地震自動速報中常用震級測定方法的適用性研究

支明 梁建宏 孫麗 徐泰然 梁皓 劉敬光

中國地震臺網中心, 北京 100045

0 引言

地震自動速報是通過計算機軟件對地震臺網記錄的地震觀測數據進行實時自動處理,實現地震參數的快速測定與發布,其已成為全球地震臺網的普遍做法,中國地震局于2013年4月1日開始正式對外發布自動速報地震信息(楊陳等,2010; 黃文輝,2016)。我國地震自動速報信息的發布基于“多路綜合觸發策略”,即對國家地震臺網中心、國家地震速報備份中心、區域地震臺網中心不同系統產出的結果進行合成發布(中國地震局監測預報司,2013)。2019年,我國地震自動速報平均用時111s,較正式速報平均用時快約8min,地震自動速報提升了地震速報時效,實現了中國地震信息的準實時服務,產生了良好的社會反響和效益,同時也提升了大震應急響應的效率。

在地震參數的自動測定中,震級的測定具有重要價值,震級的大小反映了地震釋放能量的大小,其與地震災害的嚴重程度密切相關,快速準確的震級測定能更有效地服務于震情研判、應急響應、災后救援等工作。為滿足地震預警與地震自動速報的需求,近年來,國內外學者發展了一系列快速測定震級的方法,能夠基于實時數據在數秒至數十秒的時間內測定震級(Tsuboi et al,1995、1999;Wu et al,2002;Kanamori,2005;Lancieri et al,2008;Allen et al,2003;Katsumata et al,2013)。目前,我國地震自動速報系統主要采用ML、MWP和mB三種震級測定方法。盡管不同學者對自動速報震級進行了評估(楊陳等,2013; 支明等,2023),但其僅分析了自動速報綜合發布的震級M的偏差,并未針對具體使用的震級測定方法進行研究。梁建宏等(2015)以蘆山MS7.0 地震為例,對ML、MWP震級測定方法進行研究,提出了自動速報測定震級的改進措施,但其使用單個地震,存在樣本覆蓋面不足的問題。一般而言,震級越大,造成的災害越大,社會關注度越高,因此中強地震的震級偏差尤其值得研究。

在2020年1月18日新疆伽師5.4級、1月19日新疆伽師6.4級以及2月3日四川青白江5.1級地震3次具有較大影響力的地震事件中,自動速報震級偏差分別達到0.7級、0.7級與0.6級。此外,中國地震臺網地震編目正式目錄中測定震級多采用面波震級MS,但由于地震面波傳播速度較慢,面波波列持續時間較長,使用面波波列測定震級無法滿足地震自動速報的時效性。不同震級標度測定的地震震級偏差難以避免,但過大的震級偏差會降低地震信息在公眾心中的可信度,影響準實時地震信息的社會效益。因此,減小地震自動速報的震級偏差,充分發揮準實時地震信息服務的效益具有現實需求。

本文以2020年1月19日新疆伽師6.4級地震和2021年5月21日云南漾濞中強震震群為例,模擬自動速報震級測定過程,分別利用ML、MWP和mB震級測定方法重新測定了這些地震的震級,分析產生震級偏差的原因,評估不同震級測定方法在中強震震級測定中的穩定性。在此基礎上,收集2020年1月1日—2022年7月31日中國大陸發生的M4.5以上地震共計63個事件的地震波形,采用上述3種方法進行重新測定,對比測定結果與正式目錄結果,分析不同測定方法在不同震級段的優劣,為自動速報震級測定方法的改進提供參考。

1 測定方法

地震自動速報軟件實時完成震相檢測、地震定位、實時仿真、震級測定等工作,快速產出地震參數。目前,我國各種自動速報軟件主要使用的測定震級方法之一為ML測定方法,為滿足實時性要求,一般使用金星等(2004)提出的利用時域遞推方法將原始的寬頻帶速度記錄通過實時仿真技術仿真到DD-1儀器位移記錄,仿真公式為

(1)

(2)

其中,v為原始速度記錄;x為仿真位移記錄;j為采樣點(j=1,2,3…,N);Δt為采樣間隔;ξ為DD-1儀器阻尼比,取值為0.707;T0為DD-1儀器自振周期,取值為1s;δ取值為0.0913(馬強等,2003; 金星等,2007)。自動速報系統得到仿真的位移記錄后,量取S波或lg波的水平向分量最大振幅,通過地方性震級計算公式測定ML,即

