地震小科普:常用震级介绍

前言

我们经常在报章或者新闻报导中听到某次地震的强度是「里氏9.0级」,到底「里氏」是什麽东西?是怎样决定地震强度呢?其实我们在不知不觉下已经吸收到错误的知识!各位读者们不妨在读完本文后仔细想想我这句话是什麽意思吧。

 

近震震级(Local Magnitude, ML)

近震震级,在1935年由两位来自美国加州理工学院的地震学家芮克特(Richter)和古腾堡(Gutenberg)共同制定的。近震震级在不同地方有不同的称呼,大陆地区主要称呼为「里氏震级」、港澳地区主要称呼为「黎克特制震级」、台湾地区则称呼为「芮氏规模」、国外则是称呼为「Richter Magnitude Scale」,共通点都是使用芮克特的音译来称呼。

在距离地震震央100公里处的观测点所设置的地震仪,若记录到最大水平位移1微米(即百万分之一米),则定义为近震震级(ML)0。因为计算式是使用10的幂,所以只要最大的水平位移增大10倍,近震震级会增加1.0。例如在某一场地震中,观测点录得最大水平位移为1米,那这一场地震的近震震级则为ML 6.0。

但用来观测的伍德—安德森扭力式地震仪有其设计上的限制,若果震中距超过600公里,就没办法计算出正确的震级;同时,这种震级在6.5就开始有饱和的现象,在计算大型地震上面会因为饱和现象而发生震级低估的情况。后来为了改善这样的情况,先后开发了体波震级(mb)、表面波震级(Ms)、矩震级(Mw)等。

 

体波震级(Body wave Magnitude, mb)

地震波有分为实体波、表面波和尾波,其中实体波又分为速度较快、振幅较小的P波和速度较慢、按幅较大的S波。体波震级就是古腾堡于1945年提出,计算式与近震震级有类似,但利用实体波中P波的振幅、以及其週期来计算震级

由于P波传播速度非常快,所以计算地震的强度非常快,但体波震级在6左右亦会发生饱和现象

 

表面波震级(Surface wave Magnitude, Ms)

相对于体波震级,表面波震级(又称为面波震级)则是利用表面波中的雷利波来作计算的。为了补足近震震级在计算大型地震强度的缺陷,古腾堡开始着眼于表面波的振幅、週期和震中距离震级的方式,其后发现表面波在週期20秒左右通常能产生最大的振幅,最后终于在1950年代发展出表面波震级。

表面波震级的计算式方面跟体波震级相似,但是它到8才会开始发生饱和现象,因此能计算出大部份的地震强度。

 

日本气象厅地震震级(Japanese Meteorological Agency Magnitude Scale, Mj / Mjma)

日本气象厅地震震级,是日本用于表示地震强度的一种独有的地震震级系统。其使用可追溯至1920年代的报告中,途中经过多次改善改修一直沿用至今。

这是利用地震波造成的地面移动的速度值和变动值来计算出来一种複杂的震级系统,在计算小规模地震时,会强调高频的成份,测定地面移动的速度,从而用来计算出所谓的「速度震级」;而在计算中规模以上的地震时,则强调低频的成份,计算出饱和上限值较高的「变位震级」。

这种震级比起矩震级(后述)可以更快计算出结果,能活用于地震预警之类的系统。但与前述的震级一样,在M8.0以上的巨大地震时,地震波会因为能量被地盘吸收而无法计算出正确的数值。最明显的例子就是2011年的东日本大震灾的气象厅震级为Mj 8.4,但矩震级则为Mw 9.0~9.1。

 

矩震级(Moment magnitude scale, Mw)

在介绍矩震级之前,需要先介绍饱和现象是什麽的一样东西。像震级到7以上的大地震,断层破裂面已经是相当的大(可能在数百平方公里以上)。这样的大地震在发生的时候,破裂面不会在瞬时间全部滑动,而是以一定的速度扩散开去。如此一来,地震仪会捕捉到持续时间很长的地震波,特别是会出现多次的峰值,但震幅的值却不会再增加很多。亦因为这样,利用震幅大小而计算出来的地震震级值就没办法再增加了,也就是所谓的饱和现象。

对于这样的现象,金森博雄于1977年制定矩震级,其概念就像是由地震「作功」一般,因此矩震级的简称Mw中的w就是「功(work)」。矩震级是从地震矩(seismic moment)加以计算的一个无单位的数字,而地震矩则是由断层面积、滑动量和断层的刚性系数得出来的。从这样的关係式可见,这震级系统并不受震幅所影响,所以并没有饱和的现象,亦没有上限值,因此可以计算出震级超过8.0,甚至9.0的巨大地震。

但是因为计算需时,所以无法活用于地震预警中;同时,弱震如震级3.0以下因为无法测出地震矩,所以矩震级在这种等级的弱震时反而派不上用场。

看完这篇文章后,不妨花点时间想想文章最前面所提到的「里氏9.0级」,错误发生在哪裡?

