0 引言

在地震台网日常工作中，常用的传统震级标度有地方性震级M_L、短周期体波震级m_b、中长周期体波震级m_B和面波震级M_S。

从科学研究角度来看，由于不同的震级表示地震辐射不同频率能量的大小，不同类型的地震辐射地震波的优势频率不同，因此，使用不同震级标度能够准确地表示不同类型地震的大小。但从地震预报、地震应急等实际应用角度看，通常认为一个地震只有一个震级。因此，有人提出以下问题：为什么不把多个震级统一成一个震级？如果一个地震有多个震级该如何使用？

1945年以来，多种震级标度之所以能够长期并存，自然有其存在的必要性和科学性。本文从震级的发展、震级的单色性、震级统一的不可能性、震级转换的危害性、震级优选的科学性等方面，介绍震级的使用方法。

1 震级的单色性

1935年，里克特提出了地方性震级M_L，使用伍德—安德森短周期地震仪器测定，只能用于表示近震的大小。1945年，古登堡将测定M_L的方法推广到远震，提出面波震级M_S，用于表示远距离地震的大小，弥补了M_L的局限性；而对于中源地震和深源地震，地震台站记录的面波不发育，无法测定M_S，古登堡和里克特又提出体波震级m_b和m_B。

里克特—古登堡震级系统是建立在“单一频率”地震波振幅的基础上，常用的地方性震级M_L、面波震级M_S，是在其优势频率f分别为1.00 Hz和0.05 Hz（周期T分别为1.0 s和20.0 s）时测得的“单色震级”。根据《地震及前兆数字观测技术规范》（地震观测）（中国地震局，2001）的要求，测定地方性震级M_L和短周期体波震级m_b要使用仿真DD-1短周期记录，DD-1短周期地震仪摆的固有周期为1.0 s，记录4.5级以下地震S波周期在0.8—1.2 s之间；测定面波震级要使用仿真基式（SK）中长周期地震仪记录，基式地震仪摆的固有周期是12.5 s，记录4.5级以上地震的面波周期为3.0—25.0 s，在震中距大于20°时记录面波的优势周期在20 s左右。

地震辐射地震波的周期范围较大，从10² s的长周期面波、10 s的长周期体波，到1 s的短周期体波、在震中地区10^-1 s的强地面运动、10^-2 s地壳的小地震（陈运泰等，2000）。地震的类型不同，辐射地震波的优势周期不同，小地震的P波和S波频率以高频成分为主，而大地震面波的频率以低频成分为主。通常，对于4.5级以下未能激发面波的地震，只能测定地方性震级M_L；对于4.5级以上浅源地震，在震中距大于250 km的地震台站能够记录到面波，适合测定面波震级M_S；而对于中源地震、深源地震和地下核爆，记录波形面波不发育，适合测定体波震级m_b和m_B。

由于震级的单色性，不同类型的地震辐射地震波的周期不同，因此不可能使用同一震级标度表示所有类型地震的大小。对于不同类型的地震，使用不同的震级标度才更科学、更准确。

不同的震级实际上是为不同类型的地震“量身定做”的，也就是说不同的震级标度适用于不同类型的地震。地方性震级M_L适合表示近场较小地震的大小，面波震级M_S适合表示浅源较大远震的大小，体波震级m_b和m_B适合表示中源地震、深源远震的大小和地下核爆炸的大小。

1977年金森博雄提出矩震级标度M_W，矩震级实质上就是用地震矩M₀来描述地震的大小，无论是对大地震还是小地震、微震甚至极微震，无论是对浅震还是深震，均可测定地震矩M₀。2000年以后，随着数字地震台网的建设，全球诸多地震台网开始测定矩震级M_W，并将矩震级作为对外发布的首选震级。但矩震级的测定比较复杂，有时不能在较短时间内测定出准确的结果，在这种情况下仍需采用传统震级对外发布。

