ขนาดแผ่นดินไหว (earthquake magnitude) คือ ระดับพลังงานที่โลกปลดปล่อยออกมาจากจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหวในรูปของแรงสั่นสะเทือน ดังนั้นในแต่ละเหตุการณ์แผ่นดินไหวจะมีขนาดแผ่นดินไหว หรือระดับพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเพียงระดับเดียวเท่านั้น ซึ่งจะแตกต่างจากแรงสั่นสะเทือนที่มีอยู่หลายระดับ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่อยู่ห่างจากจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหวเหตุการณ์นั้นๆ

ว่ากันว่า คนเริ่มระแคะระคายว่าแผ่นดินไหวนั้นมี “ขนาด” ก็ในปี พ.ศ. 2474 โดยจากการสังเกตของคุณคิโยโอะ วาดาติ (Wadati K.) นักแผ่นดินไหวชาวญี่ปุ่น เขาพบว่าถ้าระยะห่างระหว่าง 1) จุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหว และ 2) เครื่องวัดแผ่นดินไหว มีระยะห่างเท่ากัน แอมพลิจูดของคลื่นไหวสะเทือนที่วัดได้จะสูงเมื่อเกิดแผ่นดินไหวใหญ่ และแอมพลิจูดจะต่ำเมื่อเกิดแผ่นดินไหวเล็ก เขาจึงสรุปว่า แผ่นดินไหวนั้นมี “ขนาด”

อีก 4 ปีถัดมา ในปี พ.ศ. 2478 ชาลส์ ฟรานซิส ริกเตอร์ (Richter C.F.) นักแผ่นดินไหวชาวเยอรมัน พบว่าแม้แต่แผ่นดินไหวเหตุการณ์เดียวกัน ถ้าตรวจวัดกันคนละที่ แอมพลิจูดของคลื่นไหวสะเทือนก็จะสูงไม่เท่ากัน ดังนั้นริกเตอร์จึงสรุปว่า แรงสั่นสะเทือน (ความสูงของแอมพลิจูด) ของแผ่นดินไหว ขึ้นอยู่กับทั้งขนาดและระยะห่างจากจุดศูนย์กลาง และได้เสนอวิธีคำนวณขนาดแผ่นดินไหวอย่างง่ายๆ โดยดูจากความสูงของแอมพลิจูดคลื่น ร่วมกับระยะห่างจากจุดศูนย์กลาง ซึ่งสัมพันธ์กันดังแสดงในสมการ (Richter, 1935)

กำหนดให้ M_L คือ ขนาดแผ่นดินไหว A คือ ความสูงของแอมพลิจูดสูงที่สุด (หน่วย มิลลิเมตร) ตรวจวัดโดยตรงจากกราฟแผ่นดินไหวที่ตรวจวัดได้โดย เครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวรุ่น Wood-Anderson ซึ่งเป็นเครื่องมือตรวจวัดแผ่นดินไหวที่มีใช้ในขณะนั้น และ C คือ ค่าปรับแก้ เนื่องจากระยะห่างระหว่างเครื่องตรวจวัดและจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหว

จากสมการด้านบนของคุณริกเตอร์ เราสามารถสร้างเครื่องคำนวณขนาดแผ่นดินไหวในแบบแผนผังสำเร็จรูป ซึ่งสะดวกและรวดเร็ว โดยแผนผังจะประกอบด้วยชุดตัวเลข 3 แถว คือ

• แถวซ้าย แสดงค่าระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวถึงสถานีตรวจวัด
• แถวขวา คือความสูงของแอมพลิจูดคลื่นไหวสะเทือน
• แถวกลาง แสดงขนาดแผ่นดินไหว จากแนวคิดของริกเตอร์

