Наука, стоящая за магнитудами землетрясений: понимание масштабов магнитуды Рихтера и момента

Землетрясения являются одними из самых мощных природных явлений на Земле, способных высвободить огромное количество энергии в течение нескольких секунд. Эта энергия может резко изменить ландшафты, повредить инфраструктуру и повлиять на миллионы жизней. Для эффективного сообщения о размере и потенциальном воздействии землетрясения сейсмологи используют различные масштабы магнитуд. В то время как шкала Рихтера является наиболее знакомой для общественности, момент, когда шкала магнитуд стала современным, научно предпочтительным стандартом. Понимание различий, методологий и приложений этих масштабов имеет важное значение для интерпретации новостей о землетрясениях, оценки сейсмического риска и оценки основных геофизических процессов тектоники плит.

В этой статье рассматриваются истоки, механика и ограничения шкалы Рихтера и шкалы моментальной величины, исследуются другие шкалы величин, используемые в сейсмологии, и подчеркивается, почему точные измерения величины имеют жизненно важное значение для готовности к землетрясениям и реагирования.

Шкала Рихтера: новаторский инструмент измерения

В 1935 году Чарльз Ф. Рихтер, американский сейсмолог из Калифорнийского технологического института, разработал шкалу Рихтера, чтобы обеспечить простой и объективный метод количественной оценки размеров местных землетрясений. Его работа была сосредоточена на Южной Калифорнии, сейсмически активном регионе, где быстрые и последовательные оценки магнитуд землетрясений были критически важны для научных исследований и общественной безопасности.

Как работает шкала Рихтера

Шкала Рихтера измеряет амплитуду сейсмических волн, регистрируемых конкретным типом инструмента, называемого сейсмометром торсиона Вуда-Андерсона, который был разработан для захвата сотрясения земли в определенном диапазоне частот, что делает его хорошо подходящим для мелких, умеренных землетрясений, типичных для Калифорнии.

Масштаб логарифмический, то есть каждое целое число увеличение соответствует десятикратному увеличению зарегистрированной амплитуды волны. Например, землетрясение магнитудой 5 производит сейсмические волны в десять раз больше, чем землетрясение магнитудой 4. Однако энергия, выделяемая землетрясением, увеличивается еще более резко — примерно в 31,6 раза для каждого целого числа. Поэтому землетрясение магнитудой 6 высвобождает примерно в 31,6 раза больше энергии, чем магнитуда 5 и почти в 1000 раз больше, чем магнитуда 4.

Математически величина Рихтера (M]L) рассчитывается по формуле:

ML = log10(A) — log100

где A — максимальная амплитуда сейсмических волн, записанных на сейсмограмме, и A0 — стандартное значение калибровки амплитуды для эталонного землетрясения на заданном расстоянии.Поскольку шкала была первоначально откалибрована для Южной Калифорнии с помощью сейсмографа Вуда-Андерсона, она лучше всего работает для мелководных землетрясений умеренного размера в пределах примерно 100 — 600 километров от станции записи.

Ограничения шкалы Рихтера

Несмотря на свою новаторскую роль в сейсмологии, шкала Рихтера имеет несколько ограничений, которые ограничивают ее полезность, особенно для крупных или отдаленных землетрясений.Одним из основных ограничений является эффект насыщения: для землетрясений выше 7,5 баллов игла сейсмографа часто максимизируется, не улавливая истинную максимальную амплитуду. Эта насыщенность заставляет шкалу Рихтера недооценивать размер очень больших землетрясений.

Кроме того, шкала Рихтера зависит от расстояния и была откалибрована для конкретных геологических условий — в основном структуры коры Южной Калифорнии.В результате ее точность уменьшается для землетрясений, происходящих в разных тектонических условиях или на больших расстояниях от станций сейсмографа (за пределами около 600 километров).

Другим важным недостатком является то, что шкала Рихтера основана исключительно на амплитуде одного типа сейсмической волны, на которую могут влиять местные почвенные условия, глубина и механика разломов.Она напрямую не измеряет общую энергию, выделяемую землетрясением, что ограничивает его эффективность при сравнении событий глобально или при очень крупных землетрясениях.

По этим причинам современные сейсмологи используют масштаб Рихтера в основном для небольших и умеренных локальных землетрясений, признавая его ограничения для более крупных или отдаленных событий.

Шкала Момента Магнитуды: Современный Стандарт

Введенная в конце 1970-х и начале 1980-х годов благодаря работе Хироо Канамори и других, шкала моментов (M]w) была разработана для преодоления недостатков шкалы Рихтера.В настоящее время она является предпочтительной и авторитетной шкалой, используемой во всем мире такими агентствами, как Геологическая служба США (USGS) и Глобальная сейсмографическая сеть.

Как рассчитывается величина момента

Масштаб момента основан на физике разрыва землетрясения и измеряет сейсмический момент (M]0), который количественно определяет общую энергию, выделяемую землетрясением.

