一种基于台阵技术的大震震级测定新方法探索

This proposal aims to further develop a new magnitude scale for large earthquakes based on dense seismic arrays and Global Seismic Network (GSN) in recent 10-20 years. We are going to improve this method by both theoretical and observational approaches, and compare the results with the magnitudes derived from the W-phase inversions. This new method can help to promptly and accurately determine magnitudes of Global large earthquakes ..We are going to apply back-projection methods to determine source durations of available global large earthquakes (Mw >= 7.0) using seismic array data recorded in China, America, Europe, and Japan. Then estimate maximum displacements of the direct P waves recorded at GSN stations (20 to 85 degree to the epicenter). A weighted regression is applied to obtain the parameters for estimating magnitudes. Afterward we will discuss the statistic features for the source durations and the maximum displacements of direct P waves, and investigate their relations to focal mechanisms, geodynamic environments, and intriguing earthquakes such as tsunami earthquakes and supershear earthquakes. We will also evaluate their impacts on the magnitude determinations. Summarize the source durations and try to deduce a scaling law and compare it with present scaling laws...We will compare the new method with the W-phase inversion method based on several cases using simulated real-time seismic data, and try to make improvements for both (W-phase inversion with varying length window).

近年来大震震例显示，快速准确测定大震震级的研究还有很大进步空间和紧迫社会需求。本项目拟系统论证一种基于区域地震台阵和全球地震台网联合测定大震震级新方法。分析该方法优劣点、误差及改进空间，并与目前通用的W-phase测定震级方法比对及有机结合，为全球大震震级快速测定工作提供新思路。.基于近10-20年来大震（Mw>=7.0）观测数据，利用反投影方法，估计震源持时。计算直达P波最大位移。推导新震级计算公式。通过分析理论和观测地震波数据，研究不同震源机制、特殊（海啸、超剪切地震等）地震的震源持时及直达P波最大位移特征,及其对震级测定影响。分析近台P波“双三重值”对震源持时测定的影响及可能改进策略（引入格林函数）。总结地震尺度律（Scaling law），探索震源复杂性对震级测定的影响。.比对新方法和W-phase反演方法的优劣点，探索可能改进空间（基于震源持时的时窗可变W-phase反演）。

在地震学研究及地震防灾减灾领域，快速准确测量大震震级一直是一个重要而又具有挑战性的问题。目前全球大震震级快速测定方法主要为基于W-phase反演（Mw震级）。其已经在在全球地震相关专业机构自动运行，一般在震后20-30分钟内可以较为准确地给出震级。但由于涉及到反演及震后数据不完备性，震级值有时不太稳定。.申请人近年来在国家自然科学基金的资助下，专注基于高密度地震台阵技术的全球大震震源研究。借鉴日本建筑研究所Hara Tatsuhiko博士的工作(Hara, 2007, 2011), 引入全球宽频带地震台记录的直达P波最大位移，与利用台阵技术得到的震源持续时间相结合，初步提出一种新的震级标度，来快速精确测定大震震级(Wang et al., 2017)。.本项目的研究内容为深入系统论证该震级标度Mdt（direct P-wave maximum displacement and source time duration）的准确性、稳定性及时效性，并将本方法得到的震级与全球通用震级标度（Mww、Ms及Mwp等）进行系统比较。.详细研究内容如下：.1.使用中国、欧洲、日本及美国台阵及全球地震台网数据，对全球2004-2021年M>=7全球地震的Mdt震级进行了计算，得到其震级数值与USGS得到的Mww震级（基于W-phase反演得到的矩震级）偏差不超过0.2。.2.基于上述结果及远场直达P波位移理论，系统分析了该震级测定方法的物理基础，从而重新定义了该方法的公式及其物理内涵。.3.使用中国台网对日本及其周缘地震震级进行了测定及稳定性测试。.4.利用中国台网观测数据对2021年中国玛多地震的多种震级标度进行了综合比对分析及稳定性、时效性测试。.通过上述针对各种震例的系统比对分析，我们认真论证了Mdt震级新标度的稳定性和时效性。结果显示该震级新标度具有较好实用性，在时效性上优于基于远场的Mww（业务化运行），与基于近场的Mww（开发测试中）相当。目前已将其推广至中国地震台网中心等专业机构，服务全球及中国地震参数快速测定工作。