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        震級(jí)測定技術(shù)的發(fā)展與展望

        2021-07-24 15:06:24劉瑞豐
        城市與減災(zāi) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:寬頻面波震級(jí)

        劉瑞豐

        引言

        地震發(fā)生后,人們首先關(guān)注的問題之一就是這次地震有多大?

        震級(jí)是表示地震大小的一個(gè)量,是地震的基本參數(shù)之一。根據(jù)震級(jí)可以近似地得到其他震源參數(shù),如地震能量、地震矩、震源破裂時(shí)間、斷層長度、斷層面積等。對于淺源地震來說,震級(jí)越大,地震所造成的災(zāi)害越嚴(yán)重,所以震級(jí)還是開展地震應(yīng)急、地震救援與災(zāi)害損失評(píng)估的重要參數(shù)。因此,震級(jí)具有科學(xué)性和社會(huì)性雙重屬性。無論是從科學(xué)研究的角度,還是從社會(huì)需求的角度,快速、準(zhǔn)確地測定出地震的大小都是一件意義重大的基礎(chǔ)性工作。

        1935年,美國著名地震學(xué)家里克特(C.F.Richter)提出了震級(jí)的概念,發(fā)明了測量地震大小的方法,第一次把地震大小變成了可測量、可相互比較的量,使地震學(xué)成為一門定量的科學(xué)(圖1)。為了紀(jì)念里克特在震級(jí)測定領(lǐng)域做出的突出貢獻(xiàn),普及地震知識(shí),他的生日4月26日被美國設(shè)成“里克特震級(jí)標(biāo)度日”(RichterScaleDay)。

        圖1 里克特(1900—1985)

        震級(jí)的巧妙之處

        地震是一種發(fā)生在地球深部的自然現(xiàn)象,震源深度從幾千米到七百多千米;地震的大小又相差懸殊,可小到人們不能感覺,也可大到震撼山岳,山河改觀。地震的震源非常復(fù)雜,不同類型的地震輻射地震波的差異很大,地震產(chǎn)生的地面震動(dòng)的幅度和頻率范圍都很大。而用于觀測地震的地震臺(tái)站分布在地表,要準(zhǔn)確測定地震的大小,并不是一件容易的事。

        地震實(shí)際上是震源在很短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量能量,其中一部分能量以地震波的形式向外傳播。因此,地震學(xué)家認(rèn)識(shí)到以地震能量來規(guī)定地震的大小最為合適。然而,在模擬記錄時(shí)代,要測定地震能量難度非常大。如何準(zhǔn)確地測定地震的大?。窟@是一個(gè)長期困擾地震學(xué)家的問題。從1875年近代地震儀器發(fā)明以來,一直到震級(jí)概念的提出,整整用了60年的時(shí)間。

        全球的地震臺(tái)網(wǎng)每年記錄到的地震有500萬次,只不過絕大多數(shù)地震人們感覺不到,只有靈敏的地震儀器可以記錄到這些地震。因此,地震學(xué)家意識(shí)到雖然地震是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象,但也需要采用一種便于實(shí)際操作的方法測定地震的大小,以滿足地震臺(tái)網(wǎng)每天分析處理大量地震的實(shí)際需求。

        任何一種波都具有多種頻率成分,但對于某一特定的波來講,在其頻譜中卻有一個(gè)或幾個(gè)起主導(dǎo)作用的“優(yōu)勢頻率”或“優(yōu)勢周期”。對于光波來講,不同的優(yōu)勢頻率決定了不同的顏色;對于聲波來講,不同的優(yōu)勢頻率決定了不同的音調(diào);而對于地震波來講,不同的震相及其優(yōu)勢頻率決定了地震的類型。因此,通過對地震波形分析,對地震進(jìn)行分類。

        1.近震:對于1000km以內(nèi)的近震,P波和S波周期較小,一般在0.01~2s。用短周期地震儀器記錄S波最大振幅的周期一般在0.8~1.2s之間,其優(yōu)勢周期為1.0s左右;

        2.淺源地震:對于1000km以外的淺源地震,地震波頻帶較寬,P波周期一般在4~6s,S波周期一般在6~10s,面波周期大多在10~25s。用長周期地震儀器記錄面波最大振幅的周期一般在18~22s之間,其優(yōu)勢周期為20s左右;