(3)

其中,AN與AE分別為SN向、EW向S波或lg波最大振幅,R(Δ)為量規函數(Richter,1935)。再將測定的地方性震級結果根據震級轉換公式轉換為MS震級進行發布(國家地震局震害防御司,1990),即

MS=1.13ML-1.08

(4)

式(4)通過回歸方法獲得,在1990年后常用于我國地震監測工作中,但隨著震級標度研究工作的深入,地震學家發現由于使用波列及測定方法的不同,ML與MS間實測值離散度大,兩者沒有簡單的一一對應關系,并認為不同波列和周期所攜帶的震源信息不同,不同的震級標度不應轉換(Bormann et al,2007、2009; 劉瑞豐等,2018)。然而,目前正式速報發布使用的國標震級并未將震級標度與對應數值同時發布,仍將測定的ML轉換后發布。本文旨在減小現行方法下地震自動速報與正式速報發布震級間的偏差,并結合目前工作中的實際情況,分析探討轉換公式對于發布震級數值的影響。

量規函數是ML震級測定中的重要參數之一,其描述了地震波隨震中距衰減的特性,與傳播區域地質構造密切相關。我國地質構造復雜,區域間構造差異明顯,因此目前被廣泛用于震級測量中的全國性的量規函數R1(Δ)可能造成不同區域測定為相同震級值的地震并不等同。隨著社會對地震速報準確性的要求越來越高,全國性的量規函數已不適應當今社會對震級測定要求(陳培善等,1983; 嚴尊國等,1995; 呂作勇等,2015)。2017年發布的新的震級國家標準GB17740—2017《地震震級的規定》對ML震級測定中涉及地方性震級的量規函數進行了修訂,規范了我國ML震級的測定(王麗艷等,2016; 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等,2017)。對比新、舊量規函數,其差別主要表現為對100km以內的近臺進行了正修正,對200～600km的較遠臺整體上多為負修正(圖1)。目前我國地震自動速報發布工作所使用的各套測定系統均使用全國性量規函數R1(Δ),在此基礎上,本文分別采用全國性量規函數R1(Δ)與分區性量規函數R11(Δ)、R12(Δ)、R13(Δ)、R14(Δ)、R15(Δ)完成震級的測定。

圖1 分區性量規函數與全國性量規函數數值對比

2013年蘆山M7.0地震后,中國地震臺網中心地震自動速報系統對算法進行了改進,引入MWP震級作為中強地震的主要產出震級。MWP震級的原理是將寬頻帶垂直向P波位移視為近似的震源時間函數,將P波位移的積分視為地震矩,其計算方法是利用寬頻帶地震記錄的P波初始部分計算標量地震矩,進而快速得出矩震級。計算出的地震矩為

(5)

利用標準矩震級計算公式,由地震矩計算出地震矩震級(Kanamori,1977),即

(6)

體波震級mB具有只使用P波測定、不需要仿真等數據處理過程、便于計算機自動處理等優點,測定方法快捷方便,目前也常用于各國臺網自動速報中,我國地震自動速報系統也通常對深震和國外遠震測定mB震級,測定公式為

(7)

式中,Vmax為垂直向速度型寬頻帶地震記錄中P波質點運動速度的最大值,我國一般采用P波到時后20s時窗內的最大振幅,Q(Δ,h)為與震中距及震源深度相關的P波體波震級量規函數(劉瑞豐等,2005; 任克新等,2009)。

本研究通過理論到時確定初步時窗,使用STA/LTA法在時窗內獲取較精確的P波初至到時,自動拾取測定ML、MWP和mB所選用的對應地震波列最大振幅值,測定震級。為模擬自動速報系統震級測量過程,本文獲得的震級均為自動量取,相比目前運行的自動速報系統,在初至拾取方法上存在一定差異,但震級測量僅使用最大振幅值,初至到時差異對測量結果影響較小,測量結果能夠真實反映自動速報系統的處理效能。

