劉瑞豐

引言

地震發(fā)生后，人們首先關注的問題之一就是這次地震有多大？

震級是表示地震大小的一個量，是地震的基本參數(shù)之一。根據(jù)震級可以近似地得到其他震源參數(shù)，如地震能量、地震矩、震源破裂時間、斷層長度、斷層面積等。對于淺源地震來說，震級越大，地震所造成的災害越嚴重，所以震級還是開展地震應急、地震救援與災害損失評估的重要參數(shù)。因此，震級具有科學性和社會性雙重屬性。無論是從科學研究的角度，還是從社會需求的角度，快速、準確地測定出地震的大小都是一件意義重大的基礎性工作。

1935年，美國著名地震學家里克特（C.F.Richter）提出了震級的概念，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，使地震學成為一門定量的科學（圖1）。為了紀念里克特在震級測定領域做出的突出貢獻，普及地震知識，他的生日4月26日被美國設成“里克特震級標度日”（RichterScaleDay）。

圖1 里克特（1900—1985）

震級的巧妙之處

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)生的地面震動的幅度和頻率范圍都很大。而用于觀測地震的地震臺站分布在地表，要準確測定地震的大小，并不是一件容易的事。

地震實際上是震源在很短的時間內(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，地震學家認識到以地震能量來規(guī)定地震的大小最為合適。然而，在模擬記錄時代，要測定地震能量難度非常大。如何準確地測定地震的大??？這是一個長期困擾地震學家的問題。從1875年近代地震儀器發(fā)明以來，一直到震級概念的提出，整整用了60年的時間。

全球的地震臺網(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，地震學家意識到雖然地震是一種復雜的自然現(xiàn)象，但也需要采用一種便于實際操作的方法測定地震的大小，以滿足地震臺網(wǎng)每天分析處理大量地震的實際需求。

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或幾個起主導作用的“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波初動尖銳，面波不發(fā)育，與相同震級和震中距的淺源地震相比，地震持續(xù)時間短。

震級的巧妙之處就在于采用“單一頻率”的多種震級標度，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)震級有3種，包括地方性震級ML、面波震級MS和體波震級mB。這3種震級都有各自的適用范圍。ML適合表示近震的大小；MS適合表示淺源遠震的大小；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種震級就可以表示所有類型地震的大小。

全球震級測定的發(fā)展

自從1935年“震級”的概念被提出后，就在世界各國得到了普遍的應用，各國和國際地震機構，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)驗公式。根據(jù)震級的測定方法劃分，震級可以分為傳統(tǒng)震級和現(xiàn)代震級兩大類。

（一）傳統(tǒng)震級

傳統(tǒng)震級（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。常用的有地方性震級ML、面波震級MS和體波震級mB。

1.地方性震級ML

1925年，美國地震學家伍德（H.O.Wood）和安德森（J.M.Anderson）設計了著名的伍德-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網(wǎng)，發(fā)展到1935年共有12個地震臺，全部配置伍德-安德森短周期地震儀器，記錄了幾百個地震，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，且不同臺站記錄同一地震的波形幅度差別很大。他同時注意到這樣一個事實：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震級標度——地方性震級ML。

2.面波震級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遠大于低頻地震波，當?shù)卣饍x距離震中較遠時，這種地震儀的記錄能力變得有限，用地方性震級ML就無法測定全球范圍遠震的大小。

在遠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ML的方法推廣到遠震，提出了面波震級MS，彌補了地方性震級的局限性。

3.體波震級mB

面波震級MS可以表示遠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。1945年，古登堡提出了體波震級標度mB，完善了對遠距離地震大小的量度。對于不同震源深度的遠震和地下核爆炸，都能測定體波震級。

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

2001年國際地震學與地球內(nèi)部物理學協(xié)會（IASPEI）成立一個由來自德、中、美、英、韓等國的12名專家組成 的 震 級 測 定 工 作 組（WorkingGrouponMagnitudeMeasurements），負責制定《IASPEI震級標準》，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測定方法，該研究結果被IASPEI震級工作組采納，這就是《IASPEI震級標準》中的寬頻帶面波震級MS（BB）和寬頻帶體波震級mB（BB）。2005年10月，在智利圣地亞哥召開的IASPEI會議上，IASPEI地震觀測和解釋委員會（CoSOI）通過了震級工作組提交的《IASPEI震級標準》，并由IASPEI將新標準推薦給各個國家使用。隨后，在鮑曼和劉瑞豐的組織下，《IASPEI震級標準》首次在中國地震臺網(wǎng)應用，得到了非常有意義的結果，對其他國家采用《IASPEI震級標準》起到了有益的參考作用。