        3.中深源地震:P波初動(dòng)尖銳,面波不發(fā)育,與相同震級(jí)和震中距的淺源地震相比,地震持續(xù)時(shí)間短。

        震級(jí)的巧妙之處就在于采用“單一頻率”的多種震級(jí)標(biāo)度,表示不同類型地震的大小。用簡單的方法,解決了地震定量這一難題。常用的傳統(tǒng)震級(jí)有3種,包括地方性震級(jí)ML、面波震級(jí)MS和體波震級(jí)mB。這3種震級(jí)都有各自的適用范圍。ML適合表示近震的大??;MS適合表示淺源遠(yuǎn)震的大??;mB適合表示不同震源深度地震的大小,尤其是適合表示中源地震、深源地震和地下核爆炸的大小。使用這3種震級(jí)就可以表示所有類型地震的大小。

        全球震級(jí)測定的發(fā)展

        自從1935年“震級(jí)”的概念被提出后,就在世界各國得到了普遍的應(yīng)用,各國和國際地震機(jī)構(gòu),根據(jù)自己的研究成果和觀測數(shù)據(jù),建立了適合于不同區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)震級(jí)的測定方法劃分,震級(jí)可以分為傳統(tǒng)震級(jí)和現(xiàn)代震級(jí)兩大類。

        (一)傳統(tǒng)震級(jí)

        傳統(tǒng)震級(jí)(TraditionalMagnitude)是用“單一頻率”地震波(P波、S波或面波)的振幅A和周期T測定的震級(jí)。常用的有地方性震級(jí)ML、面波震級(jí)MS和體波震級(jí)mB。

        1.地方性震級(jí)ML

        1925年,美國地震學(xué)家伍德(H.O.Wood)和安德森(J.M.Anderson)設(shè)計(jì)了著名的伍德-安德森短周期地震儀器,其常數(shù):擺的固有周期為0.8s,阻尼常數(shù)為0.8,放大率2800倍。

        始建于1921年的美國南加州地震臺(tái)網(wǎng),發(fā)展到1935年共有12個(gè)地震臺(tái),全部配置伍德-安德森短周期地震儀器,記錄了幾百個(gè)地震,地震的大小變化范圍很大,從幾乎是無感地震直至大地震。1935年,里克特在編輯美國南加州的地震目錄時(shí)發(fā)現(xiàn),南加州的地震都比較淺,震源深度一般都小于15km,且不同臺(tái)站記錄同一地震的波形幅度差別很大。他同時(shí)注意到這樣一個(gè)事實(shí):地震波的振幅隨距離的衰減是有規(guī)律的,可用來測定地震大小。于是,里克特提出了第一個(gè)震級(jí)標(biāo)度——地方性震級(jí)ML。

        2.面波震級(jí)MS

        作為一種短周期地震儀,伍德-安德森地震儀可以較好地記錄近震短周期地震波。然而,在地震波的傳播過程中,由于高頻地震波的衰減要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低頻地震波,當(dāng)?shù)卣饍x距離震中較遠(yuǎn)時(shí),這種地震儀的記錄能力變得有限,用地方性震級(jí)ML就無法測定全球范圍遠(yuǎn)震的大小。

        在遠(yuǎn)震的長周期地震儀器的記錄圖上,最大的振幅是面波,對于震中距Δ>2000km的淺源地震,面波水平向振幅最大值的周期一般都在20s左右。1945年,古登堡(B.Gutenberg)將測定地方性震級(jí)ML的方法推廣到遠(yuǎn)震,提出了面波震級(jí)MS,彌補(bǔ)了地方性震級(jí)的局限性。

        3.體波震級(jí)mB

        面波震級(jí)MS可以表示遠(yuǎn)距離淺源地震的大小,但對于面波不發(fā)育的中源地震、深源地震和地下核爆炸,則無法直接測定面波震級(jí)。1945年,古登堡提出了體波震級(jí)標(biāo)度mB,完善了對遠(yuǎn)距離地震大小的量度。對于不同震源深度的遠(yuǎn)震和地下核爆炸,都能測定體波震級(jí)。

        地方性震級(jí)、面波震級(jí)和體波震級(jí)構(gòu)成了傳統(tǒng)震級(jí)體系的基本框架,用這3種震級(jí)就可以表示所有類型地震的大小。在此基礎(chǔ)上,各國的地震學(xué)家根據(jù)實(shí)際工作需求,又提出了其他震級(jí),這些震級(jí)都是與上述3種基本震級(jí)對接的震級(jí)。如:持續(xù)時(shí)間震級(jí)Md是與ML對接的震級(jí);日本震級(jí)MJ是與MS對接的震級(jí),與古登堡的面波震級(jí)做過很好的校準(zhǔn)。

