震級

震級

震級是指地震的大小;是以地震儀測定的每次地震活動釋放的能量多少來確定的。中國目前使用的震級標準,是國際上通用的裏氏分級表,共分9個等級,在實際測量中,震級則是根據地震儀對地震波所作的記錄計算出來的。地震愈大,震級的數位也愈大,震級每差一級,通過地震被釋放的能量約差32倍。

  • 中文名稱
    震級
  • 外文名稱
    Richter magnitude scale
  • 解釋
    表示地震規模大小的標度。
  • 表示
    字母M

定義

earthquake magnitude

震級:是指地震大小,通常用字母M表示。地震愈大,震級數位也愈大,世界上最大的震級為9.5級.

它是根據地震波記錄測定的一個沒有量綱的數值,用來在一定範圍內表示各個地震的相對大小(強度)。震級與地震烈度的概念根本不同。震級代表地震本身的強弱,隻同震源發出的地震波能量有關;烈度則表示同一次地震在地震波及的各個地點所造成的影響的程度,與震源深度震中距、方位角、地質構造以及土壤性質等許多因素有關。

用地震釋放的能量來表示地震的大小,即地震的震級。震級大的地震,釋放的能量多;震級小的地震,釋放的能量少。中國一般採用裏氏震級。通常小于2.5級的地震稱為小地震,2.5-4.7之間的地震稱為有感地震。震級每相差1.0級,能量相差大約30倍。

發展歷史

裏氏地震規模最早是在1935年由兩位來自美國加州理工學院的地震學家裏克特(Charles Francis Richter)和古登堡(Beno Gutenberg)共同製定的。

此標度原先僅是為了研究美國加州地區發生的地震而設計的,並用伍德·安德森扭力式地震儀(Wood-Anderson torsion seismometer)測量。裏克特設計此標度的目的是區分當時加州地區發生的大量小規模地震和少量大規模地震,而靈感則來自天文學中表示天體亮度的星等。

為了使結果不為負數,裏克特定義在距離震中100千米處之觀測點地震儀記錄到的最大水準位移為1微米(這也是伍德-安德森扭力式地震儀的最大精度)的地震作為0級地震。按照這個定義,如果距震中100千米處的伍德-安德森扭力式地震儀測得的地震波振幅為1毫米(10^3微米)的話,則震級為裏氏3級。裏氏地震規模並沒有規定上限或下限。現代精密的地震儀經常記錄到規模為負數的地震。

由于當初設計裏氏地震規模時所使用的伍德·安德森扭力式地震儀的限製,近震規模 ML 若大于約6.8或觀測點距離震中超過約600千米便不適用。後來研究人員提議了一些改進,其中面波震級(MS)和體波震級(Mb)最為常用。

最初的原始震級標度隻適用于近震和地方震。1945年B.古登堡把震級的套用推廣到遠震深源地震,奠定了震級體系的基礎,利用寬頻帶地震儀記錄遠震傳來的面波,根據面波的振幅和周期來計算震級。

幾種常見的震級標度

震級強弱

裏氏震級裏氏震級

地球上的地震有強有弱。用來衡量地震強度大小的尺子有兩把,一把叫地震震級;另一把叫地震烈度。舉個例子來說,地震震級好象不同瓦數的日光燈,瓦數越高能量越大,震級越高。烈度好象屋子裏受光亮的程度,對同一盞日光燈來說,距離日光燈的遠近不同,各處受光的照射也不同,所以各地的烈度也不一樣。

地震震級是衡量地震大小的一種度量。每一次地震隻有一個震級。它是根據地震時 釋放能量的多少來劃分的,震級可以通過地震儀器的記錄計算出來,震級越高,釋放的能量也越多。中國使用的的震級標準是國際通用震級標準,叫"裏氏震級"。

測定方法

中國的面波震級計算公式為:

地震震級 M ,用地震面波質點運動最大值 (A/T)max 測定。計算公式為:

M=lg(A/T)max+ σ ( Δ )

式中: A 地震面波最大地動位移,取兩水準分向地動位移的矢量和,μ m ;

T 相應周期, S ;

