震级测定技术的发展与展望

刘瑞丰

引言

地震发生后，人们首先关注的问题之一就是这次地震有多大？

震级是表示地震大小的一个量，是地震的基本参数之一。根据震级可以近似地得到其他震源参数，如地震能量、地震矩、震源破裂时间、断层长度、断层面积等。对于浅源地震来说，震级越大，地震所造成的灾害越严重，所以震级还是开展地震应急、地震救援与灾害损失评估的重要参数。因此，震级具有科学性和社会性双重属性。无论是从科学研究的角度，还是从社会需求的角度，快速、准确地测定出地震的大小都是一件意义重大的基础性工作。

1935年，美国著名地震学家里克特（C.F.Richter）提出了震级的概念，发明了测量地震大小的方法，第一次把地震大小变成了可测量、可相互比较的量，使地震学成为一门定量的科学（图1）。为了纪念里克特在震级测定领域做出的突出贡献，普及地震知识，他的生日4月26日被美国设成“里克特震级标度日”（RichterScaleDay）。

图1 里克特（1900—1985）

震级的巧妙之处

地震是一种发生在地球深部的自然现象，震源深度从几千米到七百多千米；地震的大小又相差悬殊，可小到人们不能感觉，也可大到震撼山岳，山河改观。地震的震源非常复杂，不同类型的地震辐射地震波的差异很大，地震产生的地面震动的幅度和频率范围都很大。而用于观测地震的地震台站分布在地表，要准确测定地震的大小，并不是一件容易的事。

地震实际上是震源在很短的时间内释放出大量能量，其中一部分能量以地震波的形式向外传播。因此，地震学家认识到以地震能量来规定地震的大小最为合适。然而，在模拟记录时代，要测定地震能量难度非常大。如何准确地测定地震的大小？这是一个长期困扰地震学家的问题。从1875年近代地震仪器发明以来，一直到震级概念的提出，整整用了60年的时间。

全球的地震台网每年记录到的地震有500万次，只不过绝大多数地震人们感觉不到，只有灵敏的地震仪器可以记录到这些地震。因此，地震学家意识到虽然地震是一种复杂的自然现象，但也需要采用一种便于实际操作的方法测定地震的大小，以满足地震台网每天分析处理大量地震的实际需求。

任何一种波都具有多种频率成分，但对于某一特定的波来讲，在其频谱中却有一个或几个起主导作用的“优势频率”或“优势周期”。对于光波来讲，不同的优势频率决定了不同的颜色；对于声波来讲，不同的优势频率决定了不同的音调；而对于地震波来讲，不同的震相及其优势频率决定了地震的类型。因此，通过对地震波形分析，对地震进行分类。

1.近震：对于1000km以内的近震，P波和S波周期较小，一般在0.01～2s。用短周期地震仪器记录S波最大振幅的周期一般在0.8～1.2s之间，其优势周期为1.0s左右；

2.浅源地震：对于1000km以外的浅源地震，地震波频带较宽，P波周期一般在4～6s，S波周期一般在6～10s，面波周期大多在10～25s。用长周期地震仪器记录面波最大振幅的周期一般在18～22s之间，其优势周期为20s左右；

3.中深源地震：P波初动尖锐，面波不发育，与相同震级和震中距的浅源地震相比，地震持续时间短。

震级的巧妙之处就在于采用“单一频率”的多种震级标度，表示不同类型地震的大小。用简单的方法，解决了地震定量这一难题。常用的传统震级有3种，包括地方性震级ML、面波震级MS和体波震级mB。这3种震级都有各自的适用范围。ML适合表示近震的大小；MS适合表示浅源远震的大小；mB适合表示不同震源深度地震的大小，尤其是适合表示中源地震、深源地震和地下核爆炸的大小。使用这3种震级就可以表示所有类型地震的大小。

全球震级测定的发展

自从1935年“震级”的概念被提出后，就在世界各国得到了普遍的应用，各国和国际地震机构，根据自己的研究成果和观测数据，建立了适合于不同区域的经验公式。根据震级的测定方法划分，震级可以分为传统震级和现代震级两大类。

（一）传统震级

传统震级（TraditionalMagnitude）是用“单一频率”地震波（P波、S波或面波）的振幅A和周期T测定的震级。常用的有地方性震级ML、面波震级MS和体波震级mB。

