請大家腦洞一下,若地球發(fā)生超級巨震,將地球?qū)Π脲e開了10米,其震級有多大?
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10級,15級,20級,50級還是更大?
這一問題的本質(zhì)是:地震學(xué)家到底如何計算震級?
震級,這一概念的出現(xiàn)還不到100年。1956年前,我國的地震報告都不測定震級。除了矩震級(Mw),其他比如里氏震級(M),體波震級(mb),面波震級(Ms)等,都是根據(jù)某一頻率地震波振幅大小測定的。
所以,嚴(yán)格地講,除了矩震級,其他震級的定義非常奇怪,甚至毫無道理。
但是呢,非常好用,因?yàn)檫@和我們?nèi)祟惛惺艿降幕蝿訌?qiáng)弱是一致的:
大地震,振幅大,造成的晃動強(qiáng);而小地震呢,振幅小,造成的晃動弱。
然而,真正的地震波,其頻帶范圍非常寬,低可達(dá):0.01 Hz量級;高可達(dá):20 Hz,甚至更高。如下圖所示,2025年7.7級(Mw 7.7)緬甸地震的波形記錄:非常復(fù)雜。
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2025年緬甸地震波形記錄
因此,我們僅根據(jù)地震波某一頻率的振幅大小,來確定震級,顯然不能完全反映地震釋放的全部能量,因而從物理上嚴(yán)格講,地震震級與地震釋放總能量是兩回事。具體來講:
面波震級:測定20s周期(0.05 Hz)地震波最大振幅;
體波震級:測定的周期小于3s(0.3 Hz),一般為1s (1 Hz)的地震波最大振幅。
為什么這樣在物理上看上去“毫無道理”的做法,在現(xiàn)實(shí)生活中用得如此好?
其實(shí)呢,很多建筑物的共振頻率為1-10 Hz,十分接近我們測定地震大小時利用地震波的頻率。即:若測定的體波震級大,則1 s周期的地震波振幅也大,其也容易造成建筑物破壞,與我們的感官一致。
那么,震級就沒法具有物理意義嗎?有的,答案就是矩震級(Mw)。
地震學(xué)家描述一個地震大小,都喜歡使用矩震級,其需要首先計算地震矩(M0),再通過一個簡單的公式換算成矩震級Mw:
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那么,地震矩如何計算呢?
地震矩=剪切模量*滑動量*破裂面積。
其中,地殼剪切模量可以簡單取個平均值:30 GPa,
若平均滑動量為1米,破裂區(qū)域?yàn)橐粋€圓形,下面分別計算當(dāng)破裂半徑為1米,10米,100 米,1 千米和1萬米時,地震大小分別為:
1.25級(Mw 1.25);
2.59級(Mw 2.59);
3.92級(Mw 3.92);
5.26級(Mw 5.26);
6.59級(Mw 6.59).
其演化規(guī)律是怎樣的呢?見下圖:
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實(shí)際上,當(dāng)破裂區(qū)域半徑不到幾公里時,其平均滑動量很難達(dá)到1 m。
因此,當(dāng)破裂半徑在約5000 m以下時,實(shí)際地震震級比上圖計算的應(yīng)該要小。
若破裂半徑僅有0.01 m,0.1 m(滑動量1 m),其震級又有多大呢?
-1.41級(Mw-1.41);
-0.08級(Mw-0.08);
可以看出,震級可以為負(fù)。比如說,我們鼓掌一次,換算成震級,肯定是負(fù)的好幾級。最后,我們來計算一下,若將地球?qū)Π脲e開10 m,其震級有多大?
(1)地球半徑為:6371 km,
則破裂面積為:1.2752e+14 m^2;
(2)地殼剪切模量約為30 GPa;
地核剪切模量約為200 GPa;
因此,我們就算一個范圍,即上下限。
(3)滑動量:10 m。
使用“瞪眼法”,簡單運(yùn)算可得:
若剪切模量為30 GPa,則震級為11級(Mw 11);
若剪切模量為200 GPa,則震級為11.5級(Mw 11.5);
你猜對了嗎?
換言之,地球上的地震,最大震級很難超過10級。
目前,人類觀測到的,最大地震為1960年智利地震,震級約為Mw9.4-9.6。符合我們的估計。
下次,您再看到,“有人說地球發(fā)生20級大地震”,請讓他算給你看。
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