趣味地震学 | 震级，向能量标度靠拢（2）

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中国地震学会—地球科学科普栏目

地震科普—震级，向能量标度靠拢

看天上的星星尽显光辉

赏地下的河水肆意奔流

18、震级，向能量标度靠拢

18.2 地震与能量的关系

18.3 地球的能量观

18.2地震与能量的关系

能量，只有能量才可以提供一条通道、架起一座桥梁，能够把客观世界的各种现象联系起来，揭示它们间转换和因果关系。能量很抽象，但十分关键，只有掌握它才能站得高、看得远。

◆地震的能量

震级标度合理化后，不同震级的能量关系便清晰了。

震级每差1 级，能量差31.6 倍；每差2 级，能量差1000 倍（图18-9）。地震与其他自然现象的强度也就有了可比性。例如火山爆发、原子弹爆炸的强度远不及一次8.0 级以上的大地震（图18-10）；中等龙卷风的威力也不过4.0 级多的地震。

图18-9　不同震级的能量

有人质疑道：地震能量不止地震弹性波，还有很多能量没有算呢。

这个问题提得很有价值！

确实，诸如震源体的非弹性形变、摩擦热能、位错移动、地球晃动、应变能的转化和剩余量，以及地震时重力位能所抵消掉的一部分弹性应变能，这些能量或者看不到，或者估算不出来。显然，我们目前能掌握到的仅是位错释放能量的一小部分，大部分还是空白状态。

图18-10　地震能量与其他现象对比

近些年，静地震（Silent Earthquake）和慢滑移（Slow Slip）现象得到确认，这部分的能量尺度开始有了定量估算。也有人曾做过能量上限的理论估算。

◆能量震级

2002 年，能量震级Me 被提出来，并开始在国际上使用。由于地震波的能量正比于地面质点速度的平方，即E ～（u/T）2，地震的最大能量是在位移频谱拐角频率fc 附近释放的（图18-7）。若假设震源是点源，四周围是均匀球面，则可以用远震P 波的垂直向记录算出地震能量Es，并有以下关系［1］，

式（18-4）能够反映震源辐射过程的动态特性，与造成灾害的地震能量关系更紧密，也更贴近里克特- 古登堡公式的原意。从发展上看，能量震级最终会取代矩震级。

到那个时候……

新闻界的伙伴们！再不会把“能量震级”叫成“里氏震级”了。

18.3 地球的能量观

◆蠕变曲线

地震释放的应变能量E 正比于速度V2，于是能量E 的平方根就必然带有地壳蠕变速度的信息，能量E 可从式（18-2）的震级算出来，构成蠕变曲线（图18-11），它是地震预测中的一个重要手段。

地层的蠕变运动总有稳定的趋势线， 若观测到的蠕变累积量维持不变， 则反映着“能量积蓄”， 出现阶跃式的突变则对应能量的释放——这个量是可以从蠕变曲线上估算出来的。

图18-11　蠕变曲线用于地震预测

◆空间上的能量问题

全球地震台网（GSN）在80 个国家和地区共设立了128 个永久台站， 不仅仪器参数有了统一的规范，全球地震的大小也被矩震级Mw 统一起来，有利于研究视点的合理地集中。例如1900 年以来,Mw9.0 以上的5 次大地震均分布于太平洋边缘（图18-12），释放了半数以上的能量（图18-13）。国外文献将此处简称为火环（Ring of Fire），452 座火山占到全球总数的75% 以上（图18-14）。

从三维空间看，太平洋的地震- 火山带沿着地球的一个大圆切面（图18-15）。这个切过地心的大圆面把地球均等地分成两半：一半的地表几乎全部是海水；另一半主要是陆地，属于深层质量分布非对称性的反映。它们的活动必将对地球的自转运动产生影响。

