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作者:溯鹰

地震是地壳内能量的突变性释放。地震发生时,随着地震波而向外辐射的能量,对人类生命和财产的安全造成了致命的威胁。而除了地震那巨大的破坏力外,它的不可预测性,也让人们对它的恐惧再次上升了一个数量级。人们并无法像其他地质灾害那样,能够显而易见地观察到地震的直接诱发源。如果你想避免火山灾害,你可以远离火山;想避免泥石流灾害,你可以离开高落差的山区,想避免海啸,你不呆在海边就行。但是地震呢?翻阅人类自古至今留下的地震记录,无论城市、海边、山区、平原…一切人类可能居住的地方,似乎留下了这地下恶魔的淫威。地震,就仿佛撒旦手中的骰子一样,那随机的灾难,说不定一不小心就甩到了哪里。

在这致命的破坏性和不确定性面前,人们对地震的恐惧异化为了高度的警觉与敏感,一些事实上与地震并没有太多联系的现象,便会因为人们的恐惧与敏感而聚焦起了大众的视线。但是,地震发生在哪里真的就毫无规律可言吗?这样的说法同样极端。虽然我们并没有让撒旦不掷骰子的本领,也依然无法知道那骰子随机落在哪里,落出多大的点数,但最起码,经过地质学家们不懈的努力,我们至少知道了骰子必须洒在棋盘里。而棋盘在哪里——在板块构造学这门研究地球运动形态及其动力机制的科学面前——便是一个确定性的命题了。

板块交界处的棋盘

板块构造学(Plate Tectonics)是一门全新的地球科学理论。它的诞生甚至比量子力学还要年轻几十年。虽然它的源头可以追溯到上世纪初大陆漂移假说的提出,但其核心理论体系的建立,却是在上世纪中叶随着海洋磁异常条带的扩张、洋中脊及热点的发现才予以完成的。板块构造学说的理论框架主要立足于三个确定的事实以及两个基本的假设。其中,软流圈的确定存在、星球级板块的确定存在、以及岩石圈确定可以发生大规模水平运动这“三大事实”给了板块构造学一个基本的图景,而地球总表面积不变、以及力在板块中以刚性传递这两假设,则为板块构造学所进行的一切解释给出了一个基本的前提条件。

如果要形象地描述建立在“三大事实”上的基本图景,简单地说便是这样的:在地核这个燃料炉的的加热下,具有流动性特征的软流圈产生滚滚对流环。而最上部的板块呢,则是飘在“软流圈之海”上的七巧板,随着前者的对流,随波逐流地运动在地球的最表面。

图景画出来后,为了描述问题,我们还得让它动起来。这就需要用到“两大假设”了。

虽然板块在对流环上是移动的,但地球表面却被板块完全覆盖,并没有丝毫未被板块填充的空间来容许这些板块自由地移动。根据第一假设地球的总表面积不变,这就相当于站在一辆挤满了人的公交车上一样,车厢的体积是一定的。如果你要进行一点位移, 但同时却又扩不出来额外的自由空间,那么你的移动将必然同周围接触者产生作用:对前方人的挤压、相对侧面人的平移、以及相对身后的人的空间拉张。板块之间也一样,只不过板块之间所进行的却是星球级的挤压、平移以及拉张。在直接接触的条件下进行大规模的相对移动,可想而知,必然会伴随着大量能量的释放与转移。再根据第二假设力的刚性传递原则,由于板块是刚体,广袤的板块内部,并不会受到太多力的作用,它们相对运动时的能量释放及力学效应,便被集中在了板块之间针锋相对的接触边缘。

于是,板块边缘集中了最为剧烈的力的作用,使得挤压边缘由于强烈的撞击而形成宏伟的造山系,使得俯冲边缘由于深深陷入地下而形成深邃的海沟,使得平移边缘由于强烈的剪切摩擦而产生平直绵延的走滑断裂带,使得拉张边缘由于破裂形成深大的裂谷或中脊…人们便是根据这些地貌学上的特征反映,将板块的边界一点一点地勾勒出来,绘制成了如下所示的全球板块分布图。

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【板块构造学所解释出的板块分布图,图片来源:learner.org】

回到我们今天的话题上来,我们知道,地震是地壳能量的释放。而板块构造告诉我们,板块之间的能量需要消耗在这些刚性板块的边缘,换句话说,地震的发生范围,其实就被板块构造学限定在了这板块的分界线上咯?