วิธีการประเมินเริ่มจากการวัด ความสูงของแอมพลิจูด และความแตกต่างของเวลามาถึงสถานีตรวจวัดของ คลื่นปฐมภูมิ (P wave) และ คลื่นทุติยภูมิ (S wave) ซึ่งสัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างศูนย์กลางแผ่นดินไหวและสถานีตรวจวัด เมื่อได้ค่าทั้งสองแล้ว ให้นำไปจุดในแถวซ้าย (ระยะห่าง) และ ขวา (แอมพลิจูด) จากนั้นลากเส้นตรงตัดผ่านระหว่างสองจุด ซึ่งจุดตัดที่แกนกลางอันเนื่องมาจากการลากเส้นตรงๆ แสดงถึง “ขนาด” ของเหตุการณ์แผ่ดินไหวที่ทำให้เราได้กราฟแผ่นดินไหวนี้มา

ปัจจุบันนักแผ่นดินไหวได้จัดจำแนกแผ่นดินไหวตามขนาดออกเป็น 7 ระดับ ซึ่งแต่ละระดับพอจะเทียบเคียงให้เห็นภาพได้ไม่ยาก เช่น แผ่นดินไหวระดับเล็ก (minor) มีขนาด 3.0 – 3.9 เทียบได้กับการกดระเบิดน้ำหนัก 1,800 ตันอยู่ใต้ดิน ซึ่งจะทำให้เกิดแรงสั่นสะเทือนจนรู้สึกได้ว่ามีการสั่นของสิ่งของภายในอาคาร และอาจสร้างความเสียหายเพียงเล็กน้อย หรือแผ่นดินไหวระดับใหญ่ (major) ก็พอๆ กับลูกระเบิดน้ำหนัก 56 ล้านตัน เป็นต้น

จากสถิติในอดีตแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่สุดที่มีการบันทึกไว้ คือ แผ่นดินไหวในปี พ.ศ. 2503 ที่ประเทศชิลี โดยมีขนาดใหญ่ถึง 9.5 รองลงมาคือแผ่นดินไหวที่รัฐอลาสก้า ประเทศสหรัฐอเมริกา พ.ศ. 2507 และแผ่นดินไหวที่เกาะสุมาตรา อินโดนีเซีย พ.ศ. 2547 ซึ่งมีขนาด 9.2 และ 9.1 ตามลำดับ นอกจากนี้ยังเกิดแผ่นดินไหวขนาด 7.0-8.0 แทบจะทุกๆ ปี ไม่ที่ใดก็ที่หนึ่งบนโลก ผลัดกันเป็นเจ้าภาพ

แม้ว่าจะไม่เคยมีการบันทึกแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ถึงระดับ 10.0 แต่ก็ใช่ว่าจะเกิดขึ้นไม่ได้ นักแผ่นดินไหวโดยเฉพาะริกเตอร์เชื่อว่า โลกมีศักดิ์และสิทธิ์ที่จะเกิดแผ่นดินไหวรุนแรงขนาดนั้น โดยเฉพาะถ้ามีอุกกาบาตโหม่งโลกอย่างจัง ดังนั้นโดยคำนิยามของขนาดแผ่นดินไหว คุณริกเตอร์จึงเปิดกว้างไม่มีอั้นขนาดสูงสุด

ในทางกลับกัน เราอาจจะนึกว่าขนาดของแผ่นดินไหวนั้นไม่สามารถน้อยกว่า 0 แต่ทราบไหมครับว่าด้วยความละเอียดของเครื่องวัดแผ่นดินไหวในปัจจุบัน นักแผ่นดินไหวสามารถตรวจวัดแอมพลิจูดคลื่นไหวสะเทือนได้ละเอียดถึง 0.01 มิลลิเมตร ซึ่งอาจเกิดจากก้อนอิฐหล่นจากโต๊ะสู่พื้น และถ้านำมาคำนวณขนาดแผ่นดินไหวตามสมการด้านบน จะมีขนาด -2.0 (log (0.01) = -2 ดังนั้นริกเตอร์จึงไม่ปิดกั้นขนาดแผ่นดินไหวแบบติดลบเช่นกัน