2 新疆伽師地震算例回溯

據中國地震臺網正式測定,2020年1月19日21時27分新疆喀什地區伽師縣(39.83°N,77.21°E)發生6.4級地震,震源深度16km。地震自動速報系統于震后123s發布地震參數,發布震級為5.7級,震后7日內,省級地震臺網中心與國家地震臺網中心編目人員通過震相組合、地震定位、震級測定,產出國家臺網地震目錄和觀測報告(代光輝等,2019),最終該地震編目面波震級為6.5級。

對于該地震事件,本文選用中國地震臺網震中距小于800km的34個臺站,并通過IRIS數據中心申請獲得全球臺網震中距小于800km的16個臺站數據,共計50個臺站(圖2)的數據資料進行回溯,其中震中距最小的臺站為八盤水磨臺(BPM),震中距為32km。地震自動速報系統發布震級需至少對15個臺站進行測定,本文選用的第15個觸發臺站為阿克蘇臺(AKS),震中距為285km。

注: 黃色五角星表示震中,藍色三角形表示前15個觸發臺站,黃色三角形表示555(約5°)～800km范圍選用臺站,紅色三角形表示600km內選用的其他臺站。

通過上述臺站測定ML震級,量規函數選用全國性量規函數R1(Δ)。其中最近的BPM臺站記錄出現限幅情況,其寬頻帶地震計NS分量原始速度記錄、NS分量仿真后DD-1位移記錄、DD-1位移記錄峰值和ML震級隨時間的變化關系見圖3。

圖3 BPM臺ML震級測定過程

由于BPM臺站的地震記錄出現S波限幅,使震后37s左右測定的ML震級達到峰值,峰值僅為5.4,與該地震事件正式目錄震級6.5級偏差較大。與震中距為134km的巴楚臺(BCH)進行對比,BCH臺震中距稍遠,記錄未出現限幅情況(圖4)。震后60s左右BCH臺站測定的ML震級達到峰值,峰值為6.1。由此可見記錄限幅使BPM臺對震級的估算嚴重偏低。

圖4 BCH臺ML震級測定過程

圖5(a)、5(b)分別給出了前15個觸發臺站和600km以內全部臺站使用全國性量規函數計算的ML震級隨時間變化曲線。對于前15個觸發臺站,測定震級在100s處達到峰值,計算得到的ML震級為6.0,通過式(4)得到M震級值為5.7,較正式目錄震級MS偏低0.8,與自動速報產出一致,因此,使用這15個臺站計算震級基本還原了自動速報震級測定過程。將使用的臺站拓展到600km以內全部臺站,測定震級在170s處達到峰值,ML震級為6.3,由式(4)得到M震級值為6.0。

圖5 測定過程中ML震級與時間變化關系

使用地方性量規函數測定的ML震級,只是在量規函數值的選用上存在差別,例如BPM臺站的震中距為32km,全國性量規函數R1(Δ)值為2.7,計算可得ML值為5.4,新疆地區地方性量規函數R15(Δ)值為2.8,計算可得ML值為5.5;BCH臺站的震中距為134km,R1(Δ)與R15(Δ)均為3.5,計算可得ML值為6.2。對各臺站分別使用分區性量規函數與全國性量規函數進行計算,多臺平均后獲得的地震事件回溯震級結果相同,部分臺站結果存在差異,其中使用R1(Δ)獲得的各臺站標準偏差為0.25,使用R15(Δ)獲得的各臺站標準偏差為0.22,使用新量規函數后獲得的近臺震級偏差減小,各臺站震級平均標準誤差降低,提升了單臺震級精度(圖6)。

圖6 ML單臺震級與震中距關系

不同臺站測定的震級具有不確定性,隨著使用臺站的增多會減小不確定性對震級的影響,但用時也會相應增加。以該震例為例,前15個觸發臺站的測定震級在0～60s之間快速上升,在60～100s震級上升速度變緩,并達到最大值,因此對于中強地震,自動速報系統計算震級時應避免在100s前產出結果。隨著使用臺站的增加,600km以內全部臺站的測定震級在0～100s之間快速上升,在100～170s震級上升速度變緩,并達到最大值,測定結果偏差較小,因此為減小強震產出結果的震級誤差,目前自動速報系統將強震的產出結果延緩至180s發布,較為合理。

