矩震級

以前的地震科普材料里已經比較多地介紹過，什麼是里氏震級？怎樣從近震震級ML，逐步推廣到面波震級Ms，體波震級Mb？在那些材料里一般都會告訴大家，對於震源淺且距離遠的強震通常測定面波震級Ms。可是，上世紀六、七十年代，有科學家在研究全球地震年頻度與面波震級Ms的關係時發現，缺失Ms超過8.6的地震。他們認為，當Ms超過8.6以後，儘管地表出現更長的破裂，顯示出地震有更大的規模，但測定的面波震級Ms值卻很難增上去了，出現所謂震級飽和問題。於是，從反映地震斷層錯動的一個力學量：地震矩M0出發，又提出一種新的震級標度：矩震級Mw。

在力學里，矩的概念是用來討論物體轉動問題的。例如，用雙手放在桌子的兩邊，在水平方向上一隻手向前推，另一隻手向後拉，桌子就可能轉動。桌子是否轉得動以及轉動量的大小不僅與這對力的大小，而且與這對力的距離有關。這對大小相等，方向相反的力，叫做力偶。衡量這對力偶對於轉動作用大小的是力偶矩，其量值等於其中一個力的值與它們之間的距離之乘積。這個概念被引伸到斷層位錯問題，可用斷層面積S、斷層面的平均位錯量和剪切模量μ的乘積定義地震矩。顯然，這是對斷層錯動引起的地震強度的直接測量。

以往的科普材料里，在說明震級與地震烈度的區別時，常常強調，地震烈度是從地震造成的破壞程度及引起的影響反映地震的大小，而震級反映了地震波能量的大小。現在要將由里氏震級發展起來的幾種震級標度與矩震級做比較，就不能不更進一步說清楚，只有矩震級才真正反映了地震錯動的大小。那幾種震級只是抓住某一種地震波的最大振幅來標征地震的大小，它們與地震波能量大小的關係只是一種統計關係。而地震波能量也只是地震釋放總能量的一部分。又由於最常用的面波震級達8.6以後又有飽和問題，比較特大地震當然得用矩震級了。

地震有強有弱，用以衡量地震本身強度的“尺子”叫震級。震級可以通過地震儀器的記錄計算出來，它的單位是“級”。其大小與地震釋放的能量有關，地震能量越大，震級就越大。震級標準，最先是由美國地震學家裡克特提出來的，所以又稱“里氏震級”。矩震級是一個對數函數，震級每相差2級，其能量就相差1000倍。一個8.5級地震通過地震波釋放出來的能量，大約相當於二灘電站連續發電近6年的電能總和。

按照震級的大小，也可以對地震進行分類，我國通常分為以下幾類：

微震 —— 震級小於3級的地震；

弱震 —— 震級等於或大於3級、小於4.5級的地震；

中強震—— 震級等於或大於4.5級、小於6級的地震；

強震 —— 震級等於或大於6級的地震。也有人把震級等於或大於7級的地震稱為大震。

摘要 震級修訂是世界各國地震台網（中心）地震參數測定工作的常規工作的一個環節。汶川地震發生后，我國地震台網速報的汶川地震的“面波震級”為7.8級；5天後修訂為“面波震級”8.0級。美國地質調查局（USGS）國家地震中心（NEIC）速報的結果是“矩震級”7.8級；不久，將其修訂為“矩震級”7.9級。地震后翌日，我們由“地震矩張量反演”得出，汶川地震的“矩震級”至少為7.9級，所釋放的“標量地震矩”至少為4.4×1021 N·m。無論是“面波震級”，還是“矩震級”，汶川地震都要比唐山地震（“面波震級”7.8級，“矩震級”7.6級）大得多。汶川地震的“矩震級”（7.9級）比唐山地震的“矩震級”（7.6級）大0.3級，表明汶川地震釋放的能量比唐山地震釋放的能量大約3倍！事實上，汶川地震的斷層長度大約為300 km，也是唐山地震斷層長度（不足100 km）的3倍多。汶川地震的震級大、斷層長，從震源特性的角度說明了為什麼這次地震會造成如此巨大的破壞。