那就把人类历次记录的地震事件的坐标,投影到地球表面上吧。在投影的样本足够大之后,我们逐渐发现了问题的所在——地震发生的高频率地区呈现带状分布,与通过地貌特征而限定出的板块边缘几乎完全吻合!

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【1963-1998历次地震发生地的坐标在地球表面的投影。图片来源:alieninterview.org】

于是,板块的边缘,从此有了一个更为大家所熟知的名称——地震带。可以看到,无论从“经验的”统计数据上看也好,从“逻辑的”构造地质学理论推导来看也罢,地震,只能发生在板块的接触带上。在广大的板块内部,地震活动是微乎其微的。这一条条星球级的黑色巨线,便是撒旦播下骰子的棋盘。

中国的板块与造山带分布情况

当然,你可能已经在平时知识的涉猎中了解到板块边缘和地震间的密切关系,但我相信大家应该还会有这样的疑问——就拿大家最关心的中国区域来说吧,从上面地震分布的投影图上看,除了青藏高原这个欧亚板块与印度板块的接触带外,中国确实处于欧亚板块的内部,但为何“板块内部”依然还投有不少的点,为何依然还会发生如此多的地震呢?

其实,上述经典的板块图示,只是对星球级的板块做出了描述而已。欧亚板块、太平洋板块、印度板块….它们是地球的最大的一级板块,而这些板块呢,则是由次一级的小版块所组成的。我们现在便来讨论一下中国境内的次级板块。我们会发现,真正具体到中国尺度内的地震分布,对应的,则是这些次级板块的分布边界。

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【中国三大亚板块分布图 图片基于百度地图。笔者在此基础进行绘制。】

中国内部的基本构造格局,便是围绕着三个主要的次级板块(也称克拉通。以下不再讨论全球级板块,故简称板块)而形成的,他们分别是华北板块、华南板块和塔里木板块。三大板块的分布如图所示:如果粗略地描述便是这样:三大板块中,华北处在两块板块中间,三者呈“7”字形排列。华北板块在南侧以秦岭-大别造山带为界与华南板块分开,而在北西侧则以阿尔金造山带而与塔里木板块为邻。这两条造山带,分别是上述板块间相互相撞挤压的产物。

三个板块显然不能够覆盖中国的全部面积。充填在中国版图内其他区域的,除了这三大板块亲自碰撞产生的造山带外,便是在漫长的远古时期拼贴到这些板块边部的一些微小陆块、岛弧了。譬如,我国更靠北一点的地方(新疆北部、内蒙古、东北一部分),便属于著名的中亚造山带的一部分。中亚造山带由堆挤在西伯利亚板块和塔里木板块之间的一系列零零碎碎的小陆块小岛弧们组成。这条宽阔的造山带在西侧以天山与塔里木板块为界,绵延经过外蒙古,塑造出辽阔的蒙古高原,最终在东方止于阴山-兴安岭山脉,从而与华北板块毗邻。

而整个青藏高原上面已经说过,则直接起源于印度板块向欧亚板块的碰撞。高原本身便是由一系列推挤的陆块拼贴而成的,它在北方以祁连山与塔里木隔山相望,而在东侧则跨越龙门-横断山脉进入华南板块的上扬子地区。

台湾则更为直接,它压根就是目前正在激烈活动的西太平洋岛弧的一部分。与日本列岛在地貌上呈平行分布。

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【中国造山带分布图 图片来源:ditu.cn】

了解了中国内部板块和造山带的大致分布区间后,让我们在中国范围内再来演绎一次板块构造学的基本理论吧。“稳定的刚性板块在碰撞时,会在碰撞最为直接的边缘产生大规模挤压,形成平行于板块边界的高耸绵延的造山带,并伴随着巨大的能量释放比如地震……”…..停!好的,让我们看看中国内部地震的频度投影吧。是不是又一次与祖国一条条巍峨的山脉重合,从而勾勒出了次级板块们那隐隐约约的轮廓?

