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发表于 2008-05-21 06:58 | Tags 标签:,

一年前,我就开始写自然灾害博客,希望能够做些自然灾害方面的科普宣传,但是个人能力和影响力都非常有限。这次四川地震让我觉得我国的灾害科普工作任重而道远。很高兴能加入松鼠会,松鼠会是一个很好的科普平台。为了普及地震知识,经北京师范大学出版社和作者允许,同意网络连载《自然灾害》一书中的地震灾害一章。我将在这里进行图文转载,主要内容分为4部分:地震,地震的特点,地震灾害和减轻地震灾害。希望对大家理解地震的一些科普知识有所帮助。

作者是从事自然灾害研究多年的陈颙院士和史培军教授,该书马上要进行第2次印刷,作者也希望各位能指出内容的不足和错误,在印刷前可及时更正,向各位先说声谢谢。

自然灾害有时候离我们很近,请关注身边的自然灾害。

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来源:陈颙, 史培军. 自然灾害[M]. 北京:北京师范大学出版社, 2007。

严重声明:版权归作者本人和北京师范大学出版社所有。转载请一定保留来源。

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0 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。

1.2 地震波

1.2.1 体波

地震在地球内部会产生两种体波:P波(Primary waves)和S波(Secondary waves)。

P波是跑的最快的波,它可以在固体、液体和气体中传播。P波与空气中的声波很相似,质点沿着波的传播方向做压缩和拉伸运动。

P波、S波和面波

图2‑10 地震在地球内部会产生两种体波:P波(primary waves)和S波(secondary waves)。(加了一张示意图,是为了说明因为受地层的速度差异影响(如果没有低速体,地震波的传播速度通常越往下速度越快),地震波的P波在射线传播路径并不是直线,而是曲线,当靠近地面P波在垂直分量越大,当然如果不是垂直出射,水平分量也是有运动的;而一些细心的读者发现上图显示的P波似乎是水平运动,那是因为这张图是示意图。)

S波跑的比P波慢,它只可以在固体传播。在S波传播时,质点的运动方向与S波的传播方向互相垂直,介质中产生剪切应力。由于流体不能承受剪切应力,因此S波不能在液体和气体中传播。

P波和S波的速度由介质的密度和弹性常数决定。

唐山地震时北京所感到的两种地震波

唐山地震发生在1976年7月28日凌晨3点多钟。当时笔者(陈颙)住在北京前门附近一个非常破旧的二层木制结构的楼房里,楼房至少有五十年历史了,除了外墙是砖砌的,地板和骨架都是木质的,一走起路来地板就发出"咯吱咯吱"的呻吟声。那时正好是夏天,天气出奇的闷热,难以让人入睡。我刚躺着一会儿,迷迷糊糊中就觉得床有些大幅度上下跳动,地板甚至整个楼房都发出"嘎吱"的声音。我立刻意识到"有大地震发生了"。长年从事地震工作的我被晃醒后没有立即下床,而是躺在床上开始数数,"一、二、三,……",数着数着床的晃动变小了。当数到第二十的时候,突然又来了一次晃动,比第一次更厉害,整个楼层都在忍受剧痛似的"哗哗啦"乱响。这短短的20秒钟间隔就是纵波和横波到达的时间差(地震通常会产生纵波和横波,纵波在地球介质中传播得快,最先到达我们脚下,引起地表的上下运动;横波跑得慢,我们感到的第二次强烈震动就是横波造成的,地面表现出水平方向运动。由于横波携带了地震产生的大部分能量,因此它对地表建筑物的破坏更为严重),反映了观测者和震源的距离,差1秒钟,表明约8公里远处发生了地震,20秒钟则说明这次地震事件发生在约160公里处。于是,我有了一个初步判断:地震不在北京--在距离北京160公里的地方有大地震发生了。

这和雷雨闪电的原理是一样的:天空两片雷雨云相遇时,发出闪电和雷声,闪电(电磁波)跑得快,雷声(空气中得声波)跑得慢,我们先看见闪光,后听见雷声,闪光和雷声之间得时间差,就表示发出闪光和雷电的云距我们的距离。

1.2.2 面波

面波是沿地球表面附近传播的一种弹性波。面波传播的速度都比体波慢。最重要的面波有两种:Rayleigh 波(R波)和Love 波(L波),它们的命名是为了纪念这些波的发现者,英国科学家Lord Rayleigh 和 A.E.H.

