地震 earthquake
地球内部介质(岩石)在力的作用下突然急剧运动而破裂,产生地震波,从而引起一定范围内地面振动的现象。地震是最为严重的自然灾害之一。
介质破坏开始的地方称震源。震源在地球表面的垂直投影称震中。当地震很大时,地球介质破坏区的尺度可达几十千米甚至几百干米,称震源区。破坏性地震的地面振动最剧烈处称极震区,极震区往往是震中所在地区。大多数地震在地面引起的震动只有用灵敏的仅器才能察觉。
1.地震现象和灾害
强烈地震能给大自然以极大影响,在陆地、水中和大气中引起各种现象,包括地震直接引起的原生现象和由地震触发的次生现象。
1.1.地面振动(地震动)
大地震时,地面产生强烈振动。振动幅度有时可达数米,能在几分钟,甚至几秒钟内使地貌改观,使城市建筑变成废,造成严重灾害。
1923年日本关东地震,东京有73%的房屋被毁,横滨被毁房屋达96%,死伤人数达且3万之多。1976年中国唐山地震,死伤人数达40多万,房屋倒塌70%~80%,唐山市遭到毁火性破坏。
强烈的地震动会在地势陡蛸的山区、坡地触发大规模的山崩、滑坡和泥石流等现象,摧毁整片村庄。1970年秘鲁北部一次近海地震引起了巨大山崩,掩埋了近2万人。
在堆积土、充填土等松软土质地区地震动能造成大量地裂缝。在地下水饱和地区,能使水和砂土渗混而发生砂土液化现象,造成地基失效,坚固建筑物整体倾倒。
水灾和火灾是地震动引起的最严重的次生灾害。强烈的地震动会造成水坝和河堤溃决,酿成水灾。煤气泄漏和供电线路和设备的破坏常引起火灾。1906年美国旧金山地震引起的大火烧了3天,造成的损失比地震本身的损失大10倍。
海底地震产生的地震动能在海岭斜坡上触发类似滑坡的现象,称为海底浊流,能冲毁海底通信电缆等。历史上的著名大地震见表1、表2、表3。
1.2.地形变
在内陆发生浅源大地震时,地壳发生强烈变形。地面出现大规模地震断层,有时长达几十千米至几百千米;沿断层发生数米的水平错动,地基发生大范围隆起、下沉和水平位移等。
1931年中国新疆富蕴地震,出现了从可可托海至二台长达176千米的地震断层,沿断层发生了位移为数米的右旋水平错动。
1906年美国旧金山地震时,沿数百千米长的圣安德烈斯断裂带发生了最大水平位移达7米的右旋错动。
在地震断层附近震害最为严重。大地震时地基的升降和位移,在沿海地区表现最为明显。1964年阿拉斯加地震时,沿海地区地面隆起高达10米。
海底发生大地震时,大范围的海底突然隆起和下沉,能扰动海水而触发海啸。外海的海啸浪高仅数米,波长达几十至几百千米,当传至岸边的V字形或U字形的小海湾时,海浪可急剧增高至20多米,可把沿岸建筑扫荡一空。
地壳形变也会在一定范围内引起地下水位的升降变化,导致地下深、浅含水层的连通,使井水水质变化,流量增大和水温增高等。
1.3.其他现象
地震时地震动的部分能量传入空气中变为声波,产生地声。夜间发生大地震时常可看到地光,它可能是一种放电现象,其确切机制尚不清楚。在大震前后电磁场会发生变化;伴随地震会产生重力场减少或增大。特大地震还会激起整个地球的缓慢振动,称为地球自由振荡,上述通常不引起灾害。
2.地震分类
根据不同的标准,从不同的角度可将天然地震划分成不同的类别。
2.1.按成因划分
①构造地震。由于构造力的作用导致地下岩层断裂和错动造成的地震。构造地震占全球发生的天然地震的90%左右。几乎所有危害人类的大地震都属于构造地震。
②火山地震。火山喷发前地下岩浆冲动,或在火山口内的气体爆炸所造成的地震。前者可以作为预测火山爆发的一种手段。火山活动也可以触发火山地区的构造地震。
这类地震一般强度不大。主要分布在火山活动区,如日本、意大利、智利、厄瓜多尔和美国的西部等地。20世纪年代以后,许多科学家在火山周围布设了地震台站。根据绝大多数火山地震纵波初动皆为负号的观测事实,日本学者提出火山地震成因的压缩中心模式,认为火山地震是山于岩浆大量喷发而使下部崩塌造成的。中国很少火山地震。
③诱发地震。由于人类活动造成地壳局部失稳,从而导致的地震。目前已观测到这类地震主要有水库蓄水、油井贮水和地下核爆炸所诱发的地震。
2.2.按震源深度划分
①浅源地震;②中源地震;③深源地震。按照B.古登堡和C.F.里克特1954年的划分,震源深度不超过60千米为浅源地震,不小于70千米为中源地震,超过300千米为深源地震。
因为当时震源深度的测定误差很大,估计震源深度的数值只能以10千米为单位。以后由于测量精度有所提高,国际地震中心(ISC)规定:震源深度不超过60千米为浅源地震,不小于61千米且不超过300千米为中源地震,超过300千米为深源地震。
但各国地震资料有关震源深度的规定并未统一。例如,日本以不超过69千米为浅源地震,超过69千米为深源地震。
2.3.按震源机制划分
①走滑型地震;②逆冲型地震;③正断型地震;④其他类型的地震。地质学中的走滑断层、逆断层、正断层等概念,可以用来描述地震断层面的几何形态和地震位错的方向。
