當人類終於知道為什麼會地震:地震規模和震度的由來

胡芷嫣
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前兩天台東接連發生規模六以上的大地震,火車翻覆出軌,秀姑鸞溪上的高寮大橋被連根拔起,花蓮三層樓房像潮溼的方糖一樣,霎時崩碎。

圖片來源:美聯社/達志影像

我家剛好在鹿野,非常接近週六晚地震的震央。當天晚上雖然我不在東部,但聽家人形容與傳來監視器畫面,都直冒冷汗,覺得死裡逃生。大地先是細語般地輕微搖晃,幾秒後腳下就傳來一陣確鑿巨響,同時眼前樹木汽車房屋電線桿等萬物都失去重心東倒西歪,家裡的鏡子雜物醬油瓶罐機車……全在一瞬間砰砰震落。

好不容易恢復平靜,捱過人生中最長的幾秒鐘,考驗卻還沒終止:一波接一波餘震連連,讓人不得闔眼。有台東友人不敢睡,索性把不久前中秋節的木炭烤肉架拿出來,徹夜蹲在院子烤肉消遣,災情中還是要維持花東 chillax 風骨。萬幸的是,雖然連續強震襲擊,只有極少數人員傷亡。

歷史上測與沒測到的大地震

現代地震儀所記錄到規模最大的地震,是1960年的智利大地震,規模為9.5。劇震持續十分鐘,接連而來的巨大海嘯,不只讓村鎮幾近全毀,甚至一路傳越太平洋,波及夏威夷、菲律賓和日本。因為地震規模太大、波及範圍太廣,傷亡人數至今仍沒有定論,有一說是罹難人數超過6,000人。

如果按公式換算,1960年5月21日下午三點智利大地震的能量威力,大約是週日下午兩點台灣地震的「17萬倍」以上。

不過,嚴格意義的現代地震儀,大約是二十世紀初的西方發明(當然有人會說,課本上的中國之光張衡的「候風地動儀」呢?好吧,如果地動儀是真的,那些龍頭充其量也只能指示地震方向,無法量測強度),歷史文字記錄來看,人類遭遇過最大的地震,應該是1556年中國嘉靖大地震。

那年1月23日深夜,山西、陝西和河南同時發生地震,日月無光,天崩地碎,「城郭房屋,陷入地中,或平地突成山阜」。地貌劇烈變動,數千平方公里範圍內的人造建物,全數崩塌;明代繁榮市景風華,一夕之間灰飛煙滅。據現代歷史學者統計,嘉靖大地震方圓八百公里內,大約六成人民罹難,死亡人數估計有整整 48 萬人。

但是,如果要問嘉靖大地震的能量威力,是智利大地震的幾倍,甚或是兩個地震哪個比較強?或許,就沒有答案了。

雖然人類與地震共存了兩千多年,但直到1930年代,我們的科學知識進展才終於徹底解開地震的真正成因之謎──地震成因不是古希臘哲人認為的土地裡有風,也不是日本傳說有一條藏在深海裡的大鯰魚在擺動,更不是中國人深信地牛翻身或蒼天有警告要說,腳下土地之所以會震動搖晃,是源於板塊運動中的地殼碰撞擠壓。

在1930年代,人類製作出量測地震的科學儀器,並制定了第一個計算地震大小的客觀標準。那個標準,就是我們非常不陌生的,至今耳熟能詳的,芮氏規模(The Richter Scale)。

儘管,芮氏規模其實是芮克特(Charles Francis Richter)與他的同僚兼指導古騰堡(Beno Gutenberg)兩個人共同制定的(很棒的地震科普平台震識有專文說明),儘管,芮氏規模有飽和問題,無法準確測量太深、太大、或離加州太遠的地震(因此通常 6-7 級以上地震會建議用另一種較新的地震矩規模計算),即使如此,芮氏規模仍是全世界第一個地震統一測量方法,直到現在,台灣氣象局仍以芮氏規模來計算大大小小地震。

