多種震級及其巧妙之處＊

劉瑞豐

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

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？

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700 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。由地震所產(chǎn)生地面位移的振幅，小可到納米，大可到十幾米，地震能量可相差十幾個量級。而用于觀測地震的儀器通常分布在地表或地表附近，要準(zhǔn)確測定地震的大小，并不是一件容易的事。

對于構(gòu)造地震，巖層在大地構(gòu)造應(yīng)力的作用下產(chǎn)生應(yīng)變，并不斷積累應(yīng)變能，應(yīng)力一旦超過了極限，巖石就會突然破裂，或沿原破裂面滑動，釋放出大量能量，其中一部分能量以地震波的形式向四面八方輻射，這就是地震成因的斷層假說。因此，地震學(xué)家認(rèn)識到用地震能量來規(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)確地測定地震的大小？這是一個長期困擾地震學(xué)家的問題，從1875 年近代地震儀器發(fā)明以來，一直到震級概念的提出，整整用了60 年的時(shí)間。

1935 年，美國著名地震學(xué)家里克特（Charles Francis Richter，1900—1985）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(xué)成為一門定量的科學(xué)。震級概念的提出是地震學(xué)發(fā)展歷程中一個具有里程碑意義的進(jìn)展，為了紀(jì)念里克特在震級測定領(lǐng)域做出的突出貢獻(xiàn)，普及地震知識，他的生日4 月26 日被美國設(shè)成 “里克特震級標(biāo)度日（Richter Scale Day）” 。

震級采用無量綱的數(shù)來表示地震的大小，簡便易行，通俗實(shí)用。為了做好震級與地震能量之間的對接，1956 年古登堡和里克特給出了震級與地震能量之間的關(guān)系。震級的英文是 “Magnitude” ，之所以把這個英文單詞翻譯成 “震級” ，是因?yàn)檎鸺壟c地震能量之間是對數(shù)關(guān)系，震級表示的是地震大小的 “等級” ，面波震級相差1.0，地震能量相差大約32 倍。

震級是地震的基本參數(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(shí)間、斷層長度、斷層面積等。對于淺源地震，震級越大，地震所造成的災(zāi)害越嚴(yán)重，震級是開展地震應(yīng)急、地震救援與災(zāi)害損失評估的重要參數(shù)。因此，震級具有科學(xué)性和社會性雙重屬性。無論是從科學(xué)研究的角度，還是從社會需求的角度，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[1]。

1 測定地震大小的難度

地震同刮風(fēng)、下雨一樣，是一種自然現(xiàn)象。因此，地震可以用科學(xué)的方法進(jìn)行觀測和研究。全球的地震臺網(wǎng)每年記錄到的地震大約是500 萬次，為了實(shí)現(xiàn)地震臺網(wǎng)每天測定大量地震大小的需求，測定地震大小的方法必須簡單實(shí)用。地震學(xué)家認(rèn)識到用地震儀器記錄到的地震波測定地震的大小，是科學(xué)、實(shí)用的方法。

在震源附近，震源幅射的原生波為P 波和S 波，震源輻射地震波的能量與P 波和S 波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的速度的平方成正比。根據(jù)哈斯克爾的研究成果，假設(shè)地震發(fā)生在無限大、無衰減的介質(zhì)中，地震輻射能量的計(jì)算公式如下[2]：

式中，ρ是介質(zhì)密度，α和β是P 波和S 波的速度，和分別是P 波和S 波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的速度。由于從震源到地震臺站之間的幾何擴(kuò)散和介質(zhì)的非彈性（圖1），會造成P 波和S 波的能量損失，因此，利用地震臺站記錄的地震波形測定地震輻射能量時(shí)，需要對地震臺站記錄到的波形進(jìn)行幾何擴(kuò)散衰減和非彈性衰減校正。

圖 1 P 波和S 波的幾何擴(kuò)散衰減和介質(zhì)非彈性衰減Fig. 1 Geometric diffusion attenuation and medium inelastic attenuation of P wave and S wave

距震源r處的地面位移uα(t)、uβ(t)取決于地震矩率(t)[3]：

式中，Rα(θ,?)和Rβ(θ,?)分別是P 波和S 波的輻射場型。計(jì)算地震輻射能量ES，需要考慮地震波的幾何擴(kuò)散衰減和介質(zhì)非彈性衰減，還要對所有地震波的頻率進(jìn)行積分。在1935 年以前的模擬記錄時(shí)代，測定地震輻射能量幾乎很難做到；即使是在現(xiàn)在，也只能測定5.0 級以上地震的輻射能量，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(xì)，依然很難測定其輻射能量ES。

任何一種波都具有多種頻率成份，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(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，其頻譜成份及其優(yōu)勢頻率與地震的類型有關(guān)。

