中国海域及邻区统一地震目录编目的空间范围包括东部海域及邻区(20° ~42° N, 118° ~135° E)和南部海域及邻区(3° ~23.5° N, 105.5° ~122° E)。 为了和全国第五代地震动参数区划图的地震区带划分相衔接, 陆地上的范围包括第五代图中沿海的几个地震带(图1 中a、 b、 c、 f绿色虚线表示的范围), 本文所研究的区域范围如图1 中的黑框所示, 从北向南依次包括渤海、 黄海、 日本海、 东海、 台湾海峡、 北部湾和南海、 马尼拉海沟。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 中国海域及邻区破坏性地震震中分布图(1767BC— 2018年10月) a 华北平原地震带; b 郯庐地震带; c 长江下游— 南黄海地震带; d 朝鲜地震带; e 东海地震统计区; f 华南沿海地震带; g 台湾西部地震带; h 南海地震统计区; i 日本海地震带; j 琉球群岛俯冲带; k 台湾南— 马尼拉海沟俯冲带Fig. 1 The distribution map of destructive earthquakes in China’ s seas and adjacent areas(1767BC— 2018.10).

中国海域及邻区4.7级以上破坏性地震目录编目的时间范围为公元前23世纪— 2018年10月; 2.0~4.6级中小地震目录编目的时间范围为1960年1月1日— 2018年10月。

中国地震目录资料主要来源于《中国地震目录(1960年版)》(李善邦, 1960)、 《中国地震目录(1971年版)》(中央地震工作小组办公室, 1971)、 《中国地震目录(1831BC— 1969AD)》、 《中国地震目录(1970— 1979年)》(顾功叙, 1983a, b)、 《中国历史强震目录(公元前23世纪— 公元1911年)》(国家地震局震害防御司, 1995)、 《中国近代地震目录(1912— 1990年, M_S≥ 4.7)》(中国地震局震害防御司, 1999)、 全国第五代地震动参数区划图地震目录(截至2010年12月底)、 国家地震科学数据共享中心^①(① https://www.cwb.gov.tw/V7/earthquake/rtd_eq.htm。)提供的相关数据、 中国台湾地区气象局(CWB)^①(① https://www.cwb.gov.tw/V7/earthquake/rtd_eq.htm。)、 《西元1604年至1988年台湾地区地震目录》(郑世楠等, 1989)和中国台湾地区地震目录(1900— 2010年)。

海域邻区各国的地震目录主要来源于国际地震中心ISC^②(② http://www.isc.ac.uk/, 1964— 2018.10。)、 美国国家海洋和大气管理局(NOAA)环境信息中心^①(① https://www.ngdc.noaa.govnndcstruts/forrm?t=101650& s=1& d=1)、 全球矩心矩张量解^②(② https://www.globalcmt.org/CMTsearch.html。)、 菲律宾火山和地震研究所^③(③ https://www.phivolcs.dost.gov.ph/, 2011.1-2018.10。)、 韩国气象厅(2008年1月— 2018年4月)、 《朝鲜、 韩国地震目录(公元27— 1985年)》(公元27— 1959年, M_S≥ 4; 1960— 1977年, M_L≥ 3; 1978— 1985年, M_L≥ 2)(李裕澈, 2001)、 日本国家地球科学与防灾研究所(NIED)^④⑤(④ https://www.fnet.bosai.go.jp/。⑤ https://www.hinet.bosai.go.jp/。)、 《全球地震目录》(宋治平等, 2011)。国内外地震资料的来源及其时间范围如图2 所示。

图2

Fig. 2

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	图2 历史地震和现代地震使用的资料来源及其时间范围Fig. 2 The sources and coverage of historical and instrumental earthquakes used in this study.

以中国前4版地震目录、 全国第五代地震动参数区划图编制的地震目录和自中国地震台网收集到的目录为基础目录, 再以日本、 菲律宾、 中国台湾地区等地的地震目录作为参考, 进行增补和修订。

(1)首先, 将所收集到不同资料来源的地震目录的发震时间统一转换为北京时间(东八区、 120° E标准时间), 时间表示至分、 秒, 有些表示至0.1s。 对于根据史料记载确定的地震, 依据史料记载的年、 月、 日的详略程度如实标出。

(2)根据初步收集到的地震目录, 对目录中的地震事件进行配对, 共识别出地震目录中1 233次同一地震事件。

(3)对于同一地震事件, 由于其在不同地震目录中的信息来源不同, 故在地震参数的修订过程中以基础目录为准, 再以其它地震目录作为参考进行增补和修订。 编撰时将采取以下原则: 1)对于中国沿海和近海地带的同一地震, 主要以中国的地震目录为主, 同时在其后标注出其它来源的地震参数信息; 2)对于中国远海和俯冲带地区的同一地震, 由于中国地震台网所使用的量规函数不足以补偿这些地区地震的实际衰减, 对于震级及震中位置等地震参数而言, 中国地震台网所测定的地震数据均与其它地震台网存在差别。 因此, 在考虑地震台网的分布、 地震监测能力等前提下, 按照就近原则(以地震震中位置靠近的地震台网记录的地震参数为基础目录)确定每条地震条目的震中参数, 同时在新增和修订的地震条目中标注出不同渠道来源的地震参数信息。