從上述計算結果可以看出,測定的ML震級低于正式目錄使用的面波震級,經過震級轉換后,產出的震級更小。近年來,研究人員結合中國地震臺網觀測資料對測定的震級進行對比,認為對于地方性震級ML與區域面波震級MS的經驗關系,總體上表現為ML=MS,在使用過程中不需要其進行換算(劉瑞豐等,2007; 汪素云等,2010)。結合震例回溯結果,認為對于該地震,自動速報系統在測定ML后不再進行震級換算可以減小自動速報的震級偏差。

同樣以BPM和BCH臺站為例,使用MWP震級測定方法進行計算。其中,BPM臺站震中距32km,初至P波與初至S波理論到時差約6s,選用6s的時窗長度進行計算。BPM臺站的地震記錄出現S波限幅情況,而MWP震級僅利用P波的波形記錄進行測定,不涉及S波,所取時窗內P波未限幅,因此該臺的MWP震級結果不受地震記錄限幅影響。圖7展示了時窗內的寬頻帶地震計垂直分量原始速度記錄、積分得到的位移記錄、位移記錄積分的絕對值及MWP震級隨時間的變化關系。BPM臺站的震級測定結果為MWP6.0,較之前受限幅影響的ML震級偏大0.6,與正式目錄震級的偏差由1.1縮小至0.5。BCH臺站震中距134km,P波與S波理論到時差約17s,選用窗長17s的波形數據進行計算,測定結果為MWP6.3,與正式編目的MS震級基本一致(圖8)。

圖7 BPM臺MWP震級測定過程

圖8 BCH臺MWP震級測定過程

圖9(a)、9(b)分別給出了前15個觸發臺站和600km以內全部臺站計算的MWP震級隨時間變化曲線。由圖可見前15個觸發臺站的測定震級于78s達到峰值,此時MWP震級為6.3,與正式目錄震級相差0.2;600km以內全部臺站的測定震級于138s達到峰值,得到的結果為MWP6.4,與正式目錄震級相差0.1,測定結果均在偏差允許范圍內。在該震例測試中,使用MWP震級測定方法在時效性和精確性上均優于ML震級。

圖9 測定過程中MWP震級隨時間的變化

在地震自動速報中mB震級常用于測定深震和遠震的震級,GB17740—2017《地震震級的規定》中規定mB震級應使用震中距不小于5°的臺站測定(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等,2017),本文選用震中距555(約5°)～800km共計15個臺站測定mB震級。mB震級只使用P波且不需要對原始數據進行處理,選用臺站的震中距相對較遠,對于大震不受臺站限幅影響。mB震級于120s達到峰值,此時mB震級為6.4,與正式目錄震級相差0.1(圖10),測定結果在偏差允許范圍內。結合使用臺站數目、測定時間與震級結果,表明mB震級測定方法在地震自動速報中不僅適用于深震和遠震,也可用于測定區域淺源地震的震級,發揮輔助作用。

圖10 測定過程中mB震級隨時間的變化

3 云南漾濞震群算例回溯

據中國地震臺網正式測定,2021年5月21日21時48分云南大理漾濞縣(25.67°N,99.87°E)發生6.4級地震,震源深度8km。緊隨主震發生了豐富的余震,據地震編目結果,主震震級為面波震級6.5級,震前1h內發生4.5級以上地震1次,震后2h內發生4.5級以上地震4次。該震群主震后短時間內發生多次中強震,震級的測定受到主震地震尾波的干擾,例如圖11所示的祿勸臺(LUQ)21時45分至22時15分記錄的連續波形,多個事件在短時間內密集發生,波形記錄混疊,且受大震尾波干擾明顯,通過該震群可評估震級快速測定方法在地震密集發生時的穩定性。

圖11 漾濞震群連續波形

表1 展示了使用震中600km范圍內全部臺站測定ML、MWP和mB震級的結果。對于中強地震,ML震級的測定結果總體上小于地震編目結果,經過震級轉換后得到的M震級一般較轉換前偏小0.3～0.5級,易導致震級偏差較大?；诒疚臏y定結果,認為地震自動速報對中強地震測定ML后,不再進行換算可以減小發布震級偏差,在本文后續工作中不再分析震級轉換后的結果,只分析測定的原始ML震級。使用新、舊量規函數分別測算,該震群600km內共72個臺站,55個臺站量規函數值相同,其余臺站差異值均為±0.1,該震群各事件使用不同量規函數測量ML結果均相同,單臺震級標準偏差均為0.21,整體上量規函數的差異對結果影響較小。其中,150km內臺站7個,使用舊量規函數單臺震級標準偏差為0.23,使用新量規函數則減小至0.20,結果表明使用舊量規函數時近臺震級不確定性更高,單臺偏差較平均值大,使用新量規函數能夠減小其單臺偏差。

