基于频谱分析的矩震级测定方法——以山西地震带为例

矩震级M_W是目前量度地震大小最理想的物理量,已成为国际地震学界开展研究的首选震级。对于中强地震事件,矩震级M_W通常可以利用长周期地震波,基于矩张量反演计算获得;对于约3级以下的地震事件,直接进行矩张量反演有时会产生较大误差。本文以山西地震带为例,利用山西地震台网数字波形资料,开展研究区Q值函数模型的分析评估与基于频谱分析的矩震级测定。研究结果表明,基于Q值函数Q(f)=299.4f^0.563计算的频谱M_W更接近矩张量反演的M_W,与Q值模型参数Q₀、α和κ的优化组合结果存在较好吻合;对于3.6≤M_L≤5.1地震事件,基于频谱分析计算得到的矩震级与基于矩张量反演矩震级较接近。在已具有详细的区域非弹性衰减模型基础上,基于频谱分析快速测定中小地震的矩震级具有可行性。     

新疆中强地震矩震级的初步研究

整理新疆地震台网2010年1月至2023年2月M_L≥4.0的623个中强地震波形数据，利用CAP方法反演得到相应矩震级，使用回归分析得到矩震级M_W和近震震级M_L之间的关系式为M_W=0.668+0.789M_L,相关系数为0.841,标准差0.272 4。回归的标准化残差近似正态分布，矩震级M_W和近震震级M_L呈正相关关系，表明在新疆地震台网日常工作中使用CAP方法测定中强地震的矩震级是可行的。     

应用近场速度记录快速估算川滇地区中强地震强度

采用Wu等(2004)提出的地震强度测定方法,应用近场速度波形记录,测定地震参数M_(ew),实现了川滇地区中强地震(M_W≥5.7)强度近实时快速测定。M_(ew)是一个与矩震级M_W对接的地震参数,与传统的应用振幅测定震级的方法相比,不会存在震级饱和问题,与全球矩心矩张量(GCMT)的矩震级M_W具有较好的一致性。该方法解决了应用近场波形资料和矩张量反演方法求取大地震矩震级比较困难的问题,可为区域中强地震速报提供近实时矩震级提供参考,从而提高地震速报的时效性和准确性,同时为强震加速度数据的应用奠定基础。     

2014 年新疆于田MS 7. 3 地震矩心矩张量快速测定

基于中国大陆中强震自动矩张量测定系统,采用虚拟中国地震台网记录的近震波形(震中距4° ～ 12°),反演了新疆于田MS7. 3 地震的矩心矩张量。结果显示,地震发震断层面参数分别为走向243° /倾角70° /滑动角－ 18°,表现为1 次左旋走滑为主兼有少量正倾滑分量的事件。矩心在水平方向上位于震中(36. 123°N,82. 499°E)以东约13 km,矩心深度约10 km。总标量地震矩M0为3. 05 × 1019N·m,换算成矩震级MW6. 92,推断震源破裂时大部分能量释放的持续时间约14s。同时探讨了自动矩张量测定系统在未来地震灾情预判中的重要作用。     

中国地震台网面波震级与矩震级统计关系

基于1990-2016年中国地震台网地震目录中面波震级和全球矩心矩张量（GCMT）项目的矩震级数据,使用加权最小二乘法,给出中国地震台网面波震级与矩震级的统计关系,分析该统计关系与实际数据之间的残差分布,并将其与已有统计关系进行对比,结果表明,本研究所得统计关系式具有较好的无偏性,更能体现中国地震台网面波震级与矩震级的对应关系。     

中国海域及邻区基于BP神经网络的矩震级转换模型

海域地震对我国海洋资源开发和沿海地区的经济建设形成严重威胁,开展相关地震活动性研究的重要前提是编译我国海域及邻区的地震目录。我国常用的震级标度为面波震级(MS),而国际上最新的地震活动模型多采用矩震级(MW),因此在应用这些模型时需要拟合面波震级与矩震级之间的转换关系。本文以中国海域及邻区为研究区,收集了1988—2020年中国地震台网的面波震级和全球矩心矩张量(GCMT)项目的矩震级数据,从中提取年份、深度、经度、纬度、面波震级作为影响因子,以实际记录的矩震级值作为标记,训练BP神经网络建立以GCMT的矩震级为目标的震级转换模型。同时,使用最小二乘回归和正交回归建立线性模型作为对比。结果显示,最小二乘回归和正交回归的平均绝对误差和均方根误差比BP神经网络高40%左右。此外,BP神经网络的残差绝对值更小、分布更集中。     

2009年11月至2010年11月27次中强地震的快速矩张量解

经过半个世纪的发展,地震震源的矩张量表示及其反演已日臻成熟(Dziewonski,Woodhouse,1983).矩张量解不但能够较好地反映地震震源的特性,还能为其它研究提供有用的参考.一些科研机构和组织,如美国地质调查局(USGS)和全球矩心矩张量研究组(GCMT)已经能够在震后5小时内准实时地发布矩     

使用中国地震台网资料快速测定中强地震矩震级

利用中国地震台网数字地震资料,选取国内Ms≥5.3地震波形数据,采用长周期波形拟合方法,快速计算2008年至今86个中强震的标量地震矩MO和矩震级Mw,并将Mw与GCMT的测定结果及中国地震台网中心测定的面波震级Ms进行对比.结果表明：矩震级与GCMT测定一致,与中国地震台网中心测定的面波震级关系为Mw=0.86Ms＋0.63.     