(4)在地震目录编辑和修订过程中使用统一的震级标度。 由于中国破坏性历史地震目录均使用面波震级M_S 标定中国大陆的地震, 对于有仪器记录的地震, M_S 则作为中国国家标准对外发布M≥ 4.5浅源破坏性地震的震级(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2017)。 为了保持地震目录的延续性, 本次海域及邻区地震破坏性地震目录的震级采用面波震级M_S 作为统一的震级标度。

由于采用了其它国家和地区地震台网和观测机构测定的其它震级标度或同一震级标度的地震建立地震目录, 为使其与本研究所用的震级标度保持统一, 本研究建立了中国海域及邻区浅源地震、 中深源地震的面波震级、 体波震级与GCMT、 NIED测定的矩震级之间的转换关系式(详见3.2、 3.3节); 此外, 也建立了中国大陆地震台网与中国台湾地区地震台网M_L震级、 中国大陆地震台网与菲律宾地震台网M_S 震级的转换关系式(详见3.4节), 并给出了研究中使用的各种震级标度之间的经验转换公式(详见3.5节)。 最终以此为基础, 编制了中国海域及邻区统一震级标度的地震目录。

根据资料可知, 有历史记载以来, 共记录到中国海域及邻区4.7级以上破坏性地震5 188次。 其中, M> 8.0地震7次, M> 7.0地震113次, M6.0~6.9地震640次, M5.0~5.9地震2 513次, M4.7~4.9地震1 915次; 1960年以来共有M2.0~4.6地震56 097次, 其中M2.0~2.9地震34 445次、 M3.0~3.9地震15 807次、 M4.0~4.6地震5 845次。 中国海域及邻区破坏性地震的震中分布图如图1 所示。 从图中可看出, 对于8级以上的强震, 除1668年山东郯城8½ 级地震和1679年三河-平谷8级地震震中位于陆地上外, 其余5次8级以上地震震中均位于海域内, 具体位置包括欧亚大陆板块和太平洋板块及菲律宾海板块的俯冲、 碰撞地带; 7级以上强震主要集中在中国渤海海域渤海湾盆地、 台湾海峡西部滨海强活动断裂带、 台湾褶皱带及其东部碰撞带、 朝鲜半岛、 琉球群岛俯冲带、 菲律宾马尼拉海沟、 吕宋海槽等地区。 南海地区的地震零星分布, 频度低、 强度小, 仅在中央海盆区发生过6级左右的中强地震; 南海西南大陆架发生过数次5级左右的地震; 东海部分地区的地震记录为空白, 可能与南海、 东海地震监测能力低有关。

研究区范围内包括了中国地震台网、 中国台湾地区地震台网、 日本、 朝鲜、 韩国、 菲律宾的地震台网和全球地震台网, 地震台站的分布情况如图3 所示。 下文将介绍各地震台网的发展情况和不同时段相应的监测能力。

图3

Fig. 3

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	图3 中国海域及邻区地震台站分布图Fig. 3 The distribution map of seismic stations in China’ s seas adjacent areas.

中国从20世纪50年代中期开始筹建全国地震基准台网以监测全国的地震活动, 直至1972年基本建成, 共包含分布于全国20个省、 市、 自治区的24个基准台, 形成了布局合理的全国基本台网。 20世纪80年代开始建设数字地震台网, 同时, 在沿海和第四纪覆盖层较厚的冲积平原地区, 针对这些地区地面台站放大倍数不高的情况, 利用石油废井建设了50多个井下观测台(修济刚, 1998), 进一步提高了沿海地区的监测能力。至1990年, 中国已建成全国地震基本台134个, 地震遥测台网20个(孙其权等, 2007)。 自2003年起, 中国地震局进行了 “ 中国数字地震观测网络” 项目建设, 提升了中国地震监测水平, 在人口密集的主要城市以及东部沿海地区监测能力可达M_L1.5(刘瑞丰等, 2008)。 另外, 在此期间, 还在渤海、 东海海域建设了2个海底试验地震台站。

中国台湾地区在1897年首次利用现代地震仪器开始地震观测工作, 到20世纪70年代, 建成了17个地震台站(郑秀芬等, 2005)。至1990年, 中国台湾地区的地震台站发展到49个, 并建立了一个自动化、 全天候遥记式地震观测网— — TTSN(Taiwan Telemetered Seismographic Network)(叶永田等, 1995)。 自1990年起, 中国台湾地区气象局地震中心为整合台湾地区的地震观测及发布工作, 合并了中国台湾地区地球科学研究所的25个TTSN测站, 成立了74个测站的气象局地震观测网(Central Weather Bureau Seismic Network, CWBSN), 新一代的CWBSN扩建完成后, 最大定位误差为0.2km。 自1992年起, 中国台湾地区开始建立 “ 台湾地震学宽带阵列(Broadband Array in Taiwan for Seismology, BATS)” , 目前, 共有43个台站, 其中有2个台站位于中国南海地区的东沙和南沙(图3), 通过卫星传输数据。 张立承(2008)的研究表明, 中国台湾地区地震台网的监测能力为2.0级。

