地震是如何記錄測(cè)定的

鐘羽云

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

模擬地震儀

公元132年，我國東漢時(shí)期的科學(xué)家張衡發(fā)明了候風(fēng)地動(dòng)儀，這是世界上第一架檢測(cè)地震的儀器。候風(fēng)地動(dòng)儀內(nèi)部中央立著一根銅質(zhì)都柱，周圍有八套牙機(jī)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(gè)方向布列。牙機(jī)由一對(duì)杠桿構(gòu)成，負(fù)責(zé)龍口的開合。某處發(fā)生地震時(shí)，都柱便倒向那一方，觸動(dòng)牙機(jī)，使這個(gè)方向的龍張嘴吐出銅珠，落到與之對(duì)應(yīng)的那個(gè)銅蟾蜍嘴里，發(fā)出“當(dāng)啷”的聲響，人們就知道那個(gè)方向發(fā)生了地震。

公元138年，設(shè)置在洛陽的候風(fēng)地動(dòng)儀檢測(cè)到了一次發(fā)生在甘肅省內(nèi)的地震，這是人類歷史上第一次用機(jī)械裝置檢測(cè)到遠(yuǎn)處發(fā)生的地震。但是地動(dòng)儀無法確定發(fā)震時(shí)刻，更無法測(cè)定震級(jí)。因此，從現(xiàn)代地震學(xué)的角度來看，候風(fēng)地動(dòng)儀并不能記錄地震，不是地震儀。

第一臺(tái)科學(xué)意義上的近代地震儀是意大利人切基于1875年發(fā)明的，其最根本的部分是傳感地動(dòng)的“擺”。它是一個(gè)可作為標(biāo)準(zhǔn)的、慣性較大的物體（例如一個(gè)很重的鐵錘）。平?！皵[”都是靜止不動(dòng)的，地震來時(shí)，地面和附近的房子發(fā)生振動(dòng)，而“擺”不動(dòng)，“擺”與地面間就產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以用一套杠桿裝置加以放大，或變成電信號(hào)。把這個(gè)電信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)放大之后用檢流計(jì)記錄下來，就成為了地震信號(hào)。

從地震儀誕生以來，地震工作者便一直用它來觀測(cè)地震。通過不斷的改進(jìn)和完善，近代地震儀的靈敏度可以達(dá)到10萬倍數(shù)量級(jí)，已經(jīng)可以記錄到距離臺(tái)站很遠(yuǎn)的小地震。雖然這種地震儀靈敏度很高，但動(dòng)態(tài)范圍不大，遇到大地震時(shí)就容易“出格”，即超過量程。然而，地面振動(dòng)的幅度跨越大約8個(gè)數(shù)量級(jí)，振動(dòng)頻率跨越大約6個(gè)數(shù)量級(jí)，且地球產(chǎn)生的脈動(dòng)在5～10秒有一個(gè)峰值（圖1）。受到儀器制作技術(shù)的限制，地震學(xué)家只好在遠(yuǎn)距離記錄大地震的低頻率成分（大地震-遠(yuǎn)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(xué)家最終采用分別在0.01～0.1赫茲（長(zhǎng)周期地震儀）和1～10赫茲（短周期地震儀）兩個(gè)頻率范圍內(nèi)來測(cè)量地面振動(dòng)，以避開地球脈動(dòng)“噪聲”（圖2）。地震工程師則主要關(guān)注引起建筑物破壞的近場(chǎng)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)，他們著重于在近距離用低放大倍數(shù)的強(qiáng)震儀記錄1～10赫茲的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)。這就是為什么模擬地震觀測(cè)時(shí)期記錄地震的儀器含有短周期地震儀、長(zhǎng)周期地震儀和強(qiáng)震儀的原因。

數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)

為了克服動(dòng)態(tài)范圍小和頻帶窄的缺點(diǎn)，使地震儀既輕又小以便安裝，地震學(xué)家做出了巨大的努力，并且取得了進(jìn)展。一方面，通過對(duì)電路的改進(jìn)，地震學(xué)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(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)70年代起，地震學(xué)家采用信號(hào)數(shù)字化的記錄方式，制造出了用數(shù)字記錄的地震儀。

與模擬記錄相比，數(shù)字記錄方式的信號(hào)質(zhì)量提高了，動(dòng)態(tài)范圍變大了。模擬地震儀的動(dòng)態(tài)范圍只有50分貝左右，而數(shù)字地震儀的動(dòng)態(tài)范圍一般可以確保在90分貝以上。數(shù)字地震儀具有頻帶寬、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大以及易于與計(jì)算機(jī)連接處理的優(yōu)點(diǎn)，因此20世紀(jì)末開始，我國地震臺(tái)網(wǎng)普遍采用數(shù)字地震儀。