以地震儀上記錄到的最大地震波振幅,是為芮氏規模。圖片來源:Benjamin J. Burger/ CC BY-SA 4.0

附帶一提,和台灣一樣地震頻仍的日本,並不是用芮氏規模,而是用自己的日本氣象廳(JMA)規模;針對週六台灣地震,日本用他們的算法推估規模達7.2。再附帶一提,日本對全球地震學貢獻居功厥偉,日本地震學者兼銀行家和達清夫,1928年發表一份地表位移距離與震央震源的相關研究,這份研究促成日後芮氏規模的制定;此外,剛剛提到芮氏規模有其計算限制,所以6-7級以上地震會建議用較新的地震矩規模(Moment magnitude scale)計算,這也是日本地震學家金森博雄在1970年代的研究成果。

不過,這些都是另一個故事了,而且有關地震大小能量的計算方式與科學細節,遠超出我本人的理解力與解釋力,所以還是不要繼續往下獻醜好了。

芮氏規模出現前,怎麼量地震?

到這裡,你可能會想,除了地震「規模」,還有另外一個數字「震度」?

這牽涉到另一件同樣有意思的事──在芮克特制定地震規模之前,歷史上的人怎麼度量地震。

就跟本文開頭描述台東、智利、中國山西等地震的方式差不多,在地震儀出現之前,古人也是用地震所「造成的災害」,來描繪書寫每一次地牛翻身。到了1870年代,義大利的地震學家羅西,與瑞士的湖沼學家佛雷,不約而同想把這些文字的形容書寫,給系統化、標準化、分級化,於是他們合作制定了「羅西佛雷分級表」(Rossi–Forel scale),按照地震造成的(而且人觀察得到的)環境變化,給地震分為十級。

例如,第五級「溫和地震」(moderate tremor),適用的程度狀況是:「幾乎每個人都感覺到搖晃。家具搖動,有些銅鈴會被搖響。」

第八級「危害地震」(damaging tremor),適用的程度狀況是:「煙囪崩毀。建築的牆壁出現裂縫。」

你是不是覺得,除去一些銅鈴、煙囪等充滿時代感的名詞,這和現在的「震度分級」描述方式,看起來實在很像呢?

沒錯!這一套用「人的感受」與「人觀測到的變動」來分級的方法,在 1902 年由義大利火山學家麥卡利調整,成為「麥卡利強度分級」(Mercalli intensity scale),被義大利官方正式採用,隨後經過數次優化修正,變成十二級分級制。今天美國等地都還是採用這套系統(MM)。

至於台灣,中央氣象局有自己制定的地震震度分級,方法系出同源,不過我們更仔細地加上了「人的感受」、「室內情況」與「室外情況」的狀況描述。原本沿用日本的震度分級,為0到6級,到1999年九二一大地震觀測數據爆表,中央氣象局再往上加了第7級。這兩年,因研究方法更新等緣故,2020年中央氣象局再將5級(強震)和6級(烈震)各細分為5強、5弱、6強、6弱,目前總共十級震度。

台灣中央氣象局地震震度分級表(圖片來源:中央氣象局

上週六晚間的台東地震,震度就達到「烈震」6強,其實只比最強的第7級「劇震」小一點。比照分級表是這樣的──

人的感受:「搖晃劇烈以致無法站穩」

屋內情況:「大量傢俱大幅移動或翻倒,門窗扭曲變形,部分耐震能力較差房屋可能損壞或倒塌,耐震能力較強房屋亦可能受損。」

屋外情況:「部分地面出現裂痕,山區可能發生山崩,鬆軟土層出現噴沙噴泥現象,可能大範圍地區電力、自來水、瓦斯或通訊中斷。」

不得不說,比起諸如此類的當代地震規模算式──

擁有百年傳統、文字描述的震度分級,對一般人來說,還是比較平易近人、淺顯易懂吧。也難怪這套分級法,會一直沿用至今。

隨著人類不斷增進科技儀器,掌握地震相關知識,或許不遠的將來,科學家將能預測地震何時、何地發生。但在「預測地震」的技術正式問世前,生活在斷層帶上的大自然子民,還是得不斷學習與地震共存的方法。地震來臨時,請記得「趴下、掩護、穩住」,這段時間希望大家都平安。

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