        2001年國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會(huì)(IASPEI)成立一個(gè)由來自德、中、美、英、韓等國的12名專家組成 的 震 級(jí) 測 定 工 作 組(WorkingGrouponMagnitudeMeasurements),負(fù)責(zé)制定《IASPEI震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,德國的鮑曼(P.Bormann)教授任工作組組長,我國劉瑞豐研究員是該工作組的主要成員。

        鑒于寬頻帶數(shù)字地震儀在震級(jí)測定方面的優(yōu)勢,早在1996年,劉瑞豐就開展了基于速度平坦型寬頻帶地震儀器的震級(jí)測定研究工作,提出了基于寬頻帶數(shù)字地震資料的面波震級(jí)測定方法,該研究結(jié)果被IASPEI震級(jí)工作組采納,這就是《IASPEI震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)和寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)。2005年10月,在智利圣地亞哥召開的IASPEI會(huì)議上,IASPEI地震觀測和解釋委員會(huì)(CoSOI)通過了震級(jí)工作組提交的《IASPEI震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,并由IASPEI將新標(biāo)準(zhǔn)推薦給各個(gè)國家使用。隨后,在鮑曼和劉瑞豐的組織下,《IASPEI震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》首次在中國地震臺(tái)網(wǎng)應(yīng)用,得到了非常有意義的結(jié)果,對其他國家采用《IASPEI震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》起到了有益的參考作用。

        總之,傳統(tǒng)震級(jí)的優(yōu)點(diǎn)是測定方法簡單,其缺點(diǎn)是任何一種震級(jí)都有其固有的局限性,一種震級(jí)只能表示一種類型地震的大小,并具有“震級(jí)飽和”現(xiàn)象。

        (二)現(xiàn)代震級(jí)

        現(xiàn)代震級(jí)(ModernMagnitude)是用斷層破裂面的面積S、斷層平均位錯(cuò)量D、震源輻射地震波能量ES等震源物理參數(shù)測定的震級(jí),包括矩震級(jí)Mw和能量震級(jí)Me?,F(xiàn)代震級(jí)測定方法相對復(fù)雜,任何一種震級(jí)都能表示所有類型地震的大小,不存在“震級(jí)飽和”的現(xiàn)象。

        1.矩震級(jí)Mw

        1977年,日本地震學(xué)家金森博雄提出了更能直接反映地震過程物理性質(zhì)的矩震級(jí)Mw標(biāo)度。矩震級(jí)Mw的引入,使歷史上的一些大地震露出了真實(shí)面目。比如1957年3月9日阿留申群島地震的面波震級(jí)MS為8.1,現(xiàn)修訂矩震級(jí)Mw為9.1;1960年5月22日智利地震的面波震級(jí)MS為8.5,現(xiàn)修訂矩震級(jí)Mw為9.5;1964年3月28日美國阿拉斯加地震的面波震級(jí)MS為8.4,現(xiàn)修訂矩震級(jí)Mw為9.2,等等。

        2.能量震級(jí)Me

        1995年,喬伊和博特賴特提出了能量震級(jí)標(biāo)度(ChoyandBoatwright,1995)。能量震級(jí)(Energymagnitude)與震源物理參數(shù),即輻射的地震能量(ES)有關(guān),用Me表示,實(shí)質(zhì)上就是用地震能量來表示地震的大小。

        總結(jié)來說,Mw和Me都是與面波震級(jí)MS對接的震級(jí),當(dāng)面波震級(jí)MS沒有達(dá)到震級(jí)飽和時(shí),Mw、Me與MS基本一致,當(dāng)面波震級(jí)MS達(dá)到震級(jí)飽和時(shí),Mw、Me是MS的延續(xù)。

        經(jīng)過幾十年的發(fā)展,震級(jí)標(biāo)度已經(jīng)形成了一個(gè)完整的體系。從圖2可以看出不同震級(jí)之間的傳承關(guān)系,就像一個(gè)家族的家譜一樣,后面的震級(jí)都可以溯源到1935年的地方性震級(jí)ML,“零級(jí)地震”也是用ML來確定。

