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汶川地震的面波震级测定及其多普勒效应

刘瑞丰, 邹立晔, 张立文

刘瑞丰, 邹立晔, 张立文. 2018: 汶川地震的面波震级测定及其多普勒效应. 地震学报, 40(3): 364-373. DOI: 10.11939/jass.20170212
引用本文: 刘瑞丰, 邹立晔, 张立文. 2018: 汶川地震的面波震级测定及其多普勒效应. 地震学报, 40(3): 364-373. DOI: 10.11939/jass.20170212
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Liu Ruifeng, Zou Liye, Zhang Liwen. 2018: Determination of the surface-wave magnitude of the Wenchuan earthquake and its seismic Doppler effect. Acta Seismologica Sinica, 40(3): 364-373. DOI: 10.11939/jass.20170212
Citation: Liu Ruifeng, Zou Liye, Zhang Liwen. 2018: Determination of the surface-wave magnitude of the Wenchuan earthquake and its seismic Doppler effect. Acta Seismologica Sinica, 40(3): 364-373. DOI: 10.11939/jass.20170212
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汶川地震的面波震级测定及其多普勒效应

  • 1.

    中国北京100081 中国地震局地球物理研究所

  • 2.

    中国北京100045 中国地震台网中心

基金项目: 中国地震局经常性项目（16A43ZX014）资助
详细信息
    通讯作者:

    邹立晔: email： zouly_xm@qq.com

  • 中图分类号: P315.3+2

Determination of the surface-wave magnitude of the Wenchuan earthquake and its seismic Doppler effect

  • 1.

    Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China

  • 2.

    China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China

摘要

    摘要
  • 摘要: 本文介绍了全球主要地震机构对2008年5月12日汶川地震参数的速报和修订情况，分析了美国地质调查局国家地震信息中心测定的面波震级。通过对比198个全球地震台站测定的面波震级和面波周期，得出如下结论：测定面波震级偏大的台站主要分布在震中的东北方向，测定面波震级偏小的台站主要分布在震中的西南和东南方向，面波周期偏小的台站主要分布在震中东北方向。由于此次地震破裂方向是以北东向单侧破裂为主，且地震多普勒效应导致震中东北方向振动加强，因此该方向上的面波震级偏大，地震烈度衰减慢；而震中西南方向的振动减弱，此方向面波震级偏小，地震烈度衰减快。从而造成地震烈度沿中央断裂带的北东方向衰减慢，而南西方向衰减快的特征分布。
    Abstract: The fast report and revision of the parameters of the Wenchuan earthquake on 12 May 2008 by some major international seismological institutions are introduced, and the surface-wave magnitude measured by National Earthquake Information Center of United States Geological Survey is analyzed in this paper. The comparison of the measured surface-wave magnitudes and periods of 198 global seismic stations reveals that, those stations with larger magnitudes are mainly in NE direction of the epicenter while those with smaller magnitudes are in SW and SE direction, and stations with smaller periods are mainly in NE direction. The seismic intensity map of the Wenchuan earthquake shows that the intensity attenuated slowly in the NE direction of the central fracture zone while the intensity attenuated fast in the SW direction. The reason is that Wenchuan earthquake is a unilateral rupture mainly in NE direction, due to the seismic Doppler effect, the stronger shaking leads to the larger surface-wave magnitudes and slower intensity attenuation in the NE direction of the epicenter, vice versa the weaker shaking leads to the smaller surface-wave magnitudes and faster intensity attenuation in the SW direction.
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  • 引言

    北京时间2008年5月12日14时28分，在我国四川省汶川县发生了MS8.0地震。此次地震不仅在极震区造成了灾难性的破坏，而且在四川省及其邻近省市地区亦造成不同程度的破坏，有震感范围远及除新疆、黑龙江以外的29个省、市、自治区以及泰国、缅甸等邻国。汶川大地震是继1976年7月28日唐山MS7.8地震以来在我国大陆发生的破坏性最为严重、波及范围最为广泛的一次地震。

    地震参数的测定应当使用方位分布均匀、震中距范围跨度大、且尽可能丰富的地震台站记录。通常满足上述条件的地震台站数量越多、观测数据越丰富，测定的结果可能越准确。但从地震应急响应的角度来分析，需要在尽可能短的时间内把地震发生的时间、地点和震级等地震基本参数向政府报告并向社会公布。因此，地震参数的测定通常分为两个阶段：第一阶段为地震速报，即使用最先接收到信号的一些地震台的观测数据进行地震参数的快速测定，便于及时报告与发布地震信息；第二阶段为地震参数精细测定，即利用所有能得到的、尽可能多的地震台站的观测数据重新测定地震参数，编辑出版地震观测报告，为科学研究提供基础资料（刘瑞丰等，2015）。

    汶川地震发生后，中国地震台网中心（China Earthquake Network Centers，简写为CENC）、美国国家地震信息中心（National Earthquake Information Center，简写为NEIC）、俄罗斯科学院（Russia Academy of Sciences，简写为RAS）、欧洲地中海地震中心（European Mediterranean Seismological Centre，简写为EMSC）、罗马尼亚地球物理研究所（Romania National Institute for Earth Physics，简写为RNIEP）等国际地震机构，利用管辖区内地震台网的观测资料，迅速测定了此次地震主震的发震时刻、震中位置和震级等基本参数，并于地震发生20分钟后陆续发布在各自的网站上以及瑞士地震服务中心（Swiss Seismological Service）的网站上（刘瑞丰等，2015）。速报的汶川地震参数具体列于表1。

