《自然灾害》:地震灾害

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。

古代世界的七大奇迹都毁于地震灾害

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)。

西方版画中记载的1805年意大利那不勒斯地震

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

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。

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

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。

  • 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。

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。

跨圣安德烈斯断层的篱笆当断裂弹性回跳时造成的结果

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。

1739年平罗地震断层顺时针运动造成长城宁夏段的错位

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(图片由王兰民提供)

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:

地震矩卡通示意图

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。

地震参数-卡通示意图

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。

  • 地震波

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。

地震波P波和S波的卡通示意图

地震波P波、S波和面波的卡通示意图

图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。

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. Love。

地震瑞利波Rayleigh

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)。

地震勒夫波Love

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。

地震走时: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

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

实际地震位移图

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。

  • 地震是照亮地球内部的一盏明灯

地球物理勘探和拍西瓜

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105 o ~142o 的范围。人们关于地球内部的认识就从地震波而得来。

全球地震台记录到的2004年印尼地震海啸地震波图

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,R3 R1 相同,只是多绕地球转了一圈,R4 R2 相同,也多绕地球转了一圈。

来源 J.PARK, K.ANDERSON, R.ASTER, 等(2005)

地球内部的分层结构和地震影区

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103 o -143o 的范围。

地球内部分层和各层的地震波速度

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。

地球内部分层示意图

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-Nature

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。

  • 地震波的多种应用

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。

利用地震波进行勘探

图20 利用地震波进行勘探

全面禁止核试验条约(CTBT)的地震台站分布

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。

天然地震和地下核爆破的不同地震波

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。

俄罗斯的库尔斯克号潜艇

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地震动

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)

美国911事件,美国世界贸易中心倒塌

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

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。

全世界每年记录的地震事件数目

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。

科学家们和公众询问地震的一个基本问题就是它的大小。表示地震大小基本有两种方法,一种是利用地震震级表示地震的大小;另一种是根据地震造成的破坏程确定地震的大小。

地震作为一种自然现象,它有大有小,大可以大到使山崩地裂、房倒屋塌,小可以小到人体根本感觉不到、只有灵敏的仪器才能记录到。如何表示地震的大小呢? 第一种方法,用地震 所释放的能量来表示 地震的大小,用地震的震级(magnitude)表示地震所释放的能量的大小,震级大的地震,释放的能量就多。上面已经说过,地震所释放的能量可以用地震矩MO 来表示:

MO =μAD

其中μ是介质的剪切强度,A 是断层面的面积,D 是断层两盘相互滑动的距离。用能量定义的震级叫做地震的矩震级MW MW 与地震矩MO 的关系是:

MW = logMO / 1.5 – a

式中a是一个常数,它与M0 的单位选取有关,例如,金森博雄以牛顿·米作为M0 的单位,a=6.06。若以达因·厘米(dyne-cm)为单位,则a=10.7。实际确定地震的震级时,根据地震仪记录到的地震波幅度的对数来进行标度的,这就是通常用到的里克特震级即里氏震级。

几位著名地震学家1956年的合影,从左到右:Frank Press,Beno Gutenberg,Hugo Benioff和Charles Richter

图26 几位著名地震学家1956年的合影,从左到右:Frank Press,Beno Gutenberg,Hugo Benioff和Charles Richter。其中里克特(Richter)是里氏震级的发明人。

来源 洛杉矶检查报

 根据地震仪记录到的地震波幅度确定地震的里氏震级

图27 根据地震仪记录到的地震波幅度确定地震的里氏震级

地震释放的地震波能量Es与震级M有下列关系(能量E以尔格计):

logE=11.8+1.5M

从上式可以看出,不同震级地震的能量差别是很大的。震级每大一级,地震的能量就大101.5 (约31.6倍),即2级地震的能量是1级地震的31.6倍,3级地震的能量则是1级地震的101.5+1.5 =1000倍。所以,尽管小地震数目比大地震多得多,但总能量中的大部分仍是由大地震释放的。

自然界各种事件的能量排序

图28 自然界各种事件的能量排序

地震的能量到底处于什么数量级上呢?我们可以来做几个比较。如果把1945年美国扔在日本广岛的原子弹(相当于2万吨标准TNT炸药)埋在地下十几公里处让它爆炸,相当的震级是5.5级;而唐山地震则相当于2800颗这样的原子弹在地下爆炸。可见地震的能量是十分巨大的。我们还可以把自然界中的各种现象在能量上作一个排序。上图是以尔格表示的能量图。天上闪电的能量大概相当于10 16 尔格。现在已知最大的能量大约为1032 尔格,这是7000万年前,一个直径10公里的天外星体以每秒20公里的速度撞到地球上,产生了大量的灰尘,使地球变成了一个黑暗的世界,有的学者认为正是这场灾难导致了恐龙的灭绝。这个能量是现在我们所知道的最大的。在这样一个广阔的能量图中,地震(图中的红点)大约位于其中部,例如唐山地震约相当于10 23 尔格。可见,地震作为地球上的一种自然现象,它的能量对于人类社会乃至整个自然界的影响都是相当大的。

地震的震级和能量

图29 地震的震级和能量

地震的矩震级和里氏震级是表示地震大小的两种不同的震级,矩震级是上世纪80年代发展起来的,而里氏震级要早的多,是上世纪30年代提出的,因此,里氏震级应用要早.对于大多中等地震,两种震级基本相同,而对于特别大的地震,矩震级描述比里氏震级要好。

地震的几种不同的震级

里氏震级ML 是里克特在1935年提出来的。它是以地震仪所记录到的地震波振幅为基础。当地震震源大小一定时,距离震源愈远震波的振幅就愈小;当与震源的距离一定时,则震波的振幅与震源的大小成正相关。 里氏震级被定义为︰一台标准地震仪(当时叫做伍德-安得生(Wood-Andersion)式地震仪,自由周期0.8秒,倍率2800倍,阻尼常数0.8),在距离震中100公里处所记录的最大振幅A(以微米计)的对数值︰

L =log(A)

显然,100公里外发生地震,地震仪记录真实地动为1微米,则该地震为零级地震。同样,从里氏震级的定义可以知道,如果地震和台站之间距离不变,地震震级大1级,地震产生的震动的振幅大10倍;震级大2级,振幅大100倍;震级大3倍,振幅大1000倍,依次类推。 但是地震并非都发生在距离测站100公里处,因此在计算地震震级时,我们必须考虑震中距△(即震中与台站之间的距离, 以度为单位)的修正,则上式可以修正为︰

