鐘羽云

今年2月6日23時50分，臺灣花蓮發(fā)生6.5級地震，浙江省沿海部分地區(qū)有強烈震感。民眾紛紛打電話到地震局詢問，得知是臺灣發(fā)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(fā)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(xué)家張衡發(fā)明了候風(fēng)地動儀，這是世界上第一架檢測地震的儀器。候風(fēng)地動儀內(nèi)部中央立著一根銅質(zhì)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(gòu)成，負責(zé)龍口的開合。某處發(fā)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(yīng)的那個銅蟾蜍嘴里，發(fā)出“當啷”的聲響，人們就知道那個方向發(fā)生了地震。

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

第一臺科學(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(fā)生振動，而“擺”不動，“擺”與地面間就產(chǎn)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(jīng)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(shù)量級，已經(jīng)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(tài)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(shù)量級，振動頻率跨越大約6個數(shù)量級，且地球產(chǎn)生的脈動在5～10秒有一個峰值（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(xué)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(nèi)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(guān)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(shù)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(shù)字地震觀測系統(tǒng)

為了克服動態(tài)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(xué)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(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70年代起，地震學(xué)家采用信號數(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)字記錄方式的信號質(zhì)量提高了，動態(tài)范圍變大了。模擬地震儀的動態(tài)范圍只有50分貝左右，而數(shù)字地震儀的動態(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、動態(tài)范圍大以及易于與計算機連接處理的優(yōu)點，因此20世紀末開始，我國地震臺網(wǎng)普遍采用數(shù)字地震儀。

地震參數(shù)及測定

最常用的地震參數(shù)是發(fā)震時刻、發(fā)震地點和震級，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)生時產(chǎn)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(xù)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(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，震源區(qū)的介質(zhì)發(fā)生急速破裂和運動。這種擾動構(gòu)成一個波源，波動向地球內(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，我們感受到的搖動就是由地震波能量產(chǎn)生的巖石震動。一般來說，具有不同振動性質(zhì)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(zhì)點運動方式等特征進行識別。

測定地震參數(shù)時，我們首先要對地震波進行分析，根據(jù)地震波特征分別判別出縱波、橫波、面波的到時、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(fā)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(jù)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?。蚀_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當量。20世紀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。他們使用地面運動振幅的對數(shù)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(guī)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(yīng)震級為0級。

由于地球內(nèi)部物質(zhì)不均一，地震波傳播中會產(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(zhì)上都屬于里克特-古登堡震級系統(tǒng)，也是我們通常所說的里氏震級系統(tǒng)。其它的震級標度都是以此為基礎(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級地震。因為當面波震級達到8.5級時，會出現(xiàn)“震級飽和”現(xiàn)象（即當?shù)卣鹄^續(xù)增大時，測量出來的震級數(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Mw標度。這是一個絕對力學(xué)標度，避免了震級飽和現(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標度。我國2017年修訂頒布的《地震震級的規(guī)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(fā)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(shù)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(xué)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(tǒng)一是不可能的，因為地震具有復(fù)雜的頻譜結(jié)構(gòu)，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(xué)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(xù)了近半個世紀的努力才得以終結(jié)。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(fā)的地震電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星“張衡一號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。“張衡一號”試驗衛(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動態(tài)監(jiān)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(jiān)測衛(wèi)星的國家。

作為我國全新研制的科學(xué)試驗衛(wèi)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(guān)電磁信息的衛(wèi)星。該試驗衛(wèi)星總重量約730千克，外形為邊長約1.4米的立方體，設(shè)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?！皬埡庖惶枴痹囼炐l(wèi)星由平臺艙、載荷艙、太陽翼等構(gòu)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(yīng)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(wèi)星實現(xiàn)每5天一次對地球上同一地點的重訪，觀測區(qū)域可覆蓋地球南北緯65度內(nèi)的區(qū)域，重點觀測區(qū)域覆蓋我國陸地全境和陸地周邊約1000千米區(qū)域以及全球兩個主要地震帶?！皬埡庖惶枴痹囼炐l(wèi)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(shù)據(jù)積累和震例分析，有望找到其中規(guī)律，為地震監(jiān)測研究提供有價值的前兆信息，以填補我國從空間電磁環(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，那么“張衡一號”試驗衛(wèi)星如何在天上“看”地震？

地震是由地殼運動產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)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(chǎn)生電磁輻射。一旦發(fā)生強烈地震，地球內(nèi)部的電磁信息就會出現(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(wèi)星接收到。因此，“張衡一號”試驗衛(wèi)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(tài)，從而為地震機理研究、空間環(huán)境監(jiān)測和地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供天基平臺和新的技術(shù)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(shè)。

由此可見，“張衡一號”試驗衛(wèi)星肩負著三大科學(xué)目標。一是研究地震電磁電離層信息特征及機理，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);三是推進空間天氣預(yù)警、通信導(dǎo)航環(huán)境監(jiān)測以及電離層物理和地球物理的科學(xué)研究。