陳江琴

（中國安徽243000 馬鞍山市應(yīng)急管理局）

0 引言

震級是地震時、空、強(qiáng)三要素之一，無論是在科學(xué)角度，還是社會需求角度，衡量地震的大小均是一件意義重大的基礎(chǔ)性工作（傅承義等，1985；陳運泰等，2004；劉瑞豐等，2015）。精確的震級是進(jìn)行地震預(yù)報、會商分析及科學(xué)研究的基礎(chǔ)。當(dāng)有感地震發(fā)生，特別是破壞性地震發(fā)生后，及時提供準(zhǔn)確的地震參數(shù)，對應(yīng)急救援工作的順利開展至關(guān)重要。

單個地震臺站所測定地震的震級大小與省級測震臺網(wǎng)中心普遍存在差異，主要原因如下：①量取的S 波位置及周期大小可能受經(jīng)驗影響，存在人為誤差，需按規(guī)范操作；②地震波傳播路徑不同，可能影響振幅量取，從而影響震級測定；③觀測儀器存在誤差，如儀器靈敏度、儀器響應(yīng)發(fā)生變化，將導(dǎo)致記錄幅度存在差異；④臺基影響。

關(guān)于震級偏差研究的文獻(xiàn)較多，如：陳培善等（1983）分析震級偏差存在的原因；嚴(yán)尊國等（1992）、林仙坎（2006）、張志斌等（2018）、康清清等（2019）研究量規(guī)函數(shù)；劉陽等（2010）、郭延杰等（2020）研究臺站方位角；戴維樂（1986）、曹復(fù)旺等（1988）、梁向軍等（2019）分析近震震級偏差，等等。當(dāng)涂地震站2015 年10 月投入地震觀測，運行幾年后發(fā)現(xiàn)，臺站測出的震級（下文簡稱ML臺）較安徽省測震臺網(wǎng)中心所測震級（下文簡稱ML?。┯幸欢ㄆ?，本文主要分析震中距和方位角對震級偏差產(chǎn)生的影響。

1 臺站概況

馬鞍山市當(dāng)涂地震站（下文簡稱當(dāng)涂站）位于安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣大青山李白文化旅游區(qū)詹村，地理位置上在長江南岸。地質(zhì)構(gòu)造屬下?lián)P子斷塊，位于郯廬斷裂帶東側(cè)，地貌為丘陵地形，臺基為中生代花崗巖。

當(dāng)涂站于2015 年10 月完成設(shè)備安裝和調(diào)試，投入試運行。配備BBVS-60 寬頻帶地震計和EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和采集，利用交流供電，并配備UPS 輔助電源，采用光纖網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至馬鞍山市地震局監(jiān)測中心和安徽省地震局臺網(wǎng)中心。該臺站硬件設(shè)施較好，供電和網(wǎng)絡(luò)正常，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率達(dá)99.9%，質(zhì)量較高。

2 資料選取

當(dāng)涂站建站（2015 年12 月）以來至2020 年4 月，記錄到1.2 ＜ML＜5.3 近震120 個（均采用ML震級標(biāo)度表示），其中所選省外地震震級ML≥2.0，地震分布見圖1。所選地震均為淺源地震，具體參數(shù)見表1（表中節(jié)選部分地震數(shù)據(jù)），其中1.2 ≤ML≤1.9 地震8 次，2.0 ≤ML≤2.9地震62 次，3.0 ≤ML≤3.9 地震40 次，4.0 ≤ML≤4.9 地震9 次，5.0 ≤ML≤5.9 地震1 次。

表1 所選地震（部分）參數(shù)Table 1 Parameters of selected earthquakes（part）

圖1 所選地震震中分布Fig.1 Epicenter distribution of selected earthquakes

影響地方性震級ML計算的主要因素有量規(guī)函數(shù)、臺基效應(yīng)和地震震源（地震波輻射方向）等（嚴(yán)尊國，1986），公式如下

式中，A為地動位移，單位μm；R(Δ)為量規(guī)函數(shù)；AN、AE分別為S 波（或Lg 波）NS 向和EW 向最大振幅，單位μm；Δ為震中距，單位km。

