带你全面认识那可怕的地震

【乐城导读】自然灾害有时候离我们很近，请关注身边的自然灾害。本文摘自北京师范大学出版社《自然灾害》一书，作者是从事自然灾害研究多年的陈颙院士和史培军教授。

【相关信息】专题：四川汶川大地震

绪言

作为人类面临的一种主要自然灾害，天然地震（earthquake）的历史源远流长。中国最早关于地震的报道是在公元前1831年即公元前18世纪。更早的地震文字记载包括象形文字记载是在中东和阿拉伯，在这些地区，我们可以把地震记载追溯到公元前40世纪。地震给人们的印象就是一场灾难。大的地震导致历史上一些最重大的灾害，没有其它自然现象能在那样大的面积、那样短的时间里，造成如此大的破坏。如1923年的日本关东大地震使距震中六十公里外的东京和横滨成为废墟，约十四万人丧生；1556年陕西华县大地震估计死亡人数近八十三万，当时“山川移易，道路改观，屹然而起者成阜，坎然而下者成壑，攸然而涌者成泉，忽焉而裂者成涧。民庐官廨、神宇城池，一瞬而倾屺矣”（明隆庆《华州志》）。地震甚至能使山川道路等地貌全然改观，其威力可见一斑。

图1 古代世界的七大奇迹都毁于地震灾害：埃及的大金字塔(The Great Pyramid of Giza)，巴比伦的空中花园(Hanging Gardens of Babylon)，亚历山大灯塔(The lighthouse of Alexandria)，阿特米斯（月亮女神）庙(The Temple of Artemis at Ephesus)，卡里亚王陵(The Mausoleum at Halicamassus)，阿波罗青铜巨像(The Colossus of Rhodes)，奥林匹亚宙斯雕像((The Status of Zeus at Olympia)。

图2 西方版画中记载的1805年意大利那不勒斯地震。

图片来源 Jan T. Kozak Collection, Na.’l Information Service for Earthquake Engineering

图3 古代日本人民想象地震是由于一条巨大的鲇鱼翻身引起的，制止了鲇鱼翻身，就能避免地震灾害。

图片来源 东京大学地震研究所

但是地震到底是怎么回事呢？这是人们一直在思考、探索的问题。古代日本人认为是一种鲇鱼（Catfish）的翻身造成了地震，印度人认为是地下的大象发怒引发了地震，古代中国人则把地震归因于抽象的“阴阳失调”，当然这些只不过是对于地震的想象。真正对地震的科学认识始于东汉132年张衡候风地动仪的出现。候风地动仪是基于这样一种对于地震的本质性的科学理解，即地震是一种远方传过来的地面震动。而这一概念建立了地震和地震波的直接联系，这一概念直到18世纪才被西方科学家所重新确认。候风地动仪的出现以及它所基于的这样一种科学思想实际上代表了地震科学的开始。而现代地震学则开始于19世纪末精密地震仪的出现。

从地震科学诞生之日起，它一直沿着两个方向发展，第一个方向是认识地震，第二个方向则是利用地震。我们先从第一个方向谈起。

图4 东汉张衡于公元一三二年创制了世界上第一台观测地震的仪器－侯风地动仪。

《后汉书.张衡传》记：“阳嘉元年，复造侯风地动仪，以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒樽，饰以篆文，山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机；外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍张口承之。其牙机巧制，皆隐在樽中，覆盖周密无际。如有地动，樽则振，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙机发，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在，……”公元一三八年，陇西发生地震，千里之外的洛阳并无感觉，但地动仪却测到了，许多人都不相信，几天后，驿马送来了消息，于是朝廷内外尽皆信服。可惜的是，公元四世纪，这台仪器在战乱中散失，至今失传。

1 地震

1.1 什么是地震

最早人们认为火山作用是地震的首要原因，但是，许多大地震发生之处远离火山的地方。现在，多数人认为，地震是由地下岩石的突然断裂而造成的，地球内部的不断运动造成地壳大规模变形是地震的根源，沿地震断裂面的突然滑移是地震波能量辐射的直接原因。