日本的地震观测最早始于19世纪70年代。 自1956年起, 日本全国性台网由日本气象厅(Japan Meteorological Agency, 简称JMA)管理, 区域性的地方台网由一些大学或其它院所(如NIED等)管理。 JMA于20世纪60年代后期和70年代设置了高灵敏度地震计, 截至1995年底, 日本主要的测震台网有22个, 包括总台数位551个, 其中188个由JMA管辖、 274个由大学管辖、 89个由NIED管辖(Yoshimitsu et al., 2004), 此外还包括2个固定的海底地震计台阵, 分别为1979年投入观测的东海近海台阵和1987年投入观测的房总半岛近海台阵(Masakazu et al., 1995)。 日本从1997年开始建设全国高灵敏度地震台网Hi-net和宽频带地震仪网络F-net, 覆盖日本全境, 还覆盖至琉球群岛的石垣市(距离台湾地区西部121km)(图3)。 1998年, 日本及周边地区的小地震监测能力为1.5级; 至2001年, 日本及周边地区小地震的监测能力可达0.9级^①(① http://www.hinet.bosai.go.jp/summary/?LANG=en。)。

韩国从1905年开始使用现代地震仪器进行地震观测(车用太等, 1996), 在1978年忠清南道洪城5.0级地震发生之后开始进行全面的地震观测, 初期共有7个地震台站。 到1996年, 韩国气象厅(KMA)已建设了12个地震观测台, 韩国地质资源研究所地震研究中心(KERC)拥有2个无人值守台, 监测能力可达2.5级, 能记录陆地及其周边海域的地震活动(张爽等, 2017)。 目前, 韩国的地震监测网络由95台宽频带地震仪、 27台短周期地震仪和142台加速度计组成。 监测台网覆盖了整个韩国和周边地区以及附近海域, 监测能力由1996年的2.5级提高至2.0级(KMA)。

菲律宾自1948年才开始采用仪器观测地震, 共有8个台站, 但都位于气象台站。 至20世纪70年代, 菲律宾的地震台网由12个地震台站组成(Laping, 1989; Carcia, 1995)。 1986年, 由菲律宾火山和地震研究所(Philippine Institute of Volcanology and Seismology, 简称PHIVOLCS)主要负责管理、 维护监测台网, 改进和发展监测台网, 处理地震数据等。 1994年, PHIVOLCS包含29个人工管理的地震观测台站(Carcia, 1995); 至1997年, PHIVOLCS包括29个人工管理的地震观测台站和3个遥测地震台网(Banganan, 1998)。 截至2019年1月, PHIVOLCS地震监测中心在菲律宾各地设有100个监测站, 其中包括29个人工值守地震观测台站、 64个卫星遥测地震台站和7个火山站。 1975年, 菲律宾地震台网的监测能力为3.0级(不包括海沟地区)(国家地震局赴菲地震考察组, 1985)。 目前, 菲律宾台网的监测能力为2.0级(PHIVOLCS)。

老挝发生地震较少, 2008年在中国地震局支援下建立了2个地震台站(杨辉等, 2017), 2019年11月底建成15个地震台站, 共同构成当前老挝国内的地震监测系统, 具备M3.0以上地震的监测能力(李瑜等, 2019)。

越南在法国的帮助下于1924年在Phulien(佛连)建立了第一个台站, 并于1903年第一次记录到地震。 直到1975年, 越南北部的5个地震观测台站同时运行, 才能准确地确定地震事件; 20世纪90年代末, 越南的地震台网共有15个地震台, 包括由6个台站组成的遥测阵列和9个短周期地震仪台站, 越南北部的监测能力为3.0级, 越南全境内为4.0级(Phuong, 2003)。 自2005年12月以来, 越南与中国台湾地区地球科学研究所合作, 在越南北部部署了一个由25个宽带地震仪组成的地震监测网络(Le et al., 2011)。 目前, 越南的地震台网由越南科学技术研究院地球物理研究所的地震信息和海啸预警中心(Vietnam Institute of Science and Technology, Institute of Geophysics, Vietnam Earthquake Information and Tsunami Warning Center)管理, 共由30个宽频带地震台站组成, 主要集中分布在越南北部, 监测能力有所提高, 北部地区达到2.0级, 越南境内达到3.0级(杨辉等, 2017)。

全球地震台网(GSN)是一个全球性的、 多用途的观测网络, 由150多个地震台站组成, 覆盖全球范围, 由IRIS与美国地质调查局(USGS)共同运作(田鑫, 2017)。 目前, 由于全球海洋面积占比大及技术所限, 布设在海洋中的台站相当稀少。 GSN计划在未来建设大量海底地震台, 使台站覆盖更加均匀。

2.2.1 各类地震定位精度随时间的变化

由于受到台网密度的限制, 海域地震监测的地震定位精度很低。 对于不同版本地震目录, 其地震定位精度的表示方法略有不同。 如《中国历史强震目录(公元前23世纪— 公元1911年)》和《中国近代地震目录(公元1912— 1990年, M_S≥ 4.7)》中规定, 1900年前以宏观震害确定的震中位置, 按照记载的详简程度或最内圈等震线范围的大小将发震地点的精度分为5类, 即: Ⅰ 类, ≤ 10km; Ⅱ 类, ≤ 25km; Ⅲ 类, ≤ 50km; Ⅳ 类, ≤ 100km; Ⅴ 类, > 100km。 对于1900— 1979年期间发生的地震, 根据仪器记录测定的震中位置如实给出精度; 对于1980— 1990年时段的地震, 按照《中国地震年报》中所给的震中经度和纬度的计算误差值, 取其大者给出相应的精度类别; 对于个别未给出误差值的地震不设置精度。 在《朝鲜、 韩国地震目录(27— 1985AD)》(李裕澈, 2001)中, 发震地点的精度根据震中位置的误差可分为4类, 即: 1类, ≤ 2km; 2类, ≤ 5km; 3类, ≤ 15km; 4类, > 15km。 将《朝鲜、 韩国地震目录(27— 1985AD)》中的定位精度转换为中国地震目录中的定位精度, 即: 将朝鲜、 韩国地震目录中的1类和2类精度合并统一定为中国地震目录中Ⅰ 类精度; 同理, 将3类和4类精度合并统一定为Ⅱ 类精度。