1.地方性震级ML

1925年，美国地震学家伍德（H.O.Wood）和安德森（J.M.Anderson）设计了著名的伍德-安德森短周期地震仪器，其常数：摆的固有周期为0.8s，阻尼常数为0.8，放大率2800倍。

始建于1921年的美国南加州地震台网，发展到1935年共有12个地震台，全部配置伍德-安德森短周期地震仪器，记录了几百个地震，地震的大小变化范围很大，从几乎是无感地震直至大地震。1935年，里克特在编辑美国南加州的地震目录时发现，南加州的地震都比较浅，震源深度一般都小于15km，且不同台站记录同一地震的波形幅度差别很大。他同时注意到这样一个事实：地震波的振幅随距离的衰减是有规律的，可用来测定地震大小。于是，里克特提出了第一个震级标度——地方性震级ML。

2.面波震级MS

作为一种短周期地震仪，伍德-安德森地震仪可以较好地记录近震短周期地震波。然而，在地震波的传播过程中，由于高频地震波的衰减要远远大于低频地震波，当地震仪距离震中较远时，这种地震仪的记录能力变得有限，用地方性震级ML就无法测定全球范围远震的大小。

在远震的长周期地震仪器的记录图上，最大的振幅是面波，对于震中距Δ>2000km的浅源地震，面波水平向振幅最大值的周期一般都在20s左右。1945年，古登堡（B.Gutenberg）将测定地方性震级ML的方法推广到远震，提出了面波震级MS，弥补了地方性震级的局限性。

3.体波震级mB

面波震级MS可以表示远距离浅源地震的大小，但对于面波不发育的中源地震、深源地震和地下核爆炸，则无法直接测定面波震级。1945年，古登堡提出了体波震级标度mB，完善了对远距离地震大小的量度。对于不同震源深度的远震和地下核爆炸，都能测定体波震级。

地方性震级、面波震级和体波震级构成了传统震级体系的基本框架，用这3种震级就可以表示所有类型地震的大小。在此基础上，各国的地震学家根据实际工作需求，又提出了其他震级，这些震级都是与上述3种基本震级对接的震级。如：持续时间震级Md是与ML对接的震级；日本震级MJ是与MS对接的震级，与古登堡的面波震级做过很好的校准。

2001年国际地震学与地球内部物理学协会（IASPEI）成立一个由来自德、中、美、英、韩等国的12名专家组成 的 震 级 测 定 工 作 组（WorkingGrouponMagnitudeMeasurements），负责制定《IASPEI震级标准》，德国的鲍曼（P.Bormann）教授任工作组组长，我国刘瑞丰研究员是该工作组的主要成员。

鉴于宽频带数字地震仪在震级测定方面的优势，早在1996年，刘瑞丰就开展了基于速度平坦型宽频带地震仪器的震级测定研究工作，提出了基于宽频带数字地震资料的面波震级测定方法，该研究结果被IASPEI震级工作组采纳，这就是《IASPEI震级标准》中的宽频带面波震级MS（BB）和宽频带体波震级mB（BB）。2005年10月，在智利圣地亚哥召开的IASPEI会议上，IASPEI地震观测和解释委员会（CoSOI）通过了震级工作组提交的《IASPEI震级标准》，并由IASPEI将新标准推荐给各个国家使用。随后，在鲍曼和刘瑞丰的组织下，《IASPEI震级标准》首次在中国地震台网应用，得到了非常有意义的结果，对其他国家采用《IASPEI震级标准》起到了有益的参考作用。

总之，传统震级的优点是测定方法简单，其缺点是任何一种震级都有其固有的局限性，一种震级只能表示一种类型地震的大小，并具有“震级饱和”现象。

（二）现代震级

现代震级（ModernMagnitude）是用断层破裂面的面积S、断层平均位错量D、震源辐射地震波能量ES等震源物理参数测定的震级，包括矩震级Mw和能量震级Me。现代震级测定方法相对复杂，任何一种震级都能表示所有类型地震的大小，不存在“震级饱和”的现象。

1.矩震级Mw

1977年，日本地震学家金森博雄提出了更能直接反映地震过程物理性质的矩震级Mw标度。矩震级Mw的引入，使历史上的一些大地震露出了真实面目。比如1957年3月9日阿留申群岛地震的面波震级MS为8.1，现修订矩震级Mw为9.1；1960年5月22日智利地震的面波震级MS为8.5，现修订矩震级Mw为9.5；1964年3月28日美国阿拉斯加地震的面波震级MS为8.4，现修订矩震级Mw为9.2，等等。

