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2024-02-01芮氏地震規模過時了? 談地震規模的適用性 650 期

Author 作者 潘昌志/科普作家,著有《地震100問》、《海洋100問》。

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• 芮氏規模(ML)在1935年被提出並被廣泛使用,但卻有測量上的限制。後來又發展出「地震矩規模」(MW)。
• 地震矩規模能完整表達地震釋放的能量,不過臺灣仍使用芮氏規模,日本也使用與芮氏規模相似的日本氣象廳規模(Mj)。
• 日本的測量方式可快速估算地震規模,臺灣可能也為快速便利而使用芮氏規模。筆者建議混用不同規模或許是未來的發展方向。

 
今(2024)年元旦,日本的石川縣能登半島發生了一起大地震。除了當地災情嚴重外,國內各家媒體在報導時因為引用資料來源的差異,出現了以美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)報導的7.5,以及日本氣象廳公布的7.6。臺灣新聞因而深入探討不同地震規模計算方式的差異,筆者因長期耕耘地震科普傳播,樂見媒體開始探究地震規模的意義,以及各國採計上的差異。因此希望藉由本篇文章延伸說明,帶領讀者認識不同規模量度方式對於科學家、政府、防災單位的意義與應用。

 

2024年能登地震造成輪島朝市的大範圍火災。(国土地理院,地図・空中写真閲覧サービス)

 

從芮氏規模與震矩規模的發展談起

「地震的大小」一開始並不容易定義,因為小地震與大地震的能量差異其實非常大。1935年,美國加州理工學院(California Institute of Technology)的地震學家芮克特(Charles Richter)和古騰堡(Beno Gutenberg),以天文學「星等」的概念為靈感發明「芮氏規模」(ML),以「將振幅取對數」的方式表示,使得地震的能量大小轉為容易理解和比較的數字。這個度量方式既便利又好理解,接著便被廣為使用了數十年。
 
隨著地震觀測科學知識的進展,芮氏規模的缺點逐漸浮現。例如儀器有量測範圍的限制,因此距離震央超過600公里的地震站便無法使用;規模太大(約ML 6.8以上)的地震,也有儀器數據飽和的限制。後來經過科學家不斷地修正與調整,發展出各種不同的規模計算方式,不過直到1977年,同樣任職於加州理工學院的教授金森博雄提出「地震矩規模」(MW)後,我們才得到一個真正反映地震釋放能量的量度方式。由於地震矩的定義是由斷層面積、滑移量和剛性係數組合而成,因此跟採用經驗法則得到的芮氏規模相比,地震矩規模更具物理上的意義。
 

為何地震矩規模較能反映能量釋放?

一開始科學家使用伍德-安德森地震儀(WoodAnderson seismometer)的最大振幅位移量計算出芮氏規模,即使現代已經不使用古老的地震儀,但一樣會將資料轉換成最大位移振幅再計算。然而當產生地震的斷層錯動範圍愈大、釋放時間愈長時,若還是只用最大振幅估算地震釋放的能量,反而會明顯低估了規模。如果地震達ML 6.8以上就會開始失真、並且幾乎測不到ML 7.5以上的地震。不過計算地震矩規模時,會用上「寬頻地震儀」(broadband seismometer)的「整段地震波形」,寬頻意味著它會記錄更多細節,整段地震波形也才能反映整個地震的發生過程,完整呈現出地震釋放的能量。
 
雖然「理論上」地震矩規模較為準確,不管大小規模皆可用,然而實務上小地震(一般來說小於MW 4)因能量太小,反而容易有觀測失準的狀況。因此目前只將較大的地震規模採用地震矩規模表示,例如美國、墨西哥在報導MW 4以上的地震時會採用地震矩規模,較小的地震仍會採用芮氏規模,而中國或一些歐洲國家雖然沒有明定標準,但原則上一樣也是大地震以地震矩規模表示,並搭配芮氏規模或體波規模(mb)等適於計算小地震的方式使用。
 

日本、臺灣為何不採用地震矩規模?

