如何解讀地震參數？
如何解讀地震參數？
王卓瑤、林靜芝
2023年5月
「據香港天文台的初步分析，本港時間2023 年 2 月 26 日（ 星 期 日）上午5 時 25 分 巴布亞新幾內亞新不列顛島區發生一次6.5級地震， 震中位於 …」
相信大家在日常生活中都會留意到地震訊息。地震是地殼運動的一種物理現象，與地質構造關係密切。要描述一個地震，主要的參數包括地震發生時間、震中（震源向地面的垂直投影位置; 見圖一(a) ）、震級（震源所釋放的能量）、震源深度（震源與地面之間的距離; 見圖一(a)）和震源機制（地震期間發生的破裂滑動類型）等。震源位置大多數在斷裂帶上，絕大部分是震源深度小於 70 公里的淺層地震，一般發生在地下5 - 20公里左右，約有3% 為深層地震，震源深度為300 – 700 公里。全球及地方地震台網收集實時的地震波，從足夠多的地震波形數據便可分析出地震參數（見圖一(b) 及圖二 ）。
圖一 （a）
圖一 （b）
圖一 示意圖顯示（a）一些地震參數； （ b）地震波由震源發出並向四方八面傳送，設置於不同地點的地震儀記錄到地殼震動。
圖一 示意圖顯示（a）一些地震參數； （ b）地震波由震源發出並向四方八面傳送，設置於不同地點的地震儀記錄到地殼震動。
地震烈度與震級不同，它是用來表示地震影響或破壞的程度。烈度是由震動對個人、家具、房屋、地質結構等所產生的影響來斷定，亦可從當地的地震加速儀數據來估算。許多地方包括香港都採用修訂麥加利地震烈度表地震烈度表來表示烈度。一般來說，距離震中越近，受地震的影響便越大，烈度亦會越高。在過去的幾十年，隨著技術的進步和人口的增加，地震儀的分佈密集了，我們能夠更好地監測地震及記錄更多的地震。
地震波
當地震發生時，不同類型的地震波會在地球表面和內部傳播，由於它們的傳播速度不同，到達同一地點的時間亦不同，地面上的地震儀可記錄到它們以序列出現（見圖二）。地震波主要分為以下兩大類：
1. 體波：可於地球內部空間向任何方向傳播的波，包括縱波(或稱P波)和橫波(或稱S波)。P波的速度比S波快，所以在地震圖最早出現的通常是P波。
2. 面波：只沿地球表面傳播的波，振幅一般比體波大，速度比體波慢。
地震監測機構可透過全球及地方地震台網提供的波形數據快速分析地震發生位置、強度等資料。由於S波的振幅通常較P波大，S波的水平向振動對房屋結構威脅會較大。
1. 體波：可於地球內部空間向任何方向傳播的波，包括縱波(或稱P波)和橫波(或稱S波)。P波的速度比S波快，所以在地震圖最早出現的通常是P波。
2. 面波：只沿地球表面傳播的波，振幅一般比體波大，速度比體波慢。
地震監測機構可透過全球及地方地震台網提供的波形數據快速分析地震發生位置、強度等資料。由於S波的振幅通常較P波大，S波的水平向振動對房屋結構威脅會較大。
圖二 地震波形數據分析。
震級
震級是由美國地震學家黎克特於1935年提出。震級是用作描述地震強度的分級系統，與地震時所釋放的能量相關，震級愈高，一般造成的破壞就愈大。除了耳熟能詳的黎克特地震震級外，地震學家在過去數十年亦為了彌補既有系統的不足而定義了各種震級類別。現時各地常用的震級主要有四種，它們分別是黎克特制震級（ML）、面波震級（MS）、體波震級（mb / mB）及矩震級（Mw）。
黎克特制地震震級ML
黎克特是首位提出以地震儀所記錄的地震波的振幅表為地震分級的地震學家。圖三簡述如何利用地震波計算震級。計算黎克特制地震震級時，需注意它是為短週期地震儀而設，只可應用於發生在數百公里範圍之內的地震，因此黎克特當年也將震級命名為「地方震級」。
黎克特是首位提出以地震儀所記錄的地震波的振幅表為地震分級的地震學家。圖三簡述如何利用地震波計算震級。計算黎克特制地震震級時，需注意它是為短週期地震儀而設，只可應用於發生在數百公里範圍之內的地震，因此黎克特當年也將震級命名為「地方震級」。
圖三 圖像顯示黎克特制如何利用地震波計算震級。分析地震波的S-P波走時差和最大振幅，在各自的尺規中的對應位置畫一點，再用直線將兩點連上，直線與震級尺規的相交點就是震級。（註：S波比P波慢，所以可利用兩者到達儀器的時間差估算震中距。）
面波震級MS與體波震級mb / mB
短週期的波隨震中距衰減得較快，ML也就對遠震沒有作用。古登堡提出利用長週期地震儀所探測到、週期較長（18至22秒）的面波作震級計算，並稱這種震級為「面波震級」MS。
由於面波是在地球表面傳播，因此面波震級只適用於淺源地震。那麼可如何計算深層地震的大小呢？ 古登堡和黎克特有見體波在任何地震的記錄中都清晰可見，提出根據體波的大小訂定震級。mb及mB分別是短週期（一般可達數秒）和中長週期（可達十或幾十秒） 「體波震級」。
短週期的波隨震中距衰減得較快，ML也就對遠震沒有作用。古登堡提出利用長週期地震儀所探測到、週期較長（18至22秒）的面波作震級計算，並稱這種震級為「面波震級」MS。
由於面波是在地球表面傳播，因此面波震級只適用於淺源地震。那麼可如何計算深層地震的大小呢？ 古登堡和黎克特有見體波在任何地震的記錄中都清晰可見，提出根據體波的大小訂定震級。mb及mB分別是短週期（一般可達數秒）和中長週期（可達十或幾十秒） 「體波震級」。
震級飽和
以上三種震級類型各自反映不同週期的地震波的能量，可是大型地震中岩石的破裂時間較長，地震波的週期往往會大於這些週期，以2011年3月11日在日本的巨大地震為例，破裂時間就被推斷為接近3分鐘。以上提及的震級類型均有上限，會低估大型地震的強度。這個現象被稱為「震級飽和」，上限則是「飽和震級」。用作計算震級的地震波週期愈短，低估情況愈早出現。圖四及表一分別顯示不同震級的關係和列出了各震級的飽和震級。
圖四 從歷史數據中推斷各震級的近似關係（ 矩震級Mw、面波震級MS、體波震級mb/mB、黎克特制震級ML）(資料來源：Technophysics, 1983）
| 震級 | 飽和震級 |
|---|---|
| mb | 6.5 |
| ML | 7.0 |