        我國震級(jí)測定的發(fā)展

        中華人民共和國成立以后,我國根據(jù)1956年制訂的《1956—1967年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃》要求,結(jié)合1957年國際地球物理年(IGY)的工作,于1957年3月后陸續(xù)建設(shè)了昆明、成都、蘭州、南京、佘山、大連等國家基準(zhǔn)臺(tái)和海拉爾、天水、南昌、桂林、紅山、合肥、洛陽等國家基本臺(tái),為我國的震級(jí)測定工作打下了基礎(chǔ)。

        (一)震級(jí)標(biāo)度的引進(jìn)與發(fā)展

        20世紀(jì)50年代中期,鑒于我國地震臺(tái)上安裝的并非是與里克特地方性震級(jí)ML對應(yīng)的伍德-安德森短周期地震儀器,因此不能原封不動(dòng)地將地方性震級(jí)ML照搬至我國。1959年,李善邦(圖3)根據(jù)我國使用的短周期儀器和中長周期儀器的特性,將里克特在美國南加州建立的地方性震級(jí)標(biāo)度ML引進(jìn)到中國,并建立了與中國短周期儀器特性和中長周期儀器特性相對應(yīng)的地方性震級(jí)量規(guī)函數(shù)R1(Δ)和R2(Δ),建立了我國地方性震級(jí)ML標(biāo)度,用于測定1000km以內(nèi)淺源地震的大小,但無法測定遠(yuǎn)震的大小。

        圖3 李善邦(1902—1980)

        1971年,郭履燦先生根據(jù)古登堡提出的面波震級(jí)標(biāo)度,利用1956—1962年北京地震臺(tái)和國外6個(gè)地震臺(tái)記錄的143個(gè)地震資料,提出了北京地震臺(tái)的面波震級(jí)MS計(jì)算公式。1966年1月后,我國的地震報(bào)告開始采用北京地震臺(tái)的面波震級(jí)公式。

        1985年以后,我國763長周期地震臺(tái)網(wǎng)建成并投入使用,該儀器的參數(shù)與美國的世界標(biāo)準(zhǔn)地震臺(tái)網(wǎng)(WWSSN)長周期儀器(LP)保持一致。1988年,陳培善先生提出了選用垂直向瑞利面波的最大振幅和周期測定MS7的方法,使得我國地震臺(tái)網(wǎng)測定的MS7與美國國家地震信息中心(NEIC)測定的MSZ一致,沒有系統(tǒng)差。為便于比較,在地震觀測報(bào)告中除了給出MS以外,也給出MS7。

        1996年,劉瑞豐根據(jù)IASPEI推薦的面波震級(jí)公式,提出了用速度平坦型數(shù)字地震資料測定面波震級(jí)的方法,并使用全球地震臺(tái)網(wǎng)(GSN)的資料,測定了一些6.1~6.7級(jí)地震的面波震級(jí),得到了很好的效果。

        (二)國家標(biāo)準(zhǔn)的建立與發(fā)展

        震級(jí)的國家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是我國防震減災(zāi)各項(xiàng)工作的基礎(chǔ),不僅要考慮地震臺(tái)網(wǎng)在震級(jí)測定的每一個(gè)具體環(huán)節(jié),也要考慮到科學(xué)研究、地震預(yù)報(bào)、地震應(yīng)急、地震災(zāi)害評(píng)估和科普宣傳等方面的應(yīng)用需求。經(jīng)過幾十年的努力,我國已經(jīng)完成了兩代震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

        1.1999年的國家標(biāo)準(zhǔn)

        為了規(guī)范震級(jí)的社會(huì)應(yīng)用,1999年在許紹燮院士的帶領(lǐng)下,由中國地震局地球物理研究所等單位的專家編制的國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《地震震級(jí)的規(guī)定》(GB17740—1999)正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了面波震級(jí)MS的測定方法,并制定了震級(jí)在地震信息發(fā)布、新聞報(bào)道、地震預(yù)報(bào)發(fā)布、防震減災(zāi)、地震震級(jí)認(rèn)定等方面的使用規(guī)定。

        震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)的頒布,使全社會(huì)統(tǒng)一了震級(jí)的測定方法和使用規(guī)定,對推進(jìn)我國地震科學(xué)事業(yè)和防震減災(zāi)工作的發(fā)展,具有重要的意義和深遠(yuǎn)的影響。

        2.2017年的國家標(biāo)準(zhǔn)