那麼，汶川地震究竟有多大？為什麼要做修訂？這還要從震級說起[1-2]。

震級是用來衡量地震本身（相對）大小的一個物理量。我們是如何測量地震的震級呢？很簡單，我們是根據在地面上測到的地面振動的強烈程度來測量。但是，因為同樣大小的地震所引起的地震動在近的地方振動大，在遠的地方振動小，所以必須把它由近到遠振動幅度如何變化的規律即衰減規律事先搞清楚。同時，要確定一個震級的起算標準，即究竟強度多大的地震是零級地震？然後參照它定1級地震是多大，2級地震是多大，等等。測定震級時遇到的問題是，在地面上測到的地震引起的地面振動，不僅僅是由地震的大小決定的，它還與地震波傳播時所經過地方的性質大有關係。在不同的地層、沿不同的方位，地震波的速度都不一樣，介質對地震波吸收的程度也不一樣。所以，即使距離相同，在不同方位的地震儀記到的地震波動幅度，也會因傳播地震波的介質的不同而不同。確定震級的時候，要考慮到地震波“沿途”衰減的情況，將傳播路徑的影響扣除掉。

地震波傳到了地震台上，有些地震台建立在很堅硬的基岩上，而有些地震台別無選擇，只好建立在鬆軟的沉積層上。鬆軟的沉積層對地震波有放大的作用。同樣的地震波，傳到地震台站下方的時候，到了鬆軟的地方就放大，到了堅硬的地方不放大，所以地震儀記錄下來的地面振動的幅度也不一樣。因此，確定震級的時候，還要考慮到台站所處位置的土層和岩石條件。

再有一點，地震是地底下岩石突然的錯動，這個錯動是有方向性的。地震發生的時候，向東發出的地震波和向北發出的地震波，在幅度上本來就可能不一樣，即輻射有所謂的“方向性”，好比電視塔發射電磁波的時候，發出的波在不同方向的強度實際上是不一樣的。在進行震級測量的時候，理應事先考慮到這些因素，才能夠做到用同樣的方法在不同的台站測出來相同的結果。實際上，地震剛發生不久時，這是不完全可能的。要得出一個準確的、真正能衡量出地震本身大小的震級，必須用全球所有地震台的觀測資料做測定，台站方位的覆蓋要比較合理、均勻，遠近都有，最後對大量的地震台測定的結果取平均。地震一旦發生之後，中國的地震台、日本的地震台、美國的地震台等等，都要搶先在第一時間報告政府和告訴公眾，在什麼地方發生了多大的地震。在這個時候沒有太多的選擇，只能用手頭上能夠掌握的少數幾個地震台站的記錄做測定。比如說，用先行傳播到的台站的資料做測定，這時要求快，當然也要求准，但不能苛求特別准。所以我們可以看到，凡是一個地震發生的時候，不同的國家、不同的地震台網測定的震級不盡相同。而且即使是同一個台網，同一個台站，測定的震級隨著時間的推移也會不斷地修正。正如美國地質調查局（USGS）國家地震中心（NEIC）常在公報中特別地加上一段說明：“這是初步測定的結果，更精確的結果待更多、更精確的資料傳到后再做修正”。這就是為什麼在任何地震發生的時候，常常看到震級不一樣的一個原因。我這裡說的是一般情況，包括唐山地震也是如此。唐山地震最終確定的震級是“面波震級”7.8級，這是現在全世界公認的結果。但是在新聞媒體報道時，因為地震發生之後，有的地震台網相對於地震處在一個特殊的位置上，測定出特別大的震級；而有的地震台網則處在另外一個方位，測定的結果特別小。這是一個原因。

另外一個原因是，地震學家在測量地震震級的時候，常不得不用不同的標度或尺度測量[3-5]，因為並不是所有地震都可以用同一把“尺子”來量的，在某個震中距範圍的地震，只能用某個震級標度來量，而在另一個震中距範圍的地震，則只能用另一個震級標度來量。當然，用不同的“尺子”量同一個地震，結果理當相同。但由於存在所謂的“震級飽和”問題，也就是說即使地震再大，測出的震級到了最大時，並不會因地震大而增大，因此測出的結果常常也是不相同的。1999年9月21日我國台灣集集大地震也有類似的問題。地震剛發生的時候，台灣當地的地震台網測定的震級才7.3級，但是這個地震最後確認的是“矩震級”7.6級。即使是同一個台網，若採用不同的尺度，得出來的結果也不盡相同。