地震波的最大振幅應(yīng)大于干擾水平2 倍以上，需將S 波（或Lg 波）記錄仿真成短周期地震儀（與省地震局仿真類型一致）NS、EW 向水平記錄后量取。為減少人為誤差，振幅量取工作均由同一人嚴(yán)格按照要求完成。根據(jù)公式（1），計算得到當(dāng)涂站記錄的120 個地震的單臺震級ML臺，與安徽省測震臺網(wǎng)中心所測震級ML省進(jìn)行對比，分析震級偏差C的變化規(guī)律，其中C=ML臺-ML省，具體數(shù)值見表1（表中節(jié)選部分地震數(shù)據(jù)）。

3 震級偏差分析

由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和不均勻性，地震波在地殼中的傳播過程復(fù)雜，振幅也千變?nèi)f化。同時，由于地震波輻射的方向性，臺站方位不同，所測震級也會存在一定偏差（陳培善等，1983）。據(jù)震級計算公式（1），震級大小取決于兩水平向的振幅和量規(guī)函數(shù)的大小。量規(guī)函數(shù)用來校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)卣鸩S距離的衰減，與震中距直接相關(guān)。震中距不同，最大振幅出現(xiàn)的地震波段也不同，一般：①Δ≤70 km，最大振幅出現(xiàn)在Sg 波段；②70 km ＜Δ≤180 km，最大振幅出現(xiàn)在S11 波段；③180 km ＜Δ≤300 km 時，最大振幅出現(xiàn)在Sg 震相之后數(shù)個周期；④Δ＞300 km，最大振幅出現(xiàn)在Lg1 或Lg2 波段。

3.1 震中距對震級偏差的影響

據(jù)陳培善等（1983）的分析，若量規(guī)函數(shù)正確，隨著震中距的變化，震級偏差將在0 值線上下擺動。

3.1.1 震中距的影響。根據(jù)計算得到120 個地震的震級偏差C，按照震中距大小進(jìn)行排序，結(jié)果見圖2。

圖2 震級偏差隨震中距大小的變化Fig.2 Variation of magnitude deviation with epicenter distance

（1）Δ＜70 km，共分布18 個地震，與ML省相比，單臺震級ML臺偏小，且震級偏差C隨震中距增大而逐漸減小，最大達(dá)1.1，最小為0.2。量規(guī)函數(shù)描述了地震波隨距離衰減的特性，與地殼構(gòu)造緊密相關(guān)，具有明顯的區(qū)域特征（薛志照，1992）。據(jù)嚴(yán)尊國等（1983）對我國西南及湖北省和閩臺地區(qū)量規(guī)函數(shù)的研究，在震中距0—50 km 范圍內(nèi)，地區(qū)不同，量規(guī)函數(shù)差異較大，而當(dāng)涂站量規(guī)函數(shù)偏小，故所測單臺震級偏小。

（2）70 ≤Δ≤180 km，共分布48 個地震，且ML臺大部分比ML省小，其中：C＜ 0 的地震有30 個，偏差最小為-0.6；C＞ 0 的地震有11 個，偏差最大為0.3，其他7 個地震C=0。在此震中距范圍內(nèi)，地震傳播產(chǎn)生反射波。在該研究區(qū)內(nèi)，震中距約70—120 km時，反射波最強(qiáng)，此范圍內(nèi)8 個地震的震級偏差C≥0，其中7 個地震的反射波較強(qiáng)，最大振幅位于反射波段。如：2018 年4 月6 日23:55 蕪湖無為地震、2019 年7 月15 日02:55常州溧陽地震，偏差C均為0.1，震中距分別為93 km、88 km（表1），反映了莫霍面反射波的影響。Boore（2003）和Helmberger 等（1993）也認(rèn)為：震中距約100 km，強(qiáng)地面振動幅度不再隨震中距增大而減小，其衰減關(guān)系曲線出現(xiàn)一段平坦，甚至共同增大現(xiàn)象，此現(xiàn)象可用莫霍面反射波SmS、sSmS 等震相的傳播機(jī)制來解釋，表明當(dāng)震中距達(dá)到反射波臨界點，其振幅較強(qiáng)，甚至?xí)c震中距一起增大，導(dǎo)致部分地震的單臺震級偏大，以上2 個震例與此一致。但是，受地震波射線路徑和震源機(jī)制影響，部分地震即使震中距達(dá)到反射波臨界點，其震級偏差卻遠(yuǎn)小于0，如2016 年4 月15 日 14:49 蕪湖市無為地震，震中距94 km，其反射波雖強(qiáng)，但偏差C=-0.4（表1）。

