矩震級(jí)

以往的科普材料里，在說(shuō)明震級(jí)與地震烈度的區(qū)別時(shí)，常常強(qiáng)調(diào)，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(jí)反映了地震波能量的大小。要將由里氏震級(jí)發(fā)展起來(lái)的幾種震級(jí)標(biāo)度與矩震級(jí)做比較，就不能不更進(jìn)一步說(shuō)清楚，只有矩震級(jí)才真正反映了地震錯(cuò)動(dòng)的大小。那幾種震級(jí)只是抓住某一種地震波的最大振幅來(lái)標(biāo)征地震的大小，它們與地震波能量大小的關(guān)系只是一種統(tǒng)計(jì)關(guān)系。而地震波能量也只是地震釋放總能量的一部分。又由于最常用的面波震級(jí)達(dá)8.6以后又有飽和問(wèn)題，比較特大地震當(dāng)然得用矩震級(jí)了。

地震有強(qiáng)有弱，用以衡量地震本身強(qiáng)度的“尺子”叫震級(jí)。震級(jí)可以通過(guò)地震儀器的記錄計(jì)算出來(lái)，它的單位是“級(jí)”。其大小與地震釋放的能量有關(guān)，地震能量越大，震級(jí)就越大。震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最先是由美國(guó)地震學(xué)家里克特提出來(lái)的，所以又稱(chēng)“里氏震級(jí)”。矩震級(jí)是一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)，震級(jí)每相差2級(jí)，其能量就相差1000倍。一個(gè)8.5級(jí)地震通過(guò)地震波釋放出來(lái)的能量，大約相當(dāng)于二灘電站連續(xù)發(fā)電近6年的電能總和。

按照震級(jí)的大小，也可以對(duì)地震進(jìn)行分類(lèi)，我國(guó)通常分為以下幾類(lèi)：

微震 —— 震級(jí)小于3級(jí)的地震；

弱震 —— 震級(jí)等于或大于3級(jí)、小于4.5級(jí)的地震；

中強(qiáng)震—— 震級(jí)等于或大于4.5級(jí)、小于6級(jí)的地震；

強(qiáng)震 —— 震級(jí)等于或大于6級(jí)的地震。也有人把震級(jí)等于或大于7級(jí)的地震稱(chēng)為大震。

摘要 震級(jí)修訂是世界各國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)（中心）地震參數(shù)測(cè)定工作的常規(guī)工作的一個(gè)環(huán)節(jié)。汶川地震發(fā)生后，我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)的汶川地震的“面波震級(jí)”為7.8級(jí)；5天后修訂為“面波震級(jí)”8.0級(jí)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）國(guó)家地震中心（NEIC） 速報(bào)的結(jié)果是“矩震級(jí)”7.8級(jí)；不久，將其修訂為“矩震級(jí)”7.9級(jí)。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(jí)”至少為7.9級(jí)，所釋放的“標(biāo)量地震矩”至少為4.4×1021 N·m。無(wú)論是“面波震級(jí)”，還是“矩震級(jí)”，汶川地震都要比唐山地震（“面波震級(jí)”7.8級(jí)，“矩震級(jí)”7.6級(jí)）大得多。汶川地震的“矩震級(jí)”（7.9級(jí)）比唐山地震的“矩震級(jí)”（7.6級(jí)）大0.3級(jí)，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(shí)上，汶川地震的斷層長(zhǎng)度大約為300 km，也是唐山地震斷層長(zhǎng)度（不足100 km）的3倍多。汶川地震的震級(jí)大、斷層長(zhǎng)，從震源特性的角度說(shuō)明了為什么這次地震會(huì)造成如此巨大的破壞。