L =log(A)+2.56log(△)-5.12

里克特还发现,上述里氏震级仅适用震中距离小于600公里的地震,当震中距离超过600公里时,用面波来确定震级比较适合。1966年苏黎士国际地震学会上进一步扩展了里氏震级,计算面波震级(Ms)时,应考虑最大振幅之外,还须考虑周期T和震中距离:

Ms=log(A/T)+1.66logΔ+3.3

里氏震级提出后约半个世纪,Kanamori发展出由地震矩(M0 )计算地震的矩震级的方法(矩震级的测定正文中已有介绍)。这种发展基于两个原因。第一,里氏震级是一种测量震级,而矩震级则是考虑地震机理的物理震级;第二,里氏震级难以测量特大地震。当M W <7.25时,矩震级MW 的测量结果与用里氏面波测量的震级MS 的测量结果基本一致;但当MW > 7.25时,面波震级MS 开始出现”饱和”,也就是测量出的面波震级MS 低于能反映地震真实大小的矩震级MW 。而当MW =8.0-8.5时,MS 达到完全饱和,也就是此时无论M W 如何增大,测量出的面波震级MS 不再跟着增大。所以,当测定大地震的震级时,如果采用MW 以外的其它震级标度,则会由于震级饱和而低估地震的震级。地震的矩震级对大地震无饱和的现象。

几种震级的关系-矩震级-面波震级-里氏震级-体波震级

图30 几种震级的关系

表示地震大小的第二种方法,是用地震在地面上产生的破坏程度,地震越大,它产生的破坏就大。我们把地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度叫做地震烈度。中国和世界上多数国家一样,采用12级的地震烈度表。下面给出不同地震烈度对应的地面破坏情况(习惯用罗马数字表示):

  • 小于Ⅲ度:人无感受,只有仪器能记录到;
  • Ⅲ度:夜深人静时人有感受;
  • Ⅳ-Ⅴ度:睡觉的人惊醒,吊灯摆动;
  • Ⅵ度:器皿倾倒、房屋轻微损坏;
  • Ⅵ-Ⅶ度:房屋破坏,地面裂缝;
  • Ⅷ-Ⅹ度:房倒屋塌,地面破坏严重;
  • Ⅺ-Ⅻ度:毁灭性的破坏。

震级和烈度都是表示地震大小的量,但是两者有很大的不同.震级是表示地震所释放的能量的大小的,因此,一个地震只有一个震级。而烈度表示的是地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度,对同一个地震,不同的地区,烈度大小是不一样的。距离震源近,破坏就大,烈度就高;距离震源远,破坏就小,烈度就低。还可以举个例子说明震级和烈度的不同,地震震级好象不同瓦数的日光灯,瓦数越高能量越大,震级越高。烈度好象屋子里受光亮的程度,对同一盏日光灯来说,距离日光灯的远近不同,各处受光的照射也不同,所以各地的烈度也不一样。

地震烈度的表示方法

图31 烈度是地震造成地面及房屋等建筑物的破坏程度,它也是表示地震大小一种方法,地震越大,它产生的破坏就大,地震烈度就大。 但是,烈度和震级不同。一个地震只有一个震级。而烈度表示的是地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度,对同一个地震,不同的地区,烈度大小是不一样的。距离震源近,破坏就大,震中处的烈度就高;距离震源远,破坏就小,烈度就低。图中I:烈度。M:地震震级;R:震中距。

世界上几种常用的烈度表

图32 世界上几种常用的烈度表,大多数国家使用12级烈度表,最早的12级烈度表是由意大利科学家Mercalli在19世纪提出来的,判断烈度主要利用19世纪的建筑物的破坏情况。以后,根据20世纪末期建筑物的发展,修改了判断烈度的标志,新的12级烈度表被叫做修改后的Mercalli烈度表,简称MMI(Modified Mercallii Intensity)。中国使用的12级烈度表于MMI烈度表相近,烈度判断标志根据中国建筑的特色做了部分修改。

唐山7.8级地震的烈度图

图33 唐山地震的震级为7.8级,它的烈度分布如上图所示:唐山X度;天津VII度;北京VI度。描述地震大小的两种方法可以通过地震震级和震中烈度联系起来:5级地震-震中烈度VI-VII度,6级地震-震中烈度VIII度;7级地震-震中烈度IX-X度;8级地震-震中烈度XI-XII度。

  • 地震带

我们已经知道地震在地球上的分布不是完全没有规律的,也不是完全有规律的,即地震活动是规律性与随机性共存。从全球地震震中分布图上可以看出,地震主要分布在三个地震带上。首先约70%的地震分布在环太平洋地震带,包括日本、台湾、美国加州圣安德列斯断层区等著名的地震活动区。第二个地震带是从地中海到喜马拉雅的欧亚地震带,其上地震分布的特点是比较分散,不像环太平洋地震带那么集中那么有规则,欧亚地震带约占全球地震的15%左右。第三个地震带是沿着各大洋洋中脊分布的洋脊地震带,约占5%左右。全球地震的这种成带分布可以用板块学说来解释。板块学说认为,地球的岩石圈是由若干刚性块体组成的,板块内部相对比较稳定,各板块之间则发生俯冲、碰撞、剪切等多种作用,正是板块之间的相互运动造成了地震的孕育和发生,所以大多数地震都分布在板块的边缘地区。全球的地震基本上分布在这三个地震带上,但仍有约10%的地震不是那么有规律,而是分布在这些地震带之外、离板块边界相当远的地方。这就是所谓的”板内地震”,典型的如美国的新马德里地震带,它远离板块边界,却频繁发生大地震,中国大陆发生的地震多属”板内地震”,其发生机制仍然是个未解之谜。

 全球强震分布与板块构造

图34 全球强震分布与板块构造

中国地震台分布图

图35 中国地震台分布图(截止到2006年8月,共有:首都圈台网107个台,国家台网48个台,其他地区台网393个台。部分地震台资料可以在网上查到: www.csndmc.ac.cn

中国现代地震仪器观测始于十九世纪末期。日本侵占台湾省后,在1897年建立了台北地震台,以后,又陆续建立了台南台(1898)、台中台(1902)、台东台(1902)、恒春台(1907)。1904年法国教会所属的上海徐家汇观象台增设了地震仪,建立了中国大陆第一个地震台。中国人自己建立的第一个地震台,是李善邦先生等1930年在北京建的鹫峰地震台,从1930年冬到1937年抗日战争爆发为止,共记录2472次地震。

中国地震震中分布图

图36 中国地震震中分布图(公元前780年至2005年,地震的大小见图左下方的图标)

