史上智利9.5级地震：用它读懂地震矩震级如何衡量“大地怒吼”

我们来通过1960年智利大地震这个“史上最强”的案例，解读地震矩震级如何更科学地衡量地震的“怒吼”。

• 时间： 1960年5月22日
• 地点： 智利中南部海岸，靠近瓦尔迪维亚
• 震级： 矩震级 (Mw) 9.5
• 特点： 这是人类有仪器记录以来发生的震级最高的地震。它引发了毁灭性的海啸，波及整个太平洋沿岸，远至夏威夷、日本、菲律宾、澳大利亚和新西兰都遭受了损失。地震本身和海啸在智利造成了数千人死亡，大量房屋被毁。

在讨论矩震级之前，需要知道为什么它取代了更早的震级标度（如里氏震级 ML）。

里氏震级的局限：

• 基于特定频率的地震波： 里氏震级主要依据特定频率的地震波（短周期波）的振幅来估算。这些波对于中小地震很敏感。
• “饱和”问题： 对于非常大的地震（通常指7.5级以上），这些短周期波的振幅增长会趋于平缓，不再能真实反映地震能量释放的巨大差异。简单说，里氏震级无法准确区分8级、9级这样的巨大地震，它们可能都被标定为8级左右，这就是“饱和”。
• 缺乏物理意义： 里氏震级更多是一个统计量，与地震发生的物理过程（断层破裂）没有直接的物理联系。

智利地震的启示：

• 1960年智利地震的破坏范围和引发的海啸规模之大，远超一个普通8级地震所能造成的。如果仅用里氏震级，它可能被低估。
• 这凸显了需要一个能准确衡量巨大地震能量释放，且不会饱和的震级标度的必要性。

地震矩震级正是为了解决上述问题而发展起来的。它的核心概念是地震矩 (M0)。

什么是地震矩 (M0)?

• 物理定义： 地震矩是衡量一次地震所释放的总机械能的物理量。它直接与引起地震的断层破裂过程相关。
• 计算公式： M0 = μ D A
  • μ： 岩石的剪切模量（岩石抵抗剪切形变能力的度量，代表岩石的“刚性”）。
  • D： 断层面上平均滑移距离（断层两侧相对移动了多少米）。
  • A： 断层破裂面的总面积（长度 * 宽度）。
• 意义： 地震矩综合了岩石性质、断层滑动量和破裂范围这三个决定地震规模的关键物理参数。它本质上是衡量断层错动“扭转”岩石的程度。

如何从地震矩得到矩震级 (Mw)?

• 公式： Mw = (2/3) * log10(M0) - 10.7
• 对数关系： 公式采用了以10为底的对数。这意味着地震矩M0每增加约31.6倍（10的1.5次方），矩震级Mw才增加1级。这反映了地震能量释放的巨大差异（震级差1级，能量差约32倍）。
• 不饱和： 因为Mw直接基于物理上可测量的M0，而M0对于任何规模的地震（只要我们能观测到）理论上都是可计算的，所以Mw不会像里氏震级那样在强震时饱和。它能准确区分8.0、8.5、9.0、9.5等巨大地震。

为什么矩震级更能反映“大地怒吼”？

• 直接联系断层： Mw直接反映了导致地震的根本原因——断层破裂的规模（面积A）和剧烈程度（滑移量D）。
• 衡量总能量： 它更接近地代表了地震释放的总机械能，这是地震“怒吼”的根本来源。
• 全球可比性： 基于物理原理，Mw在不同地区、不同深度的地震之间具有更好的可比性。

• 巨大的破裂范围 (A)： 这次地震发生在纳斯卡板块俯冲到南美板块之下的俯冲带。断层破裂沿着智利海岸线延伸了惊人的约1000公里！破裂宽度（向地下延伸）也很大。
• 巨大的滑移量 (D)： 断层两侧的平均错动距离（滑移）达到数十米（不同段落有差异，有些地方超过20米）。想象一下，一条长1000公里、宽上百公里的巨大断层，整体滑动了几十米！
• 坚硬的岩石 (μ)： 俯冲带涉及的是相对坚硬的地壳和上地幔岩石。
• 计算结果： 将这些巨大的数值代入 M0 = μ D A，得到的是一个天文数字级别的地震矩。将这个M0代入Mw公式，就得到了9.5这个震级值。
• “怒吼”的表现： 这个9.5级的物理含义，解释了为何它能撼动整个地球（引发了可测量的地球自由振荡），为何能掀起摧毁半个太平洋沿岸的巨大海啸，为何能造成如此广泛和灾难性的地表破坏。这个数值真实地反映了这次断层破裂事件的空前规模和释放的巨大能量。

地震矩震级 (Mw) 通过其基础物理量——地震矩 (M0)，将地震的“怒吼”与导致地震的断层破裂的物理过程（破裂面积、滑动距离、岩石性质）直接联系起来。它克服了传统震级标度对大震级的低估问题（饱和），提供了一个更准确、更科学、且具有明确物理意义的标度来衡量地震，尤其是像1960年智利地震这样的“超级大地震”的真正威力。通过智利Mw 9.5这个案例，我们可以清晰地看到，矩震级如何量化了一次地震的断层到底有多“愤怒”，以及这种愤怒最终释放的能量有多么的惊天动地。