此外，由表1 可知，2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震，震中距為70 km，震級偏差C=0，查看其波形圖（圖3）發(fā)現(xiàn)：Sg 波NS 向振幅較大（箭頭所指），遠(yuǎn)大于反射波振幅，Sg 波EW 向振幅比反射波振幅稍小，說明其震級偏大并不是因為反射波振幅大，僅僅是因為其橫波振幅大。而同等震中距的其他地震（表1）偏差值均遠(yuǎn)小于0。據(jù)陳培善等（1983）的分析，位于地震破裂不同方向的臺站，如破裂前方和破裂后方，所測定震級可差0.3—0.5。據(jù)此分析，可知同等震中距的幾次南京地震，與2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震的破裂方向不同，故當(dāng)涂站所測震級偏差不同。陳培善等（1983）認(rèn)為：在節(jié)線方向，S波輻射能量強(qiáng)，P 波輻射能量為0，與節(jié)線成45°角，P 波輻射較強(qiáng)，往往超過S 波振幅，即所謂大頭P 波現(xiàn)象。建鄴地震實際波形和震級偏差值與此論述一致。如2016 年8 月10日23:18 南京浦口地震，震中距同為70 km，偏差C=-0.5，反射波較弱，P 波較強(qiáng)，垂直向P 波振幅與S 波振幅差不多，而該震有“大頭P 波”現(xiàn)象，與震級偏小反映一致。

圖3 2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震波形Fig.3 Seismic waveforms of Jianye,Nanjing,at 12:39 on Jan.27,2016

（3）Δ＞180 km，ML臺普遍大于或等于ML省。此范圍內(nèi)共分布53 個地震，只有8 個地震的偏差C＜ 0，其中六安地區(qū)的3 個地震偏差絕對值較大（-0.4、-0.3、-0.2），其他5個地震偏差C均為-0.1；45 個地震的偏差C≥0，差值均不超過0.4。因此，該段內(nèi)量規(guī)函數(shù)大部分偏大。

3.1.2 震級偏差頻次分布。按現(xiàn)有120 個地震樣本計算，當(dāng)涂站震級平均偏差為-0.084，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.313 9，繪制地震震級偏差頻次分布，結(jié)果見圖4。由圖4 可見：①C＜ 0 時震級偏差分檔較多；②C=0 和C=0.1 的地震最多；③震級偏差值的離散程度不高，且由于地震樣本較少，震中分布也不密集、不均勻，導(dǎo)致震級偏差的頻次分布并不完全遵循正態(tài)分布（圖4）。

圖4 震級偏差頻次分布Fig.4 Frequency distribution of magnitude deviation values

3.2 方位角對震級偏差的影響

震級偏差也受地震波輻射方向的影響，而地震方位角則反映了地震波輻射的方向性。方位角是指：以臺站為原點，臺站正北與臺站的連線和震中與臺站連線的夾角（傅淑芳等，1980）。作者利用單臺交互分析軟件MSDP，量取所選地震的方位角，確保所得震中經(jīng)緯度與省地震局所測接近。將120 個地震的震級偏差按方位角進(jìn)行分布，結(jié)果見圖5。