按震中距劃分，可將地震分為近震和遠(yuǎn)震兩大類。 ① 近震：對于1000 km 以內(nèi)的近震，主要震相為P 波和S 波，周期較小，一般在0.01—2 s 之間。用短周期地震儀器記錄S 波最大振幅的周期一般在0.8—1.2 s 之間，其優(yōu)勢周期為1.0 s 左右； ② 遠(yuǎn)震：對于1000 km 以外的遠(yuǎn)震，主要震相為P 波、S 波等體波和勒夫波、瑞利波和短周期面波等面波，地震波頻帶較寬。

按震源深度劃分，可將地震分為淺源地震、中源地震和深源地震。在全球地震所釋放的地震能量中，85% 是由淺源地震釋放，12% 是由中源地震釋放，3%是由深源地震釋放。 ① 淺源地震：P 波周期一般在4—6 s，S 波周期一般在6—10 s，面波周期大多在10—25 s。用長周期地震儀器記錄面波最大振幅的周期一般在18—22 s 之間，其優(yōu)勢周期為20 s 左右； ② 中源地震和深源地震：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(shí)間短。

2 震級的巧妙之處

震級的巧妙之處就在于采用“單一頻率”的多種震級標(biāo)度，量度不同類型地震的大小，用簡單的方法，巧妙地解決了地震定量這一難題。從本質(zhì)上講，震級的計(jì)算公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，常用的傳統(tǒng)震級有3 種，包括地方性震級、面波震級和體波震級。不同的震級要用不同頻段的地震儀器測定，不同的震級有不同的適用范圍。

（1）地方性震級：用短周期地震儀器測定，適合表示近震的大小。里克特提出的地方性震級ML要使用伍德—安德森短周期地震儀（WA 地震儀）測定，該儀器拾震器的固有周期T0=0.8 s。我國使用DD-1 短周期地震儀器測定ML，DD-1 拾震器的固有周期是1.0 s。用DD-1短周期地震儀器記錄1000 km 內(nèi)的淺源近震，S 波優(yōu)勢周期為1.0 s 左右。

（2）面波震級：用中長周期地震儀器測定，適合表示淺源遠(yuǎn)震的大小。我國地震臺網(wǎng)要測定水平向面波震級MS和垂直向面波震級MSZ。測定MS使用基式（SK）中長周期地震儀器兩水平向記錄，測定MSZ使用763 長周期地震儀器垂直向記錄?；剑⊿K）和763 地震儀拾震器的固有周期分別是12.5 s和15.0 s，記錄4.5 級以上地震面波周期T＞3.0 s。對于較大遠(yuǎn)震，當(dāng)震中距Δ＞20°時(shí)，記錄面波的優(yōu)勢周期為20 s 左右。

（3）體波震級：可用短周期地震儀器測定，也可用中長周期地震儀器測定，適合表示不同震源深度遠(yuǎn)震的大小，尤其適用于表示中深源遠(yuǎn)震和地下核爆炸的大小。我國地震臺網(wǎng)要測定短周期體波震級mb和中長周期體波震級mB。測定mb使用DD-1 短周期地震儀器記錄，短周期體波的優(yōu)勢周期是1.0 s。測定mB使用基式（SK）中長周期地震儀器記錄，中長周期體波周期為0.5—15.0 s，優(yōu)勢周期為5.0 s 左右。

地方性震級適合表示近震的大小，又稱近震震級；面波震級和體波震級適合表示遠(yuǎn)震的大小，因此，面波震級和體波震級又稱為遠(yuǎn)震震級。圖2 為地震的類型和3 種常用震級及其適用范圍。

圖 2 地震類型與常用的3 種震級Fig. 2 Earthquake types and three commonly used magnitudes

在地震臺網(wǎng)的日常工作中，除了上述3 種常用的震級以外，2000 年以后地震臺網(wǎng)已把矩震級MW作為日常產(chǎn)出的首選震級，而在科學(xué)研究中使用的震級有近20 種。

震級是對各種震級的統(tǒng)稱，而不具體指某一種類型的震級，用字母 “M” 表示。如果表示某一種類型的震級，要有下腳標(biāo)，如地方性震級ML、面波震級MS、短周期體波震級mb、中長周期體波震級mB、矩震級MW，等等。如果把震級M只當(dāng)成面波震級MS，或某一種類型的震級，那就太片面了。

3 為何使用多種震級

多種震級之所以能夠長期并存，必然有其存在的科學(xué)性和必要性。地震是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，而震級的測定方法又非常簡單，用簡單的方法解決復(fù)雜的問題，必然有其固有的局限性。任何一種傳統(tǒng)的震級只能表示某一種類型地震的大小，而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，只能采用多種震級。