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【中国地震带分布图 图片来源:godeyes.cn】

答案自然不言而喻,除了一些早已经失活的造山带(譬如秦岭-大别、东中亚造山带)外,其他的造山带都以其尚不稳定的力学机制而在印度板块和太平洋板块的作用下铺开了自己的棋盘,这是没有奇怪的。但是,仔细分析中国的地震分布图,我们发现,在上面第一部分结尾时提出的问题,随着板块尺度的缩小,不仅没有顺利地解决,反而如同分形般,同样再更次一级的尺度上出现了。这个现象明显表现在华北板块的内部,“为什么次级板块的内部,还是分布着如此之多的地震投影点呢?”

继续回答“二级板块的下面还有三级板块”?不,已经不行了。大量研究表明,在数亿年前太古代时,当单位陆块拼贴形成统一的华北板块后,显生宙中的华北板块,已然是一个无法再进行详细划分的整体了。

当然,我们还是心存侥幸,板块之间的作用力【主要】集中在板块的边缘嘛,在内部,偶尔发生一些小规模的应力场调整,也是情有可原的…..等等,情有可原?

1668年,郯城大地震,里氏8..5级,约5万余人死亡,山崩地裂,泉涌三丈…

1975年,海城大地震,里氏7.3级,官方统计伤亡共18308人…

1976年,唐山大地震,里氏7.8级,官方统计24.2万人死亡, 16.4万人重伤…

在上面这些撼动人心的数据面前,板块构造学家们好不容易用半个世纪建立起来的限定地震高发区的一点希望,便会随着华北大地上地震之魔的狂舞,而如同震中的建筑一样,瞬间归于崩塌吗?在大自然无处不在的随机性面前,难道我们就真的只能用混沌学那“测不准”三个字来敷衍万事万物?变幻莫测的造化胎动,难道就容纳不下一点确定的回答?

不。要知道,地质学人所着眼的那个世界,并不是量子世界。

华北苏醒!

这么说吧,我们知道,在时光的长河中,没有什么东西是一成不变的。地质学对沧海桑田的回答,已经使得地史变迁的这种印象早已深入人心。那么换位思考一下,对于一个稳定的板块来说,暂且不谈别的板块对其的作用,我们能不能想象它自己会渐渐地活跃起来,逐步成为一个构造活动的高发区域呢?答案,是会的。

我们那从隐生宙时期形成以来便经历着数亿年沧桑,稳定地接受着时间洗礼的华北板块,在如今,已经从开始一点一点地失去它往日的厚重与沉稳,在时间中睁开了它沉睡的双眼,一点点地活跃了起来,使得内部孕育了频繁的地质活动。这种作用被称为板块的活化(Reactivation),研究表明,板块的活化往往与板块的减薄(Thinning)有关。而经过了岩石地球化学、地震波、地热梯度等等诸方面的验证,华北克拉通确实也有着减薄的事实。无论从其机制在板块构造理论中的特殊性考虑也好,从地震预测及矿产勘探等应用方面考虑也罢,华北板块的减薄,都注定将引来地学界的重视。2007年,我国国家自然科学基金委员会推出了为期8年的“华北克拉通”重大研究计划,便是与华北板块减薄相关方面的研究成为当前地学界热点的一个有力佐证。

根据相关研究,虽然华北版块内剧烈的地震活动并非直接来自相邻板块(太平洋板块)的推挤, 但太平洋板块确实也难逃干系。由太平洋板块俯冲所造成的挤压应力场的直接波及区域是日本岛弧的范围,而朝向大陆的方向,随着俯冲板块向下运动,在较靠后的区域的地表范围内,却往往会发生拉张应力。我们有这样的生活经验,对一块橡皮泥或者面团,对它进行拉伸将不可避免地减少其厚度。板块也一样。在拉张应力场下,岩石圈同样将遭受不可避免的减薄。只不过,对于刚性的板块,我们却无法像面团一样使之柔和地伸展。伴随着巨量的正断层和相关的岩浆活动,拉张应力在地表的突然释放,便成为了一次又一次地震活动的第一推动力。而这,也正是太行山-燕山地震带的缘起之由了。

