4月20日发生的四川雅安芦山地震,中国国家地震局先速报为5.9级,然后改为7.0级,而美国地质调查局始终报为6.6级。同样,2008年5月12日发生的汶川地震,中国国家地震台网最早报的震级是“7.6级”;之后国家地震台网中心又将震级修订为7.8级, 6天之后,干脆升级为8.0级。美国地质调查局(USGS)在汶川地震后约10分钟公布的汶川地震震级为7.9级,自始至终没有再修改过,汶川地震的USGS这个震级得到国际地学界较普遍地采用。
中美两国报的芦山地震的震级为啥不一样?有人说差异是由于地震震级计算标度不同造成的,美国地质调查局使用能量基础的矩震级,而中国还在沿用历史的面波震级。
震级是衡量地震能量释放多少即地震大小的标度。
目前,最基本的震级标度有4种:矩震级MW,近震震级(ML)、体波震级(Mb和MB)和面波震级(MS)。中国地震局系统过去一直采用面波震级Ms(国家标准GB17740-1999),这样做不仅不太科学(见图1)、更不与国际接轨,报出的震级在民众中常造成疑惑。作为体系外的我,不清楚地震局系统为什么要一直或还要继续使用面波震级呢?震级是地震的基本参数,不宜人为的修改。
1. 矩震级(Mw)
最具科学性的震级标度是矩震级Mw,它的适用范围从3.5级到无限制,无震级饱和问题。,震级3.5。矩震级是反映地震断层错动程度的一个物理量,它等于断层面的面积S、断层面的平均位错量和断层岩石剪切模量μ的乘积。地震的矩震级,既可由地震波记录反演计算获得,也可从野外测量断层的平均位错、破裂长度、实验室内测量的岩石剪切模量以及从等震线的衰减或余震推断的震源深度计算出来。1960年智利大地震是Mw9.5级,1964年阿拉斯加威廉王子海湾大地震是Mw9.2级,1957年阿拉斯加安德列诺夫岛大地震是Mw9.1级, 2004年12月26日印尼苏门答腊以西海发生的、引发海啸冲击了印尼、斯里兰卡、印度、泰国、孟加拉国、马尔代夫、索马里、马来西亚、缅甸、坦桑尼亚、塞舌尔、肯尼亚等印度洋及其沿岸十几个国家,死亡人数超过28万的大地震是Mw9.0级。2008年5月12日四川汶川地震是Mw7.9级,1976年唐山地震是Mw7.5级,2013年4月20日芦山地震是6.6级。
2. 近震震级 (ML)
地震仪离震中应不大于400 km,ML 的应用范围界于2-6级,最多不能到6.8级,否则就饱和了。在美国南加州地区,近震震级可由Wood-Anderson Torsion仪器测定的周期 1 s 近震S波的振幅(以微米计)和震中与地震仪之间的角距计算出来。对于小于6.3级的地震,近震震级总是大于矩震级(图1)。
3. 体波震级(Mb或MB)
由P波振幅计算出来的震级为体波震级。深源地震(300 km)的面波不强,故体波震级更适用于标量深源地震的震级。用周期1 秒左右的P波振幅计算出来的震级叫Mb,而用周期5-15秒的P波振幅计算出来的震级叫MB。MB总是大于Mb(图1)。Mb从5.5级就开始饱和,到了6.0级就完全饱和。从图1可以看出,在震级5.0级左右,Mb总是比Ms更接近于Mw。
4. 面波震级 (MS)
面波震级(MS)是指根据Rayleigh面波垂直分量的振幅计算出来的震级,由周期20 秒附近(Airy Phase) Rayleigh面波的垂直分量的振幅(以微米计)和震中与地震仪之间的角距计算出来。MS从7.25就开始饱和,到了8.0级一般就会完全饱和。所以,面波震级的应用范围界于5-8级,Δ界于20o-180o。原则上说,面波震级不适用震级小于5级的地震。如图1所示,对于小于6级的地震,使用面波震级不可避免要低估地震的实际震级(即矩震级Mw)。
中国各省地震局所报道的震级一般都是面波震级Ms(国家标准GB17740-1999)。细心的人或许已经发现,中国地震局所报的中小地震(小于6级)的震级总是比国外(例如,美国地质调查局USGS)所报的要低零点几级。例如,2008年6月18日的四川省石棉地震,国外报的是4.6或4.7级(Mb或Mw,图2),而中国报的是4.2级(Ms)。小于5.5级的地震一般不会造成太大的人员伤亡和财产损失,采用面波震级虽然可以人为地把震级报低,从而达到稳定民心、让民众安心生产、放心生活的目的,但是这样做中国的震级数据就不和国际接轨了,缺少直接的对比性。
一次造成人员伤亡和财产重大损失的强震之后,各地地震局人员往往会对其速报震级进行校定,经校定后的震级往往比国外测定的高些。例如,1976年7月28日的唐山地震,中国说是7.8级(Ms),国外地震学家说它7.5级(Mw)。2008年5月12日的汶川地震,中国国家地震台网中心最初给新华社报的震级是“7.6级”;之后国家地震台网中心又将震级修订为7.8级。2008年5月18日,国家地震台网中心又将汶川地震升级为8.0级。美国地调局在汶川地震后约10多分钟公布的汶川地震震级为7.9级(Mw),从此之后就没有再修改过,USGS这个震级得到国际地学界和专业文献的普遍地采用。2010年04月14日的玉树地震,中国地震局公布的震级是7.2级,后又改回7.1级;美国地质调查局公布的是6.9级地震。这次芦山地震开始速报5.9级,后来改成7.0级,而美国地调局报的6.6级。
中国地震部门对发生在中国本土的地震震级进行修订,往往被人诟病,以为震级是令人打扮的少女。有人说,地震灾区当地领导喜欢地震监测部门把已经造成人员伤亡和财产重大损失的地震的震级报高,一是能得到高级领导的重视,更多的获得社会同情和救灾援助,还可以推卸建筑质量与工程问题的责任。
地震的基本参数除了震级外,还包括(微观)震中位置、震源深度、发震时间等。汶川地震的震源深度,中国国家地震台网中心最初速报的是33公里,随后正式公布的是10公里,2008年6月26日下午中国地震局地质研究所领导在北京人民大会堂代表国家地震局向全国人大常委会汇报,把震源深度定为14公里;后来有关专业文献中有定为18.6公里。美国地质调查局自始至终报的震源深度都是19公里。2010年04月14日07时49分的玉树地震,中国国家地震台网中心先报的震源深度33公里,恰好和2008年的5.12汶川地震的一样深。美国地调局报的是10公里。正如我在玉树地震震后一个小时写的博文(《青海玉树地震的背景情况 中所讲的,震源不可能是国家地震局报的33公里,报的人对青藏高原地壳厚度和其流变结构不甚了解,即使没有地震波数据,也不能报出这个震源深度来。造成上述情况的原因主要如下:在地震监测方面,出现“电脑代替人脑”的情况,同时,中国自动化地震监测的仪器故障率高、不少台站形同虚设,不能正常连续工作。地震监测人员的事业心和技术素质偏差,遇到问题不能自行解决,纪录数据质量较差。