那些地震科学中讲不清的科学事从地震规模看科学本质

在「万物简史」一书中,作者布莱森在描述地震规模的发展史时,对于几个大地震规模事后修正的例子,他的见解是「地震量测不是精确的科学。」(嘿!地震学家们,先别急着跳脚呢!)实际上他对于地震的量测方式、地震规模的计算方式的理解,可能还未够深入,因而下了这样的注解吧!实际上,我们正可以从这些「修正」的过程中,一窥地震学家(或地球物理学家)是如何努力的让这们学问「更像个科学」。

最早提出「地震规模」概念的芮克特,为后世留下了「芮氏地震规模」这个计算方法,可谓是被用的最广,但也被人们误解最深的一个地震规模概念,其中我常看到的例子大致有下面这些:

1.地震规模常有修正的情况,所以规模计算很粗糙

2.不同单位算同个地震的规模值不同,所以规模计算很粗糙

3.唯一指名「芮氏地震规模」、别无分号

4.加上「芮氏」的地震规模比较「准确」(前提是已经知道有不同规模的算法)

5.地震矩规模比芮氏规模「准确」(这两者不宜用用准不准来进行比较)

前两点主要是是对于准确度、什么叫做科学的误解为主,所以我们先来处理「什么是科学、地震量测的科学性」讨论。而后三者则是对于地震规模的计算与意义有误解而产生的,则放在后面一点讨论。

那些地震科学中讲不清的科学事从地震规模看科学本质
地震规模算法的具像化比喻差异,不代表真实的计算方式。因为计算地震矩时会用上完整的地震波形,等于把能量释放随时间的变化也都考量进去,更能反映真实能量情况。

怎样算科学?为什么有人觉得地震学没那么科学?
「科学是什么?」这个问题,通常少有科学家关心,反而是哲学家非常关心的。但这不代表这对科学来说不重要,只要是我们看不是自己专门的领域时,比如「〇〇学是怎么样的科学」时,这件事就很重要。

具有科学研究背景,照理说应该都会听过「科学方法」,其中一套常见的脉络就是「观察–>文献回顾–>假设–>实验–>分析–>结论」这套流程,而透过实验的结果与分析可能再回来修正假设,直到得到有意义的结论。这套方法现在也会在国中学习到,也代表它算是个很好用且重要的科学,然而实际上,这并不是「形成科学知识的唯一路径」,而且在地球科学上,有许多重大理论也不是以这样的脉络产生的。

比如现今大家熟知的板块构造运动学说,便无法以这套脉络解析,因为板块的运动的尺度,是无法以实验的方式求得,而人们之所以相信板块构造运动学说,是因为以下二点:
更多独立且间接的证据证明支持板块构造的存在和运动以板块构造学说来可以解释的自然现象更多
同样的例子,也可应用在演化论、地球年龄的估算、地震与断层相关的弹性回跳理论…这些科学知识的形成过程中。这也告诉我们,即使理论无法以实验重现、证据难以用直接观测的的方式得到,仍旧可以有其他的方式使其成为严谨的科学。而即使是变成了学说的科学,也不太容易只因为一个新证据完全推翻,充其量就是再修正原本的观点而已。

发明了地震规模,不代表我们就完全掌握了测量地震释放能量的方式
相信一定会有人说:「欸这个标题很奇怪耶!不是都跟我们说地震规模代表能量释放?」确实,地震规模是目前「地震释放能量」的最佳代名词,然而实际上我们所有对地震的观测,都是来自于「间接」的地震波资料。地震发生时所产生的地震波,经过了层层岩石而到达地震仪,它不像是我们直接可以观测物品落下的情况而计算出重力加速度,也不是可以利用定量的化学反应可以计算出其中的变化,地震发生瞬间的事我们「看」不到,地震波永远都只能算是瞎子摸象一般。
所以,与其说地震规模就是地震释放能量,不如说「地震规模与地震能量的释放关系为高度正相关,而且规模也是目前用来诠释地震释放能量最佳的方式。」或许更为贴近事实。地震发生的瞬间释放的能量,除了表现在地震上,也有能热、运动能(滑动)、甚至某些运动能还会间接影响周遭的应力状况,而发生余震,目前的科学观测可能还没办法看得完整通透。
而地震规模的「发明」历程,似乎也没办法完全用前面提到的「科学方法」来看,就资料取得来说,地震的发生是天然现象,无法以人工控制变因的方式实验求证,而即使我们找到了地震规模这样的规律,仍无法解决「地震时地下发生了什么事?」的问题。但是,这套规律还是目前我们唯一能帮地震比大小的方式。

有多少证据就说多少话
先前已经有不少文章整理了地震规模的概念与计算方式,尤其是特别说明了芮氏规模和地震矩规模,在本文需要强调的重点如下:

1.使用不同地震规模时,不可混着比对,因为两者运用地震波的计算方法完全不一样。

芮氏规模是地震学家根据地震波形中最大振幅关系来运算的,但太大的地震,有许多震波能量是无法透过振幅值来量测到,才会需要用上地震矩规模(考量了时间、也考量到了断层错动的方式)。

各有优缺点(芮氏规模简便快速vs地震矩规模仔细费工),因此目前世界上这两者皆仍通用,也不断的经由新的研究调整修正算法。

2.不管是哪一种地震规模的算法,使用的地震测站不同时,结果也会些许不同。

如果是拿地震后几秒、几分钟产生的地震速报发布的规模,和收集更多资料之后所推算出来的地震规模相比,当然是前者会有更多的误差,因为求快就难以求稳,不同的时机点和用途,我们对于资料的精确度的要求也不太一样。第一时间的救灾,规模的精确度可能还好,但重要的科学研究,当然不能只用速报的数据啰!

所以,实际上科学家在地震规模这门学问中,一直都是秉持的「实是求是」的精神,很难去比较「什么比较科学?」如果有人说这样的科学稍嫌粗糙?我想这就如同看起来该像稿纸还是绿豆糕,主观层面比科学还是多了一点吧!

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