為何地震規模常會一修再修?

Storyteller/潘阿樹

每當一些大地震後,氣象局更新地震報告的規模時,經常看見這類的新聞寫到:「震度被低估了!」常伴隨的就是一陣疑惑:不是都一樣的資料?怎麼又說算不準?為什麼又需要再補資料?

幾年前在泛科學上寫了一篇地震規模變變變,來闡述為什麼不同單位會有不同的規模計算結果,沒寫到地震規模有時會有修正的主要原因,也沒有細談不同規模的計算方式,就讓這篇深度文來把事情寫好寫滿吧!

2016/2/6台南大地震 (圖片來源:中天新聞)

 

規模計算的「實務」方式

其實計算規模「不僅僅是計算規模」這麼簡單,為什麼?因為不管怎麼樣我們都得把地震震央、震源給決定出來。因為芮氏規模的定義是「標準扭力式伍德-安德森地震儀在距震央100公里處紀錄到的最大震幅的對數值」,雖然看起來定義好難懂好科學,但實際上我們可以把它的關鍵拆解成「震幅」、「距離震央100公里」,也就是說要先知道「震央在哪?」

不過這樣一來,只要定出震央,一台地震儀就能算出一個規模值,照理說理想狀態下,每台算起來應該一樣,但實際上會因為地震波的路徑、地震儀的場址而使得結果不太一樣,這時最快的方法就是把大家的值平均起來,解決!

但這種方式會有幾個問題,第一個問題是,其實當時創出這算法的芮克特(Charles Richter),是把這個規模用在處理加州的地震,但是因為太好用所以大家一直廣泛使用…再來就是它的物理意涵並不明確,尤其是它沒有辦法直接反映斷層的活動,所以像美國地質調查局(USGS)現在也改用另一種更能反映斷層活動情形的地震矩規模(這個我們之後再談)。

所以規模在算的時候,除了因增加測站會改變平均值,還會因地震定位的結果修正而改變。地震定位的原理是先把震波中的P波和S波(波速不同)從震源處出發,要是我們知道波速的話,就可以由此回推震源(至於震央則是震源投影到地上的點)。

理想上我們可以用畫圓、三角定位的方式求解,但實際上的解不會很剛好只有一個點,會在一個範圍內。誤差來源可能是地層的構造太簡化、波速假設錯誤、震源和場址沒考慮到的效應…等等。總之就是會有些站的結果感覺很收斂在一點,但有些又會因為誤差而無法和其它結果互相對應,比較消極但最快的做法是挑掉部分資料,但這是很糟的做法;好一點則是用加權比重的方式去作調整,而最根本的問題我想你也看出來了,就在於地下構造資料和假設波速,只要不解決這問題,就無法解決定位上會有一定誤差的問題,而且只要增加幾個站的資料,就會讓定位的結果產生變化,而且以科學點來說,又還是得考慮這些測站的資料,畢竟這些也是重要的數據。

 

幹嘛不用國外或是學者常用地震矩規模?

地震規模變變變一文中,也有寫到不同規模計算方式,其中提到由金森博雄教授創立的「地震矩規模」計算方式,是目前美國地質調查局(USGS)和許多地震學者較通用的規模,它是使用現代地震儀為基礎,並考量斷層力學現象的計算方式,因此除了不會有太大地震使計算方式達到飽和的問題,也能讓地震規模與斷層作用的物理量連結更為緊密。

舉例來說,如果我放了一個很響的屁,在1秒內全釋放完,和花10秒鐘一點一點放完更多容積的屁,用聲音的觀點來看,前者好像放比較多,但後者卻靜靜的釋放了更多。實際上大型斷層錯動的過程中,並不是在一瞬間釋放完能量,長達數百公里、面積達數萬平方公里的斷層面,往往會花上數秒鐘到數分鐘才完全錯動的過程,僅由最大振幅來推估能量的芮氏規模遇上大地震本來就會有很大的誤差,而地震矩規模則考量了完整斷層錯動伴隨震動的歷程,就能更詳實呈現能量大小。

但要把地震矩規模算得準,除了對地下構造要有一定了解,也要把求解的目的從一個點擴展到一個很大的面(現在都是用打網格來處理),參數一多就不可能很快的得到解,那麼發布的時間效率就會差很多。試想一下,現在地震後約3~5分鐘氣象局會公布資訊,若改成震矩規模,可以參考一下USGS發布的時效,往往會花上數倍的時間,在地震速報或預警上根本不實用。

所以最好的方法是什麼?講到這邊應該不止我想到,就是一方面公布較有時效性的資訊(維持現在的狀態或改得更快),另一方面由同單位或是另一個單位使用更有科學上意義的地震規模,並告訴大家這兩者的差異。然而對一般民眾而言,要是不理解地震矩規模是什麼,給這數字其實意義不大,或許這也是目前氣象局仍使用芮氏地震規模來呈現資訊的主因吧!

最後一樣要強調的是,不同規模的算法不該直接互相比較,而修正結果並不代表前一次的東西「有錯」,而是我們的資料不夠齊全,但算法完全一樣。地震和一般可以看到、直接量化到的體積、質量的東西不同,雖然我們永遠都是像瞎子摸象看震波,但仍運用科學法則來處理資訊以求真求實:或許永遠都存在著些許誤差,卻也告訴我們永遠都該謹慎的解讀地震波裡的訊息。

 

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