測定震級與聽音樂會的原理一樣，我們聽到的歌聲包括聲音大?。ㄕ穹鵄）和音調(diào)（周期T）兩個參數(shù)，我們欣賞音樂會，不只是聽聲音大小，而是欣賞演唱者音質(zhì)，即聲音大?。ㄕ穹鵄）隨音調(diào)（周期T）的變化，由于不同演唱者的音域不同，可分為低音、中音和高音等多個聲部。同樣的道理，地震也有多種類型，不同類型的地震輻射地震波的頻譜和優(yōu)勢周期T差別很大。按震中距來劃分，可分為近震和遠(yuǎn)震；從震源深度來劃分，可分為淺源地震、中源地震和深源地震。為了表示不同類型地震的大小，從而有了地方性震級、面波震級和體波震級等多種震級標(biāo)度。

近震地震波的震相比較簡單，主要包括P 波和S 波，其頻率以高頻成分為主，只能測定地方性震級；淺源遠(yuǎn)震的震相比較復(fù)雜，包括穿過地殼、地幔和地核的各種體波，以及沿地球表面或分界面?zhèn)鞑サ睦辗虿?、瑞利波和短周期面波等面波，可以測定體波震級和面波震級，其中面波是最明顯的震相，用面波震級最適合表示淺源遠(yuǎn)震的大小；中深源遠(yuǎn)震和地下核爆，面波不發(fā)育，只能測定體波震級。

不同的震級表示的是震源輻射不同頻率地震波能量的大小，這些震級都是重要的地震參數(shù)，是開展震源特征、不同地震之間的差異等方面研究的重要基礎(chǔ)資料。地震學(xué)家利用不同震級之間的差別來認(rèn)識各種震源特征。例如，利用體波震級和面波震級的比值mb/MS，可以有效地識別構(gòu)造地震和地下核爆炸；具有走滑型震源機(jī)制的地震，震源輻射勒夫波振幅要比瑞利波的振幅大，使得水平向面波震級MS要比垂直向面波震級MSZ偏大；對于5.0 級以上地震，震源輻射的體波以中長周期為主，使得中長周期體波震級mB要比短周期體波震級mb偏大。

4 為何不能統(tǒng)一震級

地震的震源非常復(fù)雜，小地震的震源是一個點(diǎn)，而大地震的斷層長度可達(dá)1000 km 以上，震源輻射地震波的頻率范圍很大，從100 Hz 的高頻小地震，到大地震激發(fā)的0.0001 Hz（104s）的地球自由振蕩，跨越約為7 個量級。不同類型地震輻射的地震波具有復(fù)雜的頻譜結(jié)構(gòu)，而每一種震級都是用一個特定頻段地震波測定。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，統(tǒng)一震級是不可能做到的。

1945 年，古登堡（Beno Gutenberg，1889—1960）曾經(jīng)做過傳統(tǒng)震級統(tǒng)一工作，他當(dāng)時(shí)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，因?yàn)楫?dāng)時(shí)他認(rèn)為這3 種震級是等價(jià)的，稱為 “統(tǒng)一震級” ，但是研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)事實(shí)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(shí)差別較大。古登堡[4-6]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(xué)家曾相信通過震級之間相互 “換算” ，實(shí)現(xiàn) “統(tǒng)一震級” 。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)。作為對 “統(tǒng)一震級” 努力的終結(jié)，德國的杜達(dá)教授[7]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），這個分類標(biāo)志著人類對地震認(rèn)識的一次重要進(jìn)步。這種進(jìn)步的意義到了20 世紀(jì)80 年代得到了地震學(xué)家的普遍認(rèn)同。寬頻帶數(shù)字化地震臺網(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” 。20 世紀(jì)70 年代末，地震學(xué)家普遍認(rèn)識到震級之間不能通過相互 “換算” 而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

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(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(lán)” 被稱為三原色光，三原色光模式又稱 “RGB 顏色模型（RGB color model）” ，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，而對于某一種類型地震，其優(yōu)勢頻率就會相對單一，用 “單一頻率” 的震級就可以表示這類地震的大小。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，震級不能統(tǒng)一。地方性震級、面波震級和體波震級是3 種基本震級，用這3 種基本震級才能表示所有類型地震的大小。

5 為何震級之間不能轉(zhuǎn)換

震級不但與地震波的振幅A有關(guān)，而且還與地震波的頻率f（周期T）有關(guān)。在實(shí)際工作中，人們往往會注意震級與地震波的振幅A有關(guān)，卻忽視震級與地震波周期T的關(guān)系。地震波優(yōu)勢周期T是區(qū)分不同類型地震的重要參數(shù)，不同的震級表示震源輻射不同頻段地震波能量的大小，不同地震的頻譜差別很大，如果按經(jīng)驗(yàn)關(guān)系從一種震級轉(zhuǎn)換到另一種震級，必然會產(chǎn)生震級的偏差。因此，在地震監(jiān)測中，不同震級之間一律不允許相互轉(zhuǎn)換。