        經(jīng)過十幾年的發(fā)展,我國的地震觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的歷史性突破,到2007年底,我國正式運(yùn)行的所有地震臺(tái)站實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。為了滿足數(shù)字化地震臺(tái)站震級(jí)測定需求,2012年中國地震局成立工作組,劉瑞豐任組長,啟動(dòng)對強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級(jí)的規(guī)定》的修訂工作。編寫組開展了大量的研究工作,召開了20多次專題研討會(huì)和論證會(huì),并征求了國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會(huì)(IASPEI)震級(jí)專家組、國際地震中心(ISC)等國際機(jī)構(gòu)和全球著名地震學(xué)專家的意見,同時(shí)廣泛征求國家相關(guān)部委、高等院校、科研機(jī)構(gòu)的意見,于2016年1月完成標(biāo)準(zhǔn)的編寫工作。

        2017年5月12日,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布“中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)2017年第11號(hào)”公告,發(fā)布了強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級(jí)的規(guī)定》(GB17740—2017)。同1999年的國家標(biāo)準(zhǔn)相比,2017年的新標(biāo)準(zhǔn)具有以下主要特點(diǎn):

        (1)測定方法更科學(xué)

        新標(biāo)準(zhǔn)充分汲取了國內(nèi)外最新研究成果,與《IASPEI震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》相銜接,規(guī)定了地方性震級(jí)ML、短周期體波震級(jí)mb、寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)、面波震級(jí)MS、寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)、矩震級(jí)Mw6種震級(jí)的測定方法,能夠充分發(fā)揮寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的優(yōu)勢,震級(jí)的測定方法更科學(xué)。

        (2)測定結(jié)果更準(zhǔn)確

        新標(biāo)準(zhǔn)將矩震級(jí)Mw、寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)和寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)作為地震臺(tái)網(wǎng)重點(diǎn)測定的震級(jí)。其中,矩震級(jí)因其能夠避免“震級(jí)飽和”現(xiàn)象,成為世界上大多數(shù)地震臺(tái)網(wǎng)和地震機(jī)構(gòu)優(yōu)先使用的震級(jí)。MS(BB)適用的面波周期范圍是3s

        (3)測定速度更快捷

        在新的震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,mB(BB)與MS(BB)都是寬頻帶震級(jí),在原始速度型寬頻帶記錄上直接測定,不需要進(jìn)行濾波、仿真等處理,便于計(jì)算機(jī)自動(dòng)測定,能夠在地震速報(bào)中發(fā)揮作用,能夠更好地滿足地震應(yīng)急的需求。

        (4)發(fā)布規(guī)則更合理

        新標(biāo)準(zhǔn)將矩震級(jí)Mw作為對外發(fā)布的首選震級(jí),這樣就與國際主要地震機(jī)構(gòu)發(fā)布的震級(jí)相一致。對于不能及時(shí)測定矩震級(jí)Mw的地震,新標(biāo)準(zhǔn)采用了“震級(jí)優(yōu)選”方法確定對外發(fā)布的震級(jí),確保在第一時(shí)間將地震參數(shù)快速向社會(huì)發(fā)布,以滿足地震應(yīng)急、地震預(yù)報(bào)和新聞報(bào)道等實(shí)際需求。對外發(fā)布的震級(jí)與國際上主要地震機(jī)構(gòu)發(fā)布的震級(jí)相一致,沒有系統(tǒng)偏差。

        如何正確使用震級(jí)

        人們通常認(rèn)為,一次地震只有一個(gè)震級(jí)。有人會(huì)經(jīng)常提到這樣的問題:為何要使用多種震級(jí)?為何不能統(tǒng)一震級(jí)?多種震級(jí)該如何使用?

        (一)為何采用多種震級(jí)

        多種震級(jí)之所以能夠長期并存,必然有其科學(xué)性和必要性。采用多種震級(jí)的主要原因是:傳統(tǒng)震級(jí)是用“單一頻率”地震波測定的震級(jí),由于震源的復(fù)雜性,不同類型的地震輻射地震波的優(yōu)勢周期不同,因此任何一種“單一頻率”的震級(jí)都不能表示所有類型地震的大小,為了表示不同類型地震的大小,只能用不同的震級(jí)表示不同類型地震的大小。

