从震级标度看人类如何探索地震能量的真相

1960年5月22日，智利南部海岸线被一场人类史上最强大的地震撕裂。这场地震释放的能量相当于 17.8万颗广岛原子弹同时爆炸，引发的海啸横扫太平洋，甚至波及日本和夏威夷。这场大地震最初的震级被误判为8.6级（美国海岸与大地测量局（USCGS）的早期公报中曾标注此次地震震级为8.6级），直到多年后科学家才用更精确的方法重新计算为 9.5级。缘何会出现如此大的误差？这得从不同的震级说起。

智利大地震引发的海啸波及范围

我们知道：震级是衡量地震能量释放大小的尺子，一个地震只有一个震级，震级相差一级，能量相差约32倍，这就如同不同瓦数的日光灯，瓦数越高则越亮眼。当前最基本的，国际上普遍使用的震级标度有4种，分别为：里氏震级ML，体波震级mb，面波震级Ms，以及矩震级Mw。

震级和对应能量的释放

里氏震级ML：

1935年地震学家查尔斯·里克特最先提出地方性震级（即里氏震级），它是以地震仪所记录到的地震波振幅为基础的。顾名思义，里氏震级是地方性的，只适用于地方性距离至近区域性距离（震中距Δ≤1000KM，确切的说适用于30KM≤Δ≤600KM的地震）。作为标定地震能量大小的“初代工具”，里氏震级虽然简单易用，适合快速估算中小地震，但对大地震会存在严重低估，仅适用于浅源地震和特定地质环境。

面波震级Ms：

1945年，古登堡和里克特提出将测定地方震级ML的方法推广到远震。在远震的地震记录图上，最大的振幅是面波，面波传递较远，衰减较慢，因此面波震级Ms选取了面波作为计算对象。但因为只能沿地球表面传播，因此，面波震级适合测量远震与浅震，缺点是如果地震不够大，或震源深度很深，则面波不发育，就很难测量面波震级。

体波震级mb：

里氏震级受到所采用的地震仪的类型及所使用的震中距范围的限制，而对于深源地震，面波又不发育。为了确定震源深度超过30km的地震震级，古登堡和里克特通过计算体波P波来确定震级。在远震距离上，P波是清晰的震相，几乎所有的地震，无论距离远近，无论震源深浅，都可以在地震图上较为清楚地识别P波等体波震相。

以上三种震级标度本质上以经验性为主，直接由地震图上测量得到，与地震的震源物理过程没有直接关系。同时，存在震级饱和现象，难以准确测定大震震级，这也解释了1960年的智利大地震，为何最初测定的震级是8.6级。地震的“真正实力”不是看它晃得多厉害，而是看它把地球撕开了多大的口子，而矩震级由地震矩决定，是一种不会出现饱和的震级标度。

矩震级Mw：

金森博雄等于1977年根据地震矩与面波震级Ms的经验关系，定义一个完全由地震矩决定的、新的震级标度矩震级 Mw。地震矩是量化震源的特征量,是描述地震大小的绝对力学量。矩震级基于断层破裂的物理参数计算得出，不会出现震级饱和现象。智利大地震用矩震级进行重新计算后，震级跃升为 9.5级，这一结果也与地质调查的断层参数完全吻合。

不同震级标度及所用数据

应急地震学的重点研究内容之一就是利用波形信息快速确定震级等震源参数，基于准确的地震震级，结合地震灾区的强地面震动记录，可以快速确定地震的破裂过程，科学评估各地区可能的受灾程度，为抗震减灾提供精准指导。一方面，震级测定的时效性非常重要，里氏震级ML、面波震级 Ms、体波震级mb等在震后数分钟内测定地震震级用于速报；另一方面如何更精准、有效地判定大震震级，为大震应急救援与海啸预警提供基础科学数据就是矩震级计算需要做的工作了。

地震台网在发布地震速报信息时，对能及时测定地震矩的地震，应优先选择矩震级作为对外发布的震级，如不能及时测定地震矩，则按照一定的原则从里氏震级、面波震级和体波震级中选择其中一种作为对外发布的震级，一般情况下：

对于M<4.5的浅源地震，一般选用里氏震级进行发布；对于 M≥4.5的浅源地震，一般选择面波震级进行发布；对于中深源地震， 一般选择短周期体波震级进行发布。

对外发布的震级用M表示，不加”里氏震级“”矩震级“等附加信息。

名词解释

地震矩：

是由地震断层的面积、断层的平均滑动量（平均错距）与断层面附近介质的剪切模型三者的乘积定义的、衡量地震大小的物理量。

震级饱和：利用观测到的地震波振幅确定震级时，由于不同震级标度测定的是特定频段的地震波振幅，当震级大到一定的级别时，测得的最大振幅不再增加，致使测得的地震震级不再随地震的增大而增大的现象，称为震级饱和。

不同震级标度的震级饱和现象

我国的震级测定历史

1956年以前，我国的地震报告都不测定震级，自1957年至1965年底，我国的地震报告采用苏联索洛维也夫和谢巴林提出的面波震级计算公式测定震级。1966年1月以后，采用郭履灿提出的，以北京白家疃地震台为基准的面波震级计算公式测定面波震级（震中距在1°≤Δ≤130°内，使用地震面波周期T在3秒≤T≤25秒内。其中1°震中距等于111.22KM)，并一直沿用至今。1985年以后，我国763型长周期地震台网建成并投入使用，并选用垂直向瑞利波的振幅与周期比的最大值测定面波震级。需要指出的是，郭履灿于1971年提出的、但1981年才得以发表的计算公式与古登堡提出的计算公式相比较，除了震中距范围不完全相同外，其公式右边的数值因子也不同，后来的研究表明，按这个公式测定的Ms与ISC测定的Ms有高0.2级的系统偏差，而在10°~20°范围内又偏小。

参考资料：

1.GB 17740-2017（地震震级的规定）

2.地震浅说（陈运泰著）

3.传统与现代震级标度（作者：刘同辉等）

4.IASPEI新震级标度与传统震级标度的对比（作者：任克新等）

排版 | 熊丹

一审 | 张帆

二审 | 盛馨逸

终审 | 刘小龙