M_(WP)震级测定方法在全球中强地震自动测定中的应用

本文使用M_(WP)震级测定方法,对地震参数自动测定系统进行了改进,实现了对全球M_W≥6.0地震震级更快更精确的自动测定.与传统的M_L、M_S等震级测定方法相比,M_(WP)震级测定方法有2个显著优点:1由于只使用P波列,因此该方法可使用S波或面波限幅记录,可用波形资料较多;2选取的时间窗位于S波之前,震级测定速度更快.对地震参数自动测定系统在2014年9月22日至2015年12月22日测定的254个全球M_W≥6.0地震参数进行分析,结果表明,M_(WP)与全球矩心矩张量(GCMT)产出的M_W的一致性较好,无明显系统偏差,86.2%的M_(WP)与M_W的偏差绝对值小于等于0.3,可在震后平均531 s获得全球地震时空强参数.中国地震台网对全球中强地震时空强参数的自动测定与准实时地震信息服务,对于提高中国地震台网对全球地震的应急处置能力,提升中国在国际防震减灾领域的影响有现实意义.     

传统地震目录中增加矩震级及震源机制解的必要性分析

本文梳理了我国地震目录的产出现状,对于我国近几年应急机构和区域台网产出的震源机制解、矩震级进行了比较研究。结果表明:中国地震局地球物理研究所和地震预测研究所对于国内陆地地区6级以上地震的地震矩张量解的产出率为100%,5级以上地震的地震矩张量解产出率为81%。这两个研究所给出的3种矩张量结果和GCMT给出的矩张量结果较为一致,类型统计一致率分别达到71%、86%和66%,其中P、T轴空间夹角优势分布在15°左右。产出的矩震级和GCMT解得到的矩震级相差不大,偏差在0.1以内的比率分别为46%、86%和71%,偏差在0.3以内的比率分别为85%、100%和97%。结果表明对于我国内陆地区的5级以上地震,这两个研究所产出率较高、结果较为一致。而由各台网据震源参数得出的5级左右地震的矩震级和GCMT求解的矩震级比较起来明显偏小。由此探讨了在传统地震目录中增加震源机制解及矩震级的必要性。     

利用区域地震记录测定地震辐射能量

地震辐射能量作为描述地震大小的物理量,可为地震应急和灾害评估提供重要参考.现有快速测定地震辐射能量的方法多使用远震记录(35°≤Δ<80°),受到几何扩展和频率相关衰减校正方法的限制,利用区域地震记录(5°≤Δ<35°)测定地震辐射能量的难度较大.因此,本文发展了一种利用区域地震记录快速测定地震辐射能量的方法.研究结果表明：(1)利用该方法可以测定5.0级以上地震的辐射能量,弥补了由于低信噪比和台站分布影响,导致利用远震记录只能稳定测定6.0级以上地震辐射能量的不足;(2)将该方法应用于2009—2021年发生在中国大陆的66次M_W>5.0地震,结果显示74%的单台区域能量震级与远震能量震级的偏差在±0.3以内;对于44次M_W≥5.5地震,区域结果与远震结果基本一致,86%的事件区域能量震级与远震能量震级的差在±0.2之间;(3)结合地震矩资料,得到中国大陆地区地震的能矩比范围为5.2×10^-6～8.1×10^-5,平均能矩比为2.4×10^-5;走滑型地震的平均...     