หลากหลายวิธีวัดขนาด

จากแนวคิดของคุณริกเตอร์ ปัจจุบันนักแผ่นดินไหวได้พัฒนาการประเมินขนาดแผ่นดินไหวออกมาอีกหลายมาตรา ทั้งนี้ก็เพื่อให้การกำหนดขนาดนั้นแสดงถึงระดับพลังงานของแผ่นดินไหวที่ถูกต้องมากขึ้น ถึงมากที่สุด ซึ่งโดยสรุปรูปแบบของการรายงานขนาดแผ่นดินไหวที่มีความแตกต่างกันทั้งในเรื่อง 1) วิธีการประเมินขนาดแผ่นดินไหว และ 2) ขนาดแผ่นดินไหวที่ประเมินได้ นักแผ่นดินไหวจำแนกขนาดแผ่นดินไหวออกเป็น 7 รูปแบบหรือมาตรา ดังนี้

1. ขนาดแผ่นดินไหวท้องถิ่น (Local Magnitude, ML) เป็นขนาดแผ่นดินไหวรูปแบบแรกที่นำเสนอโดย (Richter, 1935) อย่างที่อธิบายไปในข้างต้น ซึ่งเป็นวิธีคำนวณขนาดแผ่นดินไหวอย่างง่าย โดยประเมินจากความสูงของแอมพลิจูดคลื่น ร่วมกับระยะทางระหว่างสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวถึงจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว และปรับแก้ขนาดด้วยค่าสัมประสิทธิ์คงที่ใดๆ ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของเครื่องมือตรวจวัดแผ่นดินไหว ซึ่งการประเมินขนาดแผ่นดินไหวแบบนี้ ใช้ได้เฉพาะกับ แผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นในระยะห่างจากสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวไม่เกิน 650 กิโลเมตร ดังนั้นนักแผ่นดินไหวจึงเรียกการวัดขนาดแผ่นดินไหวแบบนี้ว่า ขนาดแผ่นดินไหวท้องถิ่น
2. ขนาดแผ่นดินไหวจากคลื่นเนื้อโลก (Body-wave Magnitude, Mb) ถูกนำเสนอในครั้งแรกโดย Gutenberg และ Richter (1956) โดยเป็นการประเมินขนาดแผ่นดินไหวโดยอ้างอิงจาก ความสูงแอมพลิจูดของคลื่นปฐมภูมิ (P wave)
3.  ขนาดแผ่นดินไหวจากคลื่นผิวพื้น (Surface Wave Magnitude, MS) นิยมใช้ในกรณีของการตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหวที่อยู่ห่างจากสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวและมีขนาดแผ่นดินไหวใหญ่ จึงเหมาะสมที่จะใช้ แอมพลิจูดของคลื่นพื้นผิว (Surface wave) เป็นตัวแทนในการประเมินขนาดของแผ่นดินไหว
4. ขนาดแผ่นดินไหวจากพลังงาน (Energy Magnitude, ME) เป็นขนาดแผ่นดินไหวที่คำนวณจากพลังงานของการเกิดแผ่นดินไหวที่ถูกปลดปล่อยออก (Choy และ Boatwright, 1995)
5. ขนาดแผ่นดินไหวจากความยาวนานของการสั่น (Duration Magnitude, MD) นำเสนอโดย Bisztricsany (1958) ซึ่งพิสูจน์ว่าความยาวนานของการสั่นจากแผ่นดินไหวนั้นสัมพันธ์กับขนาดแผ่นดินไหวและได้นำเสนอสมการความสัมพันธ์การประเมินขนาดแผ่นดินไหวจากความยาวนานของการสั่นแทนที่การใช้ความสูงของแอมพลิจูดจากส่วนต่างๆ ของคลื่นแผ่นดินไหวในการประเมินขนาดแผ่นดินไหว
6. ขนาดแผ่นดินไหวของกรมอุตุนิยมวิทยาประเทศญี่ปุ่น (Japan Meteorological Department Magnitude, MJMA) คือ ขนาดแผ่นดินไหวที่ประเมินจากระเบียบวิธีคิดและสมการความสัมพันธ์ของกรมอุตุนิยมวิทยา ประเทศญี่ปุ่น ซึ่งแตกต่างจากมาตราตรวจวัดขนาดแผ่นดินไหวที่ใช้ทั่วไปในประเทศหรือเครือข่ายการตรวจวัดอื่นๆ
7. ขนาดแผ่นดินไหวจากโมเมนต์ (Moment Magnitude, Mw) นำเสนอโดย Hanks และ Kanamori (1979) เป็นการพัฒนาการประเมินขนาดแผ่นดินไหวโดยไม่ขึ้นกับชนิดของเครื่องมือตรวจวัด โดยวิเคราะห์จาก โมเมนต์แผ่นดินไหว (seismic moment) ที่เป็นค่าความสัมพันธ์ที่ประเมินมาจาก 1) ระยะการเลื่อนตัวของรอยเลื่อน (displacement) 2) พื้นที่การเลื่อนตัว (rupture area) ตลอดจน 3) ค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งของหินในพื้นที่