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

（二）現(xiàn)代震級

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

1.矩震級Mw

1977年，日本地震學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Mw標度。矩震級Mw的引入，使歷史上的一些大地震露出了真實面目。比如1957年3月9日阿留申群島地震的面波震級MS為8.1，現(xiàn)修訂矩震級Mw為9.1；1960年5月22日智利地震的面波震級MS為8.5，現(xiàn)修訂矩震級Mw為9.5；1964年3月28日美國阿拉斯加地震的面波震級MS為8.4，現(xiàn)修訂矩震級Mw為9.2，等等。

2.能量震級Me

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

總結來說，Mw和Me都是與面波震級MS對接的震級，當面波震級MS沒有達到震級飽和時，Mw、Me與MS基本一致，當面波震級MS達到震級飽和時，Mw、Me是MS的延續(xù)。

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

我國震級測定的發(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年科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃》要求，結合1957年國際地球物理年（IGY）的工作，于1957年3月后陸續(xù)建設了昆明、成都、蘭州、南京、佘山、大連等國家基準臺和海拉爾、天水、南昌、桂林、紅山、合肥、洛陽等國家基本臺，為我國的震級測定工作打下了基礎。

（一）震級標度的引進與發(fā)展

20世紀50年代中期，鑒于我國地震臺上安裝的并非是與里克特地方性震級ML對應的伍德－安德森短周期地震儀器，因此不能原封不動地將地方性震級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標度ML引進到中國，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的地方性震級量規(guī)函數(shù)R1（Δ）和R2（Δ），建立了我國地方性震級ML標度，用于測定1000km以內(nèi)淺源地震的大小，但無法測定遠震的大小。

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標度，利用1956—1962年北京地震臺和國外6個地震臺記錄的143個地震資料，提出了北京地震臺的面波震級MS計算公式。1966年1月后，我國的地震報告開始采用北京地震臺的面波震級公式。

1985年以后，我國763長周期地震臺網(wǎng)建成并投入使用，該儀器的參數(shù)與美國的世界標準地震臺網(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推薦的面波震級公式，提出了用速度平坦型數(shù)字地震資料測定面波震級的方法，并使用全球地震臺網(wǎng)（GSN）的資料，測定了一些6.1～6.7級地震的面波震級，得到了很好的效果。

（二）國家標準的建立與發(fā)展

震級的國家標準體系建設是我國防震減災各項工作的基礎，不僅要考慮地震臺網(wǎng)在震級測定的每一個具體環(huán)節(jié)，也要考慮到科學研究、地震預報、地震應急、地震災害評估和科普宣傳等方面的應用需求。經(jīng)過幾十年的努力，我國已經(jīng)完成了兩代震級國家標準的制定工作。

1.1999年的國家標準

為了規(guī)范震級的社會應用，1999年在許紹燮院士的帶領下,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制性標準《地震震級的規(guī)定》（GB17740—1999）正式發(fā)布。該標準規(guī)定了面波震級MS的測定方法，并制定了震級在地震信息發(fā)布、新聞報道、地震預報發(fā)布、防震減災、地震震級認定等方面的使用規(guī)定。

震級國家標準的頒布，使全社會統(tǒng)一了震級的測定方法和使用規(guī)定，對推進我國地震科學事業(yè)和防震減災工作的發(fā)展，具有重要的意義和深遠的影響。

2.2017年的國家標準

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

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

（1）測定方法更科學

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

（2）測定結果更準確

新標準將矩震級Mw、寬頻帶面波震級MS（BB）和寬頻帶體波震級mB（BB）作為地震臺網(wǎng)重點測定的震級。其中，矩震級因其能夠避免“震級飽和”現(xiàn)象，成為世界上大多數(shù)地震臺網(wǎng)和地震機構優(yōu)先使用的震級。MS（BB）適用的面波周期范圍是3s

（3）測定速度更快捷

在新的震級標準中，mB（BB）與MS（BB）都是寬頻帶震級，在原始速度型寬頻帶記錄上直接測定，不需要進行濾波、仿真等處理，便于計算機自動測定，能夠在地震速報中發(fā)揮作用，能夠更好地滿足地震應急的需求。