圖5 震級偏差隨方位角大小的變化Fig.5 Variation of magnitude deviation with azimuth

由圖5 可見：方位角約小于66°（圖中虛線左側(cè)），震級偏差大于0 居多；方位角大于66°（圖中虛線右側(cè)），震級偏差小于0 居多。據(jù)當(dāng)涂站地理位置可知：①方位角小于66°的地震多分布在郯廬斷裂帶以東，也就是說，地震波未穿過郯廬斷裂帶和長江斷裂破碎地帶，能量損失較少。②方位角大于66°的地震多分布在郯廬斷裂帶以西，同時較多地震位于長江北岸，且只有少數(shù)地震方位角分布在90°—200°，大部分地震方位角在200°—360°，地震激發(fā)的部分能量被郯廬斷裂和長江斷裂破碎吸收，導(dǎo)致所測震級偏小。與戴維樂（1986）在對溧陽余震震級偏差隨震中距變化的分析結(jié)果一致，即：穿過郯廬斷裂帶后，地震波能量消耗較多，震級偏小，震級偏差ΔM明顯反向，呈負(fù)值分布。

3.3 震中距與方位角對震級偏差的綜合影響

筆者統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在震源機(jī)制相同、震源深度相近的條件下，同一地區(qū)發(fā)生的地震震級偏差大多一致，一般同為正值或負(fù)值，統(tǒng)一偏大或偏小，較少存在偏差值正負(fù)號不一致現(xiàn)象。由于震級偏差在±0.2 范圍內(nèi)是被允許的（傅淑芳等，1980），在此只關(guān)注震級偏差超過±0.2的地震。剔除其中震中距400 km 以上的地震（地震數(shù)量少，不做統(tǒng)計），將發(fā)生在同一地區(qū)，震中距相近、方位角相近的地震，按方位角順序進(jìn)行震級偏差統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 震級偏差按方位角統(tǒng)計（取│C│＞0.2）Table 2 Statistics of magnitude deviations by azimuth (│C│＞0.2)

由表2 可見：對于震中距和方位角相近的同一地區(qū)發(fā)生的地震，震級偏差存在2 個共同點，即偏差方向相同（偏大或偏?。覕?shù)值相差較小。下面對表2 分類一一分析。

（1）震級偏差受量規(guī)函數(shù)的影響。馬鞍山當(dāng)涂站周邊地區(qū)，如當(dāng)涂、花山、江寧、博望、溧水、蕪湖弋江、繁昌、和縣、南京浦口，震中距均小于70 km，偏差均為負(fù)值。發(fā)生在以上地區(qū)的地震分布在當(dāng)涂站東南西北方向，震級均偏小，說明在此震中距范圍內(nèi)，量規(guī)函數(shù)偏小?；窗岔祉?、淮陰、鹽城地區(qū)、黃海海域地震，震級偏大0.3—0.4，按前文所述，震中距大于180 km 的地震震級普遍偏大，與此震中距范圍的量規(guī)函數(shù)偏大有直接關(guān)系。

（2）震級偏差受斷裂帶和反射波的影響。蕪湖繁昌的2 次地震，震中距分別為59 km和71 km，所測震級均偏小0.6，與其他震中距相近的地震相比，震級偏小更多。分析認(rèn)為，除與量規(guī)函數(shù)偏小有關(guān)外，還可能與地震射線穿過六合—馬鞍山斷裂（由蕪湖市繁昌縣經(jīng)馬鞍山市、南京市到南京市六合區(qū)）有關(guān)。同理，蕪湖南陵地震震中距雖然在反射波臨界范圍內(nèi)，但震級偏小較大，可能也與地震射線穿過南陵—小丹陽斷裂（由蕪湖市南陵縣延伸至馬鞍山到南京小丹陽）有關(guān)。蕪湖無為縣發(fā)生的3 個地震（方位角在254.36°—261.0°）震中距均達(dá)到反射波臨界點，反射波較強(qiáng)，測定震級偏小0.3—0.4。由于無為縣位于長江北岸岸邊，與當(dāng)涂站隔江相望，地震波穿過長江斷裂破碎帶，部分能量被吸收，所以震級偏小。同理，銅陵樅陽也在長江北岸，震級偏差也較大（-0.5）。

另外，由表1 可知，無為縣2018 年4 月6 日23:55 發(fā)生的地震（方位角為265.5°），其反射波P11 和S11 均較強(qiáng)，震級偏大0.1。4 次無為縣地震的震中距相近，但震級偏差卻不一致，說明震級偏差大小不僅與量規(guī)函數(shù)、斷裂帶有關(guān)，還與反射波有關(guān)。