2.能量震级Me

1995年，乔伊和博特赖特提出了能量震级标度（ChoyandBoatwright，1995）。能量震级（Energymagnitude）与震源物理参数，即辐射的地震能量（ES）有关，用Me表示，实质上就是用地震能量来表示地震的大小。

总结来说，Mw和Me都是与面波震级MS对接的震级，当面波震级MS没有达到震级饱和时，Mw、Me与MS基本一致，当面波震级MS达到震级饱和时，Mw、Me是MS的延续。

经过几十年的发展，震级标度已经形成了一个完整的体系。从图2可以看出不同震级之间的传承关系，就像一个家族的家谱一样，后面的震级都可以溯源到1935年的地方性震级ML，“零级地震”也是用ML来确定。

我国震级测定的发展

中华人民共和国成立以后，我国根据1956年制订的《1956—1967年科学技术发展远景规划》要求，结合1957年国际地球物理年（IGY）的工作，于1957年3月后陆续建设了昆明、成都、兰州、南京、佘山、大连等国家基准台和海拉尔、天水、南昌、桂林、红山、合肥、洛阳等国家基本台，为我国的震级测定工作打下了基础。

（一）震级标度的引进与发展

20世纪50年代中期，鉴于我国地震台上安装的并非是与里克特地方性震级ML对应的伍德－安德森短周期地震仪器，因此不能原封不动地将地方性震级ML照搬至我国。1959年，李善邦（图3）根据我国使用的短周期仪器和中长周期仪器的特性，将里克特在美国南加州建立的地方性震级标度ML引进到中国，并建立了与中国短周期仪器特性和中长周期仪器特性相对应的地方性震级量规函数R1（Δ）和R2（Δ），建立了我国地方性震级ML标度，用于测定1000km以内浅源地震的大小，但无法测定远震的大小。

图3 李善邦（1902—1980）

1971年，郭履灿先生根据古登堡提出的面波震级标度，利用1956—1962年北京地震台和国外6个地震台记录的143个地震资料，提出了北京地震台的面波震级MS计算公式。1966年1月后，我国的地震报告开始采用北京地震台的面波震级公式。

1985年以后，我国763长周期地震台网建成并投入使用，该仪器的参数与美国的世界标准地震台网（WWSSN）长周期仪器（LP）保持一致。1988年，陈培善先生提出了选用垂直向瑞利面波的最大振幅和周期测定MS7的方法，使得我国地震台网测定的MS7与美国国家地震信息中心（NEIC）测定的MSZ一致，没有系统差。为便于比较，在地震观测报告中除了给出MS以外，也给出MS7。

1996年，刘瑞丰根据IASPEI推荐的面波震级公式，提出了用速度平坦型数字地震资料测定面波震级的方法，并使用全球地震台网（GSN）的资料，测定了一些6.1～6.7级地震的面波震级，得到了很好的效果。

（二）国家标准的建立与发展

震级的国家标准体系建设是我国防震减灾各项工作的基础，不仅要考虑地震台网在震级测定的每一个具体环节，也要考虑到科学研究、地震预报、地震应急、地震灾害评估和科普宣传等方面的应用需求。经过几十年的努力，我国已经完成了两代震级国家标准的制定工作。

1.1999年的国家标准

为了规范震级的社会应用，1999年在许绍燮院士的带领下,由中国地震局地球物理研究所等单位的专家编制的国家强制性标准《地震震级的规定》（GB17740—1999）正式发布。该标准规定了面波震级MS的测定方法，并制定了震级在地震信息发布、新闻报道、地震预报发布、防震减灾、地震震级认定等方面的使用规定。

震级国家标准的颁布，使全社会统一了震级的测定方法和使用规定，对推进我国地震科学事业和防震减灾工作的发展，具有重要的意义和深远的影响。

2.2017年的国家标准

经过十几年的发展，我国的地震观测系统实现了数字化和网络化的历史性突破，到2007年底，我国正式运行的所有地震台站实现了数字化。为了满足数字化地震台站震级测定需求，2012年中国地震局成立工作组，刘瑞丰任组长，启动对强制性国家标准《地震震级的规定》的修订工作。编写组开展了大量的研究工作，召开了20多次专题研讨会和论证会，并征求了国际地震学与地球内部物理学协会（IASPEI）震级专家组、国际地震中心（ISC）等国际机构和全球著名地震学专家的意见，同时广泛征求国家相关部委、高等院校、科研机构的意见，于2016年1月完成标准的编写工作。