2014—2019年浅源中强地震辐射能量的快速测定

根据地震波衰减特性,采用一维速度模型开展了快速测定辐射能量E_S和能量震级M_e的方法研究。利用全球地震台网和国家数字测震台网提供的宽频带资料,测定了2014—2019年间M_W≥6.0的115次浅源地震的辐射能量和能量震级,将计算结果与其它机构的结果进行对比。结果表明:利用本文方法可在得到地震数据半小时内计算出稳定的M_e,且本文的测定结果与美国地震学研究联合会的结果基本一致。地震造成的灾害与能量震级的大小密切相关,当M_e＞M_W时,地震灾害较为严重;在所有的地震类型中,发震断层类型为走滑型时,其地震辐射能量的效率高,M_e明显大于M_W。通过分析2018年2月4日和2019年4月18日台湾花莲两次M_W6.1地震能量释放的差异得出,发生在相似位置且具有相同的震源机制的两次地震,尽管它们的M_W相同,但M_e相差很大,接近0.5。M_e与M_W的差异表明,M_W只能获得有关震源的静态特征,它与地震引起的断裂面积、断裂平均位错等静态构造效应密切相关,而M_e可以提供震源的动态信息,从而客观评价地震的破坏强度。因此,本文使用的方法既能准确测定能量震级M_e又能极大提高其测定速度,非常适用于快速反应系统。本研究可以为未来地震台网将能量震级M_e作为日常产出震级提供参考,为快速评估大地震造成的灾害提供更多信息。      

2021年2月13日日本本州东海岸MW7.2地震矩心矩张量解

根据美国地质调查局(United States Geological Survey,缩写为USGS)国家地震信息中心(National Earthquake Information Centre,缩写为NEIC)的测定,2021 年2 月13 日14 时7 分50 秒( UTC) ,日本本州以东发生了一次矩震级高达 MW7.2 的地震,震中位于( 37.745°N, 141.749°E),震源深度为 49.94 km,这是截至本文发稿时最终更新的定位结果,更新前为(37.686°N,141.992°E),震源深度为54.0 km.美国地质调查局(USGS,2021)和全球矩心矩张量组( GCMT, 2021)随后发布了这次地震的矩心矩张量解(表1).震后48小时内累计发生M>2.5 余震13 次,其中最大的余震震级达到MW5.3,主震和余震的深度分布在35—65 km之间.该事件所在区域曾于2011 年3 月11 日发生过MW9.1 特大地震(Duputel et al,2012a)并引起破坏性海啸,相较于2011年MW9.1事件,本次事件的位置更靠近西侧,发生在俯冲带较深的区域.     

2021年青海玛多MW7.5地震矩心矩张量解

根据中国地震台网中心测定,北京时间2021年5月22日02时04分,中国青海省果洛州玛多县发生了震级达到M7.4的地震,震中位于( 98.34°E, 34.59°N) ,震源深度为17 km.美国地质调查局( United States Geological Survey,缩写为USGS)国家地震信息中心( National Earth-quake Information Centre,缩写为NEIC)也给出了相应的结果,其标定的发震时间为北京时间2021年5月22日02时04分13秒(协调世界时:2021年5月21日18时04分13秒) ,震中位于( 98.2548°E, 34.5864°N) ,震源深度为10 km.震后16小时内在震中100 km范围内共发生M>4.3的余震10次.这是自2008年汶川大地震以来我国境内发生的震级最高的一次事件,也是自2017年九寨沟MS7.0地震后时隔1382天发生的又一次震级大于M7.0的事件.美国地质调查局( USGS, 2021)和全球矩心矩张量组( GCMT, 2021)在震后数小时发布了本次事件的矩心矩张量解(表1)和最佳双力偶解(表2).     

非对称地震矩张量时间域反演:理论与方法

本文在对称地震矩张量反演的基础上,进一步研究了非对称地震矩张量时间域反演的理论与方法,结果表明:非对称地震矩张量反演与对称地震矩张量反演类似,只需将对称地震矩张量反演方法略加改动,即增加3个待解参数,便可实现非对称地震矩张量反演.为了判断非对称地震矩张量反演相对于对称地震矩张量反演是否存在过度拟合,运用了AIC准则 (赤池信息准则).为了定量地描述地震矩张量之间的差异,引入了地震矩张量的矢量表示法.通过分析格林函数与地震矩张量各分量之间的关系,得出:在非对称地震矩张量反演时,若仅用垂直向地动位移数据,将无法区分M_xy与M_yx这两个分量, 需要同时运用垂直向与水平向地动位移数据进行联合反演才能区分M_xy与M_yx; 若采用不同的速度结构模型或不同的格林函数计算方法,则需重新评估地震矩张量各分量的分辨度问题.为检验非对称地震矩张量反演方法的可行性, 利用合成地震图进行了一系列数值试验.数值试验结果表明,在非对称地震矩张量反演中,有必要引入S波进行P波与S波联合反演以提高反演的准确性和判定断层面的能力.      