合肥肥東5 次地震的震中距均達(dá)到反射波臨界點，有部分反射波較強(qiáng)，部分反射波不強(qiáng)，該區(qū)震級偏小0.3—0.6，可能與量規(guī)函數(shù)偏小及地震波穿過郯廬斷裂帶有關(guān)（戴維樂，1986）。滕吉文等（1985）對馬鞍山—常熟做人工爆破測線的地震記錄表明：Δ=80—120 km，莫霍界面反射波較弱；Δ＞120 km，莫霍界面反射波略有增強(qiáng)，是因為觀測剖面經(jīng)無錫—宿遷大斷裂，而該斷裂深達(dá)莫霍界面附近，介質(zhì)變成破碎的不規(guī)則體，當(dāng)?shù)卣鹕渚€穿過時，能量被強(qiáng)烈吸收。因此，肥東地震震級偏小應(yīng)與地震射線穿過郯廬斷裂有較大關(guān)系。同理，常州金壇、武進(jìn)2 個地震的震中距也達(dá)到反射波臨界點，震級均偏小0.4，應(yīng)與地震波橫穿茅山東側(cè)斷裂帶有關(guān)。

（3）震級偏差受震源機(jī)制的影響。合肥長豐和淮南謝家集區(qū)3 個地震（震中距在181—204 km）的震級偏大0.3—0.4，方位角在305.5°—307.95°之間。查看波形發(fā)現(xiàn)，3 個地震的S 波較強(qiáng)，P 波較弱。按照陳培善等（1983）的理論，3 個地震的震源機(jī)制一致。前文所述2016 年1 月27 日12:39 南京建鄴地震（圖3）比其他幾個地震震級偏大的原因亦在于此。

（4）震級偏差受地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。六安舒城縣、金安區(qū)地震震中距約200 km，震級卻偏小0.3—0.4，六安霍山縣3 個地震震中距在230—246 km，震級均偏小0.1—0.2（表1）。如前文所述，該震中距范圍的震級普遍偏大，相鄰的金寨地震（震中距269 km）震級偏大0.3，還有1 個金寨地震震級偏大0.1。六安地區(qū)周邊斷裂帶較多，存在“霍山地震窗”，地震活動活躍，地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)比較破碎，從而導(dǎo)致震級偏小，說明舒城、金安和霍山地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比金寨地區(qū)破碎。但是鄰近地區(qū)地震的震級偏差差異明顯，可能與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有較大差異有關(guān)，也可能與震源機(jī)制不一致有關(guān)，或者2 種原因共同存在。因此，震級偏差的不同，可在一定程度上反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異。

4 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論。

（1）通過分析震中距對震級偏差的影響，得出以下結(jié)果：①Δ＜70 km，震級偏小，且震中距越小，震級偏差越大；②70≤Δ≤180 km，震級大部分偏小，但在反射波臨界范圍內(nèi)，部分地震震級偏差較小，多在±0.2 范圍內(nèi)擺動，可忽略；③Δ＞180 km，震級普遍偏大。

（2）通過分析方位角對震級偏差的影響，得出以下結(jié)果：方位角≤66°時，震級偏差大于0 的地震較多，方位角≥66°時，震級偏差小于0 的地震較多，究其原因，與地震射線是否穿過郯廬斷裂帶和長江斷裂有直接關(guān)系。

（3）綜合分析震中距和方位角對震級偏差的影響，認(rèn)為：量規(guī)函數(shù)、斷裂帶、反射波和震源機(jī)制均會對震級偏差產(chǎn)生影響；震級偏差不同可在一定程度上反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異。

論文對當(dāng)涂站震級按震中距和方位角進(jìn)行闡述，分析特點，尋找規(guī)律，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，以便于今后分析同類地震時能起到參考作用。本研究建立在現(xiàn)有120 個地震樣本之上，觀測資料有限，震中距分布不均勻、不密集，分析也不全面，結(jié)果可能存在偏頗，尚需今后收集足夠多的震例，利用震級殘差統(tǒng)計法對震級進(jìn)行校正，或按照方位角進(jìn)行校正。