    表  1  国际地震机构速报的汶川地震的参数
    Table  1.  Parameters of the Wenchuan earthquake quickly reported by major international seismological institutions
    序号 发震时刻 （UTC）
    时：分：秒     		震中位置 震源
    深度/km     		MS 测定机构
    北纬/° 东经/° 中文名称 代码
    1 06：28：04.1 30.95 103.40 14 8.0 中国地震台网中心 CENC
    2 06：28：00.9 31.10 103.30 10 7.8 美国国家地震信息中心 NEIC
    3 06：27：59.3 31.10 103.30 10 8.0 俄罗斯科学院 RAS
    4 06：27：58.9 31.10 103.20 10 7.5 欧洲地中海地震中心 EMSC
    5 06：28：00.8 30.80 103.40 10 6.8 （mb） 罗马尼亚地球物理研究所 RNIEP
    注：表中序号1数据来自中国地震台网中心 （2008a），其它数据来自Swiss Seismological Service （2008）。
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    从全球各地震机构公布的震级速报结果看，最先公布的震级是面波震级和体波震级。CENC测定的面波震级为MS8.0，NEIC和RAS速报的面波震级分别为MS7.8和MS8.0，一致性比较好，而EMSC测定的面波震级为MS7.5，明显偏低。随着观测资料的增加，在震后1周内，各国际地震机构测定的参数也在发生变化，如NEIC于5月14日将震级由面波震级MS7.8修订为矩震级MW7.9，EMSC于5月15日将面波震级MS7.5修订为矩震级MW7.8。

    汶川地震发生1个月后，全球各地震机构汇集到了更多的地震台站资料，对地震速报结果进行了修订，编辑了地震观测报告。CENC利用87个国家地震台和6个国际地震台的震相数据对汶川地震参数进行了重新定位，由于震中距在300 km以内地震台站记录波形限幅，因此只用了其中63个国家地震台的资料测定该地震的面波震级，结果为MS8.2，用其中的57个国家地震台的资料测定该地震的短周期体波震级，结果为mb6.4，得到的地震参数和震相数据在 《中国数字地震台网观测报告》 和 《中国地震台站观测报告》 （中国地震台网中心，2008b，c）中列出；NEIC利用全球地震台网的774个台站的震相到时重新进行了地震定位，并利用其中的198个台站的资料计算了面波震级，结果为MS8.1，用236个台站测定的短周期体波震级结果为mb6.9，得到的地震参数和震相数据在NEIC （2008a）的 《地震数据报告》中列出；德国格拉芬堡地震观测中心（SZGRF）利用格拉芬堡地震台阵的观测资料测定的面波震级为MS8.4，短周期体波震级为mb7.2；美国全球矩心矩张量项目数据中心（The Global Centroid-Moment-Tensor Project，简写为GCMT）测定的短周期体波震级为mb7.8，用波形反演的方法得到的矩震级为MW7.9 （GCMT , 2008）；EMSC又将矩震级由MW7.8修订为MW7.9 （EMSC，2008）。国际各地震机构修订后的汶川地震的参数列于表2。

    表  2  国际地震机构测定的汶川大地震的参数
    Table  2.  Parameters of the Wenchuan earthquake observed by major international seismological institutions
    序号 发震时刻 （UTC）
    时：分：秒     		震中位置 震源深
    度/km     		震级类型 测定机构 数据来源
    北纬/° 东经/° mb MS MW 名称 代码
    1 06:27:59.5 31.01 103.42 14 6.4 8.2 中国地震台网中心 CENC 中国地震台网中心 （2008a）
    2 06:28:01.8 31.00 103.32 19 6.9 8.1 7.9 美国国家地震信息中心 NEIC NEIC （2008b）
    3 06:28:41.4 31.49 104.11 12 7.8 7.9 全球矩心矩张量项目
    数据中心     		GCMT GCMT （2008）
    4 06:27:59.0 31.10 103.20 10 7.9 欧洲地中海地震中心 EMSC EMSC （2008）
    5 06:28:03.7 31.60 103.70 33 7.2 8.4 德国格拉芬堡地震
    观测中心     		SZGRF SZGRF （2008）
    注：全球矩心矩张量项目数据中心测定的是“矩心”（即所释放的地震矩的“时－空几何中心”）的位置，其物理意义与传统的震源位置及发震时刻（地震初始破裂的位置与时刻）不相同，不具有简单的可比性。
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    从面波震级测定的结果看，上述地震机构测定的结果在MS8.1—8.4之间。需要特别指出的是，德国格拉芬堡地震观测中心测定的面波震级为MS8.4，这是由于德国格拉芬堡地震台阵在测定远震的震级时相当于单个固定台站，与其它地震机构测定的面波震级会有较大的偏差。

    从测定面波震级使用的资料看，NEIC使用的台站资料最多，本文收集了NEIC （2008a）的 《地震数据报告》 ，报告中对台站震中距、方位角及面波震级的大小进行了分析，研究了台站分布与面波震级大小之间的关系，得到了面波震级分布的方向性；并结合地震烈度的方向性，得出面波震级分布具有多普勒效应。

    1.   面波震级测定

    1966年1月以后，我国的地震报告采用了郭履灿和庞明虎（1981）提出的以北京地震台为基准的面波震级公式，并一直延用至今。在测定面波震级时使用震中距1°—130°以内的资料，按下式进行计算