地方性震級ML和面波震級MS是最常用的兩個震級，測定ML所使用的S 波的優(yōu)勢頻率f為1.0 Hz（優(yōu)勢周期T為1.0 s），測定MS所使用的面波的優(yōu)勢頻率為0.05 Hz（優(yōu)勢周期T為20 s）。在進(jìn)行地震活動性統(tǒng)計(jì)時(shí)，因小震沒有MS，有人為了統(tǒng)一震級，按經(jīng)驗(yàn)公式將ML轉(zhuǎn)換成MS，這在形式上似乎統(tǒng)一，但得到的必然是失真的結(jié)果。從1979 年起，在以下3 本觀測手冊或教材中明確規(guī)定：在地震監(jiān)測中，不同震級之間一律不允許相互轉(zhuǎn)換。

5.1 《地震觀測實(shí)踐手冊》（MSOP）

1979 年，為了規(guī)范全球的地震監(jiān)測工作，世界數(shù)據(jù)中心（WDC）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》（Manual of Seismological Observatory Practice，MSOP）[8]。國家地震局組織相關(guān)專家將該手冊翻譯成中文，由地震出版社出版。在該手冊中明確指出： “從一種震級轉(zhuǎn)換成另一種震級，必然造成原震級信息的損失（Transference of magnitude estimates from one scale to another involves the loss of some of the information which was contained in the original magnitudes）” 。從此以后，全球的地震監(jiān)測遵循以下規(guī)則：不同震級標(biāo)度之間一律不允許相互轉(zhuǎn)換。在全球各個國家的地震監(jiān)測工作中，無論是地震觀測報(bào)告、地震目錄列出的震級，還是對外發(fā)布的震級，均是實(shí)際測定的震級。

5.2 《新地震觀測實(shí)踐手冊》（NMSOP）

2002 年，國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會（IASPEI）邀請德國地學(xué)研究中心的鮑曼（Peter Bormann）教授擔(dān)任主編，重新編寫了《新地震觀測實(shí)踐手冊》（NMSOP）[9]，中國地震局組織相關(guān)專家將第一版翻譯成中文，由地震出版社出版，2012 年又推出了第二版（NMSOP-2）。在該手冊中進(jìn)一步指出： “到目前為止，地震界仍有個別人在做 “統(tǒng)一震級” 工作，他們似乎還沒有閱讀或接觸過相關(guān)的原始出版物，沒有正確理解震級的意義，更不了解不同震級之間差別的涵義” ，并進(jìn)一步明確不同震級之間不允許相互轉(zhuǎn)換。

5.3 《地震震級的規(guī)定（GB17740-1999）宣貫教材》

1999 年，在許紹燮院士編寫的《地震震級的規(guī)定（GB17740-1999）宣貫教材》[10]中明確指出： “深震和小震對社會的影響不大，它不屬于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的目標(biāo)范圍。在個別特殊情況下（如首都圈等敏感區(qū)域發(fā)生有感的2 級、3 級小地震時(shí)），需要向社會公布本標(biāo)準(zhǔn)不能測得的地震震級M時(shí)，深震可用體波震級mb，小震可用地方性震級ML測定。在對社會公布時(shí)不再稱地震震級M，而應(yīng)稱為相應(yīng)的體波震級mb或地方性震級ML” 。因此，在1999 年發(fā)布的震級國家標(biāo)準(zhǔn)中，不允許采用震級轉(zhuǎn)換的方式對外發(fā)布地震的震級。

美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）于2002 年發(fā)布 “美國地質(zhì)調(diào)查局地震震級的測定與發(fā)布管理?xiàng)l例” （USGS Earthquake Magnitude Policy）[11]，該規(guī)定從2002 年1 月18 日起執(zhí)行。在該條例中明確規(guī)定，測定的震級一律不允許相互轉(zhuǎn)換，并把矩震級MW作為對外發(fā)布的首選震級。

但在某些實(shí)際工作中，有時(shí)會根據(jù)需求給出不同震級之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系只能給出不同震級之間的總體變化趨勢，是一種統(tǒng)計(jì)意義上的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。對于任何地震個體，轉(zhuǎn)換后的震級值已不是原震級的本來意義，不能反映地震個體的特性。例如，mb/MS是區(qū)分天然地震與地下核爆炸的重要判據(jù)，如果MS是用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系從MW、mB或mb轉(zhuǎn)換的，那就沒有任何鑒別意義了。

6 震級之間的對接關(guān)系

幾十年來，震級在全球各個國家得到了普遍的應(yīng)用，目前已經(jīng)構(gòu)成了由多種震級組成的震級標(biāo)度體系。不同震級之間不是相互獨(dú)立，而是相互對接，相互傳承。