地震參數(shù)及測(cè)定

最常用的地震參數(shù)是發(fā)震時(shí)刻、發(fā)震地點(diǎn)和震級(jí)，即我們經(jīng)常說的地震三要素。這些參數(shù)是通過地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的地震波信息測(cè)定的。

我們最熟悉的波動(dòng)是水波。假如我們向池塘里扔一塊石頭，水面就會(huì)被擾亂。這個(gè)擾動(dòng)由水粒的簡(jiǎn)單前后運(yùn)動(dòng)連續(xù)地傳下去，從一個(gè)水粒把運(yùn)動(dòng)傳給更前面的水粒。這樣，以石頭入水處為中心就會(huì)有波紋向外擴(kuò)展。水波攜帶石頭擊打水面的能量向池邊運(yùn)移的現(xiàn)象，就能很好理解地震波的形成與傳播原理了。

地震發(fā)生時(shí)，震源區(qū)的介質(zhì)發(fā)生急速破裂和運(yùn)動(dòng)。這種擾動(dòng)構(gòu)成一個(gè)波源，波動(dòng)向地球內(nèi)部及表層各處傳播開去，形成了地球連續(xù)介質(zhì)中的彈性波，我們感受到的搖動(dòng)就是由地震波能量產(chǎn)生的巖石震動(dòng)。一般來說，具有不同振動(dòng)性質(zhì)和不同傳播途徑的地震波可以通過其到時(shí)、波形、振幅、周期和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式等特征進(jìn)行識(shí)別。

測(cè)定地震參數(shù)時(shí)，我們首先要對(duì)地震波進(jìn)行分析，根據(jù)地震波特征分別判別出縱波、橫波、面波的到時(shí)、振幅等信息。然后，再根據(jù)縱波、橫波的傳播速度不同，通過它們的到時(shí)差計(jì)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(shí)有3臺(tái)以上的儀器記錄到了該地震，則3個(gè)圓的交點(diǎn)處即是地震震中位置。實(shí)際上，地震發(fā)生在地表下的一定深處，要準(zhǔn)確測(cè)定一個(gè)地震的震中位置和震源深度，最少需要4個(gè)地震臺(tái)的記錄資料。最后，根據(jù)測(cè)量出的地震波最大振幅，通過一定的計(jì)算，就可以測(cè)定出該次地震的震級(jí)了。

震級(jí)是用來描述地震大小（準(zhǔn)確地說是地震釋放的能量大?。┑牧慷?。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(dāng)量。20世紀(jì)30年代，美國加州理工學(xué)院的地震學(xué)家里克特和古登堡共同制定了里氏地震規(guī)模。他們使用地面運(yùn)動(dòng)振幅的對(duì)數(shù)來標(biāo)度震級(jí)的大小，用“標(biāo)準(zhǔn)”地震儀（一種特定的短周期地震儀），規(guī)定在距離震中100千米處觀測(cè)點(diǎn)的地震儀記錄到的地動(dòng)位移最大振幅為10-3毫米的地震，相應(yīng)震級(jí)為0級(jí)。

由于地球內(nèi)部物質(zhì)不均一，地震波傳播中會(huì)產(chǎn)生一系列的折射、反射現(xiàn)象，產(chǎn)生頻率成分豐富、特征各不相同的地震波，因此地震學(xué)家針對(duì)不同特征的地震波提出了不同的震級(jí)。常用的震級(jí)有：近震震級(jí)ML、面波震級(jí)Ms和體波震級(jí)Mb，這3種震級(jí)標(biāo)度實(shí)質(zhì)上都屬于里克特-古登堡震級(jí)系統(tǒng)，也是我們通常所說的里氏震級(jí)系統(tǒng)。其它的震級(jí)標(biāo)度都是以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。目前，人類記錄到的最大地震為1960年智利發(fā)生的里氏8.9級(jí)地震。因?yàn)楫?dāng)面波震級(jí)達(dá)到8.5級(jí)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“震級(jí)飽和”現(xiàn)象（即當(dāng)?shù)卣鹄^續(xù)增大時(shí)，測(cè)量出來的震級(jí)數(shù)值不再增大）。