    ${M_{\rm{S}}} = {\rm{lg}}{\left( {\frac{A}{T}} \right)_{{\rm{max}}}} + 1.66{\rm{lg}}\varDelta + 3.5{\text{，}}$

    		(1)

    式中：A为两水平分向面波地动位移的矢量和，单位为μm；T为相应的周期，单位为s；Δ为震中距，单位为°。

    美国采用了IASPEI在1967年推荐的面波震级计算公式，但对资料的范围进行了严格的限制，NEIC只使用垂直向资料测定面波震级， 且资料的震中距在20°—160°范围内，周期在18—22 s之间。为了区别于其它台网测定的面波震级，NEIC测定的面波震级只使用垂直向的资料，用MSZ表示，计算公式为

    ${M_{{\rm{SZ}}}} = {\rm{lg}}{\left( {\frac{A}{T}} \right)_{{\rm{max}}}} + 1.66{\rm{lg}}\varDelta + 3.3{\text{，}}$

    		(2)

    式中，A为垂直分向面波地动位移，单位为μm。

    NEIC使用了全球地震台网的198个震中距在20°—160°范围内，面波周期在18—22 s之间台站的资料测定了面波震级MSZ，在《地震数据报告》中同时列出了震中距超出20°—160°范围或面波周期不在18—22 s范围内的11个台站资料。表3列出了该报告中上述范围内的台站名称、震中距、方位角、周期及面波震级MSZ的测定结果，我们将对表中的面波震级测定结果进行分析，讨论其分布特征。