那么，汶川地震究竟有多大？為什么要做修訂？這還要從震級(jí)說(shuō)起[1-2]。

震級(jí)是用來(lái)衡量地震本身（相對(duì)）大小的一個(gè)物理量。我們是如何測(cè)量地震的震級(jí)呢？很簡(jiǎn)單，我們是根據(jù)在地面上測(cè)到的地面振動(dòng)的強(qiáng)烈程度來(lái)測(cè)量。但是，因?yàn)橥瑯哟笮〉牡卣鹚鸬牡卣饎?dòng)在近的地方振動(dòng)大，在遠(yuǎn)的地方振動(dòng)小，所以必須把它由近到遠(yuǎn)振動(dòng)幅度如何變化的規(guī)律即衰減規(guī)律事先搞清楚。同時(shí)，要確定一個(gè)震級(jí)的起算標(biāo)準(zhǔn)，即究竟強(qiáng)度多大的地震是零級(jí)地震？然后參照它定1級(jí)地震是多大，2級(jí)地震是多大，等等。測(cè)定震級(jí)時(shí)遇到的問(wèn)題是，在地面上測(cè)到的地震引起的地面振動(dòng)，不僅僅是由地震的大小決定的，它還與地震波傳播時(shí)所經(jīng)過(guò)地方的性質(zhì)大有關(guān)系。在不同的地層、沿不同的方位，地震波的速度都不一樣，介質(zhì)對(duì)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(dòng)幅度，也會(huì)因傳播地震波的介質(zhì)的不同而不同。確定震級(jí)的時(shí)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。

地震波傳到了地震臺(tái)上，有些地震臺(tái)建立在很堅(jiān)硬的基巖上，而有些地震臺(tái)別無(wú)選擇，只好建立在松軟的沉積層上。松軟的沉積層對(duì)地震波有放大的作用。同樣的地震波，傳到地震臺(tái)站下方的時(shí)候，到了松軟的地方就放大，到了堅(jiān)硬的地方不放大，所以地震儀記錄下來(lái)的地面振動(dòng)的幅度也不一樣。因此，確定震級(jí)的時(shí)候，還要考慮到臺(tái)站所處位置的土層和巖石條件。

再有一點(diǎn)，地震是地底下巖石突然的錯(cuò)動(dòng)，這個(gè)錯(cuò)動(dòng)是有方向性的。地震發(fā)生的時(shí)候，向東發(fā)出的地震波和向北發(fā)出的地震波，在幅度上本來(lái)就可能不一樣，即輻射有所謂的“方向性”，好比電視塔發(fā)射電磁波的時(shí)候，發(fā)出的波在不同方向的強(qiáng)度實(shí)際上是不一樣的。在進(jìn)行震級(jí)測(cè)量的時(shí)候，理應(yīng)事先考慮到這些因素，才能夠做到用同樣的方法在不同的臺(tái)站測(cè)出來(lái)相同的結(jié)果。實(shí)際上，地震剛發(fā)生不久時(shí)，這是不完全可能的。要得出一個(gè)準(zhǔn)確的、真正能衡量出地震本身大小的震級(jí)，必須用全球所有地震臺(tái)的觀(guān)測(cè)資料做測(cè)定，臺(tái)站方位的覆蓋要比較合理、均勻，遠(yuǎn)近都有，最后對(duì)大量的地震臺(tái)測(cè)定的結(jié)果取平均。地震一旦發(fā)生之后，中國(guó)的地震臺(tái)、日本的地震臺(tái)、美國(guó)的地震臺(tái)等等，都要搶先在第一時(shí)間報(bào)告政府和告訴公眾，在什么地方發(fā)生了多大的地震。在這個(gè)時(shí)候沒(méi)有太多的選擇，只能用手頭上能夠掌握的少數(shù)幾個(gè)地震臺(tái)站的記錄做測(cè)定。比如說(shuō)，用先行傳播到的臺(tái)站的資料做測(cè)定，這時(shí)要求快，當(dāng)然也要求準(zhǔn)，但不能苛求特別準(zhǔn)。所以我們可以看到，凡是一個(gè)地震發(fā)生的時(shí)候，不同的國(guó)家、不同的地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的震級(jí)不盡相同。而且即使是同一個(gè)臺(tái)網(wǎng)，同一個(gè)臺(tái)站，測(cè)定的震級(jí)隨著時(shí)間的推移也會(huì)不斷地修正。正如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）國(guó)家地震中心（NEIC）常在公報(bào)中特別地加上一段說(shuō)明：“這是初步測(cè)定的結(jié)果，更精確的結(jié)果待更多、更精確的資料傳到后再做修正”。這就是為什么在任何地震發(fā)生的時(shí)候，常?？吹秸鸺?jí)不一樣的一個(gè)原因。我這里說(shuō)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(jí)是“面波震級(jí)”7.8級(jí)，這是全世界公認(rèn)的結(jié)果。但是在新聞媒體報(bào)道時(shí)，因?yàn)榈卣鸢l(fā)生之后，有的地震臺(tái)網(wǎng)相對(duì)于地震處在一個(gè)特殊的位置上，測(cè)定出特別大的震級(jí)；而有的地震臺(tái)網(wǎng)則處在另外一個(gè)方位，測(cè)定的結(jié)果特別小。這是一個(gè)原因。