2 “统一震级”的不可行性

由于存在多种震级标度，会给震级的使用带来诸多不便。早在1945年，古登堡就做过震级统一工作，将地方性震级M_L、面波震级M_S和中长周期体波震级m_B统一用m表示，因为当时他认为这3种震级是等价的，称为“统一震级”，但是研究结果发现事实并非如此，m_B与M_S只有等于6.5级时才一致，M_L与M_S只有对于4.5级以下时才基本一致，对于其他的地震，不同震级之间都有差别，有时差别较大。古登堡通过大量的研究工作得到的结论是：不可能使用同一震级表示所有不同类型地震的大小，“统一震级”是不可能做到的（Gutenberg, 1945a, 1945b, 1945c）。

为了规范全球的地震监测工作，世界数据中心（World Data Center，WDC）于1979年邀请苏格兰爱丁堡地质研究所威尔莫教授编写了《地震观测实践手册》（Manual of Seismological Observatory Practice，MSOP），在该手册中明确指出：“从一种震级转换成另一种震级，必然造成原震级信息的损失”（Willmore，1979）。从此以后，全球的地震监测遵循以下规则：不同震级标度之间一律不允许相互转换，在全球各个国家的地震监测工作中，无论是地震观测报告、地震目录列出的震级，还是对外发布的震级，均是实际测定的震级。

大千世界，五彩缤纷。而对于某一具体的自然景观，颜色就会相对单一，例如沙漠是黄色，海洋是蓝色，森林是绿色，雪山是白色，等等。如果研究某一具体的自然景观，就可以用单一色彩表示其特征，而用单一色彩去看整个世界，五彩缤纷的色彩就会消失，看到的将是一个颜色失真的世界。同样的道理，小震、大震和深震辐射地震波的优势频率不同，用“单一频率”的震级表示所有地震的大小，必然造成原震级信息的失真。

2002年，国际地震学与地球内部物理学协会（International Association of Seismology and Physics of the Earth's Interior，IASPEI）邀请德国地学研究中心的鲍曼（Peter Bormann）教授担任主编，重新编写了《新地震观测实践手册》（NMSOP），中国地震局组织相关专家翻译成中文，由地震出版社出版，2012年又推出了第二版（NMSOP-2）。在该手册中进一步指出：“到目前为止，地震界有一些人对统一震级m的真正含义和目的仍存在疑惑，许多人似乎还没有阅读或接触过相关的原始出版物，没有正确理解震级的意义，更不了解不同震级之间的差别”（Bormann，2012），并进一步明确不同震级之间不允许相互转换。

1999年，在许绍燮院士编写的《地震震级的规定（GB17740—1999）宣贯教材》中明确指出：“深震和小震对社会的影响不大，它不属于本标准规定的目标范围。在个别特殊情况下（如首都圈等敏感区域发生有感的2级、3级小地震时），需要向社会公布本标准不能测得的地震震级M时，深震可用体波震级m_b，小震可用地方性震级M_L测定。在对社会公布时不再称地震震级M，而应称为相应的体波震级m_b或地方性震级M_L”（许绍燮，1999）。因此，在1999年发布的震级国家标准中，不允许采用震级转换的方式对外发布地震的震级。

美国地质调查局（USGS）于2002年发布“美国地质调查局地震震级的测定与发布管理条例”（USGS Earthquake Magnitude Policy），规定从2002年1月18日起执行（USGS，2002）。在该条例中明确规定，测定的不同震级一律不允许相互转换，并把矩震级M_W作为对外发布的首选震级。

3 “震级转换”的危害性

在实际工作中，往往会根据不同的需求给出不同震级之间转换的经验公式。需要强调的是，这些经验公式只能给出不同震级之间关系的总体趋势，而对于某一具体的地震来讲，转换值与实测值存在偏差，有时偏差会很大。

为了兼顾地震应急和科学研究的实际需求，国家地震台网中心产出“速报目录”、“快报目录”和“正式目录”等3种地震目录（刘瑞丰等，2018）。根据相关技术管理规定，在“速报目录”中使用地震震级M（即面波震级M_S）；对于没有面波的近震，不能测定面波震级M_S时，在地震速报时要将地方性震级M_L换算为地震震级M。这样，在“速报目录”中统一使用面波震级M_S，但有的是实测M_S，有的是由M_L转换得到的M_S。而在“正式目录”中均给出实测的M_S、M_L。对于将地方性震级M_L换算为地震震级M的地震，会造成以下危害。