        大千世界,五彩繽紛。自然界存在各種各樣的顏色,而對于某一具體的自然景觀,顏色就會(huì)相對單一,例如沙漠是黃色,海洋是藍(lán)色,雪山是白色,等等。如果研究某一具體的自然景觀,就可以用單一顏色表示其特征,而用單一色彩去看整個(gè)世界,五彩繽紛的色彩就會(huì)消失,看到的將是一個(gè)顏色失真的世界。因此,顏色是不能統(tǒng)一的?!凹t綠藍(lán)”被稱為三原色光,三原色光模式又稱“RGB顏色模型”(RGBcolormodel),將紅綠藍(lán)三原色以不同的比例相加,就可以產(chǎn)生多種多樣的顏色。

        同樣的道理,不同類型地震輻射地震波的優(yōu)勢頻率不同。對于某一種類型地震,其優(yōu)勢頻率相對單一,用“單一頻率”的震級(jí)就可以表示這類地震的大小。但如果用“單一頻率”的震級(jí)表示所有地震的大小,必然造成原震級(jí)信息的失真。因此,為了表示不同類型地震的大小,只能采用不同的震級(jí)。地方性震級(jí)、面波震級(jí)和體波震級(jí)作為三種基本震級(jí),就可以表示所有類型地震的大小。

        (二)為何不能統(tǒng)一震級(jí)

        1945年,古登堡曾經(jīng)做過傳統(tǒng)震級(jí)統(tǒng)一工作,將地方性震級(jí)ML、面波震級(jí)MS和中長周期體波震級(jí)mB統(tǒng)一用m表示,當(dāng)時(shí)他認(rèn)為這3種震級(jí)是等價(jià)的,并稱之為“統(tǒng)一震級(jí)”,但研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此,只有6.5級(jí)左右地震mB與MS才基本一致。對于其他的地震,不同震級(jí)之間都有差別,有時(shí)差別較大。古登堡通過大量的研究工作得到的結(jié)論是:不可能使用一種震級(jí)表示所有不同類型地震的大小,“統(tǒng)一震級(jí)”是不可能做到的。

        1945年以后,地震學(xué)家曾相信通過震級(jí)之間相互“換算”,可以做到“一個(gè)地震只能有一個(gè)震級(jí)”。到了20世紀(jì)70年代,通過大量的工作人們終于發(fā)現(xiàn)這種統(tǒng)一不可能實(shí)現(xiàn)。舉例來說,地方性震級(jí)ML和面波震級(jí)MS是最常用的2個(gè)震級(jí),測定ML所使用的S波的優(yōu)勢頻率f為1.0Hz(周期T為1.0s),測定MS所使用的面波的優(yōu)勢頻率為0.05Hz(周期T為20s)。在做地震活動(dòng)性統(tǒng)計(jì)時(shí),因小震沒有MS,有人為了統(tǒng)一震級(jí),按經(jīng)驗(yàn)公式將ML轉(zhuǎn)換成MS,這在形式上似乎統(tǒng)一,但得到的卻是失真的結(jié)果。

        作為對“統(tǒng)一震級(jí)”努力的終結(jié),德國的杜達(dá)教授建議將地震分為“藍(lán)地震”(以高頻為主的小震)和“紅地震”(以長周期為主的大震),這個(gè)分類標(biāo)志著人類對地震認(rèn)識(shí)的一次重要進(jìn)步。20世紀(jì)80年代,這種分類方式得到了地震學(xué)家的普遍認(rèn)同。寬頻帶數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)與迅速發(fā)展,使得地震學(xué)家對地震的描述由“單色”變成“彩色”。

        為了規(guī)范全球的地震監(jiān)測工作,世界數(shù)據(jù)中心(WDC)于1979年邀請?zhí)K格蘭愛丁堡地質(zhì)研究所威爾莫教授編寫 了《地 震 觀 測 實(shí) 踐 手 冊》(ManualofSeismologicalObservatoryPractice,MSOP),在該手冊中明確指出:“從一種震級(jí)轉(zhuǎn)換成另一種震級(jí),必然造成原震級(jí)信息的損失”。從此以后,全球的地震監(jiān)測遵循以下規(guī)則:不同震級(jí)標(biāo)度之間一律不允許相互轉(zhuǎn)換。

        (三)多種震級(jí)優(yōu)勢互補(bǔ)