การปรับเทียบขนาดแผ่นดินไหว

จากการศึกษา ฐานข้อมูลแผ่นดินไหว (earthquake catalogue) ของเครือข่ายตรวจวัดแผ่นดินไหวต่างๆ นักแผ่นดินไหวพบว่า มักมีการรายงานขนาดแผ่นดินไหวในแต่ละเหตุการณ์ด้วยมาตราขนาดแผ่นดินไหวที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมและข้อจำกัดของการตรวจวัด เช่น การตรวจวัดและบันทึกข้อมูลแผ่นดินไหวระดับโลก (global scale) หรือระดับภูมิภาค (regional scale) คลื่นไหวสะเทือนที่ตรวจวัดได้มักจะแสดงคลื่นเนื้อโลก (body wave) ไม่ชัดเจน ขนาดแผ่นดินไหวส่วนใหญ่จึงประเมินจากคลื่นพื้นผิว (surface wave) และรายงานขนาดแผ่นดินไหวด้วยมาตรา ขนาดแผ่นดินไหวจากคลื่นพื้นผิว หรือ M_s ในขณะที่การตรวจวัดแผ่นดินไหวระดับท้องถิ่น (local scale) เช่น แผ่นดินไหวจากการระเบิดเพื่อทำเหมืองแร่หรือแผ่นดินไหวที่เกิดจากการกักเก็บน้ำในเขื่อน มักจะประเมินและรายงานมาตรา ขนาดแผ่นดินไหวท้องถิ่น หรือ M_L ส่วนแผ่นดินไหวที่เกิดในระดับลึกซึ่งคลื่นไหวสะเทือนเดินทางอยู่ในเนื้อโลกเป็นส่วนใหญ่ แผ่นดินไหวที่ตรวจวัดได้จึงรายงานมาตรา ขนาดแผ่นดินไหวจากคลื่นเนื้อโลก หรือ m_b เป็นหลัก หรือหากมีข้อมูลการตรวจวัดคลื่นไหวสะเทือนเพียงพอต่อการวิเคราะห์พื้นที่และปริมาณการเลื่อนตัวของรอยเลื่อนจากแผ่นดินไหวในแต่ละเหตุการณ์ Hank และ Kanamori (1979) นำเสนอว่าควรประเมินขนาดแผ่นดินไหวตามมาตรา ขนาดแผ่นดินไหวโมเมนต์ หรือ M_w ซึ่งจากข้อจำกัดและความแตกต่างของวิธีการประเมินขนาดแผ่นดินไหว การประเมินขนาดแผ่นดินไหวจากมาตราขนาดแผ่นดินไหวที่แตกต่างกันจึงอาจได้ผลการประเมินแตกต่างกัน ถึงแม้ว่าจะประเมินจากแผ่นดินไหวเหตุการณ์เดียวกัน