（1）转换值比实测值偏小。2007年鲍曼和刘瑞丰收集了1983—2004年中国地震台网测定的44 523个地震的地方性震级M_L、面波震级M_S、体波震级m_B和m_b的观测资料，采用一般线性回归方法和正交回归方法，得到不同震级之间的关系，结果表明，将地方性震级M_L转换成面波震级M_S后，转换值比实测值平均偏小0.5—0.7（Bormann et al，2007；刘瑞丰等，2015），而某些地震偏小值会超过0.8，例如：2016年6月9日15点33分的西藏日土地震，我们利用西藏地震台网资料测定地方性震级M_L为3.5，按地震速报管理规定，将M_L转换成面波震级M_S为2.9，而实际测定的M_S为3.8，面波震级M_S的转换值比实测值偏小0.9。

（2）4.5级以下地震数量减少，造成地震活动性偏低的假象。本文收集了国家地震台网中心2016—2018年的“速报目录”和“正式目录”，对国内地震数量进行了分析。

我们整理了2016—2018年的“正式目录”中0.1级以上国内地震174 242个，“速报目录”中3.0级以上国内地震1 623个，按不同震级段统计地震数量，结果分别见表 1和表 2。其中，对于2种目录中所示3.0级以上地震，分别对比统计2016年、2017年、2018年及2016—2018年不同震级段地震数量，结果见表 3、表 4、表 5、表 6。

从2016—2018年统计结果（表 6）来看，与“正式目录”相比，“速报目录”中3.0—4.9级地震数量明显偏低。以表 5给出的2018年“速报目录”与“正式目录”的对比结果为例，可见：在“速报目录”中3.0级以上地震542个，而在“正式目录”中则有1 653个。研究表明，中国大陆的b值大约是0.9（李善邦，1981），中国大陆平均每年发生5.0级以上地震约20次，根据古登堡—里克特（G-R）震级—频次关系可以得到，中国大陆平均每年发生4.0级以上地震约180次，3.0级以上地震约1 600次。从表 3、表 4给出的2016年和2017年“速报目录”与“正式目录”可以看出，“速报目录”明显低估了地震活动性水平。

总之，对于无法测定面波震级M_S的地震，由于采用震级转换的方式开展地震速报工作，使得“速报目录”中3.0级以上地震数量只有“正式目录”的1/3左右，造成地震活动明显偏低的假象与乱象。从震级的社会性来讲，将客观上不存在、无从验证的转换震级M向政府机关报告和社会公众发布，会对政府机关和社会公众产生严重误导；从震级的科学性来讲，使得“速报目录”的地震数量严重偏离了基本的古登堡—里克特（G-R）震级—频次关系。待“国家地震烈度速报与预警工程”项目完成以后，地震速报能力会进一步提高，如果采用震级转换的方式将地震活动性统计到2.0级，甚至1.0级，致使震级偏低0.8—0.9，导致地震数量偏低几倍，甚至近十倍。这样的数据不但失去了科学数据的使用价值，而且更重要的是，使用这样的数据，会使研究人员得到完全错误的结果。

随着资料的不断积累，自相矛盾的数据越来越多，对地球科学研究、地震预报研究将会造成越来越严重的影响。

4 “震级优选”的科学性

目前，全球主要地震机构均采用“震级优选”的方式发布震级。从2002年起，美国地质调查局（USGS）在发布地震信息时，将矩震级M_W作为首选震级。对于不能测定M_W的近震，用地方性震级M_L发布；对于不能测定M_W的远震，用面波震级M_S或体波震级m_b发布，并在地震观测报告“Earthquake Data Report”中列出能够测定的所有震级，供科学研究使用。