根据合并地震定位精度后的地震目录, 统计出不同时段中国海域及邻区破坏性地震定位精度类别所占的比例(表1), 并绘制了1900— 2018年中国海域及邻区破坏性地震定位精度类别随时间的变化图(图4)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同时段中国海域及邻区破坏性地震各类定位精度所占比例(%) Table 1 The percentage of all kinds of locating accuracy of destructive earthquakes in China’ s seas and adjacent areas in different period of time 时段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 无精度 1767BC— 1899AD 1.24 21.12 30.43 14.29 4.35 28.57 1900— 1935AD 0 5.59 5.92 1.32 0.66 86.51 1936— 1969AD 5.62 10.24 4.53 0.91 0.45 78.24 1970— 1980AD 43.78 10.53 1.67 0.24 0 43.78 1981— 1990AD 95.05 2.97 0.50 0 0 0.25 1991— 2018AD 100 0 0 0 0 0

表1 不同时段中国海域及邻区破坏性地震各类定位精度所占比例(%) Table 1 The percentage of all kinds of locating accuracy of destructive earthquakes in China’ s seas and adjacent areas in different period of time

图4

Fig. 4

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	图4 中国海域及邻区破坏性地震各类定位精度随时间的变化图(1900— 2018年)Fig. 4 The changes of all kinds of locating accuracy of destructive earthquakes with time in China’ s seas and adjacent areas in different period of time.

在1767BC— 1899AD时段, Ⅱ 、 Ⅲ 类和无精度的地震所占比例较高。 由于这一时段的地震基于宏观震害(包括记载的详简程度或最内圈等震线的范围)确定震中位置, 与1900AD后依据仪器测定的震中位置得到的精度有差别, 因此未对这一时段的地震进行各类定位精度随时间的变化分析。 由统计结果(表1, 图4)可知: 1)1900— 1969年的70a中, 由于中国尚无台网观测系统, 沿海中强地震的定位精度提高很慢, 反映在无定位精度的地震频次比例远高于Ⅰ — Ⅴ 类精度, Ⅰ 类精度的定位地震频次比例仅为5.62%; 2)1936年以后,

Ⅱ 类定位精度的地震比例增加, 且低定位精度类的分辨率有所提高, 这是由于全球地震资料的增加和中国地震基准台网开始建设; 3)1970年后中国台网观测系统逐渐形成, 定位精度出现突破性变化, 表现在I类定位精度地震的比例大幅度提升至43.78%, 同时无定位精度的地震频次比例大幅度下降; 4)1981年后, 由于唐山强震的发生, 人们对地震系统的管理更为重视, 人力、 物力投入加大, 台网观测系统更加改善, 中国地震分析技术队伍形成并逐渐壮大, Ⅰ 、 Ⅱ 类定位精度的地震比例超过98%, 此时的地震记录不但给出精度类别, 而且大多为高精度。

2.2.2 不同区域的地震定位精度评估

中国海域及邻区破坏性地震的定位精度随时间的变化总体反映了各时间段内研究区定位误差的变化, 但未反映出不同区域各类地震定位精度的差异性。 本节将研究区划分为渤海、 黄海、 东海、 日本海、 台湾海峡和北部湾、 台湾岛、 南海和菲律宾等8个区域(图5), 分别评估各区的定位精度。

图5

Fig. 5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 中国海域及邻区地震的定位精度评估分区Fig. 5 The zoning map of earthquake location accuracy evaluation in China’ s seas and adjacent areas.

地震的定位精度可分为5类, 即:Ⅰ 类, ≤ 10km; Ⅱ 类, ≤ 25km; Ⅲ 类, ≤ 50km; Ⅳ 类, ≤ 100km; Ⅴ 类, > 100km。 现将 “ 无精度” 定为Ⅵ 类, 利用式(1)^①(① 中国地震局地壳应力研究所, 2011, 地震科研行业专项研究报告: 海域强震构造判断及海域工程抗震设防技术综合研究。)计算出中国海域及邻区各分区地震定位精度评估值(表2)。

E=∑i=15((6-I)×Ni-1.0×N6)N×5 i=1, 2, …, 6(1)

其中, E为各分区定位精度的评估得分, 取值范围为[-1.2, 1], E越接近1, 地震定位精度越高, E为负值时定位精度差。 N_i为某分区某时段第i类精度的地震次数, N₆为某分区某时段内无精度的地震次数, N为某分区地震的总次数。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 中国海域及邻区各分区地震定位精度评估值 Table 2 The evaluation values of earthquake location accuracy in each partition of China’ s seas and adjacent areas 时间段 区域及其编号 a 渤海 b 黄海 c 东海 d 日本海 e 台湾海峡和北部湾 f 台湾岛 g 南海 h 菲律宾 1900— 1935年 -0.77 -0.67 -0.98 -1.20 -0.61 -1.01 -1.20 1936— 1969年 0.69 -0.05 -0.96 -0.29 0.12 -0.09 -0.93 1970— 1980年 0.95 0.98 -0.07 0.91 0.20 0.04 -0.79 -0.65 1981— 1990年 1.00 0.93 0.98 1.00 1.00 1.00 0.93 0.73 1991— 2018年 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