在中国的地震震中分布图上可以看到,震中分布有的地方密,有的地方稀,分布的规律远不如海洋地震那样有规律。这正是大陆地震与海洋地震不同的地方。按照地震分布的密集,同时,考虑到地质背景,也可以象海洋一样,划分出一些地震带来。例如,非常明显的一条南北地震带,它北起阿拉善地块,经山丹、民勤、银川与秦岭相遇,然后从天水,沿岷江上游而下,直至怒江、澜沧江,直到云南西部,全长2000多公里。又如,另一条是华北地震带,它始于西安附近,经华县,进入汾河河谷,再经临汾、太原、大同转而向东,过蔚县、怀来、延庆,直到渤海。中国大陆的地震震中分布比海洋要分散的多,这意味着,中小地震在大陆各地随机发生的可能性,比海洋要大的多。

1900-2000年间中国大陆每年5级以上地震数目

图37 1900-2000年间中国大陆每年5级以上地震数目

  • 地震的频度

根据位于伦敦的国际地震中心(ISC)的统计,从1964年开始到1999年,全球发生的各种大小的地震数目如下:

表1 国际地震中心ISC(1964-2001)地震数目统计

由于上世纪60年代之前,全世界的地震台站不多,许多小地震可能记录不到,所以国际地震中心(ISC)只给出1964年以后的结果。美国科学家恩达尔等统计了全世界各国的地震记录结果,发现:从1900年以来,7级地震的记录是完备的;1930年以来,6.5级地震的记录是完备的;1964年以来,5.5级地震的记录是完备的。下表是他们的统计结果:

表2 恩达尔等20世纪(1900-1999)目录统计

注:7级以上地震该记录是完备的,而7级以下地震则有许多遗漏。

以上的两种地震数目的统计,结果不尽相同,原因是所用的震级不同,ISC用的是里氏震级,而恩达尔等用的矩震级(如上个世纪,世界上记录到最大的地震是1960年发生在南美洲的智利地震,它的里氏震级为8.9级,而它的矩震级为9.5。对与多数地震而言,两种震级是比较接近的。),两种统计的时间段也不同。但他们的统计不仅让我们获得了地球上一年发生多少次地震的概念,而且还告诉我们关于大小地震之间的频度的关系。地震有大有小,那么到底是大的多还是小的多呢?从上面的表中可以看到,小地震比大地震要多,即震级越大、地震数目越少。实际上,这种多少是有一定比例关系的,即9级地震数目与8级地震数目的比值约等于8级与7级地震数目的比值,也约等于7级与6级地震的比值,这样可以依此类推下去。有趣的是,这种现象我们在自然界中遇到了很多,比如说,千年一遇的洪水与百年一遇的洪水数目的比值等于百年一遇的洪水与十年一遇数目的比值,还有天上的星星一等星与二等星数目的比值等于二等星与三等星的比值,等等,这些比值都是比例常数,都存在一个幂指数关系,这好像是自然现象的一个共同规律。而在地震学中这个现象发现得很早,这就是著名的古登堡─里克特关系(G-R关系),即若以N(M)表示震级大于M的地震数目,则N(M)与M之间有幂指数关系:

logN(M)=a-bM

其中a、b为常数,从中可以容易推出N(M+1)/N(M)常数。

美国地震信息中心(NEIC)给出的地震的大小和地震的数目的关系图

图38 美国地震信息中心(NEIC)给出的地震的大小和地震的数目的关系图。图中的颜色代表地震的震源深度。从图中可以看出,地震越大(震级越高),这种震级的地震数目越少。

中国大陆1970年以来发生的震级大于或等于M的地震数据N(M)与地震震级M的关系

图39 中国大陆1970年以来发生的震级大于或等于M的地震数据N(M)与地震震级M的关系:LgN=a-bM。其中a,b为常数:a=6.9,b=0.8

  • 国外9 次大地震

表3 1900年以来世界上的一些重大地震灾害

1906年美国旧金山地震

图40 1906年4月18日清晨5点20分,美国旧金山(38.0˚N,123.0˚W)发生8.3级地震,60,000余人遇难。震时全城起火,社会秩序一度混乱,抢劫杀人等恶性事件多有发生。全市进入紧急状态。近10万人逃离城市,经济损失超过5亿美元。

来源 San Francisco Public Library

1923年日本关东大地震

图41 1923年9月1日中午,日本东京附近(35.0˚N,139.5˚E)发生7.9级强烈地震,被称为关东大地震。50万座建筑物被毁,14.3万人死亡,20万人受伤,50万人无家可归。地震引起了全城大火,同时还引起了严重的滑波和泥石流。

来源 SiberHegner

1960年智利9.5级地震海啸

图42 1960年5月22日下午3时11分,南美洲智利发生震级9.5地震,这是20世纪全球发生的震级最大的地震。震中烈度可达XII度。其后两天之内,在南纬36度至48度之间,沿海岸南北长1,400公里的狭长地带,发生上百次强烈地震,其中超过8级的3次,超过7级的10次。地震造成5,700人死亡,几十万座房屋被彻底摧毁。这次地震还引起了附近的火山喷发,地震引起的海啸,席卷了整个太平洋地区。

来源 Pierre St. Amand,NGDC/NOAA

1964年美国阿拉斯加地震

图43 1964年3月27日当地时间下午5点36分,20世纪的第二大地震发生在美国的阿拉斯加,地震的矩震级为9.2。阿拉斯加人烟稀少,所以地震造成的人员伤亡和财产损失不大。但这次大地震造成520,000平方公里大规模的地面变形。

来源 USGS

1960年和1964年的地震海啸

图44 和1960年智利大地震一样,1964年阿拉斯加大地震也产生了海啸,图中给出了这两次地震产生的海啸在太平洋的传播时间分布。似乎阿拉斯加地震产生的海啸波传播速度要稍快一些。

1994年洛杉矶北岭地震

图45 1994年1月17日清晨4点31分,洛杉矶西北35公里的北岭市发生6.8级地震(34.9˚N,118.8˚E),死亡55人,受伤7,000余人,直接经济损失200亿美元,是迄今为止美国历史上损失最严重的地震。

来源 J. Dewey, USGS

1995年日本阪神地震

图46 1995年日本阪神地震时金属结构的高架桥破坏照片。这次地震使得大阪和神户的金融、信息和物流中心的功能受到严重影响,这方面的经济损失高达500亿美元之多。而这次地震造成建筑物和设施破坏等工程损失只有480多亿美元。这是地震灾害史上,地震灾害的软损失(商业中断,金融、信息和物流中心的功能受到影响)第一次超过硬损失(工程损失)。

来源 Dr. Roger Hutchison,NGDC/NOAA

2001年印度古吉拉特邦板内地震

图47 2001年印度古吉拉特邦7.7级地震是迄今为止记录到的最大的板内地震之一,也是印度历史上伤亡最惨重的地震之一,估计死亡总数达13000人。造成的经济损失也使印度经济受到了沉重的打击。

来源 a:Paras Shah, AP b:Enric Marti,AP

2003年伊朗巴姆地震

图48巴姆城坐落在伊朗的东南面,是一座重要的历史古城。这座城市的重要特色在于它的所有建筑都是用泥土砖块,粘土,干草和木头建构而成。这座城市建于公元224,久经战火,但一直屹立到2003年12月26日之前。巴姆为位于”丝绸之路”的旁边,被誉为卡维尔盐漠中的”翡翠”,令众多电影导演和游客为之着迷。

来源 新华网

2003年伊朗巴姆地震卫星遥感图

图49 2003年12月26日清晨,天还未亮,伊朗巴姆城(震中位置为29.0˚N,58.3˚E)的民众都还躲在被窩中熟睡。突然间,天搖地动,以土砖建成的樓房,如积木般垮下。頓时,整座城市烟尘弥漫,哀鴻遍野,數万名鎮民被压在碎瓦之中。地震瞬息消逝。尘埃落定后,巴姆已是一城废虚,等待著黎明的到來。27日, IKONOS卫星获得了这张卫星图,图中可以看到把母城的破坏。据报道,70%的建筑在这次地震中倒塌。

来源 Space Imaging

2003年伊朗巴姆地震-中国救援队

图50 巴姆地震彻底摧毁了这座历史古城。伊朗内政部长27日站在一片瓦砾堆中说:”这里已没有一栋完好的建筑。” 图为中国救援队在震区寻找存活者。黄建发摄,中国地震局

2003年伊朗巴姆地震

图51 震后的巴姆城几乎夷为平地。原9万人口,4.1万死亡,2万余受伤,无人有家可归。图为一名神职人员在为死难者祷告。

来源 新华网

2004年印度尼西亚苏门答腊地震海啸

图52 印度尼西亚苏门答腊岛以北海域,2004年12月26日上午8时发生里氏9.0级强烈地震,地震引发的海啸造成了远比地震本身惨重得多的损失,30万人遇难。印度尼西亚总统苏西洛26日晚宣布当天上午苏门答腊附近海域发生的强烈地震为国难,并对在地震及其引发的海啸中死难者表示哀悼。图为印尼班达齐灾民在海滨大帐篷栖身。

来源 高中地理选修5

2005年巴基斯坦地震

图53 《地震废墟中找到的家人照片》 (美国《时代》周刊评出的2005年度最佳照片之一,摄影:萨马德)。2005年10月8日巴基斯坦和印度交界处发生的里氏7.6级强烈地震已使 88000人死亡,人们在巴基斯坦地震废墟中找到的家人照片。作者:萨马德

2005年巴基斯坦地震

图54 美国《时代》周刊评出了2005年度的最佳照片之一:《真主的怒火》。2005年10月8日巴基斯坦和印度交界处发生的里氏7.6级强烈地震已使 88000人死亡。巴基斯坦的巴拉科特在不到30秒的时间里就成为了一片废墟,镇子里几乎所有的建筑物都在地震中倒塌。8名男子在地震发生后在清真寺的废墟上进行晚祷告。作者:古特费德尔

2005年巴基斯坦地震

图55 2005年12月27日《今日美国》报评出了2005年度最佳新闻图片,2005年10月8日发生的 南亚大地震 不仅使87000多人丧生,而且摧毁了巴基斯坦西北和巴控克什米尔350万人的住所。四百多万灾民急需援助,其中包括这名在地震重灾区巴拉科特无家可归的小女孩,她将面临喜马拉雅地区冬季的严寒天气。作者:Tomas Munita,AP

2005年巴基斯坦地震

图56 南亚地震中年轻的罹难者:10月14日,巴基斯坦城市巴拉考特郊区,一座学校分废墟下埋者一个孩子。( (美国时代周刊评出05年度最佳照片之一,穆尼塔摄)

  • 中国的大地震

以下重点介绍5个中国的地震。

1、1920宁夏海原:中国地震现场考察的开始

1920年12月16日,宁夏(当时属甘肃)海原发生8.5级特大地震,伤亡和损失极其严重。除直接死于房屋、窑洞倒塌者外,更有大量居民因缺少救济和医疗死于饥寒和瘟疫,约有20万人丧生。灾情惊动了全国上下。中外近百个地震台都记录到了这次能量巨大的地震。据当时的《中国民报》记裁了震后的悲惨场面:”清江驿以东,山崩土裂,村庄压没,数十里内,人烟断绝,鸡犬绝迹。”死亡在万人以上的有6个县。其中以震中海原县最严重,达7万人,占县总人数的-半以上。地震造成自甘肃景泰兴泉堡至宁夏固原县硝口长达215公里的巨大破裂带,至今仍清晰可辨。海原地震的滑坡数量多,规模大。滑坡堵塞河道,形成众多的串珠状堰塞湖。

当时的地质调查所所长翁文灏亲自带队前往现场调查,回来写出了”甘肃地震考”等论文。翁文灏所长认识到,地震现象不能只由地质学家通过宏观考察进行研究,还需要设立地震台进行观测,以便应用物理方法研究地震的本质。于是,他安排李善邦于1930年在北京西山的鹫峰建立了地震台,该台自1930年冬到1937年抗日战争爆发为止,共记录2472次地震。这是中国人自己建立的第一个地震台。

李善邦等于1930年在北京西山的鹫峰建立了地震台

图58 1920年海原大地震后,李善邦等于1930年在北京西山的鹫峰建立了地震台,该台自1939年冬到1937年抗日战争爆发为止,共记录2472次地震。这是中国人自己建立的第一个地震台。图中李善邦站在”地质调查所鹫峰地震研究室”前。

1951年李善邦先生主持研制的我国第一台地震仪

图59 1951年李善邦先生主持研制的我国第一台地震仪

2、1966河北邢台地震:地震预报实践的开始

1966年3月8日凌晨,河北省邢台地区隆尧县发生6.8级强烈地震。紧接着3月22日,在稍北的邢台地区宁晋县再次发生7.2级强烈地震。两次地震共约八千余人丧生,四万余人受伤。这是建国后首次发生的在人口密集地区,人员伤亡和财产损失最为严重的一次地震。

这次地震灾情严重,除震区人口密集外,还有两个特别原因。第一个是地基。邢台地区位于河北省南部,以西是太行山及山前地带,东部为巨厚的沉积平原,古河道密布,黄土沉积层很厚,地下水很浅,是有名的涝洼盐碱地区。因而该地区地基土壤饱含水分,加重了地震对建筑物的破坏。第二个是房屋特点。当地农村多为土坯房屋,房顶巨厚,秋季可以在房顶上晒粮食,用石碾子脱粒,毫无一点抗震措施。这些因素的综合作用使邢台地震造成的损失极为严重。前后两次地震的震中烈度分别达到Ⅸ度和Ⅹ度。地震造成了京广线铁路中断,其影响波及北京、天津、河北、山西、山东等省市。

极震区地形地貌变化显著,出现大量地裂缝、滑坡、崩塌、错动、涌泉、水位变化、地面沉陷等现象,喷水冒沙现象普遍,最大的喷沙孔直径达2米。地下水普遍上升2米多,许多水井向外冒水。低洼的田地和干涸的池塘充满了地下冒出的水。淹没了农田和水利设施。地面裂缝纵横交错,延绵数十米,有的达数公里。

1966年河北省邢台地区隆尧县发生6.8级强烈地震

图60 1966年3月8日凌晨,河北省邢台地区隆尧县发生6.8级强烈地震。紧接着3月22日,在稍北的邢台地区宁晋县再次发生7.2级强烈地震。两次地震共约八千余人丧生,四万余人受伤。这是建国后首次发生的在人口密集地区,人员伤亡和财产损失最为严重的一次地震。

地震队在邢台建立的第一个地震综合观测台站--红山地震台

图61 邢台地震后,中国开始了地震预报的实践。在邢台地震后,建成了中国第一个遥测台网, 建立了中国地震局,建立了地震会商制度。图中记录的是地震队在邢台建立的第一个地震综合观测台站–红山地震台,科技人员正在用石头垒出”红山”两个大字。

中国地震工作者很早就对1920年的海原地震、1954年山丹地震进行过科学考察,对大地震前的地震活动和前兆现象进行过研究,但是真正意义上的中国地震预报科学实践却是从邢台地震开始的。

邢台地震纪念碑

图62 邢台地震纪念碑,碑文如下:

一九六六年三月八日五时二十九分及二十二日十六时十九分,我区隆尧县白家寨、宁晋县东汪先后发生六点八级和七点二级强烈地震,震源深度十公里左右,震中烈度为九度强和十度,波及百余县、市,尤以隆尧、宁晋、巨鹿、新河为烈。震前,地光闪闪,地声隆隆。随后大地颠簸,地面骤裂,张合起伏,急剧抖动,喷黄沙、冒黑水。老幼惊呼,鸡犬奔突。瞬间,五百余万间房屋夷为墟土,八千零六十四名同胞殁于瓦砾,三万余人罹伤致残,农田工程、公路、桥梁悉遭损毁。灾情之重实属罕见,伤亡残状目不忍睹。

震后,周恩来总理冒余震之险三次亲临现场,体察灾情,面慰群众,提出”自力更生、奋发图强、发展生产、重建家园”之救灾方针。李先念副总理暨中央慰问团亦即赶来,抚民心,励自救。党中央、国务院之深切关怀,使灾区人民没齿难忘。

省、地、县党政领导亲临现场指挥抗震救灾,组织发展生产,帮助灾民重建家园。

一方有难,八方支援。两万四千名中国人民解放军指战员星夜奔来,舍生忘死,排险救人,十指淌血活民命于绝境,搭棚架屋,废寝忘食而助民以安居,诚谓德高齐天。来自京、津、沪、石等市七千医护人员,含辛茹苦,救死扶伤,实乃情深若海。全国各族人民莫不伸出友谊之手,纷纷投函致电,捐款赠物,运来灾区的衣食用品、生产物资,难以数计。

对此,灾区人民无不感激涕零,由衷呼出”天大地大不如党的恩情大,千好万好不如社会主义好!”并化悲痛为回天之力,重整山河、创业建功。废墟举处,当年即粮棉丰登,新房排排,新村片片。

在周总理的亲自指挥下,三十多个科研单位、五百五十余名科技人员先后赶到地震灾区,进行我国有始以来规模最大的地震现场考察实验。从此,前所未有的地震预报工作在我国广为开展,专群结合,多路探索,使我国地震队伍迅速发展壮大,地震研究工作居于世界领先地位,邢台大地震堪为我国地震史上之里程碑。

抚今追昔,倏已廿载。如今灾区已是人笑年丰,地换新颜。然地震之惨痛教训,亲人之所遭不幸,终不能忘怀,党予人民救命之恩情,群众抗震卓绝之精神,永刻骨铭心。值此地震廿周年之际,特立此碑,以追怀亡者,激励今人,垂教后人。”

3、1975年辽宁海城地震:第一次成功的地震预报

1975年2月4日19时36分,我国东北部地区海城市及附近地区发生的7.3级地震,波及9000平方公里,震区地动山摇,海城境内2734平方公里顷刻间房屋倒塌,受灾人口达800余万。这次地震发生在人口稠密、工业发达的地区,是工矿企业、交通、电力和水利设施以及民房等遭到了不同程度的破坏。震区房屋倒塌达90%以上,按通常估计死亡人数会有10万人,由于成功的地震预报,数百万受灾人口中仅殁1328人。

海城地震成功预报30周年纪念碑

图63 海城地震成功预报30周年纪念碑

广为报道的1975 年中国海城7.3 级地震四阶段预报(长期、中期、短期和临震),曾令世界上许多人为之振奋。但因为当时的文件没有公布,而且预警发布详情也没有描述,海城地震的预报过程一直显得神秘。王克林和陈棋福等通过对已解密的文档资料的研究和与主要见证人的访谈,重现这一重要历史。他们的研究报告关于海城地震的预报情况是这样写的:”海城地震前有两次正式的中期预报,但未正式发布短期预报;地震当天,有一个县政府发布了具体的疏散令,而辽宁省地震工作者和政府官员的行动在实效上也构成了临震预报。上述行为拯救了成千上万的生命,但震区当时的建筑方式和傍晚发震的时间亦有助于减少地震的伤亡。灾区各地疏散工作极不均衡,由最低层的行政部门作出应急决策的情况较为常见。最重要的临震前兆是前震活动,但诸如地形变异常、地下水水位、颜色和化学成分的变化以及动物异常也起了一定的作用”。

4、1976河北唐山地震:20世纪死人最多的地震,预报受到挫折

1976年河北唐山发生7.8级地震,灾害极为严重。

1976年唐山地震灾害系统示意图

图64 1976年唐山地震灾害系统示意图

来源 高中地理选修5

唐山市中心的地震破坏情况

图65 唐山市中心的地震破坏情况

唐山地震工厂的破坏

图66 唐山地震工厂的破坏

唐山地震纪念碑

图67 唐山地震纪念碑。于1986年建成,碑名是前中共中央总书记胡耀邦题写的。纪念碑高76米,寓意1976年那个刻骨铭心的日子;纪念碑由四根棱柱组成,柱子的四个平面、八根平面交界线寓意四面八方,以纪念唐山地震后来自四面八方的支援。纪念碑碑文如下:

唐山乃冀东一工业重镇,不幸于一九七六年七月二十八日凌晨三时四十二分发生强烈地震。震中东经一百一十八度十一分,北纬三十九度三十八分,震级七点八级,震中烈度十一度,震源深度十一公里。是时,人正酣睡,万籁俱寂。突然,地光闪射,地声轰鸣,房倒屋塌,地裂山崩。数秒之内,百年城市建设夷为墟土,二十四万城乡居民殁于瓦砾,十六万多人顿成伤残,七千多家庭断门绝烟。此难使京津披创,全国震惊,盖有史以来为害最烈者。 然唐山不失为华夏之灵土,民众无愧于幽燕之英杰,随遭此灭顶之灾,终未渝回天之志。主震方止,余震仍频,幸存者即奋挣扎之力,移伤残之躯,匍匐互救,以沫相濡,谱成一章风雨同舟、生死与共、先人后己、公而忘私之共产主义壮曲悲歌。 地震之后,党中央、国务院急电全国火速救援。十余万解放军星夜驰奔,首抵市区,舍死忘生,排险救人,清墟建房,功高盖世。五万名医护人员及干部民工运送物资,解民倒悬,救死扶伤,恩重如山。四面八方捐物赠款,数十万吨物资运达灾区,唐山人民安然度过缺粮断水之绝境。与此同时,中央慰问团亲临视察,省市党政领导现场指挥,诸如外转伤员、清尸防疫、通水供电、发放救济等迅即展开,步步奏捷。震后十天,铁路通车;未及一月,学校相继开学,工厂先后复产,商店次第开业;冬前,百余万间简易住房起于废墟,所有灾民无一冻馁;灾后,疾病减少,瘟疫未萌,堪称救灾史上之奇迹。 自一九七九年,唐山重建全面展开。国家拨款五十多亿元,集设计施工队伍达十余万人,中央领导也多次亲临指导。经七年奋战,市区建成一千二百万平方米居民住宅,六百万平方米厂房及公用设施。震后新城,高楼林立,通衢如织,翠荫夹道,春光融融。广大农村也瓦舍清新,五谷丰登,山海辟利,百业俱兴。今日唐山,如劫后再生之凤凰,奋翅于冀东之沃野。 抚今追昔,倏忽十年。此间一砖一石一草一木都宣示着如斯真理:中国共产党英明伟大,社会主义制度无比优越,人民解放军忠贞可靠,自主命运之人民不可折服。爰立此碑,以告慰震亡亲人,旌表献身英烈,鼓舞当代人民,教育后世子孙。特制此文,镌以永志。

笔者(陈颙)是唐山地震后,最先进入唐山的地震工作者之一,并在唐山地震现场工作了一个多月–一场巨大自然灾害后最难忘却的一个月。作为一名当时在最基层工作的科研人员,我经历和看到了许多事情。

唐山地震中24余万人遇难

图68 历史永远记住这一天,唐山地震中24余万人遇难

地震后,我立即赶往唐山。从北京到唐山这一路给我的感觉是:地震的破坏就像扔了颗炸弹,破坏程度严重但破坏空间却非常局限。出发后100公里内,我没有看出沿途的农村房屋受多大程度的破坏,但是一进到距唐山20多公里的丰润地区,情况就出现了变化–路边的砖房开始开裂。由此可以看出,唐山地震虽然造成了巨大破坏,但破坏最严重的区域的半径也就在20公里左右。天津、北京市也遭到不同程度的破坏,但主要是对高层建筑,对老百姓民房的破坏还是很有限的。 从丰润再往唐山,情况就惨不忍睹了。整个唐山市变成了一片废墟。很多幸存者沿着马路呆呆地坐在废墟堆边,没有声音也没有眼泪–他们的眼泪早已哭干了。一座房子倒了会产生很大的灰尘;一座城市倒了,却不知道会扬起多高、多厚的灰尘?幸存者快变成黑人了,只有眼珠又大又白,满面的灰尘好像刚从土里钻出来。那是夏天的凌晨,很多百姓睡觉时都没有穿衣服,房屋倒塌后,无法从废墟中找寻自己的衣服,只好到附近的商店或别的地方抓来一件衣服。经常看得到这个街区的人们全都穿这种工作服,而另一个街区都穿那种工作服。唐山地委7名常委遇难,政府大楼也受到严重破坏。 如果我们把占一次地震灾害损失90%的时间和空间定义为造成地震灾害的时间和空间,全球20世纪的统计资料表明,100年内全世界所有地震造成灾害的时间不到1个小时,所有地震造成灾害的空间不到地球表面积的万分之一。因此,巨大的地震灾害发生在短暂的瞬间和非常局限的空间,这是地震灾害的显著特点,也是地震灾害有别于其它自然灾害的地方。

唐山地震时滦河大桥破坏,天津至唐山的交通中断

图69 唐山地震时滦河大桥破坏,天津至唐山的交通中断。

震后,唐山的交通堵塞十分严重,抢劫等不良现象时有发生。很快,针对这种非常的情况采取了许多非常措施后,情况发生了根本性变化。第一,严格的交通管制。没有通行证的汽车一律不许进入唐山市;市内凡是两车相对堵塞马路又不相让的,毫不客气地将它们翻到路边的废墟里,腾出道路来。第二,严格的治安管理。街上的人特别是出城的人,凡是手上戴两个手表的,或是骑自行车且车架上拉有箱子的,都被认为有抢劫的嫌疑,一律扣留. 这是在非常情况下必须采取的一些非常措施,任何重大灾害后都应这样做。如美国1906年4月18日旧金山大地震发生的当天,旧金山市市长发布市长令:”我授权联邦军队,各种警察可以开枪射杀进行抢劫或其他趁火打劫的任何人。 我已命令所有的煤气和电力公司停止供气和供电。 我下令宵禁,要求所有居民晚上呆在家中,不要外出。 我提醒全体居民注意火灾,特别留意那些破坏的烟筒和管道。 市长SCHMITZ。1906年4月18日。”

