地震是如何記錄測定的

鐘羽云

今年2月6日23時50分，臺灣花蓮發生6.5級地震，浙江省沿海部分地區有強烈震感。民眾紛紛打電話到地震局詢問，得知是臺灣發生了6.5級地震后又問：“是里氏震級嗎？”那么，大家知道什么是“里氏震級”嗎？到目前為止，世界上發生的最大地震為1960年智利里氏8.9級。這又是為什么？要弄清楚這些問題，我們必須從認識地震儀開始。

模擬地震儀

公元132年，我國東漢時期的科學家張衡發明了候風地動儀，這是世界上第一架檢測地震的儀器。候風地動儀內部中央立著一根銅質都柱，周圍有八套牙機裝置，外部周圍鑄著八條龍，按東、南、西、北、東南、東北、西南、西北八個方向布列。牙機由一對杠桿構成，負責龍口的開合。某處發生地震時，都柱便倒向那一方，觸動牙機，使這個方向的龍張嘴吐出銅珠，落到與之對應的那個銅蟾蜍嘴里，發出“當啷”的聲響，人們就知道那個方向發生了地震。

公元138年，設置在洛陽的候風地動儀檢測到了一次發生在甘肅省內的地震，這是人類歷史上第一次用機械裝置檢測到遠處發生的地震。但是地動儀無法確定發震時刻，更無法測定震級。因此，從現代地震學的角度來看，候風地動儀并不能記錄地震，不是地震儀。

第一臺科學意義上的近代地震儀是意大利人切基于1875年發明的，其最根本的部分是傳感地動的“擺”。它是一個可作為標準的、慣性較大的物體（例如一個很重的鐵錘）。平常“擺”都是靜止不動的，地震來時，地面和附近的房子發生振動，而“擺”不動，“擺”與地面間就產生了相對運動。這個相對運動可以用一套杠桿裝置加以放大，或變成電信號。把這個電信號經過適當放大之后用檢流計記錄下來，就成為了地震信號。

從地震儀誕生以來，地震工作者便一直用它來觀測地震。通過不斷的改進和完善，近代地震儀的靈敏度可以達到10萬倍數量級，已經可以記錄到距離臺站很遠的小地震。雖然這種地震儀靈敏度很高，但動態范圍不大，遇到大地震時就容易“出格”，即超過量程。然而，地面振動的幅度跨越大約8個數量級，振動頻率跨越大約6個數量級，且地球產生的脈動在5～10秒有一個峰值（圖1）。受到儀器制作技術的限制，地震學家只好在遠距離記錄大地震的低頻率成分（大地震-遠距離-低頻率）或者在近距離記錄小地震的高頻率成分（小地震-近距離-高頻率）。地震學家最終采用分別在0.01～0.1赫茲（長周期地震儀）和1～10赫茲（短周期地震儀）兩個頻率范圍內來測量地面振動，以避開地球脈動“噪聲”（圖2）。地震工程師則主要關注引起建筑物破壞的近場強地面運動，他們著重于在近距離用低放大倍數的強震儀記錄1～10赫茲的強地面運動。這就是為什么模擬地震觀測時期記錄地震的儀器含有短周期地震儀、長周期地震儀和強震儀的原因。

數字地震觀測系統

為了克服動態范圍小和頻帶窄的缺點，使地震儀既輕又小以便安裝，地震學家做出了巨大的努力，并且取得了進展。一方面，通過對電路的改進，地震學家制成了反饋式電磁地震儀，使地震儀的頻帶展寬了。另一方面，隨著微電子技術的發展，從20世紀70年代起，地震學家采用信號數字化的記錄方式，制造出了用數字記錄的地震儀。

與模擬記錄相比，數字記錄方式的信號質量提高了，動態范圍變大了。模擬地震儀的動態范圍只有50分貝左右，而數字地震儀的動態范圍一般可以確保在90分貝以上。數字地震儀具有頻帶寬、分辨率高、動態范圍大以及易于與計算機連接處理的優點，因此20世紀末開始，我國地震臺網普遍采用數字地震儀。

地震參數及測定

最常用的地震參數是發震時刻、發震地點和震級，即我們經常說的地震三要素。這些參數是通過地震發生時產生的地震波信息測定的。

我們最熟悉的波動是水波。假如我們向池塘里扔一塊石頭，水面就會被擾亂。這個擾動由水粒的簡單前后運動連續地傳下去，從一個水粒把運動傳給更前面的水粒。這樣，以石頭入水處為中心就會有波紋向外擴展。水波攜帶石頭擊打水面的能量向池邊運移的現象，就能很好理解地震波的形成與傳播原理了。

地震發生時，震源區的介質發生急速破裂和運動。這種擾動構成一個波源，波動向地球內部及表層各處傳播開去，形成了地球連續介質中的彈性波，我們感受到的搖動就是由地震波能量產生的巖石震動。一般來說，具有不同振動性質和不同傳播途徑的地震波可以通過其到時、波形、振幅、周期和質點運動方式等特征進行識別。

測定地震參數時，我們首先要對地震波進行分析，根據地震波特征分別判別出縱波、橫波、面波的到時、振幅等信息。然后，再根據縱波、橫波的傳播速度不同，通過它們的到時差計算出地震儀離震源的距離。接著，以該距離為半徑、以地震儀為圓心畫圓，就可以知道震中必定位于該圓周的某處。如果同時有3臺以上的儀器記錄到了該地震，則3個圓的交點處即是地震震中位置。實際上，地震發生在地表下的一定深處，要準確測定一個地震的震中位置和震源深度，最少需要4個地震臺的記錄資料。最后，根據測量出的地震波最大振幅，通過一定的計算，就可以測定出該次地震的震級了。