表1 云南漾濞震群回溯震級比較

對于主震和主震前的MS5.6 地震,使用MWP震級方法測定結果最優,偏差分別偏小0.1級和0.3級,體波震級mB結果略優于ML震級。對于主震后的4次MS4.5 以上地震,ML震級結果最優,平均偏差0.1級,而使用MWP震級方法得到的測定結果偏差較大,4次地震中最小偏差0.3級,最大偏差0.8級,平均偏差約0.55級; 在主震后10min內的2次余震測定中,mB震級出現測定值異常偏離,最大偏差達到1.6級,而對于間隔時間較長的另2次地震,其測定值回歸正常,但相較編目震級仍存在明顯偏大的情況。

在本次震例回溯中,引入MWP與mB震級反而增大了測定震級的偏差,其主要原因是這2種震級在測定過程中很難避免大震后中長周期地震波的干擾。MWP震級的計算方法是將一定時窗內的原始速度記錄進行2次積分,積分的過程去除了部分高頻干擾,但低頻噪聲仍被保留,大震后持續時間較長的中長周期地震波的存在會使測定的MWP震級出現較大程度的失準,且計算中采用的時間窗長度與震中距有關,尤其對震中距較遠、選用時間窗長度更長的臺站更加明顯。而mB震級測定選用的臺站震中距較遠,地震記錄中大震的面波振幅遠大于P波振幅,測定選用的最大振幅并非余震P波的真實振幅,因此對于主震后10min內的地震出現了震級失準的現象?；贛WP與mB震級方法的特性與回溯結果,認為其尚不能適用于密集發生的震群,無論前震與待測定地震是否位于同一區域,前震所引發的中長周期地震波都會使測定結果產生較大偏差。此外,對于上述震例,MWP與mB震級測定結果偏差較大的地震事件震級均在4.5～5.5級,考慮部分偏差可能是由測定ML震級、MWP震級與mB震級的優勢區間差異引起的,并在下文中進行了詳細驗證。

4 不同震級算法的優勢區間分析

本文收集了2020年1月1日—2021年7月31日中國大陸發生的63個M≥4.5地震事件波形,考慮到上文所提及的大震尾波對于MWP、mB震級測定干擾較大,去除在震前2h內發生過更大級別或相近量級地震的事件,獲得56個地震事件,其中4.5～4.9級地震27個,5.0～5.4級地震17個,5.5～5.9級地震6個,6.0級以上地震6個。使用震中距600km范圍內的臺站測定ML與MWP震級,震中距555(約5°)～800km內的臺站測定mB震級,對比不同震級區間段震級測定值與MS震級的關系,分析測定值更為接近的震級類型,判斷用不同震級算法測定值代替MS震級值的優勢區間。

分別使用全國性與分區性量規函數計算ML震級,獲得的結果基本一致,僅1次地震事件存在0.1級的差異。圖12(a)展示了使用分區性量規函數的測定結果,在4.5～5.5震級段,分區性量規函數測定ML震級與MS震級的關系在ML=MS兩側接近均勻分布。而MWP震級(圖12(b))與mB震級(圖12(c))測定值在該震級段均遠高于MS震級。使用分區性量規函數測定的ML震級在4.5～5.5震級段與MS震級最為接近,因此在該震級段,地震自動速報系統使用分區性量規函數測定ML震級,且不再進行震級轉換,能使自動速報震級與面波震級更為接近。對于5.5級以上震級段的測定結果,ML震級較MS震級明顯偏小。