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Love。

图11 Rayleigh波传播时,质点在沿着波传播方向的垂直的平面做逆时针的椭圆运动,波到来时,地面的运动和水面上的波浪运动一样(参看"海啸"一章中"波浪运动"一节)。

图12 Love 波(L波)传播时,质点水平运动,而且运动方向与波传播方向的垂直,地面上质点运动最大,越往地下深处运动的幅度越小。

图13 2003年12月26日伊朗巴姆地震产生的地震波传到世界各地的理论时间(单位:分)
来源 USGS

图14 2006年7月19日10:57:36.8印尼巽他海峡发生Ms6.0级地震(S6.5°,E105.4°),这是昆明地震台(KIM,震中距 31.6°,方位角355.0°)的实际记录.纵轴是地震动的位移(单位:微米),横轴是时间。

地震作为地球内部的一种震动,发生的时候会产生一系列波动即地震波,而地震波是目前我们所知道的唯一一种能够穿透地球内部的波。今天我们关于地球内部的知识都是怎么得来的呢?这在很大程度上要归功于地震波。十九世纪,人们就已知道,地震是一盏照亮地下的明灯。

1.3 地震是照亮地球内部的一盏明灯

图15 人们挑选西瓜都有个经验,用手拍打西瓜听听声音便可以判断西瓜的成熟情况,这是因为不同的西瓜振动时发出的音调和音色不同。地球物理工作者的事业和拍西瓜很相似,只不过有时候通过人工地震手段让地球振动,有时候是地球自己发生地震产生振动,科学家则通过记录和"倾听"这些来自地球内部振动的交响乐--地震波,来判断地球内部的结构和状态。迄今为止,地震波是唯一能够贯穿地球的波动。

震源发出的地震波会通过地球介质向各个方向传播,我们从而可以在世界各地通过地震仪记录到。20世纪初,地震学家发现,大地震发生后,在距地震震中103o-143o的范围内记录不到地震P波。于是他们猜想,地球具有分层结构,地球内部有一个低速的地核,地震P波由于折射,到达不了103o-143o的范围。人们关于地球内部的认识就从地震波而得来。

图16(a)记录到印尼大地震的全球地震台站的位置和它们离地震震中的距离(度);(b)地震后6小时内各台站记录的Rayleigh波的垂直向地面运动(峰-峰值,用cm表示),R1是沿震中-台站大圆最短距离传播的波,R2是沿同一个大圆最远距离传播的波,R3R1相同,只是多绕地球转了一圈,R4R2相同,也多绕地球转了一圈。
来源 J.PARK, K.ANDERSON, R.ASTER, 等(2005)

图17 20世纪初,地震学家发现,大地震发生后,在距地震震中约103o-143o的范围内记录不到地震P波。于是他们猜想,地球具有分层结构,地球内部有一个低速的地核,地震P波由于折射,到达不了103o-143o的范围。

图18 现在我们已经知道地球可以分为地壳、地幔和地核,地核又包括一个液态的外核和一个固态的内核。图中给出了各层的地震波速度。对地球内部的认识,都来源于天然地震的资料和数据。

获得地球的这种分层结构的大事年表可简要列举如下:

1906年奥尔德姆首先试图从地震波穿过地球的时间来推断整个地球内部构造。

1909年莫霍洛维奇根据近震初至波的走时,算出地下56公里处存在一个间断面,间断面以上物质的平均速度为5.6公里/秒,以下物质的速度为7.8公里/秒。后来发现,无论是海洋还是大陆,绝大多数地区都存在这个间断面,通常称它为莫霍界面,其平均深度约为30公里,莫霍界面以上的部分称为地壳,以下的部分称为地幔。

1914年古登堡(Gutenburg)根据地震体波的"影区"确认了地核的存在,并测定了地幔和地核之间的间断面,其深度为2900公里。这个数值相当准确,直到现在也改进不多。根据地核不能传播横波(地震波的一种,不能在液体中传播)的特性,地震学家又推断出地核是液态的。

1936年赖曼通过对体波"影区"的进一步研究,发现了在液态的地核中还有一个固态的地球内核。

1996年中国旅美学者宋晓东通过研究穿过地核的地震波,推断出内核旋转速度要比外核快,这个发现进一步加深了人类对地球的认识,被评为该年度美国十大科学新闻之一。

图19 1996年中国旅美学者宋晓东通过研究穿过地核的地震波,推断出内核旋转速度要比外核快,这个发现进一步加深了人类对地球的认识,他的研究成果刊登在NATURE 上,并被评为1996年度美国十大科学新闻之一。

1.4

利用地震波的另外一个重要方面是地震勘探。地震勘探的历史可以追溯到19世纪中叶。早在1845年马利特就曾用人工激发的地震波来测量地壳中弹性波的传播速度,而在第一次世界大战期间,交战双方都曾利用重炮后坐力产生的地震波来确定对方的炮位,这些可以说是地震勘探的萌芽。由于地震勘探具有其它地球物理勘探方法所无法达到的精度和分辨率,所以在石油和其它矿产资源的勘探中,用地震波进行勘探是最主要和最有效的方法之一。各种矿产资源在构造上都会具有某种特征,如石油、天然气只有在一定封闭的构造中才能形成和保存。地震波在穿过这些构造时会产生反射和折射,通过分析地表上接收到的信号,就可以对地下岩层的结构、深度、形态等作出推断,从而可以为以后的钻探工作提供准确的定位。

