- 評論
文章專區
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》。
Take Home Message
• 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。
.jpg)
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。