2017年5月12日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布“中华人民共和国国家标准2017年第11号”公告，发布了强制性国家标准《地震震级的规定》（GB17740—2017）。同1999年的国家标准相比，2017年的新标准具有以下主要特点：

（1）测定方法更科学

新标准充分汲取了国内外最新研究成果，与《IASPEI震级标准》相衔接，规定了地方性震级ML、短周期体波震级mb、宽频带体波震级mB（BB）、面波震级MS、宽频带面波震级MS（BB）、矩震级Mw6种震级的测定方法，能够充分发挥宽频带数字地震台网的优势，震级的测定方法更科学。

（2）测定结果更准确

新标准将矩震级Mw、宽频带面波震级MS（BB）和宽频带体波震级mB（BB）作为地震台网重点测定的震级。其中，矩震级因其能够避免“震级饱和”现象，成为世界上大多数地震台网和地震机构优先使用的震级。MS（BB）适用的面波周期范围是3s

（3）测定速度更快捷

在新的震级标准中，mB（BB）与MS（BB）都是宽频带震级，在原始速度型宽频带记录上直接测定，不需要进行滤波、仿真等处理，便于计算机自动测定，能够在地震速报中发挥作用，能够更好地满足地震应急的需求。

（4）发布规则更合理

新标准将矩震级Mw作为对外发布的首选震级，这样就与国际主要地震机构发布的震级相一致。对于不能及时测定矩震级Mw的地震，新标准采用了“震级优选”方法确定对外发布的震级，确保在第一时间将地震参数快速向社会发布，以满足地震应急、地震预报和新闻报道等实际需求。对外发布的震级与国际上主要地震机构发布的震级相一致，没有系统偏差。

如何正确使用震级

人们通常认为，一次地震只有一个震级。有人会经常提到这样的问题：为何要使用多种震级？为何不能统一震级？多种震级该如何使用？

（一）为何采用多种震级

多种震级之所以能够长期并存，必然有其科学性和必要性。采用多种震级的主要原因是：传统震级是用“单一频率”地震波测定的震级，由于震源的复杂性，不同类型的地震辐射地震波的优势周期不同，因此任何一种“单一频率”的震级都不能表示所有类型地震的大小，为了表示不同类型地震的大小，只能用不同的震级表示不同类型地震的大小。

大千世界，五彩缤纷。自然界存在各种各样的颜色，而对于某一具体的自然景观，颜色就会相对单一，例如沙漠是黄色，海洋是蓝色，雪山是白色，等等。如果研究某一具体的自然景观，就可以用单一颜色表示其特征，而用单一色彩去看整个世界，五彩缤纷的色彩就会消失，看到的将是一个颜色失真的世界。因此，颜色是不能统一的。“红绿蓝”被称为三原色光，三原色光模式又称“RGB颜色模型”（RGBcolormodel），将红绿蓝三原色以不同的比例相加，就可以产生多种多样的颜色。

同样的道理，不同类型地震辐射地震波的优势频率不同。对于某一种类型地震，其优势频率相对单一，用“单一频率”的震级就可以表示这类地震的大小。但如果用“单一频率”的震级表示所有地震的大小，必然造成原震级信息的失真。因此，为了表示不同类型地震的大小，只能采用不同的震级。地方性震级、面波震级和体波震级作为三种基本震级，就可以表示所有类型地震的大小。

（二）为何不能统一震级

1945年，古登堡曾经做过传统震级统一工作，将地方性震级ML、面波震级MS和中长周期体波震级mB统一用m表示，当时他认为这3种震级是等价的，并称之为“统一震级”，但研究结果发现事实并非如此，只有6.5级左右地震mB与MS才基本一致。对于其他的地震，不同震级之间都有差别，有时差别较大。古登堡通过大量的研究工作得到的结论是：不可能使用一种震级表示所有不同类型地震的大小，“统一震级”是不可能做到的。