Δ震中距, ( 度 ) 。

測量最大地動位移的兩水準分量時,要取同一時刻或周期相差在1/8周之內的震動。若兩分量周期不一致時,則取加權和:

T=(T N ×A N +T E× A E )/(A N +A E )

式中: A N 南北分量地動位移,μ m;

A E 東西分量地動位移,μ m;

T N A N 的相應周期, S ;

T E A E 的相應周期, S ;

量規函式σ ( Δ ) 為:

σ ( Δ )=1.66lg Δ +3.5

不能使用與表一中給出的值相差很大的周期來測定地震震級 M 。地震震級 M 應根據多台的平均值確定。

式中A為兩水準分向地動位移的矢量合成振幅,以微米為單位;T為相應的周期,以秒為單位;σ(Δ°)為面波震級起算函式,隻與震中距Δ°(測點與震中間的大圓弧度數)有關;Cs為台站校正值。

面波震級標度Ms比較適用于從遠處(震中距大于1000千米)測定淺源大地震的震級,而且各國地震機構的面波震級測定結果也比較一致,因此世界各國在公布1931年新疆8級地震和交換有關震級的信息資料時 ,一般都使用面波震級。即通常所說的裏氏震級。另外,為解決巨大地震的面波震級飽和問題,有人提出用震源物理中的地震矩概念推導出一種新的震級標度--矩震級MW。智利大地震面波震級 Ms=8.5,但矩震級MW=9.5,成為人類已知的最大地震。矩震級已在地震觀測中開始試用,但其方法還在進一步研究和完善。它可作為面波震級的有益補充,但不能完全取代面波震級。

分類

地震按震級大小的分類情況:弱震:震級小于3 級的地震;

唐山大地震唐山大地震

有感地震:震級等于或大于3級、小于或等于⒋5級的地震;

中強震:震級大于⒋5級,小于6級的地震;

強震:震級等于或大于6 級的地震。其中震級大于或等于8 級的又稱為巨大地震。

國際上使用的地震震級--裏克特級數,是由美國地震學家裏克特所製定,它的範圍在 1 - 10 級之間。它直接同震源中心釋放的能量(熱能和動能)大小有關,震源放出的能量越大,震級就越大。

常見震級標度

地震發生後,人們首先關心的問題是:這是多大的地震?如果回到幾百年前,我們肯定得不到像"×級地震"的類似答案,而是一系列關于地震破壞的巨觀描述,猶如明史中記載的陝西華縣地震:"……地裂泉涌,中有魚物,或城郭房陷入地中……官吏、軍民壓死八十三萬有奇"。也就是說,那個時候,我們隻能根據地震的破壞程度--烈度來估計地震的大小。烈度不僅受人的主觀影響,還與震區的地質、建築條件等因素有關,因此,烈度並不能定量地度量地震大小。

1935年,查爾斯·裏克特在研究美國南加州地震時,發明了一種定量測量地震大小的方法。他規定在震中距為100km的地方,如果"標準地震儀"(伍德-安德森地震儀,周期是0.8s,放大倍數為2080)記錄到的地震波最大振幅是1微米(註:儀器上記錄到1微米對應的實際地動位移是1/2080=0.00048微米),震級為0;如果振幅是x微米,震級為其對數。當然,當振幅是0.1微米時,震級為lg0.1=-1,相當于小錘子敲打地面產生的震級。實際上,絕大多數地震儀不會恰好都擺在100km震中距的地方,此時就要根據震中距對應的量規函式來校正數值。裏克特提出的這種震級標度被後人稱為裏氏震級ML,也叫地方性震級,主要適用于6級以下的中小地震,這裏的L表示local(地方性)的意思。

裏氏震級的出現,第一次把地震大小變成了可測量、可相互比較的量,為地震學的定量化發展奠定了基礎。時至今日,伍德-安德森地震儀早已絕跡,成為博物館的陳列品。但人們為了保持地震記錄的對比和延續性,很多小地震仍會通過儀器的模擬仿真,計算出裏氏震級