1935 年，里克特提出了震級的概念，并給出了地方性震級ML的測定方法，ML適合表示近震的大小，不能表示遠(yuǎn)震的大小。

1945 年，古登堡將測定地方性震級ML的方法推廣到遠(yuǎn)震，提出了面波震級MS標(biāo)度。MS是與ML對接的震級，適合表示淺源遠(yuǎn)震地震的大小，MS是ML在遠(yuǎn)震的延續(xù)，彌補(bǔ)了ML無法測定遠(yuǎn)震大小的不足。而對于中源地震和深源地震，面波不發(fā)育，無法測定面波震級。

1945 年，古登堡提出了體波震級mB標(biāo)度。體波震級mB是與地方性震級ML對接的震級，適合表示不同震源深度的地震和地下核爆炸的大小，彌補(bǔ)了地方性震級ML無法用于遠(yuǎn)震的不足，彌補(bǔ)了面波震級MS無法用于中源地震、深源地震和地下核爆炸的不足。

地方性震級ML、面波震級MS和體波震級mB構(gòu)成了傳統(tǒng)震級體系的基本框架。在這3 種基本震級的基礎(chǔ)上，各國的地震學(xué)家針對不同區(qū)域、不同地震儀器和不同需求，又提出了一些新的震級，這些新震級都是與上述3 種基本震級對接的震級。例如：持續(xù)時(shí)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，并與古登堡的面波震級做過很好的校準(zhǔn)；寬頻帶面波震級MS(BB)是與MS對接的震級；寬頻帶體波震級mB(BB)是與mB對接的震級，等等。

1977 年，金森博雄提出了矩震級MW標(biāo)度，1995年喬伊和博特賴特提出了能量震級Me標(biāo)度。實(shí)際上，MW和Me都是與面波震級MS對接的震級，當(dāng)面波震級MS沒有達(dá)到震級飽和時(shí)，MW、Me與MS基本一致，當(dāng)面波震級MS達(dá)到震級飽和時(shí)，MW和Me是MS的延續(xù)。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，震級標(biāo)度已經(jīng)形成了一個完整的體系。圖3 給出了震級標(biāo)度體系與震級之間的傳承關(guān)系，可以看出不同震級之間的傳承關(guān)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。

圖 3 震級標(biāo)度體系與震級之間的傳承關(guān)系Fig. 3 Magnitude scale system and inheritance relationship between magnitudes

7 傳統(tǒng)震級與現(xiàn)代震級

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)代震級兩類。

7.1 傳統(tǒng)震級

傳統(tǒng)震級（traditional magnitude）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，包括地方性震級ML、面波震級MS、寬頻帶面波震級MS(BB)、短周期體波震級mb、中長周期體波震級mB、寬頻帶體波震級mB(BB)等。

傳統(tǒng)震級最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是測定方法簡單，最明顯的缺點(diǎn)是： ① 其適用范圍的局限性，不能做到統(tǒng)一震級； ② 具有 “震級飽和” 現(xiàn)象。由于不同國家的地震臺網(wǎng)孔徑不同，使用的地震儀器也不同，測定同一震級所使用臺站的震中距范圍也有所差別。美國國家地震信息中心（NEIC）、國際地震中心（ISC）只使用震中距在20°—160°范圍內(nèi)的遠(yuǎn)震面波測定面波震級，只使用震中距在20°—170°范圍內(nèi)的遠(yuǎn)震P 波、PP 波測定體波震級。而在我國和蘇聯(lián)、捷克斯洛伐克等一些東歐國家除了使用遠(yuǎn)震資料，也使用近震資料測定面波震級和體波震級。我國地震學(xué)家根據(jù)我國地震活動特點(diǎn)和地震波衰減特性，已經(jīng)建立了適合我國實(shí)際情況的震級標(biāo)準(zhǔn)體系。2017 年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布新修訂的震級國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級的規(guī)定》（GB17740-2017），新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用1000 km 以內(nèi)的S 波（或Lg 波）測定地方性震級ML，使用2°＜Δ＜130°的面波測定面波震級MS，使用2°＜Δ＜160°的面波測定寬頻帶面波震級MS(BB)，使用5°＜Δ＜100°的體波測定短周期體波震級mb和寬頻帶體波震級mB(BB)[12]。對于很多近震我們也要測定MS、MS(BB)、mb或mB(BB)。因此，在我國，地方性震級ML適合表示4.5 級以下淺源地震的大小，寬頻帶面波震級MS(BB)適合表示4.5 級以上淺源地震的大小，短周期體波震級mb或?qū)掝l帶體波震級mB(BB)適合表示淺源、中源和深源等不同震源深度地震的大小。

7.2 現(xiàn)代震級

現(xiàn)代震級（modern magnitude）是用斷層破裂面的面積S、斷層平均位錯量、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。