震級是用來描述地震大小（準確地說是地震釋放的能量大小）的量度。早期，人們主要用地震造成的破壞程度來度量地震大小，這種度量就像是用炸彈造成的破壞程度來度量一顆炸彈的TNT當量。20世紀30年代，美國加州理工學院的地震學家里克特和古登堡共同制定了里氏地震規模。他們使用地面運動振幅的對數來標度震級的大小，用“標準”地震儀（一種特定的短周期地震儀），規定在距離震中100千米處觀測點的地震儀記錄到的地動位移最大振幅為10-3毫米的地震，相應震級為0級。

由于地球內部物質不均一，地震波傳播中會產生一系列的折射、反射現象，產生頻率成分豐富、特征各不相同的地震波，因此地震學家針對不同特征的地震波提出了不同的震級。常用的震級有：近震震級ML、面波震級Ms和體波震級Mb，這3種震級標度實質上都屬于里克特-古登堡震級系統，也是我們通常所說的里氏震級系統。其它的震級標度都是以此為基礎發展起來的。目前，人類記錄到的最大地震為1960年智利發生的里氏8.9級地震。因為當面波震級達到8.5級時，會出現“震級飽和”現象（即當地震繼續增大時，測量出來的震級數值不再增大）。

1979年，美國地震學家湯馬斯·漢克斯和金森博雄提出了更能直接反應地震過程物理性質的矩震級Mw標度。這是一個絕對力學標度，避免了震級飽和現象，因此得到了越來越廣泛的應用。目前，美國地質調查局網站上公布的地震參數就提供Mw標度。我國2017年修訂頒布的《地震震級的規定》國家標準中，也增加了矩震級Mw的測定方法，并將矩震級Mw作為對外發布的首選震級。如果使用矩震級Mw標度，則1960年智利地震的震級為Mw9.5級，與面波震級Ms標度的8.9級，在數字上相差了0.6，原因是使用了兩種不同的震級標度。

長期以來，地震學家一直相信這些震級之間是可以相互“換算”的，即“一個地震只能有一個震級”。但是這種統一是不可能的，因為地震具有復雜的頻譜結構，而每種特定的震級都是針對一個特定的頻段測得的。直到德國地震學家杜達把地震分成了“藍地震”（即以高頻為主的地震）和“紅地震”（即以低頻為主的地震），人們持續了近半個世紀的努力才得以終結。這也標志著人類對地震的認識又跨出了一大步。

在天上“看”地震的“張衡一號”

今年2月2日15時51分，我國首顆自主研發的地震電磁監測試驗衛星“張衡一號”在酒泉衛星發射中心成功發射。“張衡一號”試驗衛星的成功發射，表明我國具備了全疆域和全球三維地球物理場動態監測的能力，也使我國成為目前唯一擁有在軌運行的多載荷、高精度地震監測衛星的國家。

作為我國全新研制的科學試驗衛星，“張衡一號”主要用于地球物理場探測和研究，是我國首顆用于觀測與地震活動相關電磁信息的衛星。該試驗衛星總重量約730千克，外形為邊長約1.4米的立方體，設計壽命為5年，將運行于距地高度約500千米的太陽同步軌道。“張衡一號”試驗衛星由平臺艙、載荷艙、太陽翼等構成，搭載了3種類型的8臺有效載荷，分別為探測空間電磁場的高精度磁強計、感應式磁力儀和電場探測儀;探測電離層等離子體的朗繆爾探針、等離子體分析儀、GNSS掩星接收機和三頻信標機;探測高能粒子的高能粒子探測器。

“張衡一號”試驗衛星實現每5天一次對地球上同一地點的重訪，觀測區域可覆蓋地球南北緯65度內的區域，重點觀測區域覆蓋我國陸地全境和陸地周邊約1000千米區域以及全球兩個主要地震帶。“張衡一號”試驗衛星在軌運行的5年間，將以標準手段對全球7級以上、中國6級以上的地震進行電磁信息分析研究。通過大量的數據積累和震例分析，有望找到其中規律，為地震監測研究提供有價值的前兆信息，以填補我國從空間電磁環境方面開展地震學、地質學等相關研究的空白。

我們知道，地震是地球內部的活動，那么“張衡一號”試驗衛星如何在天上“看”地震？

地震是由地殼運動產生的一種自然現象。地殼運動能切割地球磁力線，造成磁力線扭曲，或通過“摩擦起電”產生電磁輻射。一旦發生強烈地震，地球內部的電磁信息就會出現異常。研究表明，電磁輻射在向外傳播的過程中，高頻電磁波到達地表就被吸收了，而低頻電磁波卻可以一直向上傳播，進入地面和大氣層，從而被衛星接收到。因此，“張衡一號”試驗衛星實際上就是在距地高度約500千米的太陽同步軌道上，接收電磁波往上傳播之后帶來的電磁輻射，以及由此造成的等離子體的變化狀態，從而為地震機理研究、空間環境監測和地球系統科學研究提供天基平臺和新的技術手段，為研究地震電磁電離層信息特征及機理提供新的途徑，也將進一步推進我國立體地震觀測體系的建設。

由此可見，“張衡一號”試驗衛星肩負著三大科學目標。一是研究地震電磁電離層信息特征及機理，研發地震電磁電離層前兆信息提取方法;二是初步建立全球電離層和地磁場模型，研究地球系統各圈層的相互作用及其效應;三是推進空間天氣預警、通信導航環境監測以及電離層物理和地球物理的科學研究。