另外一個(gè)原因是，地震學(xué)家在測(cè)量地震震級(jí)的時(shí)候，常不得不用不同的標(biāo)度或尺度測(cè)量[3-5]，因?yàn)椴⒉皇撬械卣鸲伎梢杂猛话选俺咦印眮?lái)量的，在某個(gè)震中距范圍的地震，只能用某個(gè)震級(jí)標(biāo)度來(lái)量，而在另一個(gè)震中距范圍的地震，則只能用另一個(gè)震級(jí)標(biāo)度來(lái)量。當(dāng)然，用不同的“尺子”量同一個(gè)地震，結(jié)果理當(dāng)相同。但由于存在所謂的“震級(jí)飽和”問(wèn)題，也就是說(shuō)即使地震再大，測(cè)出的震級(jí)到了最大時(shí)，并不會(huì)因地震大而增大，因此測(cè)出的結(jié)果常常也是不相同的。1999年9月21日我國(guó)臺(tái)灣集集大地震也有類(lèi)似的問(wèn)題。地震剛發(fā)生的時(shí)候，臺(tái)灣當(dāng)?shù)氐牡卣鹋_(tái)網(wǎng)測(cè)定的震級(jí)才7.3級(jí)，但是這個(gè)地震最后確認(rèn)的是“矩震級(jí)”7.6級(jí)。即使是同一個(gè)臺(tái)網(wǎng)，若采用不同的尺度，得出來(lái)的結(jié)果也不盡相同。

過(guò)去，震級(jí)要在地震過(guò)后幾個(gè)月，甚至半年、一年，待全球記錄到的資料匯集到地震中心后測(cè)定出來(lái)的才是“最終”的結(jié)果。不過(guò)，隨著信息時(shí)代、數(shù)字地震時(shí)代的到來(lái)，隨著地震學(xué)的發(fā)展，這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間正在迅速地縮短。實(shí)際上，汶川地震發(fā)生后，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)家地震中心給出的結(jié)果是“矩震級(jí)”7.8級(jí)。不久，將其修訂為“矩震級(jí)”7.9級(jí)。我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)用的是“面波震級(jí)”，速報(bào)結(jié)果為“面波震級(jí)”7.8級(jí)；5天后修訂為“面波震級(jí)”8.0級(jí)。地震后翌日，我們所做的“地震矩張量反演”得出的測(cè)定結(jié)果是，汶川地震的“矩震級(jí)”至少為7.9級(jí)，有可能高達(dá)8.3級(jí)。這次地震所釋放的“標(biāo)量地震矩”為4.4×1021 N·m[8]。

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以前的地震科普材料里已經(jīng)比較多地介紹過(guò)，什么是里氏震級(jí)？怎樣從近震震級(jí)ML，逐步推廣到面波震級(jí)Ms，體波震級(jí)Mb？在那些材料里一般都會(huì)告訴大家，對(duì)于震源淺且距離遠(yuǎn)的強(qiáng)震通常測(cè)定面波震級(jí)Ms?？墒?，上世紀(jì)六、七十年代，有科學(xué)家在研究全球地震年頻度與面波震級(jí)Ms的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，缺失Ms超過(guò)8.6的地震。他們認(rèn)為，當(dāng)Ms超過(guò)8.6以后，盡管地表出現(xiàn)更長(zhǎng)的破裂，顯示出地震有更大的規(guī)模，但測(cè)定的面波震級(jí)Ms值卻很難增上去了，出現(xiàn)所謂震級(jí)飽和問(wèn)題。于是，從反映地震斷層錯(cuò)動(dòng)的一個(gè)力學(xué)量：地震矩M0出發(fā)，又提出一種新的震級(jí)標(biāo)度：矩震級(jí)Mw。