現(xiàn)代震級使用震源物理參數(shù)測定的震級，用一種震級就可以表示所有類型地震的大小，可以做到統(tǒng)一震級，并且沒有 “震級飽和” 現(xiàn)象。矩震級MW和能量震級Me表示的是震源的不同特性，MW反映震源靜態(tài)特征，是描述地震 “零頻” 運(yùn)動的物理量，在構(gòu)造動力學(xué)研究中具有重要意義；Me反映震源動態(tài)特征，是描述地震輻射地震波總效應(yīng)的物理量，在工程地震學(xué)研究中具有重要意義。

7.3 現(xiàn)代震級與傳統(tǒng)震級的關(guān)系

近年來，已有越來越多的地震臺網(wǎng)測定矩震級MW，能夠測定能量震級Me的地震臺網(wǎng)還不多。在實(shí)際工作中，往往需要進(jìn)行現(xiàn)代震級與傳統(tǒng)震級的分析對比工作，從理論上講，矩震級MW與傳統(tǒng)震級有以下關(guān)系[13]：

（1）對于4.5 級以下淺源地震，MW與ML最為接近；

（2）對于4.5 級以上淺源地震，MW與MS(BB)最為接近；

（3）對于中源地震、深源地震，MW與mb或mB(BB)最為接近。

鮑曼和劉瑞豐[13-14]已經(jīng)用幾十年的觀測資料證明了上述關(guān)系，并得到了IASPEI 震級測定專家組的認(rèn)可。

8 為何不同震級有差別

對于4.5 級以上淺源地震，在地震目錄中一個地震可能會列出ML、MS、MS(BB)、mb、mB(BB)等多個震級，并且不同震級存在差別，有時(shí)相差會達(dá)到0.8級。其主要原因有震級對接產(chǎn)生的偏差和震相及周期產(chǎn)生的偏差兩個方面。

8.1 震級對接產(chǎn)生的偏差

震級的計(jì)算公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，在震級的計(jì)算公式中都有幾個常數(shù)，這些常數(shù)的確定都是通過新震級標(biāo)度與已有震級標(biāo)度對接得到的，確保新舊震級的系統(tǒng)性。然而，在對接的過程中，使用的是一定范圍的地震資料，從而使得在這個范圍內(nèi)新舊震級基本一樣，而在其他范圍，新舊震級之間會有一定的差別。

古登堡在做面波震級MS與地方性震級ML的對接中，使用的是MS4.5—6.0 之間的地震資料，從而使得在4.5—6.0 范圍內(nèi)MS與ML基本一致，而對于6.0 級以上地震MS與ML會有差別。古登堡在做體波震級mB與面波震級MS的對接中，使用的是mB6.0—8.0 之間的地震資料，大部分地震6.5—7.0，使得在6.5—7.0 之間，mB與MS基本一致，而在其他范圍，mB與MS會有差別。

8.2 震相及周期產(chǎn)生的偏差

測定傳統(tǒng)震級要使用不同震相的振幅A和周期T，由于所使用地震波的震相不同、周期不同，使得同一地震不同震級之間存在差別，這樣的差別反映的是震源輻射不同頻段地震能量的差異。表1 是我國地震臺網(wǎng)測定的傳統(tǒng)震級所使用的震相、地震波周期、震中距、飽和震級等基本參數(shù)。

表 1 我國地震臺網(wǎng)測定傳統(tǒng)震級的基本參數(shù)Table 1 The basic parameters for measuring traditional magnitudes by China’s seismic network

測定地方性震級ML使用S 波的優(yōu)勢周期是1.0 s；測定面波震級MS使用面波的優(yōu)勢周期是20 s；測定中長周期體波震級mB使用體波優(yōu)勢周期是5 s；測定短周期體波震級mb使用體波的優(yōu)勢周期是1 s。

測定ML、mb、mB和MS時(shí)，要將寬頻帶記錄仿真成窄頻帶的DD-1 短周期或基式（SK）中長周期記錄，記錄的地震波有明顯的優(yōu)勢周期。而MS(BB)和mB(BB)都是在原始寬頻帶記錄上直接測定，使用地震波的頻帶較寬，無明顯的優(yōu)勢周期。同時(shí)也可以看出，飽和震級與測定震級所使用地震波的優(yōu)勢周期有關(guān)，優(yōu)勢周期越小，飽和震級越小；優(yōu)勢周期越大，飽和震級也越大。

9 多種震級優(yōu)勢互補(bǔ)

在地震臺網(wǎng)的日常工作中，多種震級標(biāo)度會長期并存，優(yōu)勢互補(bǔ)。

傳統(tǒng)震級測定方法簡單，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(fù)雜，MW和Me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，由于地震記錄的信噪比較低，再加上速度模型的問題，使得測定MW的結(jié)果偏差較大。這樣在地震速報(bào)時(shí)仍需要用傳統(tǒng)震級對外發(fā)布。

