cave

2 资料选取

选取张家口地震台2017—2018年记录的全球范围内748次MS4.0以上地震事件（图3），同时收集整理这些地震事件在中国地震台网中心统一地震编目中的详细信息，震级分布统计结果见表1。

表1 张家口地震台MS 震级分布信息Table 1 The MS magnitude distribution at Zhangjiakou Seismic Station

图3 2017—2018 年不同面波震级地震分布Fig.3 Distribution map of earthquakes of different surface wave magnitudes from 2017 to 2018

由表1 可见，绝大多数地震分布在4.0—6.9 级范围内。在选取的地震中，山东长岛海域MS4.0 地震震级最小，而张家口地震台测定的面波震级为MS3.6，震级偏差0.4；墨西哥恰帕斯海岸远海MS8.6 地震震级最大，张家口地震台测定的面波震级也为MS8.6，无震级偏差。

3 面波震级偏差分析

统计张家口地震台与中国地震台网中心发布的面波震级，分别记为MS（ZJK）、MS（CENC），绘制二者关系图（图4），采用多元稳健回归方法，计算二者的面波震级偏差MS（ZJK）-MS（CENC），可得震级偏差分布在-1.0—1.3 范围内，平均偏差-0.08，均方差为0.22（何奕成等，2016）。因此，张家口地震台测定的面波震级比实际震级平均低约0.08，最小震级偏差为-1.0，最大震级偏差为1.3。

图4 MS（ZJK）和MS（CENC）关系Fig.4 The relationship between ZJK and CENC MS magnitudes

将震级偏差间隔设定为0.1，统计震级偏差频度分布，结果见图5。由图5 可见，面波震级偏差基本均匀分布在0 级左右，集中分布在-0.5—0.5 范围内，共737 个地震，占比98%以上，其中偏差为-0.1 的地震数最多，有175 个地震。基于张家口地震台与中国地震台网中心震级偏差统计结果，分析其与震级大小、震中距、震中方位的关系。

图5 面波震级偏差频度分布Fig.5 Frequency of MS magnitude deviations

3.1 震级偏差与震级大小的关系

以张家口地震台测定的面波震级为横轴，以震级偏差MS（ZJK）-MS（CENC）平均值为纵轴，统计不同面波震级下震级偏差大小，结果见图6。由图6 可见：①震级偏差基本分布在0级两侧，说明从面波震级偏差与震级的关系角度来看总体偏差不大，且较为稳定，与实际地震面波震级相比平均高约0.05；②在4.5—6.5 级范围内，张家口地震台测定面波震级偏大，但偏差值不大，均在0.2 以内，最大偏差值为0.19，对应震级MS5.6；③在4.0—4.4级和6.6—8.2 级范围内，震级偏差浮动范围较大，偏差范围在平均值上下浮动，表明对强震和弱震而言，张家口地震台单台面波震级测定误差较大且不稳定（苏梅艳等，2013）。

图6 张家口地震台面波震级大小与震级偏差关系Fig.6 The relationship between MS magnitude and magnitudedeviation of Zhangjiakou Seismic Station

3.2 震级偏差与震中距的关系

为了更好地分析张家口中心台面波震级与震中距的关系，以地心张角来表示地震台到震中地球球面距离的震中距。将张家口地震台测定震中距Δ作为横轴（单位°），以震级偏差MS（ZJK）-MS（CENC）平均值为纵轴，绘制MS（ZJK）随震中距的分布关系，结果见图7。Δ以30°为间隔，统计不同震中距范围内的地震数，并计算此范围内面波震级偏差平均值，结果见表2。

表2 震中距与震级偏差关系Table 2 The relation table of epicentral distance and magnitude deviation

图7 面波震级偏差随震中距变化分布Fig.7 Distribution of magnitude deviations with epicentral distance

由图7和表2可见：①Δ在 0—180°范围内，面波震级偏差MS（ZJK）-MS（CENC）基本为负值；②Δ在0°—30°和Δ＞90°范围内，震级偏差最大，均大于-0.1；③Δ在30°—60°范围内，震级偏差最小，为-0.05。明显可见，在震中距0—30°范围内，随着震中距增大，面波震级偏差明显减小；在震中距30°—180°范围内，震级偏差随震中距增大而不断变大（杨晶琼等，2019）。究其原因，震级偏差与面波震级计算公式中的量规函数及地壳介质性质有关。

面波震级计算公式如下

式中，A为记录的最大地动水平矢量的模，T为该振幅的视周期，Δ为震中距，σ（Δ）为面波震级量规函数，C为台基校正值（郭履灿等，1981）。

由式（1）可知，量规函数即零级地震起算函数，与震中距相关，每个测震台站的量规函数都不相同。中国地震台网中心公布的面波震级为所有台站测定结果的平均值，由于各台站量规函数的不同，计算过程中相当于对所有记录台站的量规函数取均值，而张家口地震台计算面波震级时是使用其单台面波震级量规函数，此为震级偏差产生的原因之一（何奕成等，2016）。

当震中距相对较大时，地壳介质非均匀性表现为大尺度非均匀性，介质逐渐趋向于均匀介质，均匀介质对地震波的动力学和运动学特征影响较小（谢文杰等，2012）。随着震中距的增大，较远地震的射线形态和传播特征比近震更为复杂，能量更为分散，所以出现面波震级偏差值不断变大现象。

3.3 震级偏差与震中方位的关系

以张家口地震台为坐标原点，将所选取地震的发生区域划分为东北、东南、西南和西北4 个象限，统计各方向地震数，同时计算其面波震级偏差平均值，得到面波震级偏差与震中方位的关系，见表3。由表3 可见，东北、东南、西南3 个方位的面波震级偏差平均值为负值，而西北方向则为正值；东南方向震级偏差绝对值最大，达到0.11，而西北方向震级偏差绝对值最小，为0.02。分析认为，面波震级偏差在震中方位上存在差异，且各方向平均偏差值相差较大，不仅与震源环境相关，同时与区域地质构造及深部介质结构特征密切相关，不同传播路径中的介质差异对地震波的固有吸收衰减和散射衰减是不同的（刘红桂，2012），面波振幅大小受传播路径影响较大，面波震级大小随之受到影响。

表3 面波震级偏差与震中方位的关系Table 3 The relationship between surface wave magnitude deviation and epicentral azimuth

4 结论

收集整理张家口地震台2017—2018 年记录的全球范围内748 个MS4.0 以上地震事件，对面波震级资料进行综合分析，可以得出以下结论：①MS（ZJK）比MS（CENC）平均低0.08，震级偏差分布在-1.0—1.3 范围内；②面波震级偏差与震级的关系：总体来说，MS（ZJK）-MS（CENC）差值不大，且较为稳定，与MS（CENC）相比，MS（ZJK）平均高约0.05；③震级偏差与震中距的关系：震中距在0—30°，随着震中距增大，面波震级偏差明显减小，而震中距30°以上，随着震中距的增大，偏差值不断变大；④震级偏差与震中方位的关系：张家口地震台东北、东南、西南3 个方位的面波震级偏差平均值为负值，而西北方向则为正值，其中东南方向的震级偏差绝对值最大，达到0.11，而西北方向的震级偏差绝对值最小，为0.02。