图20 利用地震波进行勘探

图21 全面禁止核试验条约(CTBT)的地震台站分布

利用地震还可以为国防建设服务。截止到2000年11月,已经有160个国家正式签署了全面禁止核试验条约(CTBT)。现在所面临的一个共同问题是,如何有效地监测全球地下核爆炸。而这正是地震学的用武之地,地下核爆炸和天然地震一样也会产生地震波,会在各地地震台的记录上留下痕迹。而地下核爆炸和天然地震的记录波形是有一定差异的,因此根据其波形不仅可以将它与天然地震区分开来,而且可以给出其发生时刻、位置、当量等。

图22 图中红颜色的是地下爆炸产生的地震波,其记录特征是"大头小尾",蓝颜色的是天然地震产生的地震波,它的特征是"小头大尾"。利用记录到的地震波的特点,可以区分地下核爆炸和天然地震。

图23 俄罗斯的库尔斯克号潜艇沉入巴伦支海时,没有人想到要去告诉地震学家。但是,2001年1月,正是地震学家使得这场灾难起因的争论最终得以结束。波罗的海地震台记录到了库尔斯克号上爆炸产生的可说明问题的震动。这一证据表明,这场悲剧是当潜艇在水面上时艇上的一枚鱼雷意外引起的,随即在深部发生了几枚鱼雷爆炸。而俄罗斯当局早先将这一事件归罪于一艘不明身份外国潜艇的碰撞。
来源 a:AP美联社(http://www.aeronautics.ru/img003/kursk-017.jpg) b: EOS (2001)

图24 离美国世界贸易中心34公里的地震台,记录了911事件的全部时间进程。
来源 Kim, W. Y.(2001)

其实,地震学的应用还远不止以上这些。例如,目前用地震的方法预测火山喷发取得了很大的进步;对水库诱发地震的研究可以为大型水库提供安全保障,例如我国的三峡工程,库区地震灾害的研究就是工程可行性论证的重要内容之一;对矿山地震的监测是保护矿山安全的重要手段之一;地震学还可用于对行星的探测,通过对行星自由振荡的研究可以揭示行星内部大尺度结构。因此,地震学这门古老的学科,不断获得活力,成为正在迅速发展的前沿学科之一。

图25 全世界每年记录的地震事件数目,1900年约为100多次,20世纪末超过10,000次,2006年超过100,000次。这是由于地震台站的增多,反映了地震科学的迅速发展。

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16 Responses to “《自然灾害》之地震灾害-1地震”

  1. 桔子帮小帮主说道:

    空错你太好啦!

  2. 看到日本人相信鲇鱼那段,想起前几天看的paper,他们2004年还在通过寻找鲇鱼的异常行为尝试预报地震,有趣;还有,这句话“在距地震震中103o-143o的范围内”同一段,后边变成了“105-143”是不是写错了。

  3. y073说道:

    第一次发现地震还有这么多的用处
    想起一句话
    所有先进的科学
    初看起来和魔法无异

  4. y073说道:

    刚刚发现地震还能做这么多的事情啊
    突然想起一句话
    先进的科学
    初看起来和魔法无异

    “20秒钟则说明这次地震事件发生在约160公里处”
    难道真这种简单的线性关系吗?

    • kongcuo说道:

      谢谢桔子指正,我回去查查原书。我现在用的是出版前的本子,可能还有些不同。

    • kongcuo说道:

      一般P波和S波的走时差×8就约等同于震中距。近震可以大致这样计算,就像大家听到打雷声就知道云层距离多远一样。

  5. 乌子虚说道:

    【纵波在地球介质中传播得快,最先到达我们脚下,引起地表的上下运动;横波跑得慢,我们感到的第二次强烈震动就是横波造成的,地面表现出方向运动。】

    原文似乎把运动方向搞反了!
    应该是:
    P波(纵波)(primary wave\pressure wave)引起地表的水平移动。
    S波(横波)(secondary wave)引起地表的上下振动。

    • kongcuo说道:

      谢谢提醒。现代地震仪一般为三分量,P波一般分布在垂向分量。当然P波也不全是垂直出射,所以也会出现水平分量。到时候我再贴一张图来说明吧。

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  8. joy说道:

    1.2.1体波的图示中P波造成地面左右晃动,而在唐山地震时在北京的感受是P波造成地面上下跳动,有些不明白

    • kongcuo说道:

      我添加了一张示意图,加了些文字,不知道这样解释是不是可以清楚些。

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