表2 中国海域及邻区各分区地震定位精度评估值 Table 2 The evaluation values of earthquake location accuracy in each partition of China’ s seas and adjacent areas

由表2可见, 1935年前地震定位精度的评估得分均为负值, 可靠程度很低, 尤其是东海、 南海、 日本海和台湾岛地区。 1935年后, 渤海、 台湾地区、 台湾海峡和北部湾地区的地震定位精度有所提升, 这与中国台湾地区于1936— 1972年进入仪器观测中期, 测震站的数目与地震仪的倍率提高有关(叶永田等, 1995)。 1970年后, 除东海、 南海、 菲律宾的地震定位精度仍较低外, 其它几个区的地震定位精度有一定程度的提升, 渤海地区的地震定位精度评分为0.95, 接近1, 精度较高。 1981— 1990年期间, 各区域的地震定位精度评分均有很快提高, 除黄海、 东海、 南海和菲律宾外, 其评估值都为1。 目前在本目录的正式统计范围内, 大多数区域均属I类精度区。

综上, 中国海域及邻区不同地区地震监测能力的强弱程度依次为: 渤海、 台湾海峡和北部湾、 台湾岛、 黄海、 日本海、 菲律宾、 东海、 南海。 渤海地区的地震监测能力相对较强, 地震定位精度最高; 东海和南海的地震监测能力最薄弱, 地震定位精度最差, 今后应重点优化这些地区的地震监测台站布局。

正交回归方法假设2个变量x=X+μ 和y=Y+ε 是线性相关的, 且其误差ε 和μ 呈正态分布, Y=a+bX+ε +μ , 误差的方差分别为常数 σε2和 σμ2, 其中 σε2= σy2、 σμ2= σx2, η = σε2σμ2, 由于不同震级误差的方差比η 很难估计, 故认为不同震级误差的方差近似相等(Cavallini et al., 1996), 在正交回归方法中将η 设置为1。 由于正交回归方法中自变量和因变量的测量误差都不可忽略, 不能在单一方向上进行拟合, 拟合的直线应满足各测量点到拟合直线垂直距离的平方和为最小(Madansky, 1959; 吴俊林等, 1992; Carroll et al., 1996; 李雄军, 2005; Castellaro et al., 2006, 2007)。

正交回归方法的计算结果通过式(2)的最小值来确定(Castellaro et al., 2006):

∑i=1n(yi-a-bXi)2η+(xi-Xi)2→min(2)

求出a、 b即可确定正交拟合直线的方程y=a+bx。 本文中用OR表示正交回归法得到的正交回归线, 用SR和ISR表示用常规最小二乘法原理得到的回归线:

SR:MS(mB、mb)←a+bMWISR:MW←a+bMS(mB、mb)OR:MS(mB、mb)=a+bMW(3)

根据前文述及的资料来源收集中国M_S(m_B、 m_b)目录和GCMT、 NIED矩震级目录, 采用Thingbaijam等(2009)的方法识别匹配的同一地震事件, 分别使用线性最小二乘回归方法(SR、 ISR)和正交回归方法(OR)按照不同震级范围和不同深度范围对地震数据进行拟合。

共挑选出中国地震目录中面波震级M_{S, China}(下文简称M_{S, C})和GCMT目录中矩震级M_{W, GCMT}匹配的同一地震事件719次, 时间范围为1976— 2018年, 震级范围为4.6≤ M_{W, GCMT}≤ 7.7。 由于这些地震事件多集中在海域俯冲带地区, 为了区分浅源地震和中深源地震的震级转换关系, 将匹配的719次地震事件划分为震源深度H< 70km和H≥ 70km 2个目录分别进行拟合, 共收集到H< 70km的地震事件643次, H≥ 70km的地震事件76次。 根据刘瑞丰等(2015)的研究结果, 当M_W≥ 6.8时M_S 与M_W的偏差不大, 因此将H< 70km的643次地震事件进一步划分为M_{W, GCMT} ≥ 6.8(包含15次地震)和4.6≤ M_{W, GCMT}< 6.8(包含628次地震)2个震级范围分别进行拟合, 并从4.6≤ M_{W, GCMT}< 6.8的628次地震中随机选取80%的地震数据作为拟合M_S 和M_{W, GCMT}经验关系式的样本, 将剩余的20%的地震数据用来验证拟合得到的经验关系式, 并不断重复此步骤, 多次拟合和验证关系式, 最终选取拟合关系最好的结果。 同时, 挑选出中国地震目录中面波震级M_S 和NIED目录中矩震级M_{W, NIED}匹配的同一地震事件565次, 按照上述方法和步骤进行拟合, 最终得到中国海域及邻区不同震源深度、 不同震级范围内M_S 与M_{W, GCMT}、 M_{W, NIED}震级的经验关系式和回归关系图(图6)。

图6

Fig. 6

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图6 中国海域及邻区不同震源深度、 不同震级范围内MS 与MW, GCMT、MW, NIED震级的回归关系 黑色方块表示GCMT目录中进行回归统计分析的地震; 紫色空心三角为NIED目录中进行回归统计分析的地震; 绿色三角形为回归过程中剔除的∣Δ M∣较大的地震数据。a 4.6≤ MW, GCMT< 6.8, H< 70km; b MW, GCMT≥ 6.8, H< 70km; c 4.8≤ MW, GCMT≤ 6.9, H≥ 70km; d 4.7≤ MW, NIED< 6.8, H< 70km; e 4.7≤ MW, NIED≤ 6.9, H≥ 70kmFig. 6 The magnitude regression relationship of MS and MW, GCMT in different focal depths and magnitude ranges in China’ s seas and adjacent areas.