图18-12　全球Mw9.0以上的大地震

图18-13　全球矩震级的能量比例（1900—2018）

图18-14　智利2015 年火山喷发和火环形象

图18-15　太平洋火环的大圆截线（刘珠妹，2019）

◆时间上的能量问题

地球存在非球状、非对称的质量分布，导致自转轴和惯性轴不重合。随之，自转轴P 进动轨道的极移中心点（图18-16 的Π 点）还会不断地发生变化。

图18-16　地球自转轴和它的进动、章动

图18-17　钱德勒（S Chandler，1846—1913）

1891 年， 钱德勒（图18-17）发现自转轴P 有两种变动形式：一种是周年进动， 气候变化起主要作用。另一种是自由章动， 周期的变化范围很大（425 ～ 440 天）， 振幅时大时小（会在地表摆动3 ～ 9m），亦称钱德勒摆动或纬度摆动。这个摆动是一种阻尼运动，如若没有外源的激发，它肯定会在30 ～ 100 年间耗尽能量而自行消失。

奇怪的是：它总是不死掉！

那么，究竟是谁在作祟？谁在悄悄地、无规则地激发它，让自转轴不停地摆动呢？

几百年来，一直没搞清楚。

应用矩震级标度之后， 大震的地震矩从1020N·m 上升了几个数量级，已经达到了1022 ～ 1024 N·m——钱德勒摆动的理论数量级。初步分析表明，地震会把地球的部分质量推近地轴，使地球自转速度加快。例如，2004 年印度洋9.1 级地震，曾经使日长缩短6.8μs；2010 年智利8.8 级地震使地球自转轴偏移了约8cm，日长缩短1.26μs；2011 年9.0 级的东日本海地震使地球自转轴偏移了25cm，日长缩短1.8μs。这些结果为揭示钱德勒摆动的激发机制提供了物质基础。毕竟，巨大地震是迄今人类观测到的、由地球无规则释放的最大非隐性能量。

据美国NASA 的观测资料，公元2000 年以前，极移的中心点向西经80°方向漂移（加拿大东北部）。2000 年后折向东，向着英伦三岛方向漂移（图18-18）。人们还注意到，2002—2015 年，每逢欧亚大陆遭遇干旱，地轴中心点便会向东倾斜；较为湿润时，又朝西倾斜。

地球存在非球状、非对称的质量分布，导致自转轴和惯性轴不重合。随之，自转轴P 进动轨道的极移中心点（图18-16 的Π 点）还会不断地发生变化。

图18-18　地球自转轴的漂移

分析表明，地轴中心点在2000 年前后的巨大变化极可能与地震的活动有关。

在1900 年到如今的100 余年间，全球8.8 级以上的特大地震共7 次。2000 年前的百年，集中在太平洋东北半侧。极移中心Π 点在1900 ～ 1910 年、1950—1970 年的移动幅度最大，每10 年达到3 ～ 5m，这期间均有特大震发生。2000 年之后，若以智利- 日本的大圆为分界线，则180 度大变脸，都发生在太平洋的西南半侧（图18-19）。

图18-19　8.8 级以上大震分布的对比

学术界已有共识：大地震的发生与钱德勒摆动（包括地球自转角速度变化）符合得比较好，且不只所列的现象。对其物理机制，已有许多重要论文发表［6］。

能量，这个看不见摸不着的物理量，以能量守恒的第一原则主宰着宇宙万物，从而成为我们认识客观事物的出发点和归宿。

地震学家不不辞辛苦地改进震级的测定，努力向能量标度靠拢，方向无疑是正确的。

○参考文献

［1］刘瑞丰，陈运泰，任枭，等. 震级的测定［M］. 北京：地震出版社，2015.

［2］豪厄尔. 地震学史［M］. 柳百琪，译. 北京：地震出版社，1998.

［3］Richter C F. Elementary Seismology［M］. San Francisco ：Freeman，1958.

［4］Bolt B A. 地震九讲［M］. 马杏垣，吴刚，余家傲，等译. 北京：地震出版社，2000.

［5］ Kanamori H. Magnitude scale and quantification of earthquake［J］. Tectonophysics，1983，93（3-4）：185-199.

［6］ Preisig，Joseph R M. Relationships of earthquakes（ and earthquake-associated mass movements） and polar motion as determined by Kalman filtered，very-long-baseline-interferometry group delays，NASA Technical Memorandum 100711，2018. http：//ntrs.nasa.gov/search. jsp?R=19890012059 2018-11-15T21：59：26+00：00Z

图文来源：《趣味地震学》

来源：中国地震学会