矩震级

利用地震矩的大小确定震级

矩震级是利用地震矩的大小确定震级。地震矩是一个描述地震发生时的力学强度的物理量(类似于力矩的概念)，它由地震断层的破裂面积、平均错动量及岩石的剪切模量的乘积来确定。地震矩及矩震级可通过地震波谱的综合反演求得，或通过地震的破裂特征(地震断层规模、震源深度、错动量及岩石力学性质等) 求得。

Mw排序

以前的地震科普材料里已经比较多地介绍过，什么是里氏震级？怎样从近震震级ML，逐步推广到面波震级Ms，体波震级Mb？在那些材料里一般都会告诉大家，对于震源浅且距离远的强震通常测定面波震级Ms。可是，上世纪六、七十年代，有科学家在研究全球地震年频度与面波震级Ms的关系时发现，缺失Ms超过8.6的地震。他们认为，当Ms超过8.6以后，尽管地表出现更长的破裂，显示出地震有更大的规模，但测定的面波震级Ms值却很难增上去了，出现所谓震级饱和问题。于是，从反映地震断层错动的一个力学量：地震矩M0出发，又提出一种新的震级标度：矩震级Mw。

在力学里，矩的概念是用来讨论物体转动问题的。例如，用双手放在桌子的两边，在水平方向上一只手向前推，另一只手向后拉，桌子就可能转动。桌子是否转得动以及转动量的大小不仅与这对力的大小，而且与这对力的距离有关。这对大小相等，方向相反的力，叫做力偶。衡量这对力偶对于转动作用大小的是力偶矩，其量值等于其中一个力的值与它们之间的距离之乘积。这个概念被引伸到断层位错问题，可用断层面积S、断层面的平均位错量和剪切模量μ的乘积定义地震矩。显然，这是对断层错动引起的地震强度的直接测量。

Mw与震级

以往的科普材料里，在说明震级与地震烈度的区别时，常常强调，地震烈度是从地震造成的破坏程度及引起的影响反映地震的大小，而震级反映了地震波能量的大小。要将由里氏震级发展起来的几种震级标度与矩震级做比较，就不能不更进一步说清楚，只有矩震级才真正反映了地震错动的大小。那几种震级只是抓住某一种地震波的最大振幅来标征地震的大小，它们与地震波能量大小的关系只是一种统计关系。而地震波能量也只是地震释放总能量的一部分。又由于最常用的面波震级达8.6以后又有饱和问题，比较特大地震当然得用矩震级了。

地震有强有弱，用以衡量地震本身强度的“尺子”叫震级。震级可以通过地震仪器的记录计算出来，它的单位是“级”。其大小与地震释放的能量有关，地震能量越大，震级就越大。震级标准，最先是由美国地震学家里克特提出来的，所以又称“里氏震级”。里氏震级是一个对数函数，震级每相差2级，其能量就相差1000倍。一个8.5级地震通过地震波释放出来的能量，大约相当于二滩电站连续发电近6年的电能总和。

震级分类

按照震级的大小，也可以对地震进行分类，我国通常分为以下几类：

微震 —— 震级小于3级的地震；

弱震 —— 震级等于或大于3级、小于4.5级的地震；

中强震—— 震级等于或大于4.5级、小于6级的地震；

强震 —— 震级等于或大于6级的地震。也有人把震级等于或大于7级的地震称为大震。

摘要震级修订是世界各国地震台网（中心）地震参数测定工作的常规工作的一个环节。汶川地震发生后，我国地震台网速报的汶川地震的“面波震级”为7.8级；5天后修订为“面波震级”8.0级。美国地质调查局（USGS）国家地震中心（NEIC）速报的结果是“矩震级”7.8级；不久，将其修订为“矩震级”7.9级。地震后翌日，我们由“地震矩张量反演”得出，汶川地震的“矩震级”至少为7.9级，所释放的“标量地震矩”至少为4.4×1021 N·m。无论是“面波震级”，还是“矩震级”，汶川地震都要比唐山地震（“面波震级”7.8级，“矩震级”7.6级）大得多。汶川地震的“矩震级”（7.9级）比唐山地震的“矩震级”（7.6级）大0.3级，表明汶川地震释放的能量比唐山地震释放的能量大约3倍！事实上，汶川地震的断层长度大约为300 km，也是唐山地震断层长度（不足100 km）的3倍多。汶川地震的震级大、断层长，从震源特性的角度说明了为什么这次地震会造成如此巨大的破坏。

那么，汶川地震究竟有多大？为什么要做修订？这还要从震级说起[1-2]。

震级是用来衡量地震本身（相对）大小的一个物理量。我们是如何测量地震的震级呢？很简单，我们是根据在地面上测到的地面振动的强烈程度来测量。但是，因为同样大小的地震所引起的地震动在近的地方振动大，在远的地方振动小，所以必须把它由近到远振动幅度如何变化的规律即衰减规律事先搞清楚。同时，要确定一个震级的起算标准，即究竟强度多大的地震是零级地震？然后参照它定1级地震是多大，2级地震是多大，等等。测定震级时遇到的问题是，在地面上测到的地震引起的地面振动，不仅仅是由地震的大小决定的，它还与地震波传播时所经过地方的性质大有关系。在不同的地层、沿不同的方位，地震波的速度都不一样，介质对地震波吸收的程度也不一样。所以，即使距离相同，在不同方位的地震仪记到的地震波动幅度，也会因传播地震波的介质的不同而不同。确定震级的时候，要考虑到地震波“沿途”衰减的情况，将传播路径的影响扣除掉。