伍德-安德森地震儀是一種短周期地震儀(周期為0.8s),它可以較好地記錄短周期地震波。但地震波在傳播過程中,由于高頻地震波(即短周期波)的衰減速度要遠遠大于低頻地震波,當地震儀距離震中較遠時,這種地震儀的記錄能力變得有限。1945年,地震學家古登堡發明了面波震級Ms,Ms可以遠距離記錄地震,這就彌補了裏氏震級的不足。其中,s表示surface wave(面波),它是根據周期約為20s的面波大小確定的地震震級

面波震級也存在問題,當地震的震源深度較深的時候,激發的面波不顯著。所以,古登堡還發明了體波震級mb,b表示body wave(體波),它是根據地震波的體波(通常是P波)的大小確定的地震震級。幾乎所有的地震,無論距離遠近、震源深度,還包括核爆炸,都可以在地震圖上較清楚地識別P波,因此mb具有廣泛的套用,美國地質調查局(USGS)對外公布的很多震級就是mb。

遺憾的是,無論是裏氏震級面波震級、還是體波震級,都存在著兩個主要問題。一是這些震級與地震發生的物理過程沒有直接聯系,物理含義不清楚。二是通過統計分析,發現它們具有"飽和"現象。也就是說,當地震所釋放的能量增大的時候,震級卻不再增大(見圖),因此面對大地震時,採用這些震級標度會低估地震的能量。

【矩震級(Mw)與裏氏震級(ML)、面波震級(Ms)及體波震級(mb)的關系】

1979年,日本的金森博雄提出了矩震級Mw的概念。矩震級的計算公式中用到了地震矩M0,地震矩具有嚴格的物理意義,其中M0=uAD(u是剪下模量,A是破裂面的面積,D是地震破裂的平均位錯量)。從公式看,地震破裂面面積越大,位錯量越大,釋放的能量也就越多。正因為如此,矩震級不會像其他震級一樣存在飽和問題。比如1960年智利大地震,測定的矩震級Mw=9.5,而面波震級已經飽和,僅為8.5。

矩震級已成為世界上大多數地震台網和地震觀測機構優先推薦使用的震級標度。不過,由于世界各國有各自的震級研究歷史和計算公式,各國對外公布的震級標度還未統一。中國對外公布的震級大多是面波震級而不是矩震級。比如這次日本大地震,中國公布的是面波震級8.6級,美國公布的是矩震級9.0級。

震級

下表列出的是不同裏氏震級(ML)的年均發生次數和震中地區的影響:

程度

裏氏規模

地震影響

發生頻率(全球)

極微

2.0以下

很小,沒感覺

約每天 8,000次

甚微

2.0-2.9

人一般沒感覺,設備可以記錄

約每天 1,000次

微小

3.0-3.9

經常有感覺,但是很少會造成損失

估計每年49,000次

4.0-4.9

室內東西搖晃出聲,不太可能有大量損失。當地震強度超過4.5級時,已足夠讓全球的地震儀監測得到。

估計每年6,200次

5.0-5.9

可在小區域內對設計/建造不佳或偷工減料的建築物造成大量破壞,但對設計/建造優良的建築物則隻會有少量的損害。

每年800次

6.0-6.9

可摧毀方圓100英裏以內的居住區。

每年120次

甚強

7.0-7.9

可對更大的區域造成嚴重破壞。

每年18次

極強

8.0-8.9

可摧毀方圓數百英裏的區域。

每年1次

超強

9.0及其以上

摧毀方圓數千英裏的區域

每20年1次

震級與能量

假定第1級地震所釋放的能量為1,第2級應為31.62,第3級應為1000,依此類推,第7級為10億,第8級為316.2億,第9級則為10000億。由于裏氏地震規模是常用對數,因此在估算能量的時候,裏氏震級每增加一,釋放的能量大約增加32倍。

下表列出的是不同級別的地震釋放的能量相當于的TNT當量:

裏氏震級

大致相應TNT當量

實例

0.5

6kg

手榴彈爆炸

1.0

30kg

建築爆破

1.5

180kg

二戰期間常規炸彈

2.0

1噸

二戰期間常規炸彈

2.5

6噸

二戰期間的"Cookie" 巨型炸彈

3.0

30噸

2003年大型燃料空氣炸彈(MOAB)