在力學(xué)里，矩的概念是用來(lái)討論物體轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題的。例如，用雙手放在桌子的兩邊，在水平方向上一只手向前推，另一只手向后拉，桌子就可能轉(zhuǎn)動(dòng)。桌子是否轉(zhuǎn)得動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)量的大小不僅與這對(duì)力的大小，而且與這對(duì)力的距離有關(guān)。這對(duì)大小相等，方向相反的力，叫做力偶。衡量這對(duì)力偶對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)作用大小的是力偶矩，其量值等于其中一個(gè)力的值與它們之間的距離之乘積。這個(gè)概念被引伸到斷層位錯(cuò)問(wèn)題，可用斷層面積S、斷層面的平均位錯(cuò)量和剪切模量μ的乘積定義地震矩 。顯然，這是對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)引起的地震強(qiáng)度的直接測(cè)量。

震級(jí)是表征地震強(qiáng)弱的量度，是劃分震源放出的能量大小的等級(jí)。單位是“里氏”，通常用字母M表示，它與地震所釋放的能量有關(guān)。釋放能量越大，地震震級(jí)也越大。震級(jí)每相差1.0級(jí)，能量相差大約32倍；每相差2.0級(jí)，能量相差約1000倍。也就是說(shuō)，一個(gè)6級(jí)地震相當(dāng)于32個(gè)5級(jí)地震，而1個(gè)7級(jí)地震則相當(dāng)于1000個(gè)5級(jí)地震。世界上最大的地震的震級(jí)為9級(jí)。

地震震級(jí)分為九級(jí)，一般小于2.5級(jí)的地震人無(wú)感覺(jué)，2.5級(jí)以上人有感覺(jué)，5級(jí)以上的地震會(huì)造成破壞。簡(jiǎn)稱(chēng)震級(jí)。