研究表明,走滑地震和非走滑地震具有很不相同的性质,例如地震能量辐射的方式和强余震的频度等。
2.4.按地震强度(震级)划分
各国对地震强度的划分极不一致,国际上没有统一标准。中国的划法大致如下:①小地震(M<3),②有感地震(3≤M≤4.5),③中强地震(4.5<M<6),④强烈地震(6≤M<7),⑤大地震(7≤M<8),⑥巨大地震(M≥8)。
2.5.其他划分
地震台网能够记录到天然地震所产生的地面运动之外,还能记录到爆炸、塌陷等产生的地面运动,在这个意义上,诸如地下核爆炸、矿山塌陷等能够为地震台网所记录的“地震事件”,也常常被称为“人工地震”。
3.地震序列
地震在有限的空间和时间范围内有成丛发生的倾向。这种成丛发生的地震称地震序列。按时间顺序和震级分布,地震序列分为主震型和震群型。
3.1.主震型
通常包括主震和大量的余震。有些地震序列还包括一系列前震。若地震序列中,特别大的地震只有一次,则称为主震,发生在主震之前的中、小地震称前震;发生在主震之后的大量较小地震称余震。
前震的震源分布范围一般只占未来震源区的很小部分。在时间上,有的在主震发生前几分钟才发生,有的可连续活动几个月直到主震发生。1975年2月4日中国辽宁海城地震就是一个典型的有前震的主震型地震序列,据此,中国首次获得预报这次7级以上地震的成功。
但是一般观测到前震的地震序列不多,即使在现代地震台网密集的地区,也存在6~7级大地震前连微小地震都没有记录到的情况。如唐山地震发生前没有前震活动,未能成功预报。
余震的震源都分布在主震震源附近的一个区域内,这个区域称余震区。震源机制的研究结果表明:在大多数情况下,余震区的长轴方向与主震的断层面走向是一致的。通常主震震级越大,余震区的面积也越大。余震在余震区内的分布并不是均匀的,一般在主震断层的两端要多些。余震的数目和强度也与主震的震级密切相关。有些7~8级大地震发生后,在短时间内,余震频数可达每天几百次。有的大地震的余震活动可以延续若干年。余震的频数随主震后的时间逐渐衰减。
3.2.震群型
在一个地震序列中包含着若干个震级相差不多的地震,而无一特大震级的地震时,称之为震群。近代观测到的规模最大的震群是1965年8月开始的日本松代震群。这次震群活动持续了将近10年之久,自1965年8月至1967年底共发生有感地震61495次,其中震级在5.0~5.4的9次,4级以上的48次。在中国几个主要地震区都有震群发生,但其规模要比松代震群小得多。
4.地震分布
以现在世界各地不同尺度地震台网的监能力,全球平均每年记录的地震可达100万次以上。设某一区域中,一定震级以上的地震数目为,则有的统计关系,其中和分别为与地区有关的常数。这意味着,在一定的范围内,只要地震数目足够多,不同大小地震的数目之间是有一定比例的。这个关系称为古登堡-里克特定律。
地震在全球各地区的分布是不均匀的,主要集中在一些狭长的地震带上,如环太平洋地震带、欧亚地震带等。
活动性的地震的分布也随着震源深度的不同,而有一定变化。瑞典地震学家M.博特研究了1918~1964年全球震级M≥7的全部地震的能量、频度和最大震级随深度的变化。结果发现,在地面至地下70千米的范围内,地震活动最强(能量最多、频度最高、震级最大);从70~475千米附近,地震活动逐渐减弱;在如400~475千米之间达到极小;在475~750千米深部,地震又重新活跃起来。
5.地震成因
由于构造力的作用和地壳岩石自身的某种不均匀性,地球岩石圈的某些局部地区会发生应力集中,应力水平岩石的破裂强度时,局部区就出现弹性断裂和错动,已积累的应变能的一部分以弹性波的形式向四周传播,造成地震。
大多数重要地震成因和分布,都用以根据板块构造理论来解释。这一理论认为,地球表面山若干个大的刚性板块组成。这些板块彼此相对运动,并在它们的边界上相互作用。最剧烈的地震产生在碰撞的板块边界,在那里,一个板块向另一个板块下插。
这些地震的大多数起源于地表以下深度大于300千米处,并且与岛弧和海沟相伴随。很多地震现象也出现在板块彼此分离或相对滑动的边缘,在这些地点发生的地震强度较低,并且是浅源的。在所有这样的边缘地区,地震波均由岩石的突然断裂而产生;当构造运动过程中积累的弹性应变超过了岩石的张度时,就引起突然断裂,造成地震。
板块构造理论还认为:较冷的岩石层板块插入软流层中,在一定程度上保持着相对较低的温度,因而在其内部仍然可以发生弹性断裂这样,地震学上观测到的中、深源地震就和浅源地震有了一致的解释,而无须借助于其他假说。
推荐书目
李四光. 论地震. 北京:地质出版社,1977.
谢毓寿. 地震与抗震. 北京:科学出版社,1977.
李善邦. 中国地震. 北京:地震出版社,1981.
国家地震局震害防御司. 全球重大灾害性地震目录:2150B.C.—1911A.D. 北京:地震出版社,1996.
摘自:《中国大百科全书(第2版)》第5册,中国大百科全书出版社,2009年