10 如何做到 “一個地震只有一個震級”

在地震活動性分析、地震預(yù)報(bào)等一些實(shí)際工作中，人們通常認(rèn)為 “一個地震只有一個震級” ，多種震級會給一些具體的工作帶來諸多不便。實(shí)際工作需要大量的地震資料，有近震，也有遠(yuǎn)震；有淺源地震，也有中源地震和深源地震。在地震目錄中一個地震有時(shí)會列出多個震級。如何在多個震級中確定一個震級？這是人們普遍關(guān)心的問題。

10.1 “震級優(yōu)選” 方法

小地震的震源是一個點(diǎn)源，適合用近場資料測定其大小。因此，對于小地震用地方性震級就可以表示其大小。大地震的震源有一定尺度，用近場資料和遠(yuǎn)場資料都可以測定其大小，但是用近場資料只能觀測到震源的局部特征，不能完整地表示震源特性，而用遠(yuǎn)場資料就可以有效地減小震源尺度的影響，能夠客觀地表示震源特性。因此，對于淺源大震，適合用遠(yuǎn)場的面波震級表示其大??；對于中深源大震和地下核爆炸，適合用體波震級表示其大小。

在地震目錄中，對于較大的地震會列出多個震級，其中總有一個震級最適合表示這種類型地震的大小。 “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 如果沒有矩震級，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，有面波震級，說明是一個較大的淺源地震，則選擇面波震級；如果既沒有矩震級，也沒有面波震級，有體波震級，說明是中深源地震或地下核爆炸，則選擇體波震級；如果只有地方性震級，說明是一個小地震，只能選擇地方性震級。

1980 年以前，人們曾試圖通過震級 “轉(zhuǎn)換” 的方式實(shí)現(xiàn)一個地震只用一個震級，但是后來發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的震級偏差較大，并且震級的轉(zhuǎn)換公式很多，差異很大，無法統(tǒng)一。從此以后，國際上普遍采用 “震級優(yōu)選” 的方法實(shí)現(xiàn)一個地震只用一個震級。

圖4 是美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）對外發(fā)布的2021年12 月29—30 日的地震信息，圖中從左到右依次是震級、地震參考地點(diǎn)與震中分布（https://earthquake.usgs.gov/）。每個地震可能有多個震級，但向社會公眾發(fā)布地震信息時(shí)，一個地震只優(yōu)選一個震級，紅色框內(nèi)就是對外發(fā)布的震級，對外稱為震級M。

對于專業(yè)人員開展研究工作時(shí)，可以點(diǎn)擊左下角的 “Download” 按鈕下載地震目錄，顯示的頁面如圖5 所示。顯示的地震目錄包括：發(fā)震時(shí)刻、震中經(jīng)度和緯度、震源深度、震級（mag）、震級類型（mag-Type）等信息。對于4.5 級以下的地震，USGS 一般使用的是地方性震級ML；對于震源深度大于60 km 的中深源地震，優(yōu)選短周期體波震級mb。而對于大于4.5 級的地震，優(yōu)選矩震級MW。經(jīng)過多年的實(shí)際工作，對于較大的地震，USGS 可以快速測定MW，因而很少發(fā)布面波震級MS。如果不能及時(shí)測定MW，則發(fā)布MS。

圖 4 USGS 對外發(fā)布的震級Fig. 4 Magnitude released by USGS

圖 5 USGS 的震級優(yōu)選及震級類型Fig. 5 Magnitude optimization and magnitude type by USGS

10.2 優(yōu)選震級的表示方法

采用 “震級優(yōu)選” 方法確定的震級用 “M” 表示，稱為 “地震震級” 或 “震級” ，而不必說明震級的類型。

我國地震臺網(wǎng)測定面波震級和體波震級所使用的震中距Δ、地震波周期T與USGS 有所不用，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級的規(guī)定》（GB17740—2017）的規(guī)定：如果一個地震只用一個震級，對于較小的地震，M是地方性震級ML；對于較大的淺源地震，M是寬頻帶面波震級MS(BB)；對于中源地震、深源地震和地下核爆炸，M是短周期體波震級mb或?qū)掝l帶體波震級mB(BB)；如果有矩震級，M是矩震級MW。

在地震學(xué)研究和地震監(jiān)測中，采用的是多種震級。而對外向新聞媒體、社會公眾、政府機(jī)關(guān)發(fā)布地震的震級時(shí)，一個地震只使用一個震級，即使用 “震級M” ，而不給出震級的類型。

11 震級標(biāo)度的檢驗(yàn)