    表  3  《地震数据报告》中列出的汶川地震的209个台站的参数和MSZ （NEIC，2008a）
    Table  3.  The related data of 209 stations and MSZ of Wenchuan earthquake in Earthquake Data Report（NEIC，2008a）
    序号 台站代码 震中距/° 方位角/° 周期/s MSZ 序号 台站代码 震中距/° 方位角/° 周期/s MSZ
    1 INCN 20.30 65.1 19.0 8.4 37 KONO 65.59 326.2 20.0 8.0
    2 HIA 22.06 29.5 20.0 7.7 38 CTAO 65.42 135.3 21.0 7.7
    3 MDJ 24.68 49.2 20.0 7.9 39 TIR 65.73 304.9 22.0 7.9
    4 TKM2 25.03 306.1 22.0 7.8 40 AKUT 66.02 40.1 18.0 8.1
    5 KULM 25.70 186.1 20.0 7.9 41 FOO 66.98 329.1 18.9 8.3
    6 AAK 25.71 304.9 22.0 7.9 42 BER 67.32 327.8 18.0 8.3
    7 AML 26.14 303.4 19.0 8.0 43 TRI 68.27 311.0 19.0 7.9
    8 EKS2 26.22 304.6 22.0 7.8 44 MIDW 67.56 69.7 19.0 7.9
    9 KURK 26.93 324.1 19.0 8.1 45 GRF 68.33 315.7 20.0 8.4
    10 KKM 27.62 151.4 20.0 7.6 46 GRA1 68.33 315.7 20.0 8.4
    11 MAJO 29.41 69.7 19.0 8.0 47 TIP 68.75 303.6 22.0 7.9
    12 KSM 30.10 166.0 20.0 7.7 48 SDPT 68.43 37.6 20.0 8.1
    13 BRVK 32.53 322.3 20.0 7.9 49 RER 69.10 227.5 22.0 7.7
    14 ERM 33.58 59.7 22.0 7.8 50 COLA 69.81 25.5 20.0 8.1
    15 YSS 34.14 50.8 19.0 8.3 51 CEL 69.73 303.0 21.0 7.7
    16 YAK 35.44 21.2 19.0 8.0 52 AQU 69.82 307.8 20.0 8.0
    17 ARU 40.10 322.6 22.0 7.9 53 OHAK 71.22 34.0 21.0 8.3
    18 GUMO 41.88 105.0 20.0 7.6 54 VLC 71.09 310.6 22.0 8.1
    19 COCO 43.39 189.3 19.0 7.9 55 KDAK 71.29 33.3 19.0 8.3
    20 PET 45.29 44.4 21.0 8.3 56 ECH 71.38 315.4 22.0 7.9
    21 GNI 47.76 297.9 20.0 7.7 57 WLF 71.34 317.1 21.0 8.0
    22 DGAR 48.30 223.0 19.0 7.6 58 WDD 71.72 301.2 20.0 7.6
    23 KIV 48.81 303.2 19.0 8.2 59 EGAK 72.27 24.0 19.0 8.3
    24 BILL 51.55 25.3 19.0 8.2 60 TARA 71.87 99.6 21.0 7.6
    25 MBWA 54.20 161.0 22.0 7.7 61 BNI 73.08 312.6 21.0 8.3
    26 SMY 54.64 44.8 19.0 8.2 62 ABPO 73.31 235.1 19.0 7.8
    27 BR13 56.21 299.5 21.0 7.6 63 MID 73.27 30.0 18.0 8.3
    28 KEV 56.55 336.1 20.0 8.2 64 ESK 73.69 325.2 20.0 8.2
    29 MSEY 57.80 240.8 21.0 7.8 65 LOR 73.79 315.6 18.5 8.4
    30 WAKE 57.84 85.6 20.0 7.8 66 VSL 73.80 306.5 22.0 7.7
    31 ISP 59.07 298.1 22.0 7.9 67 SSB 74.31 313.6 20.0 8.1
    32 KBS 60.08 347.1 20.0 8.1 68 FLN 75.60 318.4 20.0 8.3
    33 ADK 60.35 44.6 22.0 8.1 69 BORG 75.31 338.6 19.0 8.0
    34 PSZ 63.55 311.7 21.0 7.8 70 RJF 76.16 314.6 19.0 8.2
    35 NAO0 64.60 327.2 20.0 7.9 71 SKAG 77.73 26.5 18.0 8.3
    36 NWAO 64.93 167.1 22.0 8.1 72 CAN 78.72 143.4 20.0 7.9
    73 UCH 25.58 304.0 21.0 7.8 109 SNZO 97.50 133.9 20.0 7.8
    74 SIT 79.33 28.3 21.0 8.2 110 LAO 98.19 20.1 20.0 8.2
    75 SFJD 80.32 349.9 21.0 8.3 111 HOPS 98.07 34.7 21.0 8.1
    76 CRAG 81.31 28.7 18.0 8.2 112 LKWY 98.75 23.7 22.0 8.4
    77 PAB 82.91 312.1 19.0 8.1 113 RLMT 98.64 22.7 21.0 8.2
    78 ESLA 82.59 312.0 19.0 8.8 114 AGMN 99.21 12.8 19.0 8.2
    79 FUNA 82.43 104.6 20.0 7.6 115 BMN 99.61 30.2 22.0 8.1
    80 TAU 83.91 149.1 22.0 7.8 116 EYMN 100.29 10.1 20.0 8.3
    81 MTE 84.41 314.2 20.0 8.0 117 CMB 100.12 33.7 22.0 8.0
    82 PAF 85.26 201.0 21.0 7.7 118 AHID 100.07 25.0 19.0 8.2
    83 LSZ 85.50 249.3 22.0 7.8 119 ELK 100.19 28.8 21.0 8.2
    84 SFS 85.88 310.4 20.0 8.5 120 BW06 100.62 24.0 20.0 8.2
    85 KIP 86.24 67.4 22.0 7.6 121 HWUT 100.91 25.9 21.0 8.2
    86 RTC 87.76 308.7 20.0 7.8 122 RSSD 101.17 19.7 19.0 7.6
    87 POHA 89.09 67.5 20.0 7.8 123 DUG 101.64 27.5 19.0 7.9
    88 NLWA 91.17 29.9 21.0 8.2 124 COWI 102.43 8.8 21.0 8.4
    89 FFC 91.88 14.4 21.0 8.0 125 DBIC 101.94 285.3 20.0 8.0
    90 LBTB 92.86 242.6 20.0 7.8 126 LIC 102.33 285.0 21.0 7.7
    91 NEW 93.17 25.7 21.0 8.2 127 MAW 102.89 194.8 20.0 8.1
    92 HAWA 93.77 28.1 20.0 8.1 128 ECSD 103.42 14.7 19.0 8.3
    93 SCHQ 94.10 354.3 20.0 8.2 129 OGNE 104.67 19.6 20.0 8.2
    94 MSO 95.54 24.7 22.0 8.0 130 ISCO 104.61 22.7 19.0 8.2
    95 EGMT 95.92 21.6 21.0 8.1 131 LONY 104.72 358.5 20.0 8.1
    96 HUMO 95.30 32.4 22.0 8.1 132 JFWS 105.40 10.3 19.0 8.2
    97 BMO 95.93 27.8 20.0 8.0 133 NCB 105.36 358.2 20.0 8.3
    98 YBH 96.10 32.8 19.0 7.9 134 SCIA 105.87 12.8 21.0 8.3
    99 TSUM 96.16 251.4 21.0 7.9 135 MVCO 105.91 26.0 19.0 8.1
    100 CASY 97.13 177.1 21.0 8.0 136 WUAZ 106.23 28.9 20.0 8.0
    101 ULM 97.33 12.3 20.0 8.3 137 SDCO 106.50 23.5 21.0 8.1
    102 DGMT 97.14 18.1 22.0 8.3 138 BINY 107.16 359.5 20.0 8.2
    103 WDC 97.08 33.4 22.0 8.0 139 KSU1 107.83 16.2 20.0 8.3
    104 BOZ 97.38 23.9 20.0 8.1 140 HDIL 107.85 10.1 20.0 8.2
    105 MOD 97.07 31.3 19.0 8.1 141 ANMO 108.66 25.5 22.0 8.0
    106 XMAS 96.86 83.5 19.0 7.7 142 ACSO 108.89 5.1 20.0 8.2
    107 WVOR 97.36 29.9 20.0 8.0 143 CCM 109.97 12.2 19.0 7.8
    108 HLID 98.15 26.7 20.0 8.1 144 TUC 109.23 30.2 21.0 8.1
    145 WVT 112.41 9.8 19.0 8.1 178 LVZ 53.66 334.0 21.0 8.5
    146 WCI 110.54 8.1 19.0 7.4 179 JOHN 79.19 77.0 21.0 7.8
    147 AMTX 110.36 21.8 21.0 8.1 180 MCCM 98.82 35.2 20.0 8.0
    148 MNTX 111.96 26.2 20.0 8.0 181 SAO 100.61 35.1 20.0 7.9
    149 WMOK 111.38 19.4 20.0 8.4 182 TPH 101.55 31.6 20.0 7.9
    150 SBA 114.81 168.0 19.0 8.0 183 DAC 102.85 32.9 20.0 8.0
    151 MIAR 112.89 15.1 21.0 8.2 184 MVU 103.33 27.9 22.0 8.1
    152 NATX 115.29 16.9 19.0 8.3 185 GLMI 104.19 5.8 20.0 8.2
    153 GOGA 115.61 6.3 22.0 8.3 186 LBNH 105.00 356.5 19.0 8.1
    154 VBMS 115.77 13.0 19.0 8.5 187 AAM 106.78 5.4 19.0 8.2
    155 LRAL 115.57 9.6 19.0 8.3 188 CBKS 107.30 18.7 21.0 8.2
    156 HKT 116.71 18.6 20.0 7.6 189 MCWV 109.64 2.6 20.0 8.4
    157 BRAL 117.54 10.0 19.0 8.2 190 BLA 112.05 3.2 20.0 8.4
    158 KVTX 118.36 21.4 19.0 8.3 191 CNNC 114.10 1.1 22.0 8.2
    159 DWPF 121.04 4.9 20.0 7.9 192 SHEL 114.20 265.4 20.0 7.6
    160 GRTK 127.52 353.5 20.0 8.0 193 BBSR 115.96 348.7 22.0 8.1
    161 TGUH 134.06 14.4 19.0 8.0 194 NHSC 116.15 3.3 20.0 8.3
    162 ANWB 129.54 341.5 20.0 8.0 195 MOL 65.53 329.6 23.1 8.2
    163 SDDR 130.03 353.3 21.0 8.2 196 KMBO 70.23 256.2 20.0 7.5
    164 SJG 130.13 346.9 20.0 8.4 197 COR 93.6 31.4 21.0 7.3
    165 GTBY 129.34 358.1 22.0 8.2 198 PFO 105.57 12.8 21.0 7.5
    166 MTDJ 131.05 1.1 20.0 8.1 199 BJO1 58.90 341.8 17.7 8.5
    167 FDF 132.14 339.6 21.0 8.1 200 TRO 59.37 336.1 13.8 8.5
    168 JTS 138.18 12.3 21.0 8.1 201 NSS 63.04 331.0 17.2 8.3
    169 GRGR 134.75 339.1 22.0 8.1 202 PMR 70.95 28.8 17.0 8.2
    170 RCBR 134.32 294.7 19.0 8.0 203 CLL 66.67 316.9 22.1 8.1
    171 BCIP 139.95 4.9 22.0 7.9 204 CPUP 162.4 280.5 21.0 7.2
    172 PMSA 145.30 189.5 21.0 7.9 205 NNA 161.08 0.5 21.0 7.8
    173 PAYG 147.19 25.7 20.0 7.9 206 LPAZ 163.4 330.0 22.0 8.1
    174 OTAV 148.89 3.4 20.0 7.9 207 TRQA 166.0 235.9 21.0 8.2
    175 RPN 151.25 90.6 21.0 7.8 208 PLCA 169.1 205.4 19.0 7.9
    176 SPB 153.04 278.7 20.0 8.2 209 LCO 174.5 289.4 20.0 8.2
    177 EFI 155.20 208.3 21.0 8.0 平均 8.1
    注：表中平均值计算未包括增加的11个台站资料。
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    2.   面波震级的多普勒效应