由图6 可看出: 1)对于浅源(H< 70km)、 5.3≤ M_W< 6.9的地震, 中国地震台网测定的同一地震的面波震级M_S 比GCMT、 NIED测定的矩震级M_W大, M_S 标度可能高估了较大地震的震级; 2)对于浅源(H< 70km)、 M_W≥ 6.8的地震, M_S-M_{W, GCMT}的正交拟合直线的斜率为1.009, 且M_S 与M_{W, GCMT}差值的均值< 0.05, 说明在浅源地震的高震级段, M_S 与GCMT测定的M_W值差别不大; 3)对于中深源(H≥ 70km)、 6.0≤ M_W< 6.9的地震, GCMT与NIED测定的M_W值基本一致, 可相互通用。

同理, 挑选出中国地震目录中长周期体波震级m_{B, China}、 短周期体波震级m_{b, China}和GCMT、 NIED目录中矩震级匹配的同一地震事件, 并剔除体波震级和矩震级的差值∣Δ M∣较大的数据, 再分别使用一般线性回归方法(SR和ISR)和正交回归方法(OR)对这些数据进行拟合, 分别得到m_B、 m_b与M_{W, GCMT}、 M_{W, NIED}震级的经验关系式、 回归关系图和经验公式对比图, 如图7 所示。

图7

Fig. 7

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	图7 中国海域及邻区mB、 mb与MW, GCMT、 MW, NIED震级的回归关系 黑色方块表示GCMT目录中进行回归统计分析的地震; 紫色空心三角表示NIED目录中进行回归统计分析的地震; 绿色三角形为回归过程中剔除的∣Δ M∣较大的地震数据。a mB-MW, GCMT; b mB-MW, NIED; c mBMW经验公式对比图; d mb-MW, GCMT、 e mb-MW, NIED; f mb-MW经验公式对比图Fig. 7 The magnitude regression relationship of mB、 mb and MW, GCMT、 MW, NIED in China’ s seas and adjacent areas.

由图7 可看出: 1)对于M_{W, GCMT}> 5.3、 M_{W, NIED}> 4.9的地震, 中国地震台网测定的同一地震的体波震级m_B比GCMT、 NIED测定的矩震级大, m_B标度可能高估了地震的震级。 当m_B相同时, GCMT测定的矩震级大于NIED测定的矩震级, 且差值随着震级的增大逐渐缩小。 2)中国地震台网测定的同一地震的体波震级m_b比GCMT和NIED测定的矩震级小, m_b标度可能低估了地震的震级。

各台网所使用的观测仪器属性和类型、 震级的测量方式、 经验公式不同, 且台网布局及地震波传播的路径存在差异, 造成中国大陆地震台网和中国台湾地区地震台网、 菲律宾地震台网测定的同一震级标度地震的参数存在差异。 本节分别采用正交回归方法和最小二乘法建立中国大陆地震台网与中国台湾地区地震台网M_L震级和菲律宾地震台网M_S 震级的震级转换关系式。

中国台湾地区目前使用芮氏规模M_L震级作为统一尺度, 芮氏规模即中国大陆地震台网常用的地方性震级M_L(张立承, 2008; 郑世楠等, 2009)。 菲律宾国家地震观测网使用M_S 震级作为统一的尺度(PHIVOLCS)。

首先, 选取中国大陆地震台网和中国台湾地区地震台网中同时具有M_L震级标度的同一地震(其震级分别记为M_{L, C}和M_{L, T}), 共计2 033次。 其中, 浅源地震2 202次, 中深源地震101次。 时间范围为1990年12月— 2018年10月, 震级范围为2.5≤ M_{L, C} ≤ 5.3、 2.6≤ M_{L, T} ≤ 5.7。 之后, 将中国台湾地区划分为台湾东部(包括台湾东部及外延海域)和台湾西部(包括台湾西部及台湾海峡)2个区域, 采用正交回归方法和最小二乘法分别拟合2个台网测定的M_L震级的转换关系式。 回归关系如图8 所示, 关系式见表3。

图8

Fig. 8

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	图8 中国大陆地震台网和中国台湾地区地震台网测定的ML震级在不同区域、 不同深度范围内的回归关系 黑色方块表示中国大陆地震台网和中国台湾地震台网同时记录到具有ML震级的同一地震; 绿色三角形为回归过程中剔除的震级差值较大的地震数据。 a 台湾东部区域, H< 70km; b 台湾西部区域, H< 70km; c 台湾东部区域, H≥ 70kmFig. 8 The regression relationship between the ML magnitudes measured by the China Seismic Network and Taiwan Seismic Network in different regions and different depth ranges.