绵延万里的华北平原内部,还有一条横贯南北的大型平移断层,也就是我们所熟知的郯庐断裂带——它北起辽吉黑,南抵鄂东,波及河北、山东、江苏,并与燕山地震带“共振”于京津,直接如同一把锋利的刻刀,在华北大地上留下百万年的伤痕。郯庐断裂带本来是中生代时由华北板块和华南板块碰撞而形成的,然而,在随后太平洋俯冲作用下,伴随着太平洋俯冲所带来的巨大走滑分量,这条古老的断裂带重新活跃,成为了横插在板块内部的大地之刃。

当然,太行山正断层系以及郯庐断裂带,只是华北板块内部两条比较宏观的地震带,事实上,在太平洋板块俯冲作用中,俯冲入地幔的板块必然会受到地幔的加热,从而产生脱水相变。脱水过程中新生物质的浮力上升,以及体积扩大,都成为了华北克拉通减薄的积极贡献因素,而对于人类来说,则又平添了诸多地震的隐患。最直观的便是漫布在上述两大地震带之间的,深埋在地下的数以万计的断层与裂隙。记得不知是哪位地质学家说过,“华北板块的构造样式,就如同一个将盘子在地上摔粉碎,”他这样形象地描述,“然后再踢上一脚。”

地震灾害的防护,要建立在对地质客观事实的承认上。我们无法改变华北板块内部地质背景异常复杂的客观事实,但是,这并不代表人们每天都要敏感到风声鹤唳,看到一些稍微不正常的自然现象就“草木皆兵”。对地质现象的解答,主要还是要依据现代地质科学的成型理论。何况,在升级抗震设施技术上,在优化抗震机制建设上,我们确实还有很大可以去努力的空间。踏踏实实地依靠专业科学理论的进展,实实在在地着手于抗震工程技术的提高,才是人类——这个以理性和智慧而立身的种族——在亘古不灭的地质灾害面前能够给出的最有底气的,也是的唯一的答案。

扩展阅读

地震云,事后之明?
动物真能预报地震吗?

参考文献

[1] 雪歌, 2011. 地震云,事后之明?. 科学松鼠会/果壳网.

[2] 溯鹰, 2012. 热点漫谈——接入“地球的内网”. 科学松鼠会.

[3] 维基百科:四川构造期、华北构造期、喜马拉雅构造期、郯庐断裂带、郯城大地震、海城大地震、唐山大地震

[4] 嵇少丞等, 2008. 华北克拉通破坏与岩石圈减薄. 地质学报, 82(2): 174~187

[5] 刘本培等, 2006. 地史学教程. 北京: 地质出版社.

[6] 吴泰然等, 2003. 普通地质学. 北京: 北京大学出版社.

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29 Responses to ““震”在哪里——扒一扒中国地震带”

  1. nathan_haitian说道:

    写的很好。受教

  2. 狮儿说道:

    Good one. Bump it

  3. 匿名说道:

    晕,没仔细看文章

  4. dayu说道:

    好专业

  5. illusiwind说道:

    还是不太明白。如果华北板块是因为拉伸力减薄所以活动比较多,那应该只会出现裂谷吧,为什么会出现山脉?山脉是因为哪里的挤压?还是说那是更久以前的,跟现在的活动没什么关系?

    • 溯鹰说道:

      嗯,是这样的,山谷并非是由挤压产生的。拉张性的正断层体系下,上盘的下滑,同样可以塑造出相对高突的地势。举个更典型的例子,现在横贯大洋的大洋中脊,就是纯粹拉张应力场的产物。而它的高度,同样可以高达数千米。

      • illusiwind说道:

        这个例子不太对吧。中洋脊分明是火山结构的产物,底下是有岩浆喷出来的,所以说是岩浆顶出来这么高还差不多。但是华北板块上的几个山不是岩浆顶出来的吧……

        • 匿名说道:

          我猜测是拉张应力使地层减薄导致了板块内岩浆活动增多,火山形成。另外,就我所知,华北的山脉的主体都是花岗岩也就是岩浆岩构成的。

        • 溯鹰说道:

          在地幔柱下方,岩浆顶出来前,地表便有可能出现甚至高约2km的隆升,详见Saunder于2007年在《Chenmical Geology》的文章:Regional Uplift associated with LIP。另外,咱们太行山这边虽然不是喷发前隆升,但是却是大地堑系。这是拉张性应力场下地势正突起的典型例子。

          • ttmgt说道:

            关于华北克拉通破坏的论述确实有点问题,机械拉伸是比较陈旧的看法。

            目前主流的看法是拆沉和热侵蚀,大概都是说下地壳物质掉下去,地幔升上来。不同的是拆沉是说一整块掉下去,热侵蚀说一点点被剥下去。这两种机制的在动力学上的触发原因可能跟俯冲板片改变地幔流场有关,但克拉通很稳定,不会被机械拉伸破坏。佐证包括很多岩石学和地球化学的约束,以及地震学结果显示华北岩石圈并不厚。

            Saunders那篇是总结地幔柱造成的地表隆起现象,跟华北没关系,但是有相似性。相似在于华北地幔确实因克拉通破坏而上涌,这跟这一带的造山关系很大。

    • ddd说道:

      mb,这是最有内涵的的回复了

  6. heyman说道:

    福建早上有震感。。

  7. 可非说道:

    复习了一下高中地理……
    “就如同将一个盘子在地上摔得粉碎”,还有逗号句号问题……

  8. speaker说道:

    看来2012还是有道理的,非洲确实好地方

    • 溯鹰说道:

      为什么2012有道理呢?《2012》的电影里还将青藏高原视为最安全的地方呢,而青藏高原却是目前地球上大陆对大陆板块活动最活跃的地方,没有之一。

  9. willzhuu说道:

    西欧和日本基本都体无完肤了哦

  10. 蓝色多瑙河说道:

    看来2012还是有道理的,非洲确实好地方

  11. pig_10说道:

    2012是个电影,文艺作品,纯属虚构
    但是你的这番话我有意见,你看2012了么?电影里什么时候说青藏高原是最安全的地方了?电影尾声差点连珠穆朗玛峰都给淹了。
    反倒是说非洲由于地壳运动而被抬升,成为世界上仅存的几块陆地之一

    • 溯鹰说道:

      如果就电影来说的话,方舟计划确实是在青藏高原动工的。如果当“板块都能将地壳彻底断掉”的时候,作为地球上受地壳应力最密集的地区,是不会安全无事地等水慢慢淹上来的。
      当然,我上一条留言有一个重要的逻辑没有表达清楚,这是我的食物。即是说:2012所谓的地球毁灭,至今没有任何地学理论和实际经验予以支持。人类所受到的恐惧,说白了还是来自于类似《2012》这样的想象,而这样完全违背地学理论的想象,是不足以构成相信它的道理的。

  12. 小夏说道:

    帝都有减震分析吗

  13. zhuyugang说道:

    earthquake,don"t hurt anybody more!

  14. W.YUAN说道:

    地震预测依然任重道远,板块理论的尺度往往过大(全球性的或是大区域范围),用这一理论来预测小区域发生地震的可能性可能还是测不准的,从当地地质条件分析入手,可能对防震减灾的更为实用.但是,不可否认板块理论在解释全球地震带分布上是比较理想的.

  15. 地震 2012来了

  16. 媒体研习社说道:

    8一8,中国地震带

  17. 呵呵,我家乡与我工作的地方都好像没有位于地震带上。拓步ERP软件http://www.toberp.com

  18. 值得收藏的好文。

  19. red12345174说道:

    楼主写的非常好啊!! 不过有学术观点分歧,希望能提请楼主考虑:主流观点认为华北克拉通减薄基本是在印支-燕山期(最晚好像是到白垩纪末),以大规模的岩浆活动,变质核杂岩以及伸展盆地为特点。因此,现在的郯卢断裂带活动和华北克拉通减薄关系可能不是很密切。 仅仅是学术上的一些讨论,如有分歧,实属正常。
    楼主能花精力写地质相关的科普文章,作为一名地质工作者深表佩服!!

  20. versugw www.kuaipu.com.cn说道:

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