2009年，国际地震学与地球内部物理学协会（IASPEI）新的震级标度基本技术框架确定以后，为了验证新震级标度的科学性和可靠性，在鲍曼和刘瑞丰的组织下，研究小组利用国家地震台网48个台站2001—2007年记录的531个地震的波形数据资料为研究对象，共分析14 000条地震记录，得到了不同震级之间的关系（Bormann et al，2009），研究结果表明：①用地方性震级M_L可以较好地表示4.5级以下地震的大小；②用宽频带面波震级M_S(BB)可以较好地表示4.5级以上地震的大小，尤其是对于6.5级以上地震，M_S(BB)比M_w偏小，差值在0.1以内，这是一个重要结果。在一般情况下，要测定出可靠的矩震级M_W大约需要20 min的时间，而测定宽频带面波震级M_S(BB)只需1—2 min即可给出可靠结果。

因此，在新的震级国家标准《地震震级的规定》（GB17740—2017）中要求，对于不能及时测定矩震级M_w的地震，采用“震级优选”的方式发布地震的震级。

5 结论与讨论

从表 1可以看出，根据2016—2018年的地震统计结果，我国地震台网每年测定国内地震6万个左右，而能够测定面波震级M_S的地震不足100个，大量国内地震只能测定地方性震级M_L。再加上我们利用国家地震台网48个台站2001—2007年记录的531个远震的研究结果（刘瑞丰等，2015），可得到以下结论。

（1）从科学研究的角度看，一方面地方性震级、体波震级、面波震级等传统的震级标度都是建立在“单一频率”地震波振幅的基础上，而另一方面不同类型地震震源的复杂性和地球介质的复杂性，不可能使用一个震级表示所有类型地震的大小。因此，对于不同类型的地震，使用不同的震级标度才更科学、更准确。

（2）在地震目录和地震报告中有时一个地震给出多个震级，而在多个震级中总有一个实测震级是为其“量身定做”，测定该震级所使用地震波的频率与震源辐射地震波的优势频率一致，用该震级最适合表示其大小，而其他震级表示的是震源在其他频段辐射地震波能量的大小。

（3）不同的震级都是重要的地震参数，是开展震源特征、不同地震之间的差异等方面研究的重要基础资料。不同地震辐射地震波的频谱不同，利用不同震级可以描绘形态各异、丰富多彩的地震特征。科学研究人员可以根据不同的需求，使用多种震级开展相关的研究工作。

（4）从地震速报、地震应急的需求看，国际上普遍采用“震级优选”的方式对外发布震级。“震级优选”的方法为：①矩震级作为首选震级；②如果不能及时测定出矩震级，按顺序选择面波震级、体波震级、地方性震级。

（5）从地震预报、地震会商等日常工作的需求看，如果一个地震只用一个震级，可使用地震台网对外发布的震级，或用（4）中“震级优选”的方法在地震目录中选择一个震级。

6 结束语

2017年5月12日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布了国家强制性标准《地震震级的规定》（GB17740—2017）。本标准规定了地震震级的测定方法和使用规定。在测定方法中规定了地方性震级M_L、短周期体波震级m_b、宽频带体波震级m_B(BB)、面波震级Μ_S、宽频带面波震级Μ_S(BB)和矩震级M_W等6种震级的测定方法，在使用规定中给出了震级的发布规则，具体如下。

（1）地震台网在发布地震速报信息时，对能及时测定地震矩M₀的地震，应优先选择矩震级M_W作为对外发布的震级。

（2）对不能及时测定地震矩M₀的地震，应按以下原则确定对外发布的震级：①对于M_L＜4.5的浅源地震，应选择地方性震级M_L为对外发布的震级；②对于M_L ≥4.5的浅源地震，应选择宽频带面波震级Μ_S(BB)为对外发布的震级；③对于中源地震和深源地震，宜选择短周期体波震级m_b或宽频带体波震级m_B(BB)为对外发布的震级。

新的震级国家标准的实施，实现了与国际主要地震机构的震级测定方法和震级发布规则的接轨，使我国地震台网震级的测定方法更科学，测定结果更准确，测定速度更快捷，发布规则更合理。