上下古今人間世

地震!規模二三事

一次次的天災,一再警醒世人:自然現象需要了解。知己知彼,「人定」才偶有可能「勝天」。

撰文/趙丰

上下古今人間世

地震!規模二三事

一次次的天災,一再警醒世人:自然現象需要了解。知己知彼,「人定」才偶有可能「勝天」。

撰文/趙丰

3月11日,日本東北海大地震引發海嘯,與六年多前更大的蘇門答臘大地震引發印度洋大海嘯如出一轍。地震的肇因、觸發,震波類型、傳播,它的致災、預報、防範等,都是積極的研究範疇,不在話下。而針對地震本身的所謂「震源參數」,則包括了時間、地點、深度、斷層方向、破裂角度、破裂過程等,當然還有它的大小。顯然,這天災裡最關鍵的因素是地震之「大」,那麼,地震的「大小」到底是什麼意思?

我們身邊有許多事物的數值範圍是相當廣的,例如物體的尺寸可以小至沙塵、原子,大至地球、星系;時間的相隔短可以是電光石火、白駒過隙,長可以是天長地久、海枯石爛。若要以一個包羅懸殊範圍的座標「譜」來描述這樣的物理量,我們很自然會先將該物理量取以10為底的對數,用該對數值(也就是10的指數,例如10的6次方就用6)做為座標的標示,否則一定抓狂。只要細瞧書裡畫的那橫跨10幾個數量級的電磁波譜,或是描述地球46億年地質年代的時間座標,就馬上明白了。

話說1935年,人類對地震的了解尚懵懵懂懂,當時在美國加州理工學院讀物理的研究生芮克特(Charles Richter,1900~1985)獨有卓見地認識到:地震的大小應該可以量化,並以一個數字來代表。由於地震可大可小,小者不知不覺、微痛微癢,大則山搖地動、山崩地裂,要量化地震的大小,必定得訴諸對數。芮克特專門為南加州頗頻繁的中、小型地震設計了一則對數法則,以當時的伍德–安德森短週期地震旋儀為準(規模0定義為象徵性的某特定狀況),套入記錄到的地表最大震動量,並經過距離修正(當然先得定出震央,那又是另一套法則),為地震的大小訂定出了個叫做「規模」(magnitude)的標示數。雖然同一地震由不同處的地震儀記錄推算出的規模不盡相同,但取個平均值,確實既合理、又方便好用。

這被命名為ML的「芮氏規模」訂定法很快就被廣泛採用,但它畢竟是為南加州量身打造的,別的地方地質狀況不一,並不見得適用。更需要改進的,是訂定規模的程式必須適用於遙遠各處發生的地震,而不是像ML僅局限於近地震。於是芮克特繼續師從地震學泰斗古騰堡(Beno Gutenberg),聯手發展了兩套新法則(當然仍都是對數標定):一是體波規模mb,是基於短週期(1秒)的P波震幅訂定的;一是表面波規模Ms,是基於長週期(20秒)的瑞利波震幅訂定的。

原來,地震波是在固體地球內傳播的彈性波,林林總總一籮筐。對任意地點而言,地震起來可謂一波未平一波又起。以波速快慢來分,也就是以抵達的早遲而言,先到的是走地球內部的體波──叫做P波、屬縱波的壓縮波(相當於聲波),繼之以叫做S波、屬橫波的剪切波;然後是往往震幅較大的表面波,其中水平方向的橫波叫做洛夫波,繼之以垂直方向打轉的波叫做瑞利波等。當然這也只說到了走直接路線到達的波,地震夠大的話,一波波還夾雜有經過地表反射及內部各層面反射、折射外加散射後到達的源源不絕各式體波,和雙向繞行地球的表面波等。

時代繼續進步,地震學的知識不斷累積,地震儀器的製作與類型也日益精進。到了1970年代,上述幾種地震規模訂定法一一出現捉襟見肘、無法自圓其說的窘境。例如瑞利波的強弱和地震的震源深度有關(深震當然較不會產生表面波),結果是大小相當的地震卻訂出很不一樣的Ms。最嚴重的缺陷是這幾種規模尺度都有飽和現象──再大的地震,其ML或mb規模怎麼總不超過7左右,Ms也難達8以上,即使種種證據顯示其規模應該絕不只如此。根本的問題在於:地球表部發生斷裂時,雖然我們一概稱為地震,但其實肇因、類型以及斷裂錯動、能量釋放的方式和過程是各式各樣,殆難一概而論。

是該揚棄使用多年的那些學理基礎薄弱的經驗法則,重新制定能放諸四海而皆準的新規模尺度了。地震學家回歸到震源機制的物理描述,終於,一個定義為「震矩」(seismic moment)的物理量勝出,震矩=岩層的剛度×斷層斷裂的面積(例如幾十、百、千平方公里)×斷層面上的滑移量(例如幾公尺);更學理的說法,是定義出一個稱為震矩的張量(tensor),常用矩陣表示,其量綱就是震矩。震矩是有實際物理意義的量,單位和能量相同,所以必然和地震釋出的震動能量直接有關。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2011年第111期5月號】