| mB | 8.0 |
| MS | 8.5 |
表一 各種震級類型的飽和震級。
矩震級
地震學家安藝敬一在1966年提出用「地震矩」（M0）來量度地震大小的數值。具體來說，地震矩形容的是斷層附近物質移位時所釋放的能量，等於物質的剛度（即物質抵抗變形的能力）、斷層的平均位移和斷層面積的乘積（圖五），後兩者可從整段地震記錄取得。金森博雄其後提出基於地震矩的矩震級，設計上盡量保持得出的結果與其他震級接近。矩震級不易飽和，並且可測量各種深度和距離的地震，但缺點是運算較為複雜。
地震學家安藝敬一在1966年提出用「地震矩」（M0）來量度地震大小的數值。具體來說，地震矩形容的是斷層附近物質移位時所釋放的能量，等於物質的剛度（即物質抵抗變形的能力）、斷層的平均位移和斷層面積的乘積（圖五），後兩者可從整段地震記錄取得。金森博雄其後提出基於地震矩的矩震級，設計上盡量保持得出的結果與其他震級接近。矩震級不易飽和，並且可測量各種深度和距離的地震，但缺點是運算較為複雜。
圖五 地震矩圖解。
震級與能量
地震的能量釋放與振幅的 3⁄2 次方成比例。震級每增加一級就表示能量增加約32 倍（ (101.0)3/2），相隔兩級的震級表示能量相差1000 倍（ (102.0)3/2）。從圖六所見，六級地震中所釋放的能量已相當於廣島原子彈爆炸，強地震的威力不可少覷。
圖六 地震震級及其釋放的能量、與其他自然和人為事件的比較，以及在全球發生不同震級的地震的年平均數量。（修改自聯合地震研究所 (IRIS) ）。
細心留意香港天文台發出的地震報告，你可能已發現震級訊息內很久沒有提及「黎克特制」了。事實上，各地官方地震機構如中國地震局、美國地質調查局（USGS）等，在決定發布地震震級前都會參照該地震的參數，並不會單一使用一種震級，以更客觀地描述地震大小，而不會出現飽和的矩震級通常是大多機構現今的首選。
參考資料：
[1] Ammon, C.J., Th. Lay, H. Kanamori & M. Cleveland (2011): A rupture model of the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake. Springer Open. Earth, Planets and Space. Vol. 63, Suppl.7.
[2] Bormann, P., S. Wendt, D. DiGiacomo (2013): Seismic Sources and Source Parameters. - In: Bormann, P. (Ed.), New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP2), Potsdam : Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, 259 pp.
[3] 中國地震局: 中華人民共和國國家標準:地震震級的規定 (GB 17740-2017).
[4] 劉瑞豐、 陳運泰、 任梟、 徐志國、 王曉欣、 鄒立曄 和 張立文 (2015): 震級的測定. 地震出版社.
[5] Richter C.F. (1958): Elementary Seismology. W H Freeman & Co. 768 pp.
[6] Technophysics (1983): 93, No. 3/4 Kanamori, Magnitude scale and quantification of earthquakes.
[7] United States Geological Survey (USGS) : Earthquake Magnitude, Energy Release, and Shaking Intensity.
[8] USGS: Magnitude Types.
[1] Ammon, C.J., Th. Lay, H. Kanamori & M. Cleveland (2011): A rupture model of the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake. Springer Open. Earth, Planets and Space. Vol. 63, Suppl.7.
[2] Bormann, P., S. Wendt, D. DiGiacomo (2013): Seismic Sources and Source Parameters. - In: Bormann, P. (Ed.), New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP2), Potsdam : Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, 259 pp.
[3] 中國地震局: 中華人民共和國國家標準:地震震級的規定 (GB 17740-2017).
[4] 劉瑞豐、 陳運泰、 任梟、 徐志國、 王曉欣、 鄒立曄 和 張立文 (2015): 震級的測定. 地震出版社.
[5] Richter C.F. (1958): Elementary Seismology. W H Freeman & Co. 768 pp.
[6] Technophysics (1983): 93, No. 3/4 Kanamori, Magnitude scale and quantification of earthquakes.
[7] United States Geological Survey (USGS) : Earthquake Magnitude, Energy Release, and Shaking Intensity.
[8] USGS: Magnitude Types.