中国科学院院士地震地质学家邓起东逝世 享年80岁

我国著名构造地质学家和地震地质学家、中国共产党优秀党员,中国科学院院士、中国地震局科学技术委员会副主任,中南大学荣誉教授、南京大学和浙江大学兼职教授,中国地震学会荣誉理事、地震地质专业委员会创始人和首任主任,地震地质期刊主编,中国地震局地质研究所研究员,原国家地震局地质研究所副所长、学位委员会主任,中国地质学会理事、中国地震学会理事邓起东先生,因病于2018年11月6日23时22分在北京逝世,享年81岁。

邓起东先生将毕生精力献给了祖国的科学事业,一直奋斗在地质科学的最前沿。他是我国地震地质与构造地质学科的开拓者和奠基人,在活动构造、活动断层与古地震、地震区划、地震机理和预测等领域取得了卓越成就,学术造诣享誉海内外。

邓起东先生是一位远见卓识的战略科学家和杰出的教育家,他的学术思想指明了我国活动构造研究的发展方向,引领我国活动构造学走向繁荣、走向世界;他治学严谨、诲人不倦,培养了大批杰出人才和学术骨干,为我国地球科学事业发展做出了重要贡献。

邓起东先生对党、对国家、对人民无限忠诚,他一生追求真理、无私奉献、品行磊落、淡泊名利,为我们树立了光辉的典范。他的逝世是我国科学界的巨大损失!

我们沉痛悼念并深切缅怀邓起东先生!

个人简介

邓起东(1938—2018年11月6日)湖南省双峰人。研究员,中国科学院院士。1961年毕业于中南矿冶学院(现中南大学)地质系,先后在中国科学院地质研究所和中国国家地震局地质研究所从事科研工作。1961年毕业于中南矿冶学院地质系,同年进入中国科学院地质研究所工作;1978.2-1998.3进入国家地震局地质研究所工作,曾任国家地震局地质所副所长;1998.4-现在中国地震局地质研究所学位委员会主任,名誉主任,研究员,博士研究生导师,2003年当选中国科学院院士。

曾任中国地震局地质研究所副所长和学位评定委员会主任、名誉主任,现任研究员、博士生导师、中国地质学会和中国地震学会理事、中国地震学会地震地质专业委员会主任。

研究领域为构造地质学,主要从事活动构造、地震地质、地球动力学和工程地震研究;包括我国华北、山西、天山阿尔泰山和青藏高原等不同地区的活动构造和大地震区地震构造研究,走滑、挤压和拉张等不同类型构造的几何学、运动学和形成机制研究,古地震区和定量活动构造学研究,全国和地区活动构造图编制及构造应力场和动力学研究、地震区划和工程地震研究等。主持完成了多项国家和中国地震局重点项目及中外地震和活动构造合作研究项目。

作品简介

在国内外发表论文230篇,专著13部(第一作者9部),论文227篇(第一作者96篇),其中SCI收录28篇,SCI统计引用762次,代表性著作有《海原活动断裂带》、《天山活动构造》等。有13项科研成果先后17次获国家级和省部级奖励,其中国家科技进步二等奖2项,省部级科技进步一等奖3项,二等奖3项。1991年获第二届李四光地质科学奖。1992年被评为国家级有突出贡献中青年专家,已培养博士和硕士研究生21名,其中1篇博士论文1999年被评为首屈全国优秀博士学位论文。2003年当选为中国科学院院士。

科研经历

邓起东院士长期从事活动构造、地震地质和工程地震研究, 对我国华北、山西、天山、阿尔泰山和青藏高原的活动构造和大地震区地震构造有深入的研究;对走滑、挤压和拉张等不同类型构造的几何学、运动学和形成机制有创造性发展;建立和发展了活动构造大比例尺填图技术,发展了古地震研究,领导了全国活动构造地质填图和研究工作,推进了定量活动构造学研究;系统编制了我国活动构造图,总结了我国活动构造和应力场特征,提出了新的运动学和动力学模式;主编完成了我国第一份经国家批准使用的地震烈度区划图,成为全国抗震设防标准;完成了大量城市和大中型工程活动构造及地震安全性评价工作,为经济持续发展作出了重要贡献。

荣获奖项

邓起东先生先后出版专著13部(第一作者9部),论文227篇(第一作者96篇),SCI统计引用高达762次,CSCD统计引用627次,曾获国家科技进步二等奖2项,国家地震局科技进步一、二等奖5项,三等奖5项,1991年获第二届李四光地质科学奖。

学术论著

  • 城市活动断裂探测和地震危险性评价问题
  • 活动构造定量研究与应用
  • 山西隆起区断陷地震带地震地质条件及地震发展趋势概述
  • 中国构造应力场特征及其与板块运动的关系
  • 中国活动构造基本特征
  • 中国活动构造研究的进展与展望
  • Basic characteristics of active tectonic
  • 断层崖崩积楔及贺兰山山前断裂全新世活动历史

到2006年止,在国内外发表了论文230余篇,专著13部,SCI收录和引用数高,有15项科研成果先后19次获国家级和省部级奖励,其中包括国家科技进步奖2等奖2项,3等奖1项,1991年获第二届李四光地质科学奖。代表性著作有《海原活动断裂带》、《天山活动构造》、《中国活动构造图(1:400万)》、《中华人民共和国地震构造图(1:400万)》和《中国地震烈度区划图(1:300万)》等。

 

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