    地震波沿发震断层传播的过程类似于日常生活中人们经历的声波的多普勒效应，如鸣笛的火车靠近和远离我们时，火车汽笛的声调会有很大的变化。当火车逐渐靠近观测者时，声波的波长减小，音调就变高；当火车逐渐远离观测者时，声波的波长增加，音调变得低沉。研究表明，断层破裂的方向性会使在破裂传播方向上的点的能量密度加大，使与破裂方向相反方向的点的能量密度减少，Somerville等（1997）在研究地震动衰减关系时，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。

    对于震中距Δ＜2 000 km的台站，地球浅部的速度结构是对面波周期和幅度影响主要因素；而对于震中距Δ＞2 000 km的台站，面波水平振幅最大值的周期一般为20 s左右，周期在20 s左右的面波相应于面波波列的频散曲线上的艾里（Airy）震相。在现有地球模型中，20 s面波的衰减最小，因此在震中距20°—160°范围内都能记录到清晰的周期为18—22 s的面波（Gutenberg，1945），对于非点源地震，震源破裂过程对面波的幅度和周期是有影响的。

    2.1   面波震级的方向性

    NEIC测定面波震级所使用的台站为198个，震中距介于20.30°—155.20°之间，台站的方位分布较均匀。测定面波震级最大的台站是ESLA台，震级达MS8.8，测定面波震级最小的台站是WCI台，震级为MS7.4。图1是在平面极坐标上，NEIC所使用的全球地震台站震中距R、方位角φ和所测定的震级大小的分布示意图。

    图  1  在震中距为R、方位角为φ的NEIC台上所测定震级大小的分布图
    Figure  1.  Magnitude distribution measured by NEIC stations where R is the epicentral distance and φ is the azimuth
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    陈运泰等（2009）利用全球地震台网的长周期远震台站的资料研究得到的震源过程结果显示，汶川地震的破裂过程是不对称的双侧破裂过程，主要的破裂向北东方向传播了约200 km，但在北东方向300 km处也存在着较小的滑动位移量；在震中西南方向，滑动位移和破裂延伸范围总体上都比较小，从而表观上表现为以向北东方向单侧破裂（陈运泰等，2009；张勇等，2009）。故汶川地震的破裂总体上由震中向北东方向传播，由于地震多普勒效应导致震中东北方向振动加强，而震中西南方向减弱，因而在震中东北方向的台站测定的震级偏大，而在西南方向的台站测定的震级偏小。汶川地震的发震断层倾角为43°，倾向北西，地震的上盘-下盘效应导致断层面上盘即震中西北的振动比断层面下盘即震中东南的震动强烈。从图1看出测得的震级偏大的台站（红点）基本上分布在震中东北面、测得的震级偏小的台站（绿方块）基本上分布在震中的西南面和东南面，这一分布特征与上述地震多普勒效应以及上盘-下盘效应是一致的（陈运泰，2008；陈运泰等，2009）。

