莆田黄石出游的历史:地震面面观!地震相关原理和措施大揭秘

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2011-03-11 17:13:45|  分类:科学原理 |  标签:地震  断层  板块  震源  震级   |字号大中小
北京时间3月11日13点46分左右,日本东北地区宫城县北部发生里氏8.9级特大地震,东京有强烈震感,而且由于地震引发了海啸。当地电视画面显示,日 本岩手港漂浮着数十辆汽车,距离震中最近的日本宫本县已宣布出现“严重伤亡”。据路透社消息称,日本首都东京震感强烈,已有数人在地震中受伤。
地震是自然界最可怕的现象之一。我们通常觉得脚下的地面“坚如磐石”,而且绝对稳定。但地震,特别是大地震会在顷刻间粉碎这种想法。
就在不久以前,科学家们对于地震的成因还只是一些没有确实根据的猜测。时至今日,尽管有关地震的谜团还没有全部解开,但科学家们对地震已经有了更清楚的了解。

1989年发生在旧金山地区的7.1级地震,毁坏了加利福尼亚州奥克兰市880号州际公路的一个路段。
上个世纪,地震研究取得了巨大进展:科学家们找到了引发地震的力,并研究出可以确定震级和震源的技术。下一项挑战就是寻找可以预测地震的方法,以免地震将人类打个措手不及。
在本文中,我们将了解引发地震的起因,并探索为何地震会给我们带来如此严重的灾难性后果。
地震
地震是一种可以在地壳中传播的震动。从技术角度讲,街道上隆隆而过的重型卡车就引发了一场迷你型地震。你可以在卡车经过时感到房子的震动,但我们倾向于认为地震是影响大片区域(如整个城市)的事件。引发地震的原因有很多:
火山爆发 流星碰撞 地下爆炸(如,地下核试验) 坍塌的建筑(如矿井坍塌)
但大多数自然发生的地震是地球板块运动引起的,我们将在下一部分中进行说明。
我们只能偶尔通过新闻听到一些有关地震的消息,实际上地球上每天都会发生地震。根据美国地质调查局(USGS)的统计,每年大约会有3百多万次地震。那算起来相当于每天发生8千次,或每11秒一次地震!

在1994年加利福尼亚北岭地震中造成的住宅损失。
在这3百万次地震中,多数都是极为微小的地震。根据概率,许多较强的地震发生在无人居住的地带,人们根本感觉不到。只有那些发生在人口高度密集地带的大地震才会引起我们的注意。
多年来,地震已经导致了大量的财产损失,并夺去了很多人的生命。仅上一世纪,所发生的地震灾难就超过了150多万次。通常,并不是地震本身夺走人的生命,而是地震引起的人造建筑的毁坏以及随之而来的其他自然灾害(比如海啸、雪崩以及塌方)造成人员伤亡。

1964年阿拉斯加州威廉王子海湾发生9.2级地震,毁坏许多居民住宅。
滑动的地球板块
随着板块构造学说的发展,地震学——研究地震的学科——终于在二十世纪中期出现了最大的科学突破。科学家们使用板块构造论的观点解释地球上的大量奇特现象,比如大陆随时间推移所发生的明显运动,某些地域的火山活动以及海底存在的巨大海岭。
基本原理是这样的,地球的外层地壳是由众多板块构成的,这些板块可以在润滑的地幔层上滑动。在这些由土壤和岩石组成的巨大板块的边界,可以发生三种不同情况:
板块可以分离——如果两个板块相互分离,滚烫熔化的岩石将从岩石圈下方的地幔层流出。岩浆从表面(多数是在海底)涌出,这称为熔岩。当熔岩冷却后,会变硬形成一种新的地壳层材料,填满缝隙。这称为分离板块边界。
板块可以相互推动——如果两个板块相向移动,通常一个板块会移到另一个底部。处于下方的板块会沉降到更低的地幔层,该板块会在地幔层熔化。在两个板块相交 的一些边界,如果两个板块都不处在可以移动到另一板块下方的位置,那么它们会相互挤压从而形成山脉。相互挤压的板块之间的边界称为聚合板块边界。
板块相互滑动——在其他边界中,板块仅仅是朝不同方向滑动,比如一个板块向北移动,而另一板块向南移动。当板块不能在这些转换边界处直接进行相互滑动时,它们将被紧紧挤压到一起。在边界处会形成很大张力。
在这些板块相交的地方,你会发现许多断层,即两块岩石向相反的方向移动时在地壳中形成的裂缝。沿断层带发生的地震比地球上任何其他地方发生的地震要多得多。
断层