圖12 多種震級測定結果

MWP震級和mB震級測定特征總體相似,在4.5～5.5震級段測定值均高于面波震級,在5.5～6.5震級段測定結果與MS震級的關系更貼近MWP=MS。相較而言,mB震級平均偏差較MWP震級更小,最大偏差值較MWP震級更大,表明mB震級在該震級段中,多數震例測定值與MS震級更為接近,但mB震級穩定性略差于MWP震級。而對于6.5級以上的震級段,研究中震例較少,可能存在一定的偶然性,結果初步顯示mB震級與MS震級的差別增大,mB震級測定值明顯偏小,MWP震級測定值與MS震級更為接近。

5 結論與討論

地震自動速報的目的是追求“快”,為了時效可以犧牲一定的準度,目前對于國內地震,自動速報系統一般在2min左右發布自動速報結果。正式速報要求的是“準”,但為了準度會付出時間成本,對于國內地震,中國地震臺網中心在震后10min左右發布正式速報結果。具體到中強地震震級測定方法上,自動速報采用的是測量P波和S波的體波方法,正式速報與統一編目一般采用的是測量面波的方法,由于面波傳播速度低于體波,傳播時間與持續時間較長,因此對于時效性要求更高的自動速報系統并不適用。正式速報與統一編目震級測量方法相同,使用數據的完整性存在差異,其測量結果基本一致。自動速報測量的是不同類型的地震波,發布時震級值存在差異是正常的,然而過大的震級偏差會給應急響應、災后救援、社會輿情等方面帶來不利影響,因此,如何從方法上使得自動速報的震級值接近正式速報發布的震級值是值得探討的問題。

本文通過震例回溯,對地震自動速報常用的3種震級算法進行了研究,選取使用數據更為完整、結果更為準確的地震統一編目目錄進行對比,分析各震級算法產出結果的時效性與精準性,為未來自動速報系統震級測定方法的改進提供了研究基礎和數據支持。本文的研究有助于減小地震自動速報與正式速報、地震編目的震級偏差,得到主要結論如下:

(1)對于破壞性地震,ML震級測定受臺站限幅影響較大,會造成部分臺站測定值明顯偏小,MWP和mB震級僅利用P波的波形記錄進行測定,不受臺站限幅影響,測定值與地震編目面波震級相近,使用MWP和mB震級測定大震震級,可以提高發布震級的穩定性。

(2)對于地震序列,MWP震級算法無法消除前震地震波中的低頻噪聲,mB震級要求臺站震中距較遠,遠臺面波發育,測定選用的最大振幅并非余震P波的真實振幅,因此MWP與mB震級受大震后中長周期地震波的干擾更大,進而出現震級失準現象,不適用于短時存在較大前震或中強震震群的測定。相較而言,ML震級在震群型地震中的測定結果穩定性較高。

(3)對于面波震級在4.5級以上的中強震,ML震級的測定值總體上小于地震編目震級,若按現行方法進行ML-MS的震級轉換,得到的轉換震級值往往比ML震級實際測量值小0.3～0.5級,易造成震級偏差較大事件的發生,且ML與MS震級標度不同,震級轉換難以準確客觀地反映地震的大小。近年來,研究人員結合中國地震臺網觀測資料,認為地方性震級ML與區域面波震級MS的震級經驗關系總體上表現為ML=MS,在使用過程中不需要對其進行換算。結合本研究工作,對中強震的震級測定基本符合上述規律,認為從基本規則和實際觀測結果出發,自動速報測定的ML震級達到4.5級后,不應對其進行轉換。對于震級未達到4.5級的地震,正式速報中多采用ML震級,使用震級標度一致,是否進行轉換則應采用與正式速報一致的發布規則,以減小地震自動速報與正式速報震級結果的偏差。

(4)ML震級新量規函數的使用降低了單臺震級的離散度,其對于近臺更為明顯,而對測量整體結果影響較小。在4.5～5.5震級段,ML震級與面波震級最為接近,數值點在ML=MS兩側接近均勻分布; 在5.5～6.5震級段,MWP震級和mB震級測定特征總體相似,測定值更接近面波震級,其中mB震級在該震級段的多數震例測定值與MS更為接近,但mB震級穩定性略差于MWP震級,綜合以上結果與測定用時,認為在該震級段MWP震級更適合在地震自動速報中使用,mB震級可以起輔助作用; 在6.5級以上震級段,僅MWP震級測定值與MS震級較為接近,而ML震級與mB震級測定值均存在較大偏差。