图5 跨圣安德列斯断层的篱笆在1906年旧金山地震之后发生3米的错动。

图片来源 a：Robert E. Wallace, USGS b：G.K.Gilbert, USGS

1906年发生的旧金山大地震，为理解什么是地震提供了直接的观测事实。旧金山大地震发生在美国加州圣安德烈斯断层上，地震时，断层两盘发生了3－4米的右旋错动（站在断层的一盘上，观测另一盘的运动，向右就叫做右旋运动，向左叫做左旋运动），垂直于断层的农场的篱笆明显被错开了3－4米距离。

图6 跨圣安德烈斯断层的篱笆当断裂弹性回跳时造成的结果。

(a)篱笆垂直穿过断层，地震前未发生形变。

(b)构造力作用下横过断层的篱笆发生弯曲，A点和B点向相反方向移动；

(c)在C点发生破裂，在断裂两侧的应变岩石弹回到C1和C2。

于是，美国工程师里德（Reid）根据这些观测结果，提出了地震的弹性回跳假说：地球深部的作用力使地震活动区岩石产生变形，随时间增加变形渐渐变大。这种变形在很大程度上，起码在大约千年尺度上，是弹性变形。所谓弹性变形，是指加力时岩石产生体积和形状变化，当力移去时将弹回到它们的原状。旧金山地震前，包括圣安德烈斯断层在内的广大区域发生弹性变形，积聚了弹性能量，地震时，圣安德烈斯断层发生错动，释放了积聚的能量，整个区域又回到原来的状态。

图6形象地表示了地震的弹性回跳假说。有一个垂直穿过断层，在两侧延伸许多米的篱笆。用箭头表示的构造力作用使弹性岩石应变。当它们缓慢地作功时，该线（篱笆）弯曲了，左侧相对右侧错动。这种应变作用不能无限地持续，早晚那些软弱岩石，或那些位于最大应变点的岩石要破坏。这一破裂后将接着发生弹回，或在破裂的两侧回跳。这样在图中断裂两侧的岩石中的C回跳到C1和C2。

图7 地震造成的沿断层的位移错位，不仅仅出现在圣安德烈斯断层上，在全世界的许多地方都能见到。如：1739年平罗地震断层顺时针运动造成长城宁夏段的错位（王兰民提供）

自里德提出弹性回跳假说后，地震学界普遍认为，天然地震是地球上部沿一地质断层发生突然滑动而产生的。这滑移沿断面扩展，这种滑移破裂传播的速度小于周围岩石中的地震剪切波波速。存储的弹性应变能使断裂两侧岩石回跳到大致未应变的位置。像钟表的发条上得越紧一样，岩石的弹性应变越大，存储越大的能量一样，地震变形的区域越长、越宽，滑移的距离越大，地震释放的能量就越多，我们用地震矩来表示地震释放能量的大小：

图8 小虫子拉木块沿地面滑动。

木块单位面积与地面粘合的力μ （也可以叫做剪切强度）越大，木块与地面的接触面积A越大，滑动的距离D越大，小虫子作的功 μ AD就越大。依照这个原理，当断层两盘发生相对滑动的时候， μ 就是断层的剪切强度，A就是发生滑动部分断层面的面积，D就是断层两盘的滑动距离，而 μ AD就是断层滑动所释放的能量。

图9 地震发生在地下深处，发生地震的地方叫做震源，震源离地面的距离叫做震源深度，地面上正对着震源的地方叫做震中。

图片来源 普通高中课程标准实验教科书 地理·选修 ⑤

按照震源的不同深度，通常把地震分成三类：

浅源地震：震源深度小于70公里；

中源地震：震源深度在70－300公里之间；

深源地震：震源深度大于300公里。

全世界90%的地震震源深度都小于100公里，仅有3%的地震是深源地震。由于浅源地震能够产生更大的地球表面的震动，因此，浅源地震的破坏力也最大。

地震的震源深度与板块边界有密切的关系，在板块的发散边界和转换型边界，发生的地震多是浅源或中源的，而在汇聚边界，发生的地震则多是深源的，随着海洋板块从海沟向大陆的俯冲，震源的深度也不断的增加。

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