นอกจากนี้จากการศึกษาของ Kagan และ Knopoff (1980) พบว่าในการประเมินขนาดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ซึ่งมีแอมพลิจูดของคลื่นไหวสะเทือนสูงเกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้ของเครื่องมือตรวจวัดแผ่นดินไหว โดยเฉพาะคลื่นพื้นผิว ซึ่งมีแอมพลิจูดสูงกว่าคลื่นเนื้อโลก มักจะประเมินและรายงานขนาดแผ่นดินไหวต่ำกว่าความเป็นจริง เรียกว่า การอิ่มตัวของขนาดแผ่นดินไหว (earthquake-magnitude saturation) ซึ่งในแต่ละมาตราขนาดแผ่นดินไหวจะมีระดับการอิ่มตัวที่แตกต่างกัน เช่น มาตรา M_s เริ่มอิ่มตัวที่ขนาดแผ่นดินไหวประมาณ 7.0-8.0 ในขณะที่ m_b เริ่มอิ่มตัวเมื่อแผ่นดินไหวมีขนาดประมาณ 6.5 เป็นต้นไป (Kagan และ Knopoff, 1980)

ดังนั้นนอกเหนือจากการนำข้อมูลแผ่นดินไหวว่าสร้างแผนที่การกระจายตัวคร่าวๆ ของแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นในอดีต หากมีการนำฐานข้อมูลแผ่นดินไหวไปศึกษาพฤติกกรมการเกิดแผ่นดินไหวในเชิงสถิติ จึงจำเป็นต้องปรับเทียบขนาดแผ่นดินไหวให้มีมาตราขนาดแผ่นดินไหวเดียวกัน โดยคัดเลือกข้อมูลแผ่นดินไหวในพื้นที่ศึกษาที่มีการรายงานขนาดแผ่นดินไหวในแต่ละเหตุการณ์มากกว่า 1 มาตรา และสร้างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมาตราขนาดแผ่นดินไหวต่างๆ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

หลังจากนั้นจึงปรับเทียบขนาดแผ่นดินไหวที่แตกต่างกันในแต่ละเหตุการณ์ให้เป็นมาตราขนาดแผ่นดินไหวเดียวกันตามกราฟแสดงความสัมพันธ์ดังกล่าว โดยในส่วนของการเลือกใช้มาตราขนาดแผ่นดินไหว งานวิจัยในอดีตนำเสนอหลักการในการเลือกใช้ 2 หลักการ คือ

1. ปรับเทียบมาตราอื่นๆ เป็นมาตราที่มีการรายงานมากที่สุดในฐานข้อมูลแผ่นดินไหวเดิม เนื่องจากต้องการเปลี่ยนแปลงหรือรบกวนฐานข้อมูลแผ่นดินไหวเดิมให้น้อยที่สุด หรือ
2. ปรับเทียบมาตราอื่นๆ ให้เป็นมาตรา M_w ซึ่งในทางทฤษฏีและที่มาของการประเมิน M_w เป็นมาตราการประเมินขนาดแผ่นดินไหวเพียงมาตราเดียวซึ่งประเมินจากพื้นที่ปริแตกและปริมาณการเลื่อนตัวของรอยเลื่อน ซึ่งสื่อถึงความเค้นทางธรณีแปรสัณฐานที่รอยเลื่อนปลดปล่อยออกมาอย่างแท้จริง (Hank และ Kanamori, 1979)

โดยหลังจากการปรับเทียบมาตราขนาดแผ่นดินไหว ฐานข้อมูลแผ่นดินไหวดังกล่าวจะรายงานขนาดแผ่นดินไหวจากมาตราขนาดแผ่นดินไหวเดียวกัน และเป็นฐานข้อมูลที่มีนัยสำคัญและสื่อถึงพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหวที่โลกสร้างขึ้น หรือสื่อถึงพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมานับตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ฐานข้อมูลที่ได้จึงมีความเหมาะสมในการนำไปวิเคราะห์หรือศึกษาในด้านแผ่นดินไหววิทยาเชิงสถิติต่อไป

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth