中国地震  2022, Vol. 38 Issue (1): 112-119
芦山地震和九寨沟地震台站实测震级差异性分析
孙冬军1,2, 刘芳1,2, 毕波1,2     
1. 上海市地震局, 上海 200062;
2. 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站, 上海 200062
摘要:本文选取2013年芦山地震和2017年九寨沟地震波形,重新量取垂直向振幅,计算宽频带面波震级MS(BB),分析各台站实测震级出现方向性差异的原因。其中,通过572个宽频带台站实测芦山地震震级MS(BB)7.1,通过603个宽频带台站实测九寨沟地震震级MS(BB)6.9。芦山地震实测震级大于MS(BB)7.3的台站呈现WN-ES向分布,与断层倾向一致;实测震级小于MS(BB)7.0的台站呈现NE-WS向分布,与其所在断层走向一致。九寨沟地震实测震级大于MS(BB)7.0的台站分布呈现NE向分布,与断层倾向一致;实测震级小于MS(BB)6.8的台站总体分布较为离散,大体呈现NW-SE向分布,与树正断裂走向一致。实测震级偏大的台站方向性分布与多普勒效应和P波辐射花样联系不明显。对比分析芦山地震和九寨沟地震,去除场地响应和仪器自身影响,台站实测震级差异性仍然存在,因此,台站实测震级差异性是由于受到了多普勒效应、辐射花样、仪器和场地响应之外的因素影响。综合考虑地震震级涉及的影响因素,芦山地震和九寨沟地震的台站实测震级差异性可能与地震波的传播路径有关。
关键词芦山地震    九寨沟地震    MS(BB)    台站震级差异性    影响震级因素    
Analysis of Difference in Magnitude Measurement for 2013 Lushan Earthquake and 2017 Jiuzhaigou Earthquake
Sun Dongjun1,2, Liu Fang1,2, Bi Bo1,2     
1. Shanghai Earthquake Agency, Shanghai 200062, China;
2. Shanghai Sheshan National Geophysical Observatory, Shanghai 200062, China
Abstract: We selected Lushan Earthquake occurred in 2013 and Jiuzhaigou Earthquake in 2017 as case study to analyze the causes for the difference in measured magnitudes from different stations by remeasuring MS(BB) magnitude in vertical component. The average MS(BB) magnitude is 7.1 of 572 broadband seismic waveforms in Lushan earthquake, and the average is 6.9 of 603 waveforms in Jiuzhaigou earthquake meanwhile. The stations with the measured magnitude greater than MS(BB) 7.3 in the Lushan earthquake showed a NW-SE direction distribution, consistent with the fault tendency; Less than MS(BB) 7.0 showed a NE-SW distribution, consistent with the fault trend. The stations with the measured magnitude greater than MS(BB) 7.0 in the Jiuzhaigou earthquake showed a NE direction distribution. MS(BB) 6.8 or smaller ones showed a NW-SE distribution, consistent with the fault trend. The directivity distribution of stations that measured magnitude greater than the average shows no relationship with Doppler effect and the radiation pattern of the P wave. In comparing Lushan earthquake and Jiuzhaigou earthquake, after we removed the site response and the influence of instrument, the difference in the measured magnitude of the stations still exists. The difference in measured magnitude of stations influenced by other than Doppler effect, radiation pattern, instrument and site response. Considering comprehensively the influencing factors of the earthquake magnitude, the magnitudes difference between Lushan earthquake and Jiuzhaigou earthquake may be related to the propagation path of the seismic waves.
Key words: Lushan earthquake     Jiuzhaigou earthquake     MS(BB)     Difference of station magnitude     Factors affecting magnitude    
0 引言

地震震级的测定涉及震源过程、传播路径、场地条件、仪器记录等各方面影响因素(中国地震局监测预报司,2017)。由于受到震源破裂过程的影响,不同方向观测点记录到的地震波振幅大小并不相同,而振幅大小与震源到观测点的射线方向有关,这种关系通常以辐射花样来表示。而不同频带的地震仪在同一地点记录到的同一地震的最大振幅可能不是来自相同的地震波,至少不是来自周期相同的地震波,继而影响震级的计算结果。台站地基的岩性会影响记录振幅的大小,基岩台和土层台记录同一事件的振幅并不一致。

地震波在介质中传播,根据多普勒效应的原理,当震源相对介质运动时,地震计所记录的频率与震源的频率不同。Somerville等(1997)在研究地震动衰减关系时,在考虑了断层破裂的方向性效应时发现,在断层破裂的传播方向上地震动水平分量平均值增大,而在破裂传播的相反方向上地震动水平分量平均值减小。刘瑞丰等(2018)利用全球震中距20°~160°范围内的台站记录到的汶川地震面波震级,阐述了汶川地震面波震级的大小和地震烈度的衰减具有明显的地震多普勒效应。

笔者利用宽频带面波震级MS(BB),舍弃了短周期的台站,研究各台站实测震级MS(BB)差异性的原因。MS(BB)是在原始的速度型宽频带记录上直接测定。当MW≥6.0时,MS(BB)MW偏差不大,且对于MW6.5以上的地震,MS(BB)MW偏小0.1以内(刘瑞丰等,2014)。

目前,计算震源机制解的方法有很多且较为成熟,如CMT方法、W-phase方法、CAP方法等(杨凯等,2018)。而震源机制解中的2个节断层的主辅关系,则主要通过地质背景和余震序列走向等来解释。徐旭等(2020)通过九寨沟地震的余震精定位研究余震展布与断层的线性特征。若台站实测震级差异性与断层破裂面具有普适性关系,则其可以成为一个辅助手段来验证断层面的准确性。

1 研究资料和方法

研究选取芦山地震和九寨沟地震,震源参数如表 1所示。芦山地震发震断层为上断点仍埋藏在地下9km附近的一条走向212°、倾向NW、倾角约38°的盲逆断层,其余震呈N30°E向密集条带状分布(徐锡伟等,2013)。破裂长度约20km,震源破裂时间约26s,属单侧破裂(徐彦等,2013)。芦山地震可视为汶川地震一次“迟到”的强余震,最大滑动量159cm(王卫民等,2013)。而九寨沟地震位于树正断裂,其余震分布呈NW-SE向窄带展布,走向152°,倾向SW,倾角70°(易桂喜等,2017)。梁建宏等(2018)利用2017年8月8—15日的余震数据进行重新定位,结果显示九寨沟地震余震呈NW向分布,破裂长度约35km、宽度约12km。梁姗姗等(2018)利用2017年8月8日—10月31日的余震进行重定位研究,显示余震序列呈NNW和SSE两个方向扩展,破裂长度约58km。

表 1 芦山地震和九寨沟地震的震源参数

芦山地震和九寨沟地震震中位置距离约300km,位于不同的断裂带,震源机制解及余震分布均有较大差异。由于两个地震的震级均为M7.0,且全国台站波形记录良好,利用较为丰富的台站记录,可以分析台站实测震级的差异性。

本文收集了28个省级地震台网记录到的芦山地震波形数据,以及29个省级地震台网记录到的九寨沟地震波形数据。为了消除短周期和宽频带记录的差异性对震级测定带来的影响,此次研究从所有波形记录中筛选出宽频带地震记录,逐一拾取P波、S波震相,在原始波形的垂直向量取最大振幅测算MS(BB)。由于台基的影响基本恒定,可以通过长期的记录来统计求得台基校正值,予以校正。此外,对比分析芦山地震和九寨沟地震,将相同台站实测震级取差值,分析台站实测震级差值的方向性变化,即可有效去除场地响应和仪器自身影响。

芦山地震共筛选572个宽频带台站计算震级,实测震级MS(BB)7.1; 九寨沟地震共筛选603个宽频带台站计算震级,实测震级MS(BB)6.9。挑选出同时记录到2个地震的台站,如图 1所示,通过比较这些台站的实测震级大小,结合芦山地震和九寨沟地震的震源机制解、余震分布等结果,分析地震台站实测震级差异性的原因。

图 1 筛选出的地震台网宽频带台站分布

根据面波震级公式

$ M_{\mathrm{S}(\mathrm{BB})}=\lg \left(V_{\max } / T\right)+R(\delta) $ (1)

其中,Vmax为垂直向面波质点运动速度的最大值,TVmax对应的周期,R(δ)为量规函数。

辐射花样值为μ,取V′为扣除辐射花样的振幅,则有

$ V^{\prime}=\left|V_{\max } / \mu\right| $ (2)

根据多普勒效应,弹性波在介质中传播时,当振动源以速率u相对于介质运动而相对接收点静止时,仪器所接收到的周期T′与振动源周期T之间的关系为

$T^{\prime}=\left(1-\frac{u}{v} \cos \theta\right) T $ (3)

其中,v为波在介质中的传播速度,θ为观测点的径向矢量与振动源移动方向之间的夹角。

考虑辐射花样和多普勒效应的影响,实际测量的震级M′为

$M^{\prime}=\lg \left(V^{\prime} / T^{\prime}\right)+R(\delta) $ (4)

将式(1)、(2)、(3)代入(4),得

$ M^{\prime}=M_{\mathrm{S}(\text { Вв })}-\lg |\mu|-\lg \left(1-\frac{u}{v} \cos \theta\right) $ (5)

当震源的破裂方向和破裂长度一定时,辐射花样和多普勒效应与台站和震源的方向有关。当θ为0,即观测点的径向矢量与振动源移动方向一致时,辐射花样和多普勒效应的影响最大。

2 结果分析

芦山地震选取572个宽频带台站,测定震级为MS(BB)7.1,相对震级集中在-0.1~0.2范围内; 九寨沟地震选取603个宽频带台站,测定震级为MS(BB)6.9,相对震级集中在-0.1~0.1范围内(图 2)。

图 2 芦山地震(a)和九寨沟地震(b)相对震级的台站数

相对震级为台站实测震级和地震震级的差值,即

$M_{\text {相对 }}=M_{\text {台站实测 }}-M_{\text {平均 }} $ (6)

式中,M相对表示相对震级,M台站实测表示各台站实际测定的震级,M平均表示该地震最终测定的震级。当M相对 ≤-0.4时,取M相对=-0.4; 当M相对≥0.4时,取M相对=0.4。

图 3为芦山地震台站分布,其中,图 3(a)为震级范围MS(BB)7.0~7.3的台站分布,该震级范围内的台站分布较为均匀,无明显方向性; 图 3(b)MS(BB) < 7.0的台站分布,其台站分布具有明显方向性,呈现NE-WS向分布,分布方向与徐锡伟等(2013)给出其断层走向为212°一致; 图 3(c)MS(BB)>7.3的台站分布,其台站分布同样具有明显方向性,呈现NW-ES向分布,与断层倾向NW一致。芦山地震是单侧破裂的逆断层,而其实测震级偏大的台站分布与断层走向方向不一致,其台站实测震级方向性差异与单侧破裂的辐射花样(包括点源的辐射花样和多普勒效应方向性因子乘积)联系不紧密,关系不明显。

图 3 芦山地震的地震台网宽频带台站分布

图 4为九寨沟地震台站分布,其中,图 4(a)MS(BB)6.8~7.0范围内的台站分布,分布较为均匀,无明显方向性; 图 4(b)MS(BB) < 6.8的台站分布,总体分布较为离散,除去正下方部分台站,呈现NW-SE向分布; 图 4(c)MS(BB)>7.0的台站分布图,其分布具有明显方向性,整体上呈现NE向分布,与易桂喜等(2017)给出九寨沟地震的断层倾向SW处于同一条直线分布。九寨沟地震作为双侧破裂的走滑断层,实测震级偏大的台站分布与断层走向不一致,台站实测震级差异性分布也与辐射花样和多普勒效应联系不紧密,关系不明显。

图 4 九寨沟地震的地震台网宽频带台站分布

对比芦山地震和九寨沟地震各方向台站震级大小,将对应台站的震级取差值,分别对差值小于0~0.4、大于0.4的台站绘制台站分布(图 5)。两个地震震级取差值,能够消除台站场地响应和仪器自身的影响。芦山地震震级偏小的台站分布方向与九寨沟地震震级偏大的台站分布方向较为相似,芦山地震震级偏大的台站分布方向与九寨沟地震震级偏小的台站分布方向较为近似。因此,差值小于0的台站主要呈NE-SW向分布,差值大于0.4的台站主要呈NW-SE向分布,如图 5 (b)5(c)所示。扣除场地响应和仪器自身的影响,台站实测震级差异性仍然存在。故台站实测震级差异性是受到了多普勒效应、辐射花样、仪器和场地响应之外的因素影响。综合考虑地震震级涉及的影响因素,芦山地震和九寨沟地震的台站实测震级受到传播路径影响的可能性较大。

图 5 芦山地震和九寨沟地震均有记录的地震台网宽频带台站分布
3 结论

本文收集了28个省级地震台网记录到的芦山地震波形数据和29个省级地震台网记录到的九寨沟地震波形数据,分别对芦山地震和九寨沟地震的MS(BB)进行了测算,绘制了台站实测震级的分布。获得的主要认识有:

(1) 芦山地震实测震级为MS(BB)7.1,比中国地震台网中心发布的震级偏大0.1; 九寨沟地震实测MS(BB)6.9,比中国地震台网中心发布的震级偏小0.1。

(2) 芦山地震实测震级MS(BB)>7.3的台站分布具有明显方向性,呈现NW-SE向分布; MS(BB) < 7.0的台站呈现NE-WS向分布,与断层的走向一致。

(3) 九寨沟地震MS(BB) < 6.8的台站总体分布较为离散,除去正下方部分台站,呈现NW-SE向分布,与断层走向一致; MS(BB)>7.0的台站分布则具有明显方向性,整体上呈现NE向分布。

(4) 芦山地震和九寨沟地震的台站实测震级差异性分布与辐射花样和多普勒效应联系不紧密,关系不明显。

(5) 通过相同台站记录的不同地震震级比较,去除场地响应的影响,并考虑短周期和宽频带仪器的因素,排除辐射花样和多普勒效应影响,芦山地震和九寨沟地震台站实测震级差异性仍然存在,综合考虑地震震级涉及的影响因素,芦山地震和九寨沟地震的台站实测震级差异性可能与地震波的传播路径有关。

参考文献
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