3.5

180噸

1986年前蘇聯切爾諾貝利核事故

4.0

1千噸

小型核子彈

4.5

0.6萬噸

常見的龍卷風

5.0

3.3萬噸

美國在二戰結束前在日本廣島、長崎投放的核子彈(投放後日本無條件投降)

5.5

20萬噸

1992年美國內華達州Little Skull Mtn.地震

6.0

100萬噸

1994年美國內華達州Double Spring Flat地震

6.5

600萬噸

1994年Northridge地震

7.0

3400萬噸

目前最大型的核子彈 (註:前蘇聯曾試爆5000萬噸級別的氫彈)

7.5

1.9億噸

1992年美國加利福尼亞Landers地震

8.0

11億噸

1976年中國唐山大地震(7.8級)、2008年中國汶川大地震(8.0級-2008年5月18日修訂)

8.5

62億噸

1964年美國阿拉斯加安克雷奇耶穌受難日地震

9.0

350億噸

1960年智利大地震(9.5級,為人類觀測史上最強震級)、2004年印度洋大地震(9.0級)

2011年日本大地震(9.0級)。以上三次強震均引發了巨大海嘯,造成重大人員傷亡和財產損失

10.0

1兆噸(1萬億噸)

約相當于一個直徑約為100千米的石質隕石以秒速25千米撞擊地球時所產生的地震。

缺點及改進

裏氏地震規模的主要缺陷在于它與震源的物理特徵沒有直接的聯系,並且由于"地震強度頻譜的比例定律"(The Scaling Law of Earthquake Spectra)的限製,在8.3-8.5左右會產生飽和效應,使得一些強度明顯不同的地震在用傳統方法計算後得出裏氏地震規模(如(MS)數值卻一樣。到了21世紀初,地震學者普遍認為這些傳統的地震規模表示方法已經過時,轉而採用一種物理含義更為豐富,更能直接反應地震過程物理實質的表示方法即矩震級 (Moment magnitude scale,MW)。地震矩規模是由同屬加州理工學院的金森博雄(Hiroo Kanamori)教授于1977年提出的。該標度能更好的描述地震的物理特徵,如地層錯動的大小和地震的能量等。

修訂震級

理論上,一次地震,同一震級標度的震級隻有一個。實際上,除了經常出現不同的國家、機構所報道的震級不一致現象外(比如2001年中國昆侖山口西地震,中國的測定結果是Ms=8.2,而美國的測定結果是Ms=8.0),還經常有修訂震級的情況發生。針對這種現象,可以從以下幾方面解釋。

首先要明確震級的計算過程不像"距離=速度×時間"那樣嚴格,本質上它是經驗公式,是通過很多地震實例求解的最佳擬合公式。即使後來的矩震級有了明確的物理意義,但在利用地震波反演求解地震震源參數過程中,也存在多解性和不確定性。換個角度說,就是沒必要過于苛求震級的嚴格統一。

其次,不同的國家、機構所利用的台站資料是有差別的,這都會影響震級測定結果。台站資料的差別主要包括:(1)由于台站的台基、所使用儀器不同,震級相差一二級都是可能的。(2)由于地震產生的地震波輻射具有方向性,處于不同方位、震中距的地震台站測得的震級也會有較大差別。以東日本大地震為例,中國使用的是中國地震台網,它們全都分布在日本的西側,震中距也有限;而美國利用的是全球地震台網(GSN),它們分布在全球各地,覆蓋得更合理、均勻,因此理論上美國的震級測定相對中國更加準確。

最後關于震級的修訂。測定震級的普遍方法是對不同方位、不同震中距的大量台站的測定結果,作算術平均。高質量的台站資料越多,測定的結果越準確。但地震發生後,幾乎所有人都希望快速了解地震概況,各機構搶在第一時間向政府和公眾報告,這樣所做的地震速報,要求時間性強,利用的台站數量往往有限。隨著研究工作開展,更多台站加入到震級計算的陣營中,台站分布也變得更均勻、合理,研究人員也有更充裕的時間去挑選優秀的地震波,進行更細致的計算,震級的測定因此也隨時間的推移而不斷修正。一般修正過程會持續半年、甚至一年,直到全球的資料匯集後測定,才算最終結果。好比這次日本氣象廳,在幾次修訂震級後,仍然在9.0級時說明這是"interim value"

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