美国1906年4月18日旧金山大地震发生的当天,旧金山市市长发布的市长令

图70 美国1906年4月18日旧金山大地震发生的当天,旧金山市市长发布的市长令。

来源 http://www.sfmuseum.org/

交通堵塞极大地妨碍了伤员救治

图71 争分夺秒对于抢救伤员十分重要,交通堵塞极大地妨碍了伤员救治。

唐山地震时的民兵纠察队,昼夜巡逻,保卫国家财产和维持社会治安

图72 唐山地震时的民兵纠察队,昼夜巡逻,保卫国家财产和维持社会治安。

5、1999 台湾集集地震–重创台湾经济

1999年9月21日凌晨1时47分12.6秒,台湾中部地区于南投县集集镇附近发生ML 7.3级强烈地震(简称9.21集集地震)。震中位于日月潭西方12.5公里处,震源深度11公里。该地震破坏力相当大,在震中附近的南投县、台中县市造成极大的震害,甚至台北地区亦有不少震害发生。根据台湾气象局地震实时测报网收录资料报告,南投的最大地表加速度值(PGA)达989gal,相当于1G(一个重力加速度)。

1999年台湾集集地震的震中

图73 台湾集集地震的震中。各地的地震烈度分布为:6级:南投,台中;5级:宜兰,嘉义;4级:台北,高雄,台东。(注意,台湾使用的是7级烈度表,和MMI12级烈度表的大致对应关系为:6级-X ;5级-VIII;4级-VI-VII;3级-V-VI)

这次地震造成2400人死亡(含失踪)及11306人受伤,其中重伤4139人,受灾民众达约31万人,占台湾总人口1.4%,房屋毁损9.6万户,占台湾户数1.5%,地震损失估计超过200亿美元。台湾是个多地震的地区,但大多数地震都发生在海域,台湾经常受到这些海域地震的波及。这次则不同,集集地震发生在台湾岛上阿里山的中段,影响到台北等重要城市。这次地震损害之大,影响之广,是台湾一百年以来最大的地震灾害。 台湾”国立美术馆”珍贵藏品损失惨重,收藏架被震塌,毁坏的画作、陶瓷及雕塑品,价值难以评估。光是设备损失即达数千万元台币。台湾日月潭风景区也受损严重。台湾旅游管理部门除清理现场外,还重新规划重建日月潭。台湾岛内的火车全部停驶,台湾核一、核二厂自动调闸停电。台湾新竹科学园区在地震后全面停电,除造成生产线半成品报废外,高科技精密仪器也受到严重的损坏。 集集地震发生后,震级6.5级以上的强烈余震有4次之多,这是全世界相当罕见的例子。这是因为主震的能量被阻挡在中央山脉和雪山山脉之间,也因此造成4次大余震都集中在这里,这样特殊的地质现象也是全世界仅有的纪录。 集集地震主要是由车笼埔及大茅埔─双冬两条活动断层同时再次活动所引发。虽然活动断层的调查或研究,在台湾一向倍受重视,但万万没想到,这些断层真的会动起来。过去,很难将地震活动与断层连结起来,现在认识到,活动断层与地震确实有关。

1999年台湾集集地震

图74 1999年9月21日,台湾ML 7.3级地震,2400人死亡。这次地震造成的损失也创下了台湾地区地震损失的新纪录。新竹科技工业园生产半导体芯片的能力受到地震的严重破坏,影响到全世界笔记本电脑生产下降1/3达半年之久。

来源 NGDC/NOAA

1999年台湾集集地震的震中-水坝倒塌

图75 台湾ML 7.3级地震造成的丰原市附近的大坝破坏倒塌。

来源 NGDC/NOAA

  • 中国不是世界上地震最多的国家

根据国际地震中心(ISC)提供的地震目录,对1964年-1998年间,中、日、伊朗、土耳其、新西兰、台湾、希腊等国家和地区6级以上地震发生情况进行不完全统计,全世界发生地震的最多的国家,前三名分别是印度尼西亚、美国和日本,中国大陆最多排第五。包括台湾地区在内,全中国的地震活动在全球也不是最多的。

表4 1964年1月1日-1998年12月31日6级以上地震统计表

1964年1月1日-1998年12月31日6级以上地震统计表

世界各国和地区6级以上地震次数对比

图76 各国和地区6级以上地震次数对比

  • 中国是地震灾害最严重的国家

20世纪以来,全球因地震死亡人数是160万,而中国约60万。历史记载全球死亡超20万人的地震有6次,其中中国有4次(中国地震局局长陈建民2006年7月26日对新华社记者的讲话)。 如果从更长一点的时间来看,从历史上来看,中国的地震灾害更为严重。例如,人类历史上死人最多的地震就发生在中国,这是1556陕西华县地震。

明史记载:1556年陕西地震导致83万人死亡

图77 明史记载:1556年陕西地震导致83万人死亡。

1556年(明·嘉靖)12月23日,关中大地震,震中在陕西华县、渭南、华阴一带。河北、安徽、湖南等地都波及影响,面积达90万平方公里,其中有28万平方公里属于破坏区。由于这次地震发生在午夜12时,正当人们熟睡之时,死伤惨重。当时的记载说:”官吏军民压死八十三万有奇”。 为什么中国不是世界上地震最多的国家,但是地震灾害最严重的国家呢?我们可以从三个方面分析其原因。 首先,全球地震大多数发生在海洋,对人类造成灾害的主要是发生在大陆的那些地震,中国的陆地面积仅为全球的1/14,但中国的大陆地震占全球大陆地地震的1/3至1/4。20世纪地球科学板块理论的建立,使得人们对于海洋有了比大陆更多的了解。目前,科学家对大陆地震的认识远远比不上对海洋地震的了解。但是,光有这一点还不够。为什么同样的大陆地震发生在美国和日本,灾害比中国要小得多呢? 2003年,三次地震分别发生在日本、美国和伊朗。地震造成的死亡人数差别极大。

表5 2003年发生在三个国家的地震造成伤亡人数的比较

2003年发生在三个国家的地震造成伤亡人数的比较

死亡人数差别极大的原因是这三个国家建筑物质量的不同。高质量建筑能化解地震灾害。一般来说,发达国家得建筑质量要比发展中得国家好许多。 第三个原因是,在许多发展中国家,灾害意识差,依赖思想强。 上述三个原因中,第一个是自然方面的原因。唐山地震后,一位文学家写道:”一座拥有百年历史的城市,只因地球瞬间颤动,就被夷为平地。骨肉之躯的创造者,钢筋混凝土的建筑群,在自然灾害面前显得那样不堪一击。人类只有这个时候,才真正感到自己力量的弱小”。目前。人们还无法阻止地震大发生,人类必须做好”与灾共存”的准备,但认识、了解地球,趋利避灾,科学发展,构建和谐,是人类面临的机遇和挑战。 上述三个原因中,后两个原因是人类自身方面的原因,我们完全可以做的更好,最大限度地减轻地震灾害。