1979年，美國地震學(xué)家湯馬斯·漢克斯和金森博雄提出了更能直接反應(yīng)地震過程物理性質(zhì)的矩震級(jí)Mw標(biāo)度。這是一個(gè)絕對(duì)力學(xué)標(biāo)度，避免了震級(jí)飽和現(xiàn)象，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站上公布的地震參數(shù)就提供Mw標(biāo)度。我國2017年修訂頒布的《地震震級(jí)的規(guī)定》國家標(biāo)準(zhǔn)中，也增加了矩震級(jí)Mw的測(cè)定方法，并將矩震級(jí)Mw作為對(duì)外發(fā)布的首選震級(jí)。如果使用矩震級(jí)Mw標(biāo)度，則1960年智利地震的震級(jí)為Mw9.5級(jí)，與面波震級(jí)Ms標(biāo)度的8.9級(jí)，在數(shù)字上相差了0.6，原因是使用了兩種不同的震級(jí)標(biāo)度。

長(zhǎng)期以來，地震學(xué)家一直相信這些震級(jí)之間是可以相互“換算”的，即“一個(gè)地震只能有一個(gè)震級(jí)”。但是這種統(tǒng)一是不可能的，因?yàn)榈卣鹁哂袕?fù)雜的頻譜結(jié)構(gòu)，而每種特定的震級(jí)都是針對(duì)一個(gè)特定的頻段測(cè)得的。直到德國地震學(xué)家杜達(dá)把地震分成了“藍(lán)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(xù)了近半個(gè)世紀(jì)的努力才得以終結(jié)。這也標(biāo)志著人類對(duì)地震的認(rèn)識(shí)又跨出了一大步。

在天上“看”地震的“張衡一號(hào)”

今年2月2日15時(shí)51分，我國首顆自主研發(fā)的地震電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射?！皬埡庖惶?hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射，表明我國具備了全疆域和全球三維地球物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的能力，也使我國成為目前唯一擁有在軌運(yùn)行的多載荷、高精度地震監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的國家。

作為我國全新研制的科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，“張衡一號(hào)”主要用于地球物理場(chǎng)探測(cè)和研究，是我國首顆用于觀測(cè)與地震活動(dòng)相關(guān)電磁信息的衛(wèi)星。該試驗(yàn)衛(wèi)星總重量約730千克，外形為邊長(zhǎng)約1.4米的立方體，設(shè)計(jì)壽命為5年，將運(yùn)行于距地高度約500千米的太陽同步軌道?！皬埡庖惶?hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星由平臺(tái)艙、載荷艙、太陽翼等構(gòu)成，搭載了3種類型的8臺(tái)有效載荷，分別為探測(cè)空間電磁場(chǎng)的高精度磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁力儀和電場(chǎng)探測(cè)儀;探測(cè)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(jī)和三頻信標(biāo)機(jī);探測(cè)高能粒子的高能粒子探測(cè)器。

“張衡一號(hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)每5天一次對(duì)地球上同一地點(diǎn)的重訪，觀測(cè)區(qū)域可覆蓋地球南北緯65度內(nèi)的區(qū)域，重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域覆蓋我國陸地全境和陸地周邊約1000千米區(qū)域以及全球兩個(gè)主要地震帶?！皬埡庖惶?hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行的5年間，將以標(biāo)準(zhǔn)手段對(duì)全球7級(jí)以上、中國6級(jí)以上的地震進(jìn)行電磁信息分析研究。通過大量的數(shù)據(jù)積累和震例分析，有望找到其中規(guī)律，為地震監(jiān)測(cè)研究提供有價(jià)值的前兆信息，以填補(bǔ)我國從空間電磁環(huán)境方面開展地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)等相關(guān)研究的空白。

我們知道，地震是地球內(nèi)部的活動(dòng)，那么“張衡一號(hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星如何在天上“看”地震？

地震是由地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。地殼運(yùn)動(dòng)能切割地球磁力線，造成磁力線扭曲，或通過“摩擦起電”產(chǎn)生電磁輻射。一旦發(fā)生強(qiáng)烈地震，地球內(nèi)部的電磁信息就會(huì)出現(xiàn)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(dá)地表就被吸收了，而低頻電磁波卻可以一直向上傳播，進(jìn)入地面和大氣層，從而被衛(wèi)星接收到。因此，“張衡一號(hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)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(tài)，從而為地震機(jī)理研究、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供天基平臺(tái)和新的技術(shù)手段，為研究地震電磁電離層信息特征及機(jī)理提供新的途徑，也將進(jìn)一步推進(jìn)我國立體地震觀測(cè)體系的建設(shè)。

由此可見，“張衡一號(hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星肩負(fù)著三大科學(xué)目標(biāo)。一是研究地震電磁電離層信息特征及機(jī)理，研發(fā)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(chǎng)模型，研究地球系統(tǒng)各圈層的相互作用及其效應(yīng);三是推進(jìn)空間天氣預(yù)警、通信導(dǎo)航環(huán)境監(jiān)測(cè)以及電離層物理和地球物理的科學(xué)研究。