2017年9月23日朝鲜ML3.4地震矩张量反演

利用区域地震台网数字波形资料,对2017年9月23日朝鲜M_L3.4地震进行地震矩张量反演计算与参数稳定性评估,获得了此次地震的震源机制解.结果表明,地震矩心深度为3 km,标量地震矩为1.34×10¹⁴ N·m,矩震级为M_W3.4.地震矩张量结果分解后,双力偶分量（DC）为96.4%,补偿线性矢量偶极分量（CLVD）为-0.8%,震源体体积变化的各向同性分量（ISO）为-2.8%.主压应力P轴方位角为144°,倾角为74°,主张应力T轴方位角为341°,倾角为15°.其中一个节面的参数为：走向248°,倾向60°,滑动角-94°.地震震源体积变化分量很小,震源机制类型属于典型的由断层剪切位错引起的正断层型地震事件,且主张应力T轴方向与区域近地表应变率场方向一致.由于朝鲜2017年9月3日核试验释放的能量对局部区域应力场进行了扰动,致使核试验场附近地壳岩体处于破裂的临界状态,2017年9月23日朝鲜M_L3.4地震事件可能是区域应力场作用下的一次山体滑动事件.     

中强地震能量震级测定

本文根据地震波衰减特性,开展了利用宽频带地震波形数据测定地震波能量E_S和能量震级M_e的方法研究。利用震中距处于20°—98°范围内的宽频带远震P波波形数据,测定了4次国外和4次国内中强震的能量震级M_e,并对其面波震级M_S、矩震级M_W及能量震级M_e进行了分析对比。结果表明:面波震级M_S表示的是地震在某一固定频率所辐射的地震波能量大小;矩震级M_W与地震所产生的断层长度、断层宽度、震源破裂的平均位错量等静态构造效应密切相关;而能量震级M_e反映的是震源动态特征,与地震震源的动力学特性密切相关。由于地震是以地震波形式辐射,能量主要集中在震源谱的拐角频率附近,因此能量震级M_e更适合描述地震的破坏性。由此可见,联合测定面波震级M_S,矩震级M_W和能量震级M_e对于地震定量研究以及地震灾害与风险评估具有重要作用。      

2022年四川泸定MS6.8地震震源基本特征

2022年9月5日,在四川省甘孜州泸定县发生M_S6.8地震.本研究收集区域台网震相数据、全球地震台网(GSN)、国际数字地震台网联盟(FDSN)与德国地学中心GEOFON台网的宽频带P波数据,利用双差定位、矩心矩张量解反演、有限断层波形反演和视震源时间函数分析等方法,分析了此次地震震源的基本特征.重定位结果显示,余震分布具有丛集性,3个地震丛分别集中在震中附近以及相距30 km左右的东南端和西北端,总体上西北端地震较浅,东南端地震较深.矩心矩张量反演表明,矩心位于29.55°N,102.14°E,深度16 km,释放地震矩1.0068×10¹⁹ N·m,相当于矩震级M_W6.60,双力偶成分占88%,是一次近纯走滑的地震事件.结合余震分布可以断定,地震发生在走向163°、倾角77°(倾向西南),滑动角为-5°的断层面.有限断层反演显示,破裂区主要由两部分构成,破裂起始点及其周围是主要破裂区;另一破裂区位于其东南,总体表现为从西北向东南的单侧破裂,最大滑动量约1.4 m,位于起始破裂点附近.从矩心矩张量反演和有限断层反演得到...     

关于1920年海原大地震震级高估的讨论

1920年海原大地震作为史料记载以来中国大陆震级最高、伤亡最多的极具破坏性的地震之一,开启了我国用现代地震学方法研究大地震的新篇章,在我国地震研究史上具有里程碑的意义。最新研究结果表明,1920年海原大地震的矩震级为M_W(7.9±0.2),与文献和大众广泛接受的M8(1/2)的数值相差较大。本文通过对震级标度及其演化历史的总结和梳理,阐述了仪器记录早期阶段基于地震波波形振幅和频率的震级标定存在系统偏差的问题,这与仪器限制、台站稀疏、标定不统一等因素有关,也使得1920年海原大地震和同时期世界上其它一些重要大地震的震级不同程度被高估。在各种震级标度中,矩震级M_W与地震破裂面积和位移等物理参数关联,是地震震级的最佳标定方法。震级作为表述地震大小和能量的重要参数,被广泛地用于评估断层未来的地震潜势;震级的偏差对地震活动时空分布样式的研究会产生重要影响,并造成基于历史地震资料的地震危险性评价和灾害评估等产品的可信度降低。因此,本文倡导对历史地震震级进行检验和修订,并建议1920年海原大地震的震级采用矩震级M_W(7.9±0.2)表...     

内蒙古中西部地区震源参数研究

选取内蒙古测震台网2009—2016年内蒙古中西部M_L≥2.8中小地震波形记录,采用多台联合反演方法,计算该区中小地震震源谱参数,获得地震矩M₀、矩震级M_W、应力降Δσ和震源尺度r,利用线性回归,分析近震震级M_L、地震矩M₀、矩震级M_W、应力降Δσ和震源尺度r之间的关系。结果表明,各参数之间存在一定线性关系,内蒙古中西部地区应力降模型为增加应力降模型（ISD）。