  • Площадь разлома (A): Площадь поверхности плоскости разлома, которая проскользнула во время землетрясения, измеряется в квадратных метрах.
  • Среднее скольжение (D): Среднее смещение или движение по разлому, измеренное в метрах.
  • Модуль сдвигов (μ): Жесткость или сопротивление деформации пород в зоне разлома, как правило, около 3 × 1010 Паскалей для земной коры пород.

Сейсмический момент рассчитывается как:

M0 = μ × A × D

Как только сейсмический момент известен, величина момента вычисляется с использованием логарифмической формулы:

Mw = (2/3) × log10[M0 — 10.7

Эта формула гарантирует, что шкала магнитуд момента совпадает с шкалой Рихтера для умеренных землетрясений, но не насыщает для крупных событий.В результате она может точно представлять землетрясения до 10 и выше магнитуды в теории.

Например, землетрясение 1960 года в Вальдивии в Чили, крупнейшее из когда-либо зарегистрированных землетрясений, измерялось в масштабе магнитуды момента 9,5.Масштаб Рихтера, напротив, насыщался примерно на 8,6 балла за это событие, недооценив его истинный размер.

Почему это современный стандарт

Масштаб момента является современным стандартом по нескольким причинам. Он обеспечивает физически значимую, основанную на энергии оценку размера землетрясения, которая согласуется во всем мире и во всех размерах землетрясения. Он не зависит от типа используемого сейсмографа или расстояния до эпицентра при условии, что сейсмические волны регистрируются с достаточным качеством для анализа.

Величина момента тесно коррелирует с параметрами, влияющими на ущерб от землетрясения, такими как общая выделяемая энергия и пространственная степень разрыва разлома. Эта корреляция делает его бесценным для аварийных служб, инженеров и ученых при оценке опасности землетрясений.

Например, землетрясение Тохоку в Японии в 2011 году с магнитудой момента около 9,0-9,1 высвободило примерно в 500 раз больше энергии, чем землетрясение Кобе в Кобе магнитудой 6,8 1995 года, разница, которую шкала Рихтера не смогла адекватно уловить. Шкала магнитуды также позволяет ученым оценивать величины доисторических землетрясений с использованием геологических данных о проскальзывании разломов и длине разрыва, тем самым улучшая модели сейсмической опасности.

Сравнение масштабов Рихтера и Момента

Хотя шкалы магнитуд Рихтера и моментов направлены на количественную оценку размера землетрясения, они принципиально различаются по методологии, применению и точности. В таблице ниже приведены основные различия:

  • Базис: Шкала Рихтера измеряет амплитуду сейсмических волн, записанную конкретным сейсмографом; величина момента измеряет сейсмический момент, физический параметр, связанный с проскальзыванием разлома и жесткостью породы.
  • Шкала Рихтера: Шкала Рихтера логарифмическая с увеличением амплитуды 10× на единицу величины; величина момента логарифмическая на основе высвобождения энергии, при этом каждое увеличение на 0,5 единицы представляет собой примерно увеличение энергии на 31,6×.
  • Насыщенность: Шкала Рихтера насыщается выше примерно 7-й величины; магнитуда момента не насыщается и надежна при очень больших землетрясениях.
  • Степень и применимость: Шкала Рихтера надежна в первую очередь для локальных землетрясений с малым или умеренным уровнем; величина момента применима во всем мире во всех размерах землетрясений.
  • Шкала Рихтера была историческим стандартом (1935 - середина 1980-х); величина момента - современный стандарт, используемый всеми основными сейсмологическими агентствами.

Хотя обе шкалы логарифмические, шкала величины момента обеспечивает более последовательную, основанную на физике меру, которая улучшает научное понимание и оценку опасности. Сегодня величины землетрясений, о которых сообщают в средствах массовой информации и научной литературе, почти всегда относятся к величине момента, особенно для значительных событий. Шкала Рихтера по-прежнему находит ограниченное применение для небольших локальных землетрясений, где вычисления величины момента могут быть непрактичными.

Другие масштабы магнитуд, используемые в сейсмологии

Помимо шкалы Рихтера и шкалы моментальной величины, сейсмологи используют несколько других шкал величин, оптимизированных для конкретных типов сейсмических волн, глубин землетрясений и диапазонов расстояний.

Поверхностная волна (Ms)

Масштаб поверхностно-волновой шкалы измеряет амплитуду поверхностных волн Рэлея, как правило, с периодом около 20 секунд. Она эффективна для мелких землетрясений, зарегистрированных на промежуточных расстояниях (примерно от 2000 до 5000 километров). Шкала широко использовалась до принятия шкалы мгновенной величины и остается полезной для быстрых оценок землетрясений и исторических каталогов землетрясений.