    2.2   烈度分布的方向性

    中国地震局震后组织大批专家调查完成的汶川地震烈度分布图（图2），反映了人工建筑物所遭受的破坏。从图2可以看出，汶川地震的烈度分布具有明显的方向性。震中烈度为Ⅺ度，面积约2 419 km2，以四川省汶川县映秀镇和北川县城为两个中心呈长条状分布。其中，映秀Ⅺ度区沿汶川—都江堰—彭州方向分布，长轴约66 km，短轴约20 km；北川Ⅺ度区沿安县—北川—平武方向分布，长轴约82 km，短轴约15 km。并且烈度分布沿中央断裂带的北东方向衰减慢，而南西方向衰减快。

    对于刚性、脆性的结构而言，沿断裂传播方向的震害加重，在相反的一端则减轻（胡聿贤，2006）。移动震源的多普勒效应可以解释在此次地震中，沿中央断裂带北东方向地震烈度衰减慢、南西方向衰减快这种特殊现象。周庆等（2011）在分析汶川地震灾害非对称分布的成因时认为，当破裂向北东方向扩展时，先期破裂所释放出来的震动能量的一部分传播与后破裂释放的能量同时到达现测点，叠加在一起。这一效应并未改变通过各点的总能量，但改变了能量在时间上的分布，即能量密度。它使断裂传播方向上的点的能量密度加大，使与破裂方向相反方向上的点的能量密度减少。

    图  2  汶川MS8.0地震地表破裂带与烈度分布图（引自袁一凡，2008）
    Figure  2.  Surface fractures and intensity map of the Wenchuan earthquake （after Yuan，2008）
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    3.   讨论与结论

    本文介绍了全球主要地震机构对2008年5月12日汶川地震参数的速报和修订情况，对NEIC修订的面波震级及面波周期进行了分析，并与袁一凡（2008）发布的汶川地震的烈度衰减进行了对比分析，研究结果表明：

    1） 汶川大地震发生以后，由于震中距在300 km以内的地震台站的记录波形全部限幅，便对地震参数的测定，特别是对震级的测定带来了很大的困难。尽管如此，中国地震台网中心快速测定了该地震的参数：发震时刻为北京时间14时28分4.1秒，震中位置为（30.95°N，103.40°E） 震源深度为14 km，面波震级为MS8.0，为地震应急救援提供了基本参数。地震发生以后，全球主要地震机构也都迅速测定并在各自的网站上发布了这次地震的参数，NEIC最早发布的面波震级MS7.8，5月14日把震级由面波震级MS7.8修订为矩震级MW7.9。

    2） 汶川地震发生一个月以后，各地震机构汇集到了更多的地震台站资料，对地震速报结果进行了修订，中国地震台网中心利用87个国内地震台和6个国际地震台的震相数据对汶川大地震进行了重新定位，修订后的结果是：发震时刻北京时间14时27分59.5秒，震中位置为（31.01°N，103.42°E），震源深度为14 km，面波震级为MS8.2，短周期体波震级为mb6.4。NEIC利用全球地震台网774个台站的震相到时重新进行了地震定位，并利用其中的198个台站的资料计算了面波震级，结果为MS8.1，用236个台站测定的短周期体波震级结果为mb6.9。由于收集到更多的地震台站资料，全球主要地震机构修订的汶川地震参数与地震速报的参数均有一定的变化。

    3） 由于历史的原因，我国和美国所使用的测定面波震级的公式不同，测量方法也有一些差异（刘瑞丰等，2006）。通过对大量的实测资料进行分析与对比表明，CENC测定的面波震级总体上要比NEIC测定的结果平均偏高0.2 （许绍燮，1999；刘瑞丰等，2006）。从本次地震的面波震级速报结果看，CENC测定结果MS8.0比NEIC测定结果MS7.8大0.2，CENC修订结果MS8.2比NEIC修订结果MS8.1大0.1，在平均偏高值0.2的范围之内。

    4） 通过NEIC对198个台站测定的面波震级和周期的分析表明，由于汶川地震总体上是北东方向单侧破裂（陈运泰等，2009），地震多普勒效应导致测定面波震级偏大的台站主要分布在震中的东北方向，测定面波震级偏小的台站主要分布在震中的西南和东南方向。

    5） 通过对汶川地震烈度分布分析表明，汶川地震的烈度分布沿中央断裂带的北东方向衰减慢，而南西方向衰减快。

    综上所述，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。

  • 图  1   在震中距为R、方位角为φ的NEIC台上所测定震级大小的分布图

    Figure  1.   Magnitude distribution measured by NEIC stations where R is the epicentral distance and φ is the azimuth

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    图  2   汶川MS8.0地震地表破裂带与烈度分布图（引自袁一凡，2008）

    Figure  2.   Surface fractures and intensity map of the Wenchuan earthquake （after Yuan，2008）

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    表  1   国际地震机构速报的汶川地震的参数

    Table  1   Parameters of the Wenchuan earthquake quickly reported by major international seismological institutions