在1976年危地马拉的埃尔普罗格雷素地震中,由于横向平移断层移动而弯曲的一行行庄稼。
产生断层的最初震动,以及沿已经形成的断层产生的突如其来的剧烈变动称为主要震源。多数地震发生在板块边界,因为这是板块运动张力最强的部分。地震会形成 断层带,即相互交织的断层组。在断层带,由一个断层释放的动能可以增大周边断层的压力(潜在能量),导致发生其他地震。这就是短时间内一个区域可能发生多 次地震的原因之一。
根据断层面(即岩石的裂缝和两块岩石运动过程中产生的裂缝)位置的不同特征,科学家将断层分为四种类型:
在正断层中(查看下面的动画),断层面几乎是垂直的。上盘(位于平面上方的岩石块)推动下盘(位于平面下方的岩石块),使之向下移动。反过来,下盘推动上盘使之向上移动。由于分离板块边界的拉力,地壳被分成两半,从而产生断层。
逆断层中的断层面也几乎垂直,但上盘向上移动,而下盘向下移动。这种类型的断层是由于板块挤压形成的。 冲断层与逆断层的移动方式相同,但断层带几乎是水平的。在这类同样是由挤压形成的断层中,上盘的岩石实际被向上推移至下盘的顶部。这是在聚合板块边界中产生的断层类型。
在平移断层中,岩石块沿相反的水平方向移动。正如转换板块边界中所述,地壳块相互滑动时形成这些断层。
在所有类型的断层中,不同的岩石块紧密地相互挤压,在移动过程中形成很大摩擦力。如果这种摩擦足够大,这两块岩石将咬合,因为摩擦力使它们无法相互滑动。在这种情况下,来自板块的力量继续推动岩石,从而增大施加在断层上的压力。
如果这种压力大到可以克服摩擦力,岩石块将突然向前运动。换句话说,当构造作用力推动“咬合”岩石块移动时,积聚了潜在的能量。在这些板块最终移动时,这 些积聚起来的能量变成了动能。一些断层的变动在地球表面形成了明显变化,但也有一些岩石的变动发生在地表以下的岩石中,因此无法形成地表断裂。

地震也常常发生在板块中央。事实上,美国有记载的一系列强力地震就发生在北美大陆板块的中央。1811年和1812年这些地震袭击了几个州,其震源位于密 苏里州。在二十世纪七十年代,科学家发现了该地震的可能来源:一条深藏于多层岩石层下面的断层带,它已经存在了6亿年之久。
震波
当地壳中发生突然断裂或变动时,能量会以地震波的形式进行传播,就好像在被搅动的水体中,能量以水波的形式逐渐扩散。在每次地震中,都存在几种不同类型的地震波。