1. 一般將小于1級(jí)的地震稱(chēng)為超微震

2. M≥1級(jí)，小于3級(jí)的稱(chēng)為弱震或微震

如果震源不是很淺，這種地震人們一般不易覺(jué)察。

3. M≥3級(jí)，小于4.5級(jí)的稱(chēng)為有感地震

這種地震人們能夠感覺(jué)到，但一般不會(huì)造成破壞。

4. M≥4.5級(jí)，小于6級(jí)的稱(chēng)為中強(qiáng)震（如9·7彝良地震）

屬于可造成破壞的地震，但破壞輕重還與震源深度、震中距等多種因素有關(guān)。

5. M≥6級(jí)，小于7級(jí)的稱(chēng)為強(qiáng)震（如8·3魯?shù)榈卣穑?·6高雄地震）。

6. M≥7級(jí)，小于8級(jí)的稱(chēng)為大地震（如8.8九寨溝地震，4·14玉樹(shù)地震，4.20雅安地震，7.18俄羅斯堪察加半島地震）。

7. 8級(jí)以及8級(jí)以上的稱(chēng)為巨大地震（如5·12汶川地震，3·11日本地震）。

發(fā)震時(shí)刻、震級(jí)、震中統(tǒng)稱(chēng)為“地震三要素”。

由于地震以地震波形式輻射的能量主要集中在震源譜的拐角頻率周?chē)?，因此能量震?jí)比矩震級(jí)更適合用于描述地震的潛在破壞性。由于能量震級(jí)是振動(dòng)破壞潛勢(shì)的更好的估計(jì)值，因此需研制在發(fā)震時(shí)刻后短時(shí)測(cè)定出能量震級(jí)的適于實(shí)施快速反應(yīng)系統(tǒng)的程序。能量震級(jí)已被多位學(xué)者和多個(gè)地震監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)用。如美國(guó)地質(zhì)勘探局國(guó)家地震信息中心會(huì)在地震輻射能量速報(bào)網(wǎng)頁(yè)上，特別通過(guò)示例解釋所提供參數(shù)中每一個(gè)符號(hào)的含義，如地震的地理區(qū)域、日期和發(fā)震時(shí)刻、震中經(jīng)緯度、能量震級(jí)、輻射能量、使用的臺(tái)站數(shù)、使用的震源機(jī)制類(lèi)型、震源深度和由合成寬帶位移波形得到的雙力偶震源機(jī)制節(jié)面。再如中國(guó)學(xué)者馮浩的地震目錄。 2100433B

由于里氏地震規(guī)模是常用對(duì)數(shù)，因此在估算能量的時(shí)候，里氏震級(jí)芮氏規(guī)模黎克特制震級(jí)每增加一，釋放的能量大約增加31倍。

下表列出的是不同級(jí)別的地震釋放的能量相當(dāng)于的TNT當(dāng)量：

程度里氏：芮氏黎克特制}-規(guī)模地震影響發(fā)生頻率

極微2.0以下很小，沒(méi)感覺(jué)約每天8,000次

甚微2.0-2.9人一般沒(méi)感覺(jué)，設(shè)備可以記錄約每天1,000次

微小3.0-3.9經(jīng)常有感覺(jué)，但是很少會(huì)造成損失估計(jì)每年49,000次

弱4.0-4.9室內(nèi)東西搖晃出聲，不太可能有大量損失。當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度超過(guò)4.5時(shí)，已足夠讓全球的地震儀監(jiān)測(cè)得到。估計(jì)每年6,200次

中5.0-5.9可在小區(qū)域內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)/建造不佳的建筑物造成大量破壞，但對(duì)設(shè)計(jì)/建造優(yōu)良的建筑物則只會(huì)有少量損害。每年800次

強(qiáng)6.0-6.9可摧毀方圓100英里以?xún)?nèi)的居住區(qū)。每年120次

甚強(qiáng)7.0-7.9可對(duì)更大的區(qū)域造成嚴(yán)重破壞。每年18次

極強(qiáng)8.0-8.9可摧毀方圓數(shù)百英里的區(qū)域。每年1次

超強(qiáng)9.0及其以上每20年1次

Ⅰ度；無(wú)感－僅儀器能記錄到；

Ⅱ度；微有感－個(gè)別敏感的人在完全靜止中有感；

Ⅲ度；少有感－室內(nèi)少數(shù)人在靜止中有感，懸掛物輕微擺動(dòng)；

Ⅳ度；多有感－室內(nèi)大多數(shù)人，室外少數(shù)人有感，懸掛物擺動(dòng)，不穩(wěn)器皿作響；

Ⅴ度；驚醒－室外大多數(shù)人有感，家畜不寧，門(mén)窗作響，墻壁表面出現(xiàn)裂紋

Ⅵ度；驚慌－人站立不穩(wěn)，家畜外逃，器皿翻落，簡(jiǎn)陋棚舍損壞，陡坎滑坡；

Ⅶ度；房屋損壞－房屋輕微損壞，牌坊，煙囪損壞，地表出現(xiàn)裂縫及噴沙冒水；

Ⅷ度；建筑物破壞－房屋多有損壞，少數(shù)破壞路基塌方，地下管道破裂；

Ⅸ度；建筑物普遍破壞－房屋大多數(shù)破壞，少數(shù)傾倒，牌坊，煙囪等崩塌，鐵軌彎曲；

Ⅹ度；建筑物普遍摧毀－房屋傾倒，道路毀壞，山石大量崩塌，水面大浪撲岸；

Ⅺ度；毀滅－房屋大量倒塌，路基堤岸大段崩毀，地表產(chǎn)生很大變化；

Ⅻ度；山川易景－一切建筑物普遍毀壞，地形劇烈變化動(dòng)植物遭毀滅；2100433B