震级
震级
(earthquake magnitude)亦称里氏地震规模(Richter magnitude scale)、又译芮氏、黎克特制震级,是表示地震规模大小的标度。它是由观测点处地震仪所记录到的地震波最大振幅的常用对数演算而来。由于地震仪的位置一般并不在震中,考虑到地震波在传播过程中的衰减以及其它干扰因素,计算时需减去观测点所在地规模0地震所应有的振幅之对数。地震震级是衡量地震大小的一种度量。每一次地震只有一个震级。它是根据地震时释放能量的多少来划分的,震级可以通过地震仪器的记录计算出来,震级越高,释放的能量也越多。震级代表地震本身的强弱,只同震源发出的地震波能量有关;烈度则表示同一次地震在地震波及的各个地点所造成的影响的程度,与震源深度、震中距、方位角、地质构造以及土壤性质等许多因素有关。
里氏地震规模最早是在1935年由两位来自美国加州理工学院的地震学家里克特(Charles Francis Richter)和古腾堡(Beno Gutenberg)共同制定的。
此标度原先仅是为了研究美国加州地区发生的地震而设计的,并用伍德·安德森扭力式地震仪(Wood-Anderson torsion seismometer)测量。里克特设计此标度的目的是区分当时加州地区发生的大量小规模地震和少量大规模地震,而灵感则来自天文学中表示天体亮度的星等。
为了使结果不为负数,里克特定义在距离震中100千米处之观测点地震仪记录到的最大水平位移为1微米(这也是伍德-安德森扭力式地震仪的最大精度)的地震作为0级地震。按照这个定义,如果距震中100千米处的伍德-安德森扭力式地震仪测得的地震波振幅为1毫米(103微米)的话,则震级为里氏3级。里氏地震规模并没有规定上限或下限。现代精密的地震仪经常记录到规模为负数的地震。
由于当初设计里氏地震规模时所使用的伍德·安德森扭力式地震仪的限制,近震规模 ML 若大于约6.8或观测点距离震中超过约600千米便不适用。后来研究人员提议了一些改进,其中面波震级(MS)和体波震级(Mb)最为常用。
根据地震波记录测定的一个没有量纲的数值,用来在一定范围内表示各个地震的相对大小(强度)。震级与地震烈度的概念根本不同。震级代表地震本身的强弱,只同震源发出的地震波能量有关;烈度则表示同一次地震在地震波及的各个地点所造成的影响的程度,与震源深度、震中距、方位角、地质构造以及土壤性质等许多因素有关。
地球上的地震有强有弱。用来衡量地震强度大小的尺子有两把,一把叫地震震级;另一把叫地震烈度。举个例子来说,地震震级好象不同瓦数的日光灯,瓦数越高能量越大,震级越高。烈度好象屋子里受光亮的程度,对同一盏日光灯来说,距离日光灯的远近不同,各处受光的照射也不同,所以各地的烈度也不一样。
地震震级是衡量地震大小的一种度量。每一次地震只有一个震级。它是根据地震时 释放能量的多少来划分的,震级可以通过地震仪器的记录计算出来,震级越高,释放的能量也越多。我国使用的的震级标准是国际通用震级标准,叫“里氏震级”。
震级作为一个观测项目,是美国地震学家C.F.里克特于1935年首先提出的。最初的原始震级标度只适用于近震和地方震。1945年B.谷登堡把震级的应用推广到远震和深源地震,奠定了震级体系的基础。目前广泛采用的震级标度有许多种,其中最常用的是面波震级MS,利用宽频带地震仪记录远震传来的面波,根据面波的振幅和周期来计算震级。中国的面波震级计算公式为:

式中A为两水平分向地动位移的矢量合成振幅,以微米为单位;T为相应的周期,以秒为单位;σ(Δ°)为面波震级起算函数,只与震中距Δ°(测点与震中间的大圆弧度数)有关;Cs为台站校正值。