        在地震臺(tái)網(wǎng)的日常工作中,多種震級(jí)標(biāo)度會(huì)長期并存、優(yōu)勢互補(bǔ)。傳統(tǒng)震級(jí)的測定方法簡單,地方性震級(jí)ML、面波震級(jí)MS、寬頻帶面波震級(jí)MS(BB)、短周期體波震級(jí)mb、寬頻帶體波震級(jí)mB(BB)都是重要的地震參數(shù),適合地震臺(tái)網(wǎng)每天分析大量地震的日常工作需要。

        矩震級(jí)Mw和能量震級(jí)Me的測定方法相對復(fù)雜,適用于所有類型的地震,但有時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)不能測定出準(zhǔn)確的結(jié)果。近年來,隨著數(shù)字地震學(xué)的發(fā)展,很多地震臺(tái)網(wǎng)都可以測定矩震級(jí)Mw,能量震級(jí)Me的測定工作尚屬起步階段。

        在地震臺(tái)網(wǎng)的日常工作中,對于5.0級(jí)以上地震可以快速測定矩震級(jí)Mw,而對于5.0級(jí)以下地震,由于臺(tái)站記錄地震信號(hào)的信噪比較低,再加上地球介質(zhì)的速度模型不夠精細(xì),使得測定Mw的結(jié)果偏差較大。因此在地震速報(bào)時(shí)仍需要用傳統(tǒng)震級(jí)對外發(fā)布。

        (四)“震級(jí)優(yōu)選”方法

        在地震活動(dòng)性分析、地震預(yù)報(bào)等很多實(shí)際工作中,需要大量的地震資料,有大地震,也有小地震,有淺源地震,也有中源地震和深源地震。地震目錄中包含多種震級(jí),如何在多個(gè)震級(jí)中確定一個(gè)震級(jí)?這是很多人普遍關(guān)心的問題。

        “一個(gè)地震只用一個(gè)震級(jí),并不是所有地震只用一種震級(jí)”。國際上普遍采用“震級(jí)優(yōu)選”的方法從多個(gè)震級(jí)中優(yōu)選出一個(gè)震級(jí),優(yōu)選的方法為:

        1.矩震級(jí)作為首選;

        2.如果不能及時(shí)測定矩震級(jí),則按面波震級(jí)、體波震級(jí)、地方性震級(jí)的順序選擇一個(gè)震級(jí)。

        矩震級(jí)是與面波震級(jí)對接的震級(jí),如果沒有矩震級(jí)則選擇面波震級(jí);如果一個(gè)地震有垂直向面波震級(jí)和水平向面波震級(jí)兩種面波震級(jí),則選擇垂直向面波震級(jí);如果也沒有面波震級(jí),有體波震級(jí),說明是中深源地震,則選擇體波震級(jí);如果沒有面波震級(jí),也沒有體波震級(jí),說明是一個(gè)較小的地震,只能選擇地方性震級(jí)。

        在新的震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)中,采用“震級(jí)優(yōu)選”方法確定對外發(fā)布的震級(jí),對外發(fā)布的震級(jí)用“M”表示,稱為“地震震級(jí)”或“震級(jí)”,而不必說明震級(jí)的類型。

        未來展望

        地震能量ES和地震矩M0是目前衡量地震大小最好的兩個(gè)物理量,分別表示震源的不同特征:地震能量ES反映震源動(dòng)態(tài)特征,在工程地震學(xué)研究中具有重要意義;地震矩M0反映震源靜態(tài)特征,在構(gòu)造動(dòng)力學(xué)研究中具有重要意義。

        由地震矩M0可以得到矩震級(jí)Mw,由地震能量ES可以得到能量震級(jí)Me。目前,全球越來越多的地震臺(tái)網(wǎng)已把矩震級(jí)Mw作為日常測定和對外發(fā)布的首選震級(jí)。但由于測定難度大,測定能量震級(jí)Me的地震臺(tái)網(wǎng)還不多。劉瑞豐工作團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“地震能量和能量震級(jí)測定的軟件系統(tǒng)”,測定了2014年以來全球5.5級(jí)以上地震的地震能量ES和能量震級(jí)Me。

        在未來的發(fā)展中,我們不但要測定天然地震,也要關(guān)注地下核爆炸、爆炸事故、礦山爆破等非天然地震。對于此類非天然地震事件,測定輻射能量ES和能量震級(jí)Me則具有了另外一層更重要的意義——由輻射能量ES可以直接測定出爆炸當(dāng)量Y——從而更好地為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全和突發(fā)事件應(yīng)急提供更精準(zhǔn)的服務(wù)。

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