同理, 在中国地震台网和菲律宾地震台网中选取了同时具有M_S 震级标度的同一地震(其震级分别记为M_{S, C}和M_{S, P}), 共计478次。 其中, 浅源地震316次, 中深源地震162次, 时间范围为2011年1月— 2018年6月, 震级范围为4.8≤ M_{S, C}≤ 7.5、 3≤ M_{S, P}≤ 7.6。 对菲律宾和中国2个地震台网的M_S震级偏差进行统计分析发现, 2个台网测出的同一地震在4.8~5.9震级段差别较大, 而在6.0~7.9震级段几乎无差别, 故选取2个台网4.8~5.9震级段同时具有M_S 震级的地震数据, 采用正交回归方法和最小二乘法对不同震源深度(H< 70km和H≥ 70km)的地震进行拟合, 最终得到2个台网测定的M_S 震级的转换关系式(表3), 回归关系见图9。

图9

Fig. 9

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	图9 中国地震台网和菲律宾地震台网测定的MS 震级在4.8~5.9震级档不同深度范围的回归关系 黑色方块表示中国地震台网和菲律宾地震台网4.8~5.9震级段同时具有MS 震级的同一地震; 绿色三角形为回归过程中剔除的震级差值较大的地震数据。 a H< 70km; b H≥ 70kmFig. 9 The regression relationship between MS magnitudes in the magnitude range of 4.8 to 5.9 in different depth ranges measured by the China Seismic Network and Philippine Seismic Network.

研究表明, 中国台湾地区地震台网测定的M_L震级明显高于中国大陆地震台网测定的结果, 2个台网的震级偏差随着震级的增大而逐渐缩小。 台湾西部区域的震级偏差大于台湾东部区域, 中深源地震的震级偏差大于浅源地震。 菲律宾地震台网测定的M_S 震级在高震级段时与中国地震台网测定的M_S 震级基本一致, 而在4.8~5.9震级段比中国台网测定的M_S 震级低; 中深源地震的震级偏差大于浅源地震的震级偏差。

根据前文的计算以及其它已有的震级转换公式, 给出本文中使用的各种震级标度之间的经验转换公式(表3), 最终基于此统一了中国海域及邻区地震目录的震级标度。

为使地震具有相互独立性, 在进行地震目录完整性震级分析之前需先删除地震目录中的前震、 余震。 经过对比研究, 最终选用Uhrhammer(1986)提出的基于地震事件的时间窗、 距离窗识别前震和余震的算法, 从而获得独立的主震目录。 Nyffenegger等(2000)的研究表明, 中深源地震的余震序列与浅源地震的余震序列并无不同。 因此, 对于中深源地震(震源深度H≥ 70km), 删除余震的算法保持不变。 此前得到的中国海域及邻区的原始地震目录共包括61 285个地震, 采用Uhrhammer(1986)提出的算法对地震目录进行除丛, 删除3 631个地震丛集, 包括16 637个前震、 余震(约27.15%的地震事件被移除)。 剩余的主震目录包含44 648个地震事件。

黄玮琼等(1994)对中国大陆各分区历史地震资料中不同震级档的完整起始年限进行了系统研究, 并给出了中国大陆分区M_S≥ 4¾ 、 M_S≥ 5、 M_S≥ 6和M_S≥ 7地震的完整起始年限分布图(黄玮琼等, 1994), 但该结果未涉及到海域地区, 且只给出了历史地震资料的完整起始年限。 本节将依据震级累积频度关系(N-T关系), 综合考虑台网分布和中国及周边地区地震台网的监测能力等, 采用累积频数法分别确定中国海域及邻区不同震源深度范围内各震级档的完整起始年限。

累积频数法通过观测稳定地震活动的最小震级(即阈值震级, Threshold magnitude), 从持续到目录结束的累积事件随时间变化曲线上的恒定平均斜率推断出完整起始年限(Nath et al., 2017), 即利用地震事件随时间、 震级的累积曲线查找拐点, 以估计各震级档的完整起始年限。 对于某个震级档, 当从某个时期开始其累积频数曲线显现较好的线性关系时, 就可以认为从此时起大于该震级的地震基本是完整的。 基于此方法, 最终给出了中国海域及邻区不同震源深度各震级档的完整起始年限, 如图10— 12和表4所示。 其中, 图10 为中国海域及邻区浅源地震(H< 70km)4.5~7.0级震级档的累积频次图; 图11 为中国海域及邻区中深源地震(H≥ 70km)4.5~7.0级震级档的累积频次图; 图12 为中国海域及邻区不同震源深度各震级档的累积频次对比图; 表4为中国海域及邻区不同震源深度各震级档的完整起始年限。

图10

Fig. 10

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	图10 中国海域及邻区浅源地震(H< 70km)4.5~7.0级震级档的累积频次图Fig. 10 Cumulative number of shallow earthquakes(H< 70km)of M4.5~7.0 against time in China’ s seas and adjacent regions. a M≥ 4.5; b M≥ 5.0; c M≥ 5.5; d M≥ 6.0; e M≥ 7.0

图11

Fig. 11

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	图11 中国海域及邻区中深源地震(H≥ 70km)4.5~7.0级震级档的累积频次图Fig. 11 Cumulative number of intermediate- and deep-focus earthquakes(H≥ 70km) of M4.5~7.0 against time in China’ s seas and adjacent regions. a M≥ 4.5; b M≥ 5.0; c M≥ 5.5; d M≥ 6.0; e M≥ 7.0