    序号 发震时刻 （UTC）
    时：分：秒     		震中位置 震源
    深度/km     		MS 测定机构
    北纬/° 东经/° 中文名称 代码
    1 06：28：04.1 30.95 103.40 14 8.0 中国地震台网中心 CENC
    2 06：28：00.9 31.10 103.30 10 7.8 美国国家地震信息中心 NEIC
    3 06：27：59.3 31.10 103.30 10 8.0 俄罗斯科学院 RAS
    4 06：27：58.9 31.10 103.20 10 7.5 欧洲地中海地震中心 EMSC
    5 06：28：00.8 30.80 103.40 10 6.8 （mb） 罗马尼亚地球物理研究所 RNIEP
    注：表中序号1数据来自中国地震台网中心 （2008a），其它数据来自Swiss Seismological Service （2008）。
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    表  2   国际地震机构测定的汶川大地震的参数

    Table  2   Parameters of the Wenchuan earthquake observed by major international seismological institutions

    序号 发震时刻 （UTC）
    时：分：秒     		震中位置 震源深
    度/km     		震级类型 测定机构 数据来源
    北纬/° 东经/° mb MS MW 名称 代码
    1 06:27:59.5 31.01 103.42 14 6.4 8.2 中国地震台网中心 CENC 中国地震台网中心 （2008a）
    2 06:28:01.8 31.00 103.32 19 6.9 8.1 7.9 美国国家地震信息中心 NEIC NEIC （2008b）
    3 06:28:41.4 31.49 104.11 12 7.8 7.9 全球矩心矩张量项目
    数据中心     		GCMT GCMT （2008）
    4 06:27:59.0 31.10 103.20 10 7.9 欧洲地中海地震中心 EMSC EMSC （2008）
    5 06:28:03.7 31.60 103.70 33 7.2 8.4 德国格拉芬堡地震
    观测中心     		SZGRF SZGRF （2008）
    注：全球矩心矩张量项目数据中心测定的是“矩心”（即所释放的地震矩的“时－空几何中心”）的位置，其物理意义与传统的震源位置及发震时刻（地震初始破裂的位置与时刻）不相同，不具有简单的可比性。
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    表  3   《地震数据报告》中列出的汶川地震的209个台站的参数和MSZ （NEIC，2008a）

    Table  3   The related data of 209 stations and MSZ of Wenchuan earthquake in Earthquake Data Report（NEIC，2008a）