1964年阿拉斯加地震中,由震动造成的建筑物损坏
体波在地下传播,而地面波则在地表传播。因为地面波(有时称为长波或简单称为L波)会导致最激烈的震动,所以是造成大多数地震灾害的原因。地面波源于传播到地面的体波。
主要有两种类型的体波。
纵波,也称为P波或压缩波,速度大约为每秒钟1.6至8公里,具体取决于它们通过的物质。这个速度大于其他波的速度,因此P波最先到达表面位置。它们可以 穿过固体、液体和气体,所以能完全穿透地球的球体。当纵波穿过岩石时,会来回移动细小的岩石颗粒,将它们分开随即再推回到一起,方向与波行进的方向一致。 这些波到达地表时,通常会引发巨响。
横波,也称为S波或剪切波,它们的到达时间要比纵波略迟。当这些波移动时,会向外推动岩石颗粒,推动的方向垂直于波的前进方向。这就造成了地震的第一阶段摇动。与纵波不同,横波不是直接穿过地球。它们只能穿透固体物质,因此会在地核中的液体层停止。
两种体波都能沿着地球传播,并能从地震点在地球背面的对应点上检测到。在任何时刻,都有若干条非常微弱的地震波在地球中移动。
地面波类似于水波,会在地球表面上下移动。这种波动通常会导致最严重的破坏,因为波的运动会毁坏人造建筑的低级。地面波是所有波中移动速度最慢的,所以最剧烈的振荡通常是在地震快结束时到来。
查明震源

1906年发生的旧金山地震中,一堵在平移断层上的围墙。
在上一部分中,我们了解到有三种不同类型的地震波,这些波以不同的速度行进。纵波和横波根据所穿过物质的成份不同,精确速度也随之变化,但这两种波之间的速度比在任何地震中都保持相对恒定。纵波通常比横波快1.7倍。
利用这个速度比,科学家们可以计算地球表面上任意点和震源(即生成震动的断裂点)之间的距离。他们使用指示不同波的地震仪来实现这一目的。若要查明地震仪 和震源之间的距离,科学家们还需要知道震动到达的时间。有了这些信息,他们只要记录两种波到达的时间差,然后核对一个特殊表格,就可以根据延时长短,推算 出震波经过的距离。
如果你从三个或者更多个点来收集延时信息,那么就可以通过三边测量法计算出震源位置。基本上,只要在每台地震仪所在位置周围画一个虚构的球,以测量点为球 心,以测量点到震源的测量距离(我们称之为X)为半径。圆的表面包括距离地震仪X公里的所有点。那么,震源一定是在该球上的某个位置。如果根据两个不同的 地震仪画出两个球,你就会在它们的相交处得到一个二维圆周。由于震源必须沿着两个球的表面,因此所有可能的震源点都位于这两个球相交而形成的圆上。第三个 球只与此圆相交两次,指出两个可能的震源点。因为每个球的圆心都在地表,所以其中一个点将位于空中,剩下的那个点就是震源位置。
评估震级和烈度
每次新闻中播报大地震消息,你可能都会听说里氏震级指数。你可能还听说过麦加利震级指数,虽然人们不常说起此种震级。这两种震级评估从两种角度说明了地震的力量。

在委内瑞拉加拉加斯发生的里氏6.6级地震所造成的破坏。1967年发生的地震,导致240人丧生,并造成5千万美元的财产损失。
里氏震级用来评估地震的震级,即地震所释放出能量的大小。震级是通过地震仪搜集到的信息计算出来的。里氏震级为对数,即以整数的十倍增加。在这种情况下,增加的是波幅。也就是说,6级地震中的波幅比5级地震中的波幅大10倍,而9级地震的波幅比7级地震的波幅增加了100倍。所释放能量在这两个数值间增加了31.7倍。
当前使用里氏震级记录的最大一次地震是9.5级,不过在地球的历史上肯定还有更强烈的地震。大多数有记录的地震都低于里氏3级。这些人类通常感觉不到的震动,称为微震。一般说来,里氏4级以下的地震都不会造成太大破坏。大地震主要是指7级或7级以上的地震。

1964年在阿拉斯加州安克雷奇市发生的威廉王子海湾地震,对一所学校造成的破坏。在这场记录为里氏9.2级的地震中,有131人丧生,并造成5.38亿美元的财产损失。
里氏评估只是为你提供了地震所造成实际影响的大致概念。正如我们所见,地震的破坏力根据某一区域的地表成份,以及人造建筑的设计和位置不同而有所变化。破 坏的程度按照麦加利震级进行评估。麦加利评估是以罗马数字给出,很大程度上建立在主观诠释的基础上。一场仅有部分人能感觉到震动,并且没有严重财产损失的 低强度地震,被评估为II级。只有导致建筑摧毁、地面断裂,或引发其它自然灾难(如塌方或海啸)的地震,才应用最高的XII级。

