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震
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学
中国地震学会—地球科学科普栏目
地震科普—地震急诊科，了不起
看天上的星星尽显光辉
赏地下的河水肆意奔流
21、地震急诊科，了不起
21.1 烈度速报
21.2 余震定律一 — 最大震级
地震急诊，救人要紧
——地震谚语
不是吗？2008 年 5 月 12 日 14 时 28 分 0.4 秒汶川 M w 7.9 地震，四川省省长 5 分钟后就赶到省地震局，请告诉我们：
哪些县市破坏最严重，需要派救援队伍？
最大余震的震级是多少，向什么方向发展？
还会持续多久？
三条要求，句句千斤，合情合理。
这时，我们几十年来一以贯之的传统——只能速报“时间、震中、震级”三要素，就远不满足要求了。
地震急诊，既是马后炮，又是做测报（图 21-1）。基本上要凭经验和统计做出快速判断，尤以“一个烈度速报、三个余震定律”至为关键。第一条需要密集的加速度台网，后三条属于地震活动性的常规分析。美国的这类服务已经搞了十几年，咱们还需继续努力。
图21 -1 地震急诊科
21.1 烈度速报
◆ 粗判
作为经验速判，可由已知的震级 M 粗略地估算震中烈度I0［1］（表 21-1）。
式中的峰值加速度 PGA 已知，可算出震中烈度 I 0 ，利用震级 M 和震中距 R 关系推断衰减烈度 I，并由震级 M 估出断层长度 L，继而控制极震区的长轴。这样，便能够大体掌握地震的破坏程度和波及的地域。
2015 年尼泊尔发生 M w 7.8 地震。美国地质调查局（USGS）用极简单的方法给出了烈度速报：由震级 M 估出震中烈度之后，依次对余震震中涂以不同颜色：圆圈大小表示震级， 颜色显示烈度（图21-2）， 震灾范围便马上显现出来了。
图21-2 尼泊尔2015年4月地震及余震［4］
◆ 烈度速报
日本的烈度速报网建设于 1995年， 台站间距为 2.5km，4 000 多个加速度仪测点把全国划分成 188个警报区，于 1996 年开始服务。2011 年 3 月 11 日 14：46 日本东部海域 M w 9.0 地震，震后 7min 就发出了第 1 次烈度速报图（图 21-3），图中每个圆点就是一个观测点的实测值和地震动峰值，应急救援工作便能迅速开展了。
地震预警是在震后数秒发布的，已经日常化（图 21-3 右图）。当然，密集强震台网的建设和维护需要巨额经费，推广的难度很大。
图21-3 日本的烈度速报和预警快报
美国 1994 年 1 月北岭 6.7 级地震损失严重，震后加强了强震速报网的建设（图21-4）。能在中强震后 3 ～ 5min 给出烈度速报（也称震动图，ShakeMap），数学模型中含有大量的地质结构信息，还对台站稀疏部分做了虚拟点插值［5］ 。
美国的烈度速报图还配有峰值加速度、峰值速度和仪器烈度的分布，并提供该地震的周期 0.3s、1.0s、3.0s 的加速度反应频谱，以及宏观破坏、滑坡位置、土壤液化等数据。相关网址公布了消防栓位置、避险园区的分布，提供台站分布、地震目录、地震记录图资料。这种服务跟GPS 一样，对全球开放，可以自由下载。
图 21-5 所 示 为 2008 年 11 月 13 日南加州 7.8 级地震的烈度速报图，Ⅷ度以上的强震动区是一个复杂的带状区（而非一个震中圆点！）， 极震区延展 300余 km，震源为单侧破裂，震中位于东南角。这样的图件对应急救援至关重要。
图21-4 美国加州地震台网［5］
这个震例与我国同年汶川地震的情况非常相似——单侧破裂。不过那时我国还给不出烈度速报，仍然只能确定一个“震中圆点的经纬度”。
图21-5 美国烈度速报图中的 2008 年震例
USGS 在汶川地震后的 4 个多小时（正值美国当地的凌晨 4 点），迅速在网上公布了震源机制解和震后 100s 的破裂过程图（图 21-6），表明：最严重的破坏区域已经扩大到了北川一带！应急救援需要从映秀湾向东北方扩展到 300km 以上。危急时刻，这张图起到了雪中送炭的作用。
图 21 - 6 美国快速发布的汶川大震破裂过程
近年，我国在该领域已取得进展：在重点地区布设了 1 154 个强震仪监测台，正向 5000 个台扩展。同时建立地震地质数据库，研究了烈度速报的模糊算法、谱烈度法、历史资料统计法等软件。
2014 年 8 月云南鲁甸 M s 6.5 地震被附近的 70 个台记到，在数学模型中计入地质构造、震源机制、场地效应之后，我国第一次从“震中圆点”走到了烈度速报图［6］（图 21-7），迈出了前进的一步。
图 21-7 2014 年鲁甸地震的烈度速报图［6］
21.2 余震定律一 — 最大震级
强震活动序列主要有三种类型：孤立型；震群型；主震 - 余震型。
余震定律是针对主震 - 余震型序列提出的，涉及最大余震、分形特征、衰减规律几个方面，图 21-8 比较典型的反映出了这种活动序列的特征。
图 21-8 1994 年北岭地震的余震序列
瑞典学者巴特（Markus Båth，图 21-9）长期担任乌普萨拉（Uppsala）地震台台长。他的三篇著作《地震学的数学问题》（1968）、《地震学引论》（1973）和《地球物理学的谱分析》（1974），基本上是学生必读的“老三篇”。在《地震学引论》中，他指出了强余震的一个特点［1］ ：