面波震级标度Ms比较适用于从远处(震中距大于1000千米)测定浅源大地震的震级,而且各国地震机构的面波震级测定结果也比较一致,因此世界各国在公布1931年新疆8级地震和交换有关震级的信息资料时 ,一般都使用面波震级。即通常所说的里氏震级。另外,为解决巨大地震的面波震级饱和问题,有人提出用震源物理中的地震矩概念推导出一种新的震级标度——矩震级MW。智利大地震的面波震级 Ms=8.5,但矩震级MW=9.5,成为人类已知的最大地震。矩震级已在地震观测中开始试用,但其方法还在进一步研究和完善。它可作为面波震级的有益补充,但不能完全取代面波震级。一个6级地震释放的能量相当于美国投掷在日本广岛的原子弹所具有的能量。震级每相差1.0级,能量相差大约32倍;每相差2.0级,能量相差约1000倍。也就是说,一个6级地震相当于32个5级地震,而1个7级地震则相当于1000个5级地震。目前世界上最大的地震的震级为8.9级。
各国和各地区的地震分级标准不尽相同。
(一)一般将小于1级的地震称为超微震
(二)大于、等于1级,小于3级的称为弱震或微震
(三)大于、等于3级,小于4.5级的称为有感地震
(四)大于、等于4.5级,小于6级的称为中强震
(五)大于、等于6级,小于7级的称为强震
(六)大于、等于7级的称为大地震
(七)8级以及8级以上的称为巨大地震。
迄今为止,世界上记录到最大的地震为8.9级,是1960年发生在南美洲的智利地震。
下表列出的是不同里氏震级(ML)的年均发生次数和震中地区的影响:
| 程度 | 里氏规模 | 地震影响 | 发生频率(全球) |
| 极微 | 2.0以下 | 很小,没感觉 | 约每天 8,000次 |
| 甚微 | 2.0-2.9 | 人一般没感觉,设备可以记录 | 约每天 1,000次 |
| 微小 | 3.0-3.9 | 经常有感觉,但是很少会造成损失 | 估计每年49,000次 |
| 弱 | 4.0-4.9 | 室内东西摇晃出声,不太可能有大量损失。当地震强度超过4.5级时,已足够让全球的地震仪监测得到。 | 估计每年6,200次 |
| 中 | 5.0-5.9 | 可在小区域内对设计/建造不佳或偷工减料的建筑物造成大量破坏,但对设计/建造优良的建筑物则只会有少量的损害。 | 每年800次 |
| 强 | 6.0-6.9 | 可摧毁方圆100英里以内的居住区。 | 每年120次 |
| 甚强 | 7.0-7.9 | 可对更大的区域造成严重破坏。 | 每年18次 |
| 极强 | 8.0-8.9 | 可摧毁方圆数百英里的区域。 | 每年1次 |
| 超强 | 9.0及其以上 | 摧毁方圆数千英里的区域 | 每20年1次 |
| 里氏震级 | 大致相应的TNT当量 | 实例 |
| 0.5 | 6kg | 手榴弹爆炸 |
| 1.0 | 30kg | 建筑爆破 |
| 1.5 | 180kg | 二战期间常规炸弹 |
| 2.0 | 1吨 | 二战期间常规炸弹 |
| 2.5 | 6吨 | 二战期间的"Cookie" 巨型炸弹 |
| 3.0 | 30吨 | 2003年大型燃料空气炸弹(MOAB) |
| 3.5 | 180吨 | 1986年前苏联切尔诺贝利核事故 |
| 4.0 | 1千吨 | 小型原子弹 |
| 4.5 | 0.6万吨 | 常见的龙卷风 |
| 5.0 | 3.3万吨 | 美国在二战结束前在日本广岛、长崎投放的原子弹(投放后日本无条件投降) |
| 5.5 | 1万吨 | 1992年美国内华达州Little Skull Mtn.地震 |
| 6.0 | 10万吨 | 1994年美国内华达州Double Spring Flat地震 |
| 6.5 | 60万吨 | 1994年Northridge地震 |
| 7.0 | 340万吨 | 目前最大型的原子弹 (注:前苏联曾试爆5000万吨级别的氢弹) |
| 7.5 | 1900万吨 | 1992年美国加利福尼亚Landers地震 |
| 8.0 | 11亿吨 | 1976年中国唐山大地震(7.8级)、2008年中国汶川大地震(8.0级-2008年5月18日修订) |
| 8.5 | 62亿吨 | 1964年美国阿拉斯加安克雷奇耶稣受难日地震 |
| 9.0 | 350亿吨 | 2004年印度洋大地震(地震发生后引发了海啸,即2004年南亚大海啸) |