    序号 台站代码 震中距/° 方位角/° 周期/s MSZ 序号 台站代码 震中距/° 方位角/° 周期/s MSZ
    1 INCN 20.30 65.1 19.0 8.4 37 KONO 65.59 326.2 20.0 8.0
    2 HIA 22.06 29.5 20.0 7.7 38 CTAO 65.42 135.3 21.0 7.7
    3 MDJ 24.68 49.2 20.0 7.9 39 TIR 65.73 304.9 22.0 7.9
    4 TKM2 25.03 306.1 22.0 7.8 40 AKUT 66.02 40.1 18.0 8.1
    5 KULM 25.70 186.1 20.0 7.9 41 FOO 66.98 329.1 18.9 8.3
    6 AAK 25.71 304.9 22.0 7.9 42 BER 67.32 327.8 18.0 8.3
    7 AML 26.14 303.4 19.0 8.0 43 TRI 68.27 311.0 19.0 7.9
    8 EKS2 26.22 304.6 22.0 7.8 44 MIDW 67.56 69.7 19.0 7.9
    9 KURK 26.93 324.1 19.0 8.1 45 GRF 68.33 315.7 20.0 8.4
    10 KKM 27.62 151.4 20.0 7.6 46 GRA1 68.33 315.7 20.0 8.4
    11 MAJO 29.41 69.7 19.0 8.0 47 TIP 68.75 303.6 22.0 7.9
    12 KSM 30.10 166.0 20.0 7.7 48 SDPT 68.43 37.6 20.0 8.1
    13 BRVK 32.53 322.3 20.0 7.9 49 RER 69.10 227.5 22.0 7.7
    14 ERM 33.58 59.7 22.0 7.8 50 COLA 69.81 25.5 20.0 8.1
    15 YSS 34.14 50.8 19.0 8.3 51 CEL 69.73 303.0 21.0 7.7
    16 YAK 35.44 21.2 19.0 8.0 52 AQU 69.82 307.8 20.0 8.0
    17 ARU 40.10 322.6 22.0 7.9 53 OHAK 71.22 34.0 21.0 8.3
    18 GUMO 41.88 105.0 20.0 7.6 54 VLC 71.09 310.6 22.0 8.1
    19 COCO 43.39 189.3 19.0 7.9 55 KDAK 71.29 33.3 19.0 8.3
    20 PET 45.29 44.4 21.0 8.3 56 ECH 71.38 315.4 22.0 7.9
    21 GNI 47.76 297.9 20.0 7.7 57 WLF 71.34 317.1 21.0 8.0
    22 DGAR 48.30 223.0 19.0 7.6 58 WDD 71.72 301.2 20.0 7.6
    23 KIV 48.81 303.2 19.0 8.2 59 EGAK 72.27 24.0 19.0 8.3
    24 BILL 51.55 25.3 19.0 8.2 60 TARA 71.87 99.6 21.0 7.6
    25 MBWA 54.20 161.0 22.0 7.7 61 BNI 73.08 312.6 21.0 8.3
    26 SMY 54.64 44.8 19.0 8.2 62 ABPO 73.31 235.1 19.0 7.8
    27 BR13 56.21 299.5 21.0 7.6 63 MID 73.27 30.0 18.0 8.3
    28 KEV 56.55 336.1 20.0 8.2 64 ESK 73.69 325.2 20.0 8.2
    29 MSEY 57.80 240.8 21.0 7.8 65 LOR 73.79 315.6 18.5 8.4
    30 WAKE 57.84 85.6 20.0 7.8 66 VSL 73.80 306.5 22.0 7.7
    31 ISP 59.07 298.1 22.0 7.9 67 SSB 74.31 313.6 20.0 8.1
    32 KBS 60.08 347.1 20.0 8.1 68 FLN 75.60 318.4 20.0 8.3
    33 ADK 60.35 44.6 22.0 8.1 69 BORG 75.31 338.6 19.0 8.0
    34 PSZ 63.55 311.7 21.0 7.8 70 RJF 76.16 314.6 19.0 8.2
    35 NAO0 64.60 327.2 20.0 7.9 71 SKAG 77.73 26.5 18.0 8.3
    36 NWAO 64.93 167.1 22.0 8.1 72 CAN 78.72 143.4 20.0 7.9
    73 UCH 25.58 304.0 21.0 7.8 109 SNZO 97.50 133.9 20.0 7.8
    74 SIT 79.33 28.3 21.0 8.2 110 LAO 98.19 20.1 20.0 8.2
    75 SFJD 80.32 349.9 21.0 8.3 111 HOPS 98.07 34.7 21.0 8.1
    76 CRAG 81.31 28.7 18.0 8.2 112 LKWY 98.75 23.7 22.0 8.4
    77 PAB 82.91 312.1 19.0 8.1 113 RLMT 98.64 22.7 21.0 8.2
    78 ESLA 82.59 312.0 19.0 8.8 114 AGMN 99.21 12.8 19.0 8.2
    79 FUNA 82.43 104.6 20.0 7.6 115 BMN 99.61 30.2 22.0 8.1
    80 TAU 83.91 149.1 22.0 7.8 116 EYMN 100.29 10.1 20.0 8.3
    81 MTE 84.41 314.2 20.0 8.0 117 CMB 100.12 33.7 22.0 8.0
    82 PAF 85.26 201.0 21.0 7.7 118 AHID 100.07 25.0 19.0 8.2
    83 LSZ 85.50 249.3 22.0 7.8 119 ELK 100.19 28.8 21.0 8.2
    84 SFS 85.88 310.4 20.0 8.5 120 BW06 100.62 24.0 20.0 8.2
    85 KIP 86.24 67.4 22.0 7.6 121 HWUT 100.91 25.9 21.0 8.2
    86 RTC 87.76 308.7 20.0 7.8 122 RSSD 101.17 19.7 19.0 7.6
    87 POHA 89.09 67.5 20.0 7.8 123 DUG 101.64 27.5 19.0 7.9
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    91 NEW 93.17 25.7 21.0 8.2 127 MAW 102.89 194.8 20.0 8.1
    92 HAWA 93.77 28.1 20.0 8.1 128 ECSD 103.42 14.7 19.0 8.3
    93 SCHQ 94.10 354.3 20.0 8.2 129 OGNE 104.67 19.6 20.0 8.2
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    149 WMOK 111.38 19.4 20.0 8.4 182 TPH 101.55 31.6 20.0 7.9
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    152 NATX 115.29 16.9 19.0 8.3 185 GLMI 104.19 5.8 20.0 8.2
    153 GOGA 115.61 6.3 22.0 8.3 186 LBNH 105.00 356.5 19.0 8.1
    154 VBMS 115.77 13.0 19.0 8.5 187 AAM 106.78 5.4 19.0 8.2
    155 LRAL 115.57 9.6 19.0 8.3 188 CBKS 107.30 18.7 21.0 8.2
    156 HKT 116.71 18.6 20.0 7.6 189 MCWV 109.64 2.6 20.0 8.4
    157 BRAL 117.54 10.0 19.0 8.2 190 BLA 112.05 3.2 20.0 8.4
    158 KVTX 118.36 21.4 19.0 8.3 191 CNNC 114.10 1.1 22.0 8.2
    159 DWPF 121.04 4.9 20.0 7.9 192 SHEL 114.20 265.4 20.0 7.6
    160 GRTK 127.52 353.5 20.0 8.0 193 BBSR 115.96 348.7 22.0 8.1
    161 TGUH 134.06 14.4 19.0 8.0 194 NHSC 116.15 3.3 20.0 8.3
    162 ANWB 129.54 341.5 20.0 8.0 195 MOL 65.53 329.6 23.1 8.2
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    167 FDF 132.14 339.6 21.0 8.1 200 TRO 59.37 336.1 13.8 8.5
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    174 OTAV 148.89 3.4 20.0 7.9 207 TRQA 166.0 235.9 21.0 8.2
    175 RPN 151.25 90.6 21.0 7.8 208 PLCA 169.1 205.4 19.0 7.9
    176 SPB 153.04 278.7 20.0 8.2 209 LCO 174.5 289.4 20.0 8.2
    177 EFI 155.20 208.3 21.0 8.0 平均 8.1
    注：表中平均值计算未包括增加的11个台站资料。
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-03
  • 修回日期:  2018-03-13
  • 网络出版日期:  2018-05-01
  • 发布日期:  2018-04-30

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摘要
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  • 引言

  • 1.   面波震级测定

  • 2.   面波震级的多普勒效应

  • 2.1   面波震级的方向性

  • 2.2   烈度分布的方向性

  • 3.   讨论与结论

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