哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的地震学家威廉·门克解释道。
里氏震级是美国地震学家查尔斯·里氏(Charles Richter,1891-1989)于 1935 年制定的,旨在量化地震的震级或强度。当时正在加利福尼亚州研究地震的里氏需要一种简单的方法来精确表达定性上显而易见的事实:有些地震是小的,有些是大的。
地震是地面的剧烈震动,通常是由地质断层上的突然运动引起的。例如,1994 年北岭 6.9 级地震导致洛杉矶地区遭受严重破坏,其原因是发生在城市北部郊区地下 10 公里处,长约 12 公里、宽 15 公里的断层上发生了 2 至 4 米的滑动。今天,地震和断层运动在地震学家的脑海中已密不可分——以至于一听到发生地震,我们立即就会询问造成地震的断层。相比之下,里氏的重点是地面振动本身,他可以使用加州理工学院(Caltech)的地震仪轻松监测到地面振动。在里氏看来,高震级地震是指地面振动强烈的地震。因此,里氏震级与致 Fault 的任何属性都没有直接联系。
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里氏震级的模型是天文学家使用的恒星星等标度,该标度量化了恒星发出的光量(其光度)。恒星的光度是根据望远镜对其亮度的观测结果计算的,这些观测结果已针对望远镜的放大倍率和恒星与地球的距离进行了校正。但是,由于光度变化幅度很大(例如,参宿四的光度是半人马座 α 星的 50,000 倍),因此天文学家计算光度的对数以产生恒星星等:一个易于记忆的个位数。
里氏用地震仪测量的地面振动量代替了光度测量。请注意,在这两种情况下,强度的感觉都非常抽象:恒星星等不是衡量恒星物理大小的指标(可以用其直径来量化),而是衡量恒星发出的光量的指标。地震震级不是衡量地震断层物理大小的指标(可以用其面积或滑动量来量化),而是衡量其发出的振动量的指标。
在里氏最初的公式中,距离 100 公里的地震在加州理工学院地震仪的纸质记录仪上引起 1 毫米振幅信号,被任意定义为 3 级。(里氏地震仪的放大倍率约为 2,800 倍,因此纸质记录上的 1 毫米对应于约 0.36 微米的实际地面运动)。在相同距离处产生 10 毫米振幅记录的地震被指定为 4 级,100 毫米振幅为 5 级,依此类推。然后,里氏继续设计校正表,允许计算震级,而无需考虑地震与地震仪的实际距离。
里氏震级标度的吸引力是双重的。首先,地震用一个易于记忆和易于理解的个位数来概括。3 级地震是微小的地震。6 级地震是可能造成重大破坏的地震。9 级地震,如 12 月份造成致命印度洋海啸的地震,能够造成严重破坏。其次,震级可以很容易地从地震仪的测量结果中确定,地震仪不必特别靠近断层。事实上,现代地震仪可以记录全球任何地方发生的 5 级及以上地震。里氏震级的缺点是震级是一个单一的数字,无法充分描述地震等复杂的现象。震级相同的地震在许多基本方面可能有所不同,包括振动方向以及在震颤期间不同时期的相对振幅。这些差异可能导致震级相同的地震具有显着不同的破坏程度。
从 20 世纪 60 年代中期开始,地震学家对滑动断层如何产生地面振动有了相当完整的了解。表征断层强度的重要量是地震矩,即断层面积、断层滑动量和周围岩石刚度的代数乘积。一般来说,大震级的地震对应于大矩的断层,震级单位增加 1 个单位对应于矩增加约 30 倍。但这种关系是不精确的,并且在许多情况下,小断层会导致出乎意料的大震级地震,反之亦然。