至於臺灣,目前中央氣象署仍是以芮氏規模度量。而為了減少芮氏規模與地震矩規模的差距,日前也委託中央大學的研究團隊重新分析過去30年來的地震資料,改善經驗公式。不過與其說臺灣是特例,不如說日本才是。日本氣象廳在發布地震資訊時,主要是使用「日本氣象廳規模」(Mj,以下簡稱日本規模)。雖然名稱獨特,但實際上日本規模背後的原理與芮氏規模極為接近,只是日本氣象廳經過仔細分析日本的地震特性之後調整了公式,使日本規模能使用的範圍更大,甚至可使用在Mj 7以上的地震。因此目前日本只有在Mj 8以上,或者需模擬海嘯波高時,才會採用地震矩規模,其他仍以日本規模為主。有趣的是,氣象廳在發布地震報告時僅會以「M」來標示,並不會特別強調是日本規模還是地震矩規模。筆者認為,當地震警報或報告強調的是各地震度分布,也反映出日本對於救災需求的重視。
 
筆者不確定中央氣象署不採用地震矩規模的確切原因,但由日本氣象廳公布的說帖,可以窺知日本規模(同芮氏規模)仍有它的意義與必要。首先,日本長期發展緊急地震速報,並在全國各地設置密集的強震儀和短周期地震儀。雖然近年來也增加了許多寬頻地震儀,但強震儀與短周期地震儀仍是地震速報的主力,僅利用幾個近震央測站的數秒資料即可完成定位,加上最大振幅的S波通過測站,即可快速地估算出日本規模。此做法不僅遠快於地震矩規模的計算速度,在大部分地震多為Mj 7.0以下地震的情況,這樣的速報更可謂又快又準。再者,由於長達百年的地震紀錄都是以日本規模表示,且迄今日本的小地震都是以日本規模表示,地震資料的格式統一,對於氣象廳比對過往地震或長期統計評估時,仍有一定的便利性。
 
上述理由放在中央氣象署的地震發布體制中一樣適用,畢竟臺灣長期推動地震速報、強震警報,人們已經習慣第一時間看到地震規模值。雖然未必搞得清楚是什麼規模,但畢竟是既定的格式,加上地震報告發布的要點中也提及「規模4.0以上」的標準,只要速報、警報須揭露地震規模,那使用最快速便利的芮氏規模還是較佳的方式。

 

芮氏規模V.S.地震矩規模(資料來源:日本氣象廳;作者整理)
 

與時俱進的可能性

但從各國對於地震規模的使用方式,可以發現「混用」確實也是可以納入未來思考的變革方向。如果怕變化太大難以配套,也可參考日本僅對超過芮氏規模上限的地震處理,並以地震速報為主要考量。例如將ML 6.5或7.0以上的地震,利用數據更新的方式調整報文,佐以科普傳播的方式加強宣導,讓民眾更加了解地震規模的科學本質,也有促進地震防災教育的功效。目前臺灣已有媒體對不同地震規模單位進行深入報導,因此筆者希望藉此機會讓讀者學習更深入的地震知識。不過在中央行政機關下的氣象署,過往的決策仍偏向保守,要是能作出這樣的變革,那可真會讓人耳目一新啊!
 

以地震矩規模的度量預估未來地震

近年來,隨著地震學融入統計與工程的概念,以「發震機率」評估發震風險的計算已有諸多應用。雖然還不能做到像天氣預報一般預估未來一週、一日之內的發震機率,但至少已能做到評估「未來50年」、「未來30年」的發震機率,在都市規畫、建築耐震法規,以及大規模地震災害防救災計畫皆可應用。例如台灣地震模型團隊所做的機率式地震風險評估(TEM PSHA2020),以調查斷層參數、歷史地震,以及地球物理資料為基礎,評估斷層面積與地震事件可能的滑移量。以此原理所推算出的規模,即為地震矩規模。
 
別以為談未來數十年的風險難以應用。透過進一步的客製化運算,地震風險評估可用在許多產業。例如科技廠房的機臺、重要的商業建築可量身訂作適當的「地震保險」和損害評估。畢竟目前的耐震法規或補強的參考依據仍以統一公開的方式進行,當民眾或企業若對地震風險有需求上的差異時,這些應用就能有效提供更恰當的地震風險評估,降低未來可能遭遇的財物損失及不確定性。

 
參考資料與延伸閱讀
1.Sawires, R. et al. (2019). An updated and unified earthquake catalog from 1787 to 2018 for seismic hazard assessment studies in Mexico. Scientific data, 6(1), 241.
2.日本氣象廳,地震情報等に用いるマグニチュードについてhttps://www.data.jma.go.jp/eqev/data/joho/info_magnitude.html
3.公視新聞網(2024年1月2日)。石川強震/日本元旦地震是7.5還7.6?認識日本規模與芮氏規模差異https://news.pts.org.tw/article/674293
4.震識(2017年6月12日)。地震大小誰說了算? Part II:更「先進」的地震規模算法?https://quakeledge.blogspot.com/2017/06/part-ii.html
5.中廣新聞網(2020年6月30日)。新芮氏規模地震計算式 中大研究團隊修正調整https://reurl.cc/WRDGML