地震波传到了地震台上，有些地震台建立在很坚硬的基岩上，而有些地震台别无选择，只好建立在松软的沉积层上。松软的沉积层对地震波有放大的作用。同样的地震波，传到地震台站下方的时候，到了松软的地方就放大，到了坚硬的地方不放大，所以地震仪记录下来的地面振动的幅度也不一样。因此，确定震级的时候，还要考虑到台站所处位置的土层和岩石条件。

再有一点，地震是地底下岩石突然的错动，这个错动是有方向性的。地震发生的时候，向东发出的地震波和向北发出的地震波，在幅度上本来就可能不一样，即辐射有所谓的“方向性”，好比电视塔发射电磁波的时候，发出的波在不同方向的强度实际上是不一样的。在进行震级测量的时候，理应事先考虑到这些因素，才能够做到用同样的方法在不同的台站测出来相同的结果。实际上，地震刚发生不久时，这是不完全可能的。要得出一个准确的、真正能衡量出地震本身大小的震级，必须用全球所有地震台的观测资料做测定，台站方位的覆盖要比较合理、均匀，远近都有，最后对大量的地震台测定的结果取平均。地震一旦发生之后，中国的地震台、日本的地震台、美国的地震台等等，都要抢先在第一时间报告政府和告诉公众，在什么地方发生了多大的地震。在这个时候没有太多的选择，只能用手头上能够掌握的少数几个地震台站的记录做测定。比如说，用先行传播到的台站的资料做测定，这时要求快，当然也要求准，但不能苛求特别准。所以我们可以看到，凡是一个地震发生的时候，不同的国家、不同的地震台网测定的震级不尽相同。而且即使是同一个台网，同一个台站，测定的震级随着时间的推移也会不断地修正。正如美国地质调查局（USGS）国家地震中心（NEIC）常在公报中特别地加上一段说明：“这是初步测定的结果，更精确的结果待更多、更精确的资料传到后再做修正”。这就是为什么在任何地震发生的时候，常常看到震级不一样的一个原因。我这里说的是一般情况，包括唐山地震也是如此。唐山地震最终确定的震级是“面波震级”7.8级，这是全世界公认的结果。但是在新闻媒体报道时，因为地震发生之后，有的地震台网相对于地震处在一个特殊的位置上，测定出特别大的震级；而有的地震台网则处在另外一个方位，测定的结果特别小。这是一个原因。

另外一个原因是，地震学家在测量地震震级的时候，常不得不用不同的标度或尺度测量[3-5]，因为并不是所有地震都可以用同一把“尺子”来量的，在某个震中距范围的地震，只能用某个震级标度来量，而在另一个震中距范围的地震，则只能用另一个震级标度来量。当然，用不同的“尺子”量同一个地震，结果理当相同。但由于存在所谓的“震级饱和”问题，也就是说即使地震再大，测出的震级到了最大时，并不会因地震大而增大，因此测出的结果常常也是不相同的。1999年9月21日我国台湾集集大地震也有类似的问题。地震刚发生的时候，台湾当地的地震台网测定的震级才7.3级，但是这个地震最后确认的是“矩震级”7.6级。即使是同一个台网，若采用不同的尺度，得出来的结果也不尽相同。

过去，震级要在地震过后几个月，甚至半年、一年，待全球记录到的资料汇集到地震中心后测定出来的才是“最终”的结果。不过，随着信息时代、数字地震时代的到来，随着地震学的发展，这个过程所需要的时间正在迅速地缩短。实际上，汶川地震发生后，美国地质调查局国家地震中心给出的结果是“矩震级”7.8级。不久，将其修订为“矩震级”7.9级。我国地震台网用的是“面波震级”，速报结果为“面波震级”7.8级；5天后修订为“面波震级”8.0级。地震后翌日，我们所做的“地震矩张量反演”得出的测定结果是，汶川地震的“矩震级”至少为7.9级，有可能高达8.3级。这次地震所释放的“标量地震矩”为4.4×1021 N·m[8]。

参考文献（References）

[1] 陈运泰. 地震能量和地震效率[R]. 地震参数－数字地震学在地震预测中的应用. 北京: 中国地震局监测预报司/中国地震局地球物理研究所/中国地震局分析预报中心/中国科学院研究生院, 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] 陈运泰, 刘瑞丰. 地震的震级[J]. 地震地磁观测与研究, 2004, 25(6): 1-12.

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

[3] 刘瑞丰, 陈运泰, 任枭, 等. 2001年11月14日昆仑山口西地震——一次面波震级未饱和的地震[J]. 地震学报, 2005, 27(5): 467-476.

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

[4] 刘瑞丰，陈运泰，Bormann P, 等. 中国地震台网与美国地震台网测定震级的对比(I)——体波震级[J]. 地震学报, 2005, 27(6): 583-587.

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

[5] 刘瑞丰, 陈运泰, Bormann P, 等. 中国地震台网与美国地震台网测定震级的对比(II)——面波震级[J]. 地震学报, 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] 陈运泰, 许力生, 张勇, 等. 2008年5月12日汶川特大地震震源特性分析报告[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] 黄永明. 陈运泰: 地震预报要知难而进[J]. 科技导报, 2008, 26(10): 19-21.

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

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市

云南省

丽江市

云南省