图12

Fig. 12

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	图12 中国海域及邻区不同震源深度各震级档的累积频次对比图Fig. 12 Comparison of cumulative number of events against time with different focal depths and magnitude intervals in China’ s seas and adjacent regions. a H< 70km, M2.0~4.5; b H< 70km, M5.0~7.0; c H≥ 70km, M2.0~4.5; d H≥ 70km, M5.0~7.0

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 中国海域及邻区不同震源深度范围内各震级档的完整起始年限 Table 4 Beginning years in which earthquake data were complete for different magnitude intervals at different focal depths in China’ s seas and adjacent regions 震源深度 震级M 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 7.0 H< 70km 1970 1970 1970 1970 1970 1940 1920 1910 1900 1900 H≥ 70km 2009 2009 1996 1996 1996 1996 1957 1957 1946 1919 注 单位: 年份

表4 中国海域及邻区不同震源深度范围内各震级档的完整起始年限 Table 4 Beginning years in which earthquake data were complete for different magnitude intervals at different focal depths in China’ s seas and adjacent regions

由图10 和图12a、 12b可看出, 自1900AD起, 7级以上地震出现拐点后增长明显, 显示出较好的线性关系。 M_S≥ 7的浅源地震资料从1900AD起才基本完整, 是由于1900AD前发生的历史地震基本无仪器记录, 都取自历史记载, 且中国沿海及周边地区的历史强震记载严重缺失(研究区内1900AD前只记录到16次7级以上的地震); 1900AD后, 中国沿海及周边地区的地震台网相继建立, 此后获得的地震记载相对较完整。 M_S≥ 5的浅源地震资料从1920年起基本完整, 这与20世纪20— 30年代法、 日、 德等国在中国东部和沿海地区设立了地震台, 中国台湾地区逐步搭建数量较多的地震台(方召盟, 2006), 观测能力和监测范围逐渐提高有关。 图10a显示, 浅源地震M_S≥ 2.0至M_S≥ 4.0的N-T(累积频数)线性关系较为明显, 该震级档的地震资料自1970年起基本完整, 这是由于自1970年以来, 中国已经初步形成并逐步完善有一定监测能力的全国及区域地震台网, 地震的观测精度和监测技术显著增强, 累积了大量的现代小地震资料。 而此时的日本、 中国台湾地区的地震监测能力也相对较好。

由图11 和图12c、 12d可看出, 对于中深源地震(H≥ 70km), 各震级档的完整起始年份相对于浅源地震更晚。 图12c和图4显示, 1996年以后, M_S≥ 3.0的地震才基本完整, 这可能与20世纪90年代初期各沿海台网在地震编目时开始使用新的定位程序, 在计算中深源地震时获得了比较合理的震源参数, 监测能力和定位精度不断提高有关。 正确的震源深度初值是准确确定中源地震的关键(韩京等, 2004)。 因此, 1996年后小震级段的中深源地震资料才逐步趋于完整。

前文给出了中国海域及邻区不同震源深度各震级档的完整起始年限, 反映出研究区各时间段内的地震监测能力。 但是, 由于不同地区台网监测能力有很大的差异, 台站分布不均匀, 各台网的监测手段和能力差异使得区域的最小完整性震级在空间上仍存在不同。 因此, 基于各地震带范围(图1), 采用累积频数法得到中国海域及邻区各地震带各震级档的完整起始年限(表5)。 由于东海地震统计区的地震个数较少, 日本海地震带内主要为深源地震, 故未给出这2个带各震级的完整起始年限; 表5中, 针对琉球群岛俯冲带和台湾南— 马尼拉海沟俯冲带只给出了浅源地震的完整起始年限, 中深源地震的完整起始年限参考表4。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 中国海域及邻区各地震带各震级档的完整起始年限 Table 5 Beginning years in which earthquake data were complete for different magnitude intervals at different seismic zones in China’ s seas and adjacent regions 地震带及编号 震级M 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 7.0 a 华北平原地震带 1970 1970 1970 1970 1970 1970 1481 1481 1481 1481 b 郯庐地震带 1970 1970 1970 1970 1970 1970 1477 1477 1477 1477 c 长江下游— 南黄海地震带 1970 1970 1970 1970 1970 1970 1491 1491 1491 1491 d 朝鲜地震带 1978 1978 1978 1978 1978 1960 1500 1500 1500 1500 e 东海地震统计区 f 华南沿海地震带 1973 1973 1970 1970 1970 1970 1507 1507 1507 1507 g 台湾西部地震带 1990 1990 1990 1990 1970 1940 1920 1910 1900 1900 h 南海地震统计区 1998 1998 1998 1998 1998 1998 1950 1930 1930 1930 i 日本海地震带 j 琉球群岛俯冲带 1996 1996 1996 1996 1996 1996 1993 1993 1926 1918 k 台湾南— 马尼拉海沟俯冲带 2011 2011 1998 1992 1970 1940 1928 1922 1920 1900 注 单位: 年份

表5 中国海域及邻区各地震带各震级档的完整起始年限 Table 5 Beginning years in which earthquake data were complete for different magnitude intervals at different seismic zones in China’ s seas and adjacent regions