Магнитуда волны тела (mb)

Величина волны тела основана на амплитуде первых приходящих Р-волн. Эта шкала особенно полезна для землетрясений с глубоким фокусом и зарегистрированных на телесейсмических расстояниях (более 1000 километров от эпицентра). Однако она имеет тенденцию недооценивать размер крупных, неглубоких землетрясений, поскольку Р-волны несут лишь часть общей сейсмической энергии.

Длительность (Md)

Длительность магнитуды оценивает размер землетрясения от общей продолжительности встряхивания, зафиксированной на сейсмограмме. Она в основном используется для очень небольших локальных землетрясений, где амплитуды сигнала слишком слабы для точного измерения. Хотя и менее точна, чем другие масштабы, она помогает каталогизировать микросейсмическую активность, полезную в геотермальных исследованиях, мониторинге добычи и исследованиях зоны разломов.

Локальная величина (ML)

Местная величина по существу является синонимом шкалы Рихтера, но часто используется в современных контекстах, чтобы отличить ее от других типов величин. Она остается ценной для рутинного мониторинга небольших землетрясений в плотных сейсмических сетях, таких как те, которые используются в городских районах или для индуцированного мониторинга сейсмичности.

Почему величина важна для готовности

Точное измерение магнитуды землетрясения имеет решающее значение для общественной безопасности, инженерии и управления чрезвычайными ситуациями. Величина непосредственно влияет на строительные нормы, карты опасности, системы раннего предупреждения и решения об эвакуации. Поскольку величина логарифмическая, каждое увеличение единицы соответствует примерно в 32 раза большему количеству выделяемой энергии, что приводит к более обширному и интенсивному встряхиванию.

Например, землетрясение в Нортридже в 1994 году в Южной Калифорнии с магнитудой 6,7 в момент вызвало ущерб в размере около 20 миллиардов долларов и значительные потери жизни, несмотря на то, что оно было классифицировано как умеренное землетрясение. Напротив, землетрясение в Индийском океане в 2004 году с магнитудой 9,1 выпустило энергию, эквивалентную примерно 1000 годам глобальных испытаний ядерного оружия, и вызвало массивное цунами, которое опустошило прибрежные сообщества во многих странах.

Понимание разницы между масштабами помогает властям более точно сообщать о рисках и соответствующим образом адаптировать аварийные реакции. Например, знание того, что заявленная величина основана на величине момента, а не на величине Рихтера, может обеспечить более четкую картину истинной тяжести землетрясения.

USGS Earthquake Hazards Program предоставляет определения величины в реальном времени, в основном используя величину момента для землетрясений магнитудой 6 и выше, а также предлагая локальные и волновые величины для небольших событий.Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS) предлагает обширные образовательные ресурсы, объясняющие, как эти шкалы получены и применяются в исследованиях и оценке опасности.

Понимание истории и эволюции масштабов величин

Переход от шкалы Рихтера к шкале величины момента отражает более широкую эволюцию в научной методологии - от эмпирических наблюдений к физически обоснованной параметризации. Этот переход увеличил нашу способность сравнивать землетрясения во всем мире и в течение исторических периодов, связывая тряску поверхности с основными процессами разрыва разлома и высвобождения энергии.

Сегодня почти все авторитетные каталоги землетрясений, включая каталог землетрясений USGS, отдают приоритет величине момента как первичной величине. Несмотря на это, шкала Рихтера остается полезным образовательным инструментом из-за своей простоты и исторического значения. Она эффективно демонстрирует логарифмическую природу магнитуды землетрясения и помогает общественности понять, насколько малые увеличения магнитуды соответствуют большим увеличениям энергии.

Хотя шкала Рихтера все еще иногда появляется в нетехнических контекстах или для небольших локальных землетрясений, величина момента является золотым стандартом для научной строгости и общественной безопасности.

Как интерпретировать сообщения о землетрясениях

При чтении или прослушивании обновлений о землетрясениях важно отметить, какая шкала магнитуд сообщается. Большинство современных отчетов используют «величину момента» или обозначают ее как «Mw». Иногда небольшие локальные события могут сообщаться в «местной величине» или «ML», что во многих случаях соответствует шкале Рихтера.

Например, землетрясение магнитудой 4,0 (M]w может ощущаться людьми, но вряд ли нанесет значительный ущерб, тогда как событие магнитудой 7,0 или выше может вызвать широкомасштабное разрушение и потребовать немедленного реагирования на чрезвычайные ситуации.

Помимо величины, на ущерб и последствия аварий влияют и другие факторы, такие как глубина землетрясения, расстояние от населенных пунктов, местная геология и устойчивость зданий, поэтому величина является жизненно важным, но не единственным определяющим фактором воздействия землетрясения.

Для получения наиболее точной и актуальной информации о землетрясениях, проконсультируйтесь с такими ресурсами, как USGS Earthquake Hazards Program и IRIS Consortium , которые предоставляют данные в реальном времени, образовательные инструменты и подробные объяснения сейсмических явлений.