1945年以后，地震学家曾相信通过震级之间相互“换算”，可以做到“一个地震只能有一个震级”。到了20世纪70年代，通过大量的工作人们终于发现这种统一不可能实现。举例来说，地方性震级ML和面波震级MS是最常用的2个震级，测定ML所使用的S波的优势频率f为1.0Hz（周期T为1.0s），测定MS所使用的面波的优势频率为0.05Hz（周期T为20s）。在做地震活动性统计时，因小震没有MS，有人为了统一震级，按经验公式将ML转换成MS，这在形式上似乎统一，但得到的却是失真的结果。

作为对“统一震级”努力的终结，德国的杜达教授建议将地震分为“蓝地震”（以高频为主的小震）和“红地震”（以长周期为主的大震），这个分类标志着人类对地震认识的一次重要进步。20世纪80年代，这种分类方式得到了地震学家的普遍认同。宽频带数字化地震台网的建设与迅速发展，使得地震学家对地震的描述由“单色”变成“彩色”。

为了规范全球的地震监测工作，世界数据中心（WDC）于1979年邀请苏格兰爱丁堡地质研究所威尔莫教授编写 了《地 震 观 测 实 践 手 册》（ManualofSeismologicalObservatoryPractice，MSOP），在该手册中明确指出：“从一种震级转换成另一种震级，必然造成原震级信息的损失”。从此以后，全球的地震监测遵循以下规则：不同震级标度之间一律不允许相互转换。

（三）多种震级优势互补

在地震台网的日常工作中，多种震级标度会长期并存、优势互补。传统震级的测定方法简单，地方性震级ML、面波震级MS、宽频带面波震级MS（BB）、短周期体波震级mb、宽频带体波震级mB（BB）都是重要的地震参数，适合地震台网每天分析大量地震的日常工作需要。

矩震级Mw和能量震级Me的测定方法相对复杂，适用于所有类型的地震，但有时在很短的时间内不能测定出准确的结果。近年来，随着数字地震学的发展，很多地震台网都可以测定矩震级Mw，能量震级Me的测定工作尚属起步阶段。

在地震台网的日常工作中，对于5.0级以上地震可以快速测定矩震级Mw，而对于5.0级以下地震，由于台站记录地震信号的信噪比较低，再加上地球介质的速度模型不够精细，使得测定Mw的结果偏差较大。因此在地震速报时仍需要用传统震级对外发布。

（四）“震级优选”方法

在地震活动性分析、地震预报等很多实际工作中，需要大量的地震资料，有大地震，也有小地震，有浅源地震，也有中源地震和深源地震。地震目录中包含多种震级，如何在多个震级中确定一个震级？这是很多人普遍关心的问题。

“一个地震只用一个震级，并不是所有地震只用一种震级”。国际上普遍采用“震级优选”的方法从多个震级中优选出一个震级，优选的方法为：

1.矩震级作为首选；

2.如果不能及时测定矩震级，则按面波震级、体波震级、地方性震级的顺序选择一个震级。

矩震级是与面波震级对接的震级，如果没有矩震级则选择面波震级；如果一个地震有垂直向面波震级和水平向面波震级两种面波震级，则选择垂直向面波震级；如果也没有面波震级，有体波震级，说明是中深源地震，则选择体波震级；如果没有面波震级，也没有体波震级，说明是一个较小的地震，只能选择地方性震级。

在新的震级国家标准中，采用“震级优选”方法确定对外发布的震级，对外发布的震级用“M”表示，称为“地震震级”或“震级”，而不必说明震级的类型。

未来展望

地震能量ES和地震矩M0是目前衡量地震大小最好的两个物理量，分别表示震源的不同特征：地震能量ES反映震源动态特征，在工程地震学研究中具有重要意义；地震矩M0反映震源静态特征，在构造动力学研究中具有重要意义。

由地震矩M0可以得到矩震级Mw，由地震能量ES可以得到能量震级Me。目前，全球越来越多的地震台网已把矩震级Mw作为日常测定和对外发布的首选震级。但由于测定难度大，测定能量震级Me的地震台网还不多。刘瑞丰工作团队已经完成了具有自主知识产权的“地震能量和能量震级测定的软件系统”，测定了2014年以来全球5.5级以上地震的地震能量ES和能量震级Me。

在未来的发展中，我们不但要测定天然地震，也要关注地下核爆炸、爆炸事故、矿山爆破等非天然地震。对于此类非天然地震事件，测定辐射能量ES和能量震级Me则具有了另外一层更重要的意义——由辐射能量ES可以直接测定出爆炸当量Y——从而更好地为国家经济建设、国家安全和突发事件应急提供更精准的服务。