（4）發(fā)布規(guī)則更合理

新標準將矩震級Mw作為對外發(fā)布的首選震級，這樣就與國際主要地震機構發(fā)布的震級相一致。對于不能及時測定矩震級Mw的地震，新標準采用了“震級優(yōu)選”方法確定對外發(fā)布的震級，確保在第一時間將地震參數(shù)快速向社會發(fā)布，以滿足地震應急、地震預報和新聞報道等實際需求。對外發(fā)布的震級與國際上主要地震機構發(fā)布的震級相一致，沒有系統(tǒng)偏差。

如何正確使用震級

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

（一）為何采用多種震級

多種震級之所以能夠長期并存，必然有其科學性和必要性。采用多種震級的主要原因是：傳統(tǒng)震級是用“單一頻率”地震波測定的震級，由于震源的復雜性，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，顏色就會相對單一，例如沙漠是黃色，海洋是藍色，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世界，五彩繽紛的色彩就會消失，看到的將是一個顏色失真的世界。因此，顏色是不能統(tǒng)一的。“紅綠藍”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”的震級就可以表示這類地震的大小。但如果用“單一頻率”的震級表示所有地震的大小，必然造成原震級信息的失真。因此，為了表示不同類型地震的大小，只能采用不同的震級。地方性震級、面波震級和體波震級作為三種基本震級，就可以表示所有類型地震的大小。

（二）為何不能統(tǒng)一震級

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

1945年以后，地震學家曾相信通過震級之間相互“換算”，可以做到“一個地震只能有一個震級”。到了20世紀70年代，通過大量的工作人們終于發(fā)現(xiàn)這種統(tǒng)一不可能實現(xiàn)。舉例來說，地方性震級ML和面波震級MS是最常用的2個震級，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）。在做地震活動性統(tǒng)計時，因小震沒有MS，有人為了統(tǒng)一震級，按經(jīng)驗公式將ML轉換成MS，這在形式上似乎統(tǒng)一，但得到的卻是失真的結果。

作為對“統(tǒng)一震級”努力的終結，德國的杜達教授建議將地震分為“藍地震”（以高頻為主的小震）和“紅地震”（以長周期為主的大震），這個分類標志著人類對地震認識的一次重要進步。20世紀80年代，這種分類方式得到了地震學家的普遍認同。寬頻帶數(shù)字化地震臺網(wǎng)的建設與迅速發(fā)展，使得地震學家對地震的描述由“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 踐 手 冊》（ManualofSeismologicalObservatoryPractice，MSOP），在該手冊中明確指出：“從一種震級轉換成另一種震級，必然造成原震級信息的損失”。從此以后，全球的地震監(jiān)測遵循以下規(guī)則：不同震級標度之間一律不允許相互轉換。

（三）多種震級優(yōu)勢互補

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

矩震級Mw和能量震級Me的測定方法相對復雜，適用于所有類型的地震，但有時在很短的時間內(nèi)不能測定出準確的結果。近年來，隨著數(shù)字地震學的發(fā)展，很多地震臺網(wǎng)都可以測定矩震級Mw，能量震級Me的測定工作尚屬起步階段。

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

（四）“震級優(yōu)選”方法

在地震活動性分析、地震預報等很多實際工作中，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，如何在多個震級中確定一個震級？這是很多人普遍關心的問題。

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

1.矩震級作為首選；

2.如果不能及時測定矩震級，則按面波震級、體波震級、地方性震級的順序選擇一個震級。

矩震級是與面波震級對接的震級，如果沒有矩震級則選擇面波震級；如果一個地震有垂直向面波震級和水平向面波震級兩種面波震級，則選擇垂直向面波震級；如果也沒有面波震級，有體波震級，說明是中深源地震，則選擇體波震級；如果沒有面波震級，也沒有體波震級，說明是一個較小的地震，只能選擇地方性震級。

在新的震級國家標準中，采用“震級優(yōu)選”方法確定對外發(fā)布的震級，對外發(fā)布的震級用“M”表示，稱為“地震震級”或“震級”，而不必說明震級的類型。

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物理量，分別表示震源的不同特征：地震能量ES反映震源動態(tài)特征，在工程地震學研究中具有重要意義；地震矩M0反映震源靜態(tài)特征，在構造動力學研究中具有重要意義。

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

在未來的發(fā)展中，我們不但要測定天然地震，也要關注地下核爆炸、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量Y——從而更好地為國家經(jīng)濟建設、國家安全和突發(fā)事件應急提供更精準的服務。