| 10.0 | 1兆吨 | 约相当于一个直径约为100千米的石质陨石以秒速25千米撞击地球时所产生的地震。 |
里氏地震规模的主要缺陷在于它与震源的物理特性没有直接的联系,并且由于“地震强度频谱的比例定律”(The Scaling Law of Earthquake Spectra)的限制,在8.3-8.5左右会产生饱和效应,使得一些强度明显不同的地震在用传统方法计算后得出里氏地震规模(如(MS)数值却一样。到了21世纪初,地震学者普遍认为这些传统的地震规模表示方法已经过时,转而采用一种物理含义更为丰富,更能直接反应地震过程物理实质的表示方法即矩震级 (Moment magnitude scale,MW)。地震矩规模是由同属加州理工学院的金森博雄(Hiroo Kanamori)教授于1977年提出的。该标度能更好的描述地震的物理特性,如地层错动的大小和地震的能量等。
地震震级与地震烈度是不同的概念。地震烈度(例如麦加利地震烈度)是表示地震破坏程度的标度,与地震区域的各种条件有关,并非地震之绝对强度。
地震烈度
地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度。对同一个地震,不同的地区,烈度大小是不一样的。距离震源近,破坏就大,烈度就高;距离震源远,破坏就小,烈度就低。
同样大小的地震,造成的破坏不一定相同;同一次地震,在不同的地方造成的破坏也不一样。为了衡量地震的破坏程度,科学家又“制作”了另一把“尺子”一地震烈度。地震烈度与震级、震源深度、震中距,以及震区的土质条件等有关。
一般来讲,一次地震发生后,震中区的破坏最重,烈度最高;这个烈度称为震中烈度。从震中向四周扩展,地震烈度逐渐减小。
所以,一次地震只有一个震级,但它所造成的破坏,在不同的地区是不同的。也就是说,一次地震,可以划分出好几个烈度不同的地区。这与一颗炸弹爆后,近处与远处破坏程度不同道理一样。炸弹的炸药量,好比是震级;炸弹对不同地点的破坏程度,好是烈度。
中国的地震烈度分类中国把烈度划分为十二度,不同烈度的地震,其影响和破坏大体如下:
(一)小于三度:人无感受,只有仪器能记录到;
(二)三度:夜深人静时人有感受;
(三)四——五度:睡觉的人惊醒,吊灯摆动;
(四)六度:器皿倾倒、房屋轻微损坏;
(五)六——七度:房屋破坏,地面裂缝;
(六)九——十度:房倒屋塌,地面破坏严重;
(七)十——十二度:毁灭性的破坏。
例如,1976年唐山地震,震级为7.8级,震中烈度为十一度;受唐山地震的影响,天津市地震烈度为八度,北京市烈度为六度,再远到石家庄、太原等就只有四至五度了。
有史以来最强的地震是智利大地震,震级为9.5级。
1960智利中南部海岸地区从1960年5月21日开始发生一系列的大地震。20世纪板块边界大地震中最突出的事件。从北面的康塞普西翁市到南面的瓦尔的维亚市,在一个月之内发生7次7级以上地震,其中有3次是7.7级以上的巨大地震,最大的一次为8.5级。由于面波震级MS的饱和效应,8.5并不能说明此震规模之巨大,如按矩震级MW计算,此震应为9.5级(见震级)。之所以如此,是因为板块边界巨大地震的破裂面是非常之大的,超过了面波震级所表示的范围。
由于此震规模巨大,地球的整体受到首都圣地亚哥市容一次罕见的冲击,因而发生地球自由振荡。此外,地震激发的海啸也是罕见的,15小时后海啸的大潮波传到夏威夷群岛,22小时后传到日本东海岸,造成巨大损失。
[1] 大河网 http://www.dahe.cn/xwzx/sz/dxw/t20080512_1303512.htm
[2] 中国地震信息网 http://www.csi.ac.cn/manage/html/4028861611c5c2ba0111c5c558b00001/index.html
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