過去，震級要在地震過後幾個月，甚至半年、一年，待全球記錄到的資料彙集到地震中心后測定出來的才是“最終”的結果。不過，隨著信息時代、數字地震時代的到來，隨著地震學的發展，這個過程所需要的時間正在迅速地縮短。實際上，汶川地震發生后，美國地質調查局國家地震中心給出的結果是“矩震級”7.8級。不久，將其修訂為“矩震級”7.9級。我國地震台網用的是“面波震級”，速報結果為“面波震級”7.8級；5天後修訂為“面波震級”8.0級。地震后翌日，我們所做的“地震矩張量反演”得出的測定結果是，汶川地震的“矩震級”至少為7.9級，有可能高達8.3級。這次地震所釋放的“標量地震矩”為4.4×1021 N·m[8]。

參考文獻（References）

[1] 陳運泰. 地震能量和地震效率[R]. 地震參數－數字地震學在地震預測中的應用. 北京: 中國地震局監測預報司/中國地震局地球物理研究所/中國地震局分析預報中心/中國科學院研究生院, 2002, 51-62.

Chen Yuntai. Earthquake energy and earthquake efficiency[R]. Beijing: Department of Earthquake Monitoring and Prediction of China Earthquake Administration (CEA), Institute of Geophysics of CES, Center for Analysis and Prediction of CEA, Graduate School of Chinese Academy of Sciences eds. Earthquake Parameters: Applications of Digital Seismology in Earthquake Prediction, 2002: 51-62.

[2] 陳運泰, 劉瑞豐. 地震的震級[J]. 地震地磁觀測與研究, 2004, 25(6): 1-12.

Chen Yuntai, Liu Ruifeng. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2004, 25(6): 1-12.

[3] 劉瑞豐, 陳運泰, 任 梟, 等. 2001年11月14日昆崙山口西地震——一次面波震級未飽和的地震[J]. 地震學報, 2005, 27(5): 467-476.

Liu R F, Chen Y T, Ren X, et al. Acta Seismologica Sinica, 2005, 27(5): 467-476.

[4] 劉瑞豐，陳運泰，Bormann P, 等. 中國地震台網與美國地震台網測定震級的對比(I)——體波震級[J]. 地震學報, 2005, 27(6): 583-587.

Liu R F, Chen Y T, Bormann P, et al. Acta Seismologica Sinica, 2005, 27(6): 583-587.

[5] 劉瑞豐, 陳運泰, Bormann P, 等. 中國地震台網與美國地震台網測定震級的對比(II)——面波震級[J]. 地震學報, 2006, 28(1): 1-7.

Liu R F, Chen Y T, Bormann P, et al. Acta Seismologica Sinica, 2006, 28(1): 1-7.

[6] Engdahl E R, Villasenor A. Global seismicity: 1900-1999[M]. Lee W H K, Kanamori H, Jennings P, et al eds. International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Part A. San Diego: Academic Press, 2002: 665-690.

[7] Utsu T. A list of deadly earthquakes in the world: 1500-2000[M]. Lee W H K, Kanamori H, Jennings P, et al eds. International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Part A. San Diego: Academic Press, 2002: 691-717.

[8] 陳運泰, 許力生, 張 勇, 等. 2008年5月12日汶川特大地震震源特性分析報告[R]. 2008.

Chen Yuntai, Xu Lisheng, Zhang Yong, et al. Analysis of the source parameters of the great Wenchuan earthquake of May 12, 2008[R]. 2008.

[9] 黃永明. 陳運泰: 地震預報要知難而進[J]. 科技導報, 2008, 26(10): 19-21.

Huang Yongming. Science & Technology Review, 2008, 26(10): 19-21