1964年日本新泻市发生的7.4级地震所带来的破坏。
地震发生后,科学家们将不同地震台的数据进行比较,很快就可以确定里氏震级。另一方面,在调查人员与大量目击者交谈,从而查清地震中发生的情况后,才能确定麦加利震级。他们在了解破坏范围之后,就会运用麦加利标准来做出适当的评估。
液化在某些区域,严重的地震破坏是土壤液化的结果。在适当条件下,地震的猛 烈震动会使松散挤压在一起的沉积物和土壤像液体一样流动。当建筑物或房屋建造在这种类型的沉积物上,液化将会使建筑物更加容易倒塌。建造在松散地面物质上 的高度发达地区,即使在发生相对轻微的地震时也会遭遇严重破坏。液化还可能导致严重的泥流,最近在中美洲发生的类似地震夺取了许多人的生命。实际上,在这 种情况下,泥流才是最重要的破坏力,将夺走成百上千人的生命。
灾后处理
我们现在对地震的了解要比50年以前多得多,但是我们对它仍然束手无策。地震是由强大的基础地质运动造成,人类完全无法控制。而且这些运动相当难以预测, 因此现在无法确切告诉人们什么时间会发生地震。第一道被检测到的地震波会通知我们,更强大的震动就要到来,但是这充其量不过提前几分钟为我们提供了警告。

1964年在阿拉斯加州安克雷奇市发生的威廉
王子海湾地震,对市区造成的破坏情况。
根据地球板块的移动和断层带的位置,科学家们可以判定哪里可能会发生大地震。通过查看某一地区的地震史,并沿断层带检测何处压力正在逐渐增强,科学家们还能做出大体推测,某一地区何时可能会发生地震。这些预报非常含糊,但数十年来一贯如此。科学家们对余震的预测比较成功,这些是在初震之后再度发生的地震。这些预报是在对余震进行广泛研究的基础上做出的。沿一个断层发生的地震,有可能引发与该断层连接的其他断层发生地震,地震学家可以对此做出比较准确的推测。
另一个研究领域是岩石物质和地震中磁荷和电荷之间的关系。一些科学家已经做出假设:恰恰在地震发生前,这些电磁场会在某个方面发生改变。地震学家还在研究气体渗出和地面倾斜,这些都是地震的预警信号。但在极大程度上,他们不能用这些预报可靠地预测地震。
那么,对于地震我们可以做些什么?在过去的50年中,主要的进步体现在准备工作上,尤其是在建筑工程这一部分。1973年,一套用于建筑结构的国际标准 《统一建筑规范》,增添了对抗震波力的建筑规范。其中包括加强支撑材料以及设计建筑物,从而使它们柔韧到足以吸收震动,而不会造成倒塌或损坏。设计这种可 以承受冲击的建筑物非常重要,特别是在地震多发区。若想进一步了解科学家们如何通过新方法,来保护建筑物免受地震影响,

1989年加利福尼亚洛马-普雷塔地震中断裂的桥柱。
准备工作的另一个要素是教育公众。美国地质调查局(USGS)和其他政府部门已经制作了若干宣传册,说明与地震有关的程序,并就如何对可能的地震进行室内准备,以及发生地震时该采取哪些措施提供了指导。要了解应进行哪些准备工作,请查看红十字会提供的在线指导。

1906年发生的旧金山大火就是强烈地震引发的。地震带来的震动和灾难性大火摧毁了大半个城市,造成25万人无家可归。
将来,对预报和准备工作的改进应进一步最大程度地降低与地震有关的生命和财产损失。但是,要想为每次可能发生的地震做好准备,还需要很长时间。就跟恶劣天 气和疾病相同,地震也是一种不可抗力,由形成地球的强大自然作用促成。我们能做的就是,加强对地震征兆的了解,并制定出更好的处理方法