由于存在多種震級，而在開展地震活動性分析等方面研究工作時(shí)，一個地震只用一個震級，該震級要采用 “震級優(yōu)選” 的方法來選擇。該震級選擇的是否科學(xué)、合理，就要用G-R 關(guān)系檢驗(yàn)。某一構(gòu)造區(qū)域，如果在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生不同震級的地震的震級與頻度滿足G-R 關(guān)系，說明所選擇的震級沒有問題。

地震頻度（seismic frequency）是指一定時(shí)空范圍內(nèi)，單位時(shí)間所發(fā)生的地震活動次數(shù)。地震頻度是地震活動性的標(biāo)志之一。震級—頻度關(guān)系（earthquakefrequency relation）是指不同震級與相對應(yīng)的地震個數(shù)之間的關(guān)系。

1939 年，日本地震學(xué)家石本和飯?zhí)镌趯|京地區(qū)的地震活動分析中發(fā)現(xiàn)，震源距大致相等的地震，其最大振幅A與地震發(fā)生頻度N有關(guān)。1941 年，古登堡和里克特[15]在《全球地震活動性》一書中指出全球的地震發(fā)生頻度N與震級M有關(guān)。1954 年，古登堡和里克特[16]在《全球地震活動性及其相關(guān)現(xiàn)象》一書中，根據(jù)1899—1952 年全球強(qiáng)震活動的儀器記錄資料，系統(tǒng)地研究了全球強(qiáng)震活動的時(shí)空分布特征，劃分出了全球主要地震帶，研究了主要地震帶的活動特征，以及地球物理、地震地質(zhì)和地球動力學(xué)等方面的問題。研究結(jié)果表明，全球或一個地震區(qū)內(nèi)的震級和地震頻度之間滿足如下關(guān)系：

式中，N是大于等于震級M的地震個數(shù)；a、b是常數(shù)，但對于不同的地區(qū)有不同的值，a表示研究區(qū)域地震總體活動水平，b表示研究區(qū)域大小地震之間的比例關(guān)系。這就是著名的古登堡—里克特（G-R）震級—頻度關(guān)系式，簡稱G-R 關(guān)系，其中b值的變化是用來判斷震情是否異常的重要參數(shù)。后來，G-R 關(guān)系在全球很多地區(qū)得到了應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中很多地震學(xué)家發(fā)現(xiàn)震級—頻度分布曲線在小震級和大震級的兩端呈現(xiàn)向內(nèi)和向下彎曲的特征，但是無論如何，震級—頻度曲線的中間部分，都可以用G-R 關(guān)系給予很好的近似[17]。

b值（bvalue）是一個反應(yīng)不同震級與頻度之間關(guān)系的量。b值越大表示大地震的數(shù)量偏少，而小地震數(shù)量偏多。

b值的物理含義是巖石在破裂過程中大小破裂的比例關(guān)系。b值與一個地區(qū)的構(gòu)造特征有著密切的關(guān)系，與地震發(fā)生的物理機(jī)制與震源周圍介質(zhì)特性有關(guān)，反映了某一地區(qū)在某一時(shí)間范圍內(nèi)不同震級之間地震的相對分布關(guān)系。b值通常是由地震目錄統(tǒng)計(jì)得到，可用來估算不同震級地震重復(fù)發(fā)生的時(shí)間間隔，對地震活動性分析、地震構(gòu)造研究以及地震危險(xiǎn)性評估具有重要意義。

研究表明，中國大陸每年發(fā)生5.0 級以上地震約20 次，中國大陸的b值約為0.9。由此可以得出，中國大陸每年發(fā)生4.0 級以上地震在190 次左右，發(fā)生3.0 級以上地震在1600 次左右。眾所周知，小震無面波，對于沒有面波的小地震，有人卻將ML轉(zhuǎn)換成MS，給出的是面波震級MS，嚴(yán)重違背了地震學(xué)最基本的常識，使得中國大陸每年發(fā)生3.0 級以上地震只有540 次左右，少了近1100 次地震，從而造成地震活動偏低的假象。對于沒有面波的小地震，怎么會有面波震級？這樣的面波震級MS是虛假信息，會對社會公眾造成嚴(yán)重的誤導(dǎo)，對地震學(xué)研究產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

結(jié)束語

由于地震的復(fù)雜性，不同類型的震源特性差別很大，要準(zhǔn)確測定不同類型地震的大小并不是一件容易的事，震級的巧妙之處就在于采用多種震級標(biāo)度，量度不同類型地震的大小，用簡單的方法解決了地震定量這一困擾地震學(xué)幾十年的難題。震級概念的提出，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)。

很多人對采用多種震級不理解，甚至?xí)J(rèn)為多種震級很亂。只有掌握了震級的測定原理，才能理解多種震級的巧妙之處；只有這樣才能準(zhǔn)確測定震級，才能正確使用震級。