最大余震震级一般比主震震级小 1.2。余震往往发生在主震后数小时至数天。书中所列的数据，仅是阿拉斯加、阿留申、日本和千岛群岛的 4 个 M8.0 以上的大震序列。在这本 422页的巨著里，实属沧海一粟。
未曾想，它的用处极大，被称为“巴特定律”而载入史册。
1990 年，希腊学者 Tsapanos 深入分析了 1954—1986 年 145 组数据完整的全球余震序列（主震 M s ≥ 7.0，余震 M s ≥ 5.3，深度 h ＜ 65km）［7］ 。发现在大震后的百日内、震中距小于 100km 的范围，主震震级与最大余震震级之差 ΔM 有两个统计高峰值（图 21-10）：
图21-9 巴特（1916—2000）
一个是巴特指出的 1.2，另一个是1.8；二者之间存在一个1.4的低谷。
对 ΔM = 1.2 的偏小震级差的事件，震中大多集中在板块消减带（图 21-11）。源于高应力沿着板块边缘积累， 主震仅仅释放了部分的储能，但消减带处剩余的能量、板块移动传递过来的新能量仍然很大，最大余震能够继续在较高的水平上发生，故而震级差会偏小。
反之，ΔM = 1.8 的偏大震级差， 震中位于弧后地区和内陆地区。这里的应力水平本身就不高，大部分储能已被主震释放，残留能量很少。主震之后，或发生较小的余震，或者连余震活动都持续不了而呈孤立型地震序列。Tsapanos 的结论是全球性的， 影响很大。
图21-10 主震与最大余震的震级差（据文献［7］ 数据）
图21-11 主震和最大余震的震级差值的全球分布（据文献 ［7］数据）
我国地震属于板内地震，震级差一般偏大。不过各地也不同，比如云南的震级差仅在 1.0 附近［8］ 。
2008年汶川8.0地震后的紧急时刻，四川省地震局的杜方等专家迅速向社会宣布：“这是主震 - 余震型活动序列，最大的可能余震是 6.5 级”，很快被 5 月 25 日的 6.4级余震所证实，根据之一就是巴特定律。
○参考文献
［1］巴特 . 地震学引论［M］. 许立达，译 . 北京：地震出版社，1978.
［2］ 朱永莉，黎大虎，龙承厚，等.不同仪器烈度算法在四川地区历次地震中的比较应用［J］. 地震学报，2015，37（2）：335-346.
［3］ 王玉石，李小军，梅泽洪，等 . 几种仪器烈度算法在汶川地震与芦山地震中的可靠性比较［J］.地震学报，2013，35（5）：759-770.
［4］ Petersen M D，Mueller C S，Moschetti M P，et al. 2018 One-year seismic hazard forecast for thecentral and eastern united states from induced and natural earthquakes［J］. Seism. Res. Lett.，2018，89（3）：1049-1061
［5］ Wald D J，Worden C B，Quitoriano V，et al. ShakMap：its role in pre-earthquake planning andpost-earthquake response and information［EB/OL］.［2019-08-22］. https：//www.researchgate.net/publication/254994560
［6］ 陈鲲，俞言祥，高孟潭，等 . 2014 年云南鲁甸 MS6.5 级地震峰值加速度震动图［J］. 地震学报，2015，37（3）：429-436.
［7］ Tsapanos T M. Spatial distribution of the magnitudes of the main shock and the largest aftershock in thecircum-pacific belt［J］.Bull. Seismol. Soc. Amer.，1990，80（5）：1180-1189
［8］ 田红旭，毛玉平，钱晓东 . 云南地震序列最大余震的估算［J］. 地震研究，2014，37（1）：9-15.
［9］ 陈培善，白彤霞，李保昆 .b 值和地震复发周期［J］. 地球物理学报，2003，46（4）：510-519.
［10］ Kagan，Yan Y，Knopoff L Spatial distribution of earthquakes：the two point correlation Function. G.J. R. Astro. Soc.，1980，62，303-320. https：//doi.org/10.1111/j.1365-246X.1980.tb04857.x
［11］ 刘艳辉，赵根模，吴中海，等 . 青藏高原东南缘及邻区近年来地震 b 值特征［J］. 地质通报，2015，34（1）：58-70.
［12］ 钱晓东，秦嘉政，刘祖荫 . 滇西地区中强地震的余震衰减［J］. 地震研究，2001，24（2）：109-114.
图文来源：《趣味地震学》
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