  • 高质量建筑能化解地震灾害

地震时人员伤亡主要是由建筑物倒塌造成地,因此,高质量的建筑能够有效地减少人员伤亡。 何谓高质量的建筑呢?首先,要对各地可能发生地震的危险程度进行估计,并根据这种地震危险性区划,确定建筑物的设防标准。如,根据地震危险性区划,北京未来50年的受到烈度VIII度以上破坏的概率是10%,于是,北京的地震基本烈度为VIII度。在一个地震很少发生的地方,盖非常抗震的建筑物,势必浪费大量的财力物力,是不必要的;反之,在一个地震经常发生的地方,盖一个不考虑抗震的建筑,一旦地震来了,势必有大量的人员伤亡,这种做法是极其不负责任的。按地震设防标准建造的建筑物,是高标准建筑物的第一层含义。

中国地震动加速度区划图(1999年)

图78 中国地震动加速度区划图(1999)

其次,设防标准一旦确定,如何通过设计和施工,保证建筑物能达到这种标准呢?必须要按照建筑设计规范的要求,进行设计和施工。建筑规范凝聚了现代建筑科技的最新成果,是保证房屋等建筑物安全的重要保证。2001年国家颁布的”建筑抗震设计规范GB50011-2001″的重要思想,就是保证”小震不坏,中震可修,大震不倒”。以北京为例,按照抗震规范建造的房屋,在地震烈度VII时,不坏;在地震烈度VIII度时,出现的轻微破坏,可以进行修复;IX时,建筑物可能破坏严重,但不倒塌,有效地保护了人民生命安全。不仅如此,2001规范在我国引入了隔震、消能的规定,允许在有特殊使用要求和高烈度(VIII,IX)地区地多层砌体、混凝土框架和抗震墙房屋中使用。

减震技术在建筑工程上的应用可以有效减轻地震灾害以做到"小震不坏,中震可修,大震不倒"

图79 减震技术在建筑工程上的应用可以有效减轻地震灾害以做到”小震不坏,中震可修,大震不倒”

满足以上两个要求,就可以称为是高质量的建筑了。遗憾的是,中国由于经济实力有限等多方面的原因,很长的一个时期,国家没有地震区划图,也没有正式发布的抗震建筑规范。在这种情况下,地震造成巨大的人员伤亡和经济损失,也就不足为怪了。 这种情况在唐山大地震后,有了改变。1990年颁布了全国地震区划图(2003年新版区划图又颁布了),2001年,”建筑抗震设计规范GB50011-2001″也颁布了。但是,对于一个幅员广大、人口众多的国家,在建造高质量建筑物方面,欠债实在是太多了。当前,人口多,城市的高风险,建筑差,农村的不设防,这些情况还会持续相当一段时间。因此,尽管高质量建筑能化解地震灾害,是减轻地震灾害的根本性的工程措施,但是,为了最大限度地减轻今天的地震灾害,还需要许多有效的非工程措施。

《中华人民共和国防震减灾法》已由中华人民共和国第八届人民代表大会常务委员会第二十九次会议于1997年12月29日通过,并从1999年3月1日起施行。该法是中国历史上第一部减轻地震灾害的法律,全面阐述了预防为主的减灾方针,减灾非工程措施的建设的内容,规定了各级政府、人民团体、科研机构和全体公民在减轻地震灾害的任务、责任和义务。

《中华人民共和国防震减灾法》从1999年3月1日起施行

图80 《中华人民共和国防震减灾法》从1999年3月1日起施行。

地震监测预报

图81 《中华人民共和国防震减灾法》第二章:地震监测预报。1975年辽宁海城地震的成功预报拯救了成千上万的生命。《中华人民共和国防震减灾法》规定:”国家对地震预报实行统一发布制度。地震短临预报和临震预报,由省、自治区、省辖市人民政府按照国务院规定的程序发布。任何单位或者从事地震工作的专业人员关于短期地震yuce或者临震预测的意见,应该报国务院地震行政主管部门或者县级以上地方人民政府负责管理地震工作的部门或者机构按照前款规定处理,不得擅自向社会扩散”。

,《香港时报》刊登了八月下旬闽南将有八级强震的消息,在社会上引起了极大的不安

图82 有些媒体为了追求新闻效应,有时登一些与地震yuce的道听途说的不可靠的消息,如有一年,《香港时报》刊登了八月下旬闽南将有八级强震的消息,在社会上引起了极大的不安。事实上,这样的消息是没有科学根据的,是破坏社会稳定的。这种做法违反了《中华人民共和国防震减灾法》中有关地震监测预报的法律规定。

日本公寓楼在1964年的新瀉地震中因为地基不好而发生砂土液化导致大面积倾斜

图83《中华人民共和国防震减灾法》第三章:地震灾害预防。《中华人民共和国防震减灾法》规定:”新建、扩建、改建建设工程,必须达到抗震设防要求。图为日本公寓楼在1964年的新瀉地震中因为地基不好而发生砂土液化导致大面积倾斜。

来源 NGDC

图84 《中华人民共和国防震减灾法》规定:各级人民政府应当组织有关部门开展防震减灾知识的宣传教育,增强公民的防震减灾意识,提高公民在地震灾害中自互救的能力。”唐山地震救灾的实例证明了这一规定是非常重要的。社区在救灾中发挥了重要的作用,唐山地震被压在废墟下的人员,多数是家庭成员和邻居救出来的”(唐山市政协文史资料委员会编,唐山大地震百人亲历记,社会科学文献出版社,1995)。

唐山地震后我很快到达了灾区,并在地震灾区工作了几个月。我亲眼看到,尽管农村倒塌的房屋很多,但奇怪的是死亡人数比例却不高。原因是”一个村庄就是一个小的社区,社区里有村委会组织,街坊邻居也彼此熟悉,大家自救和互救意识强,能够互相救援。又由于村落内多是平房,若有人被埋到废墟里,只需拿根木棍合力一撬,就可把人救出来撤离危险区,因此,社区的自救能力很强。 《中华人民共和国防震减灾法》中规定的增强公民的防震减灾意识,提高公民在地震灾害中自互救的能力的规定,十分重要。

军队救援地震

图85 据后来统计,驻唐部队万多人,仅占唐山救灾总兵力的20%,然而,他们抢救出被埋压的居民15893,占救灾部队抢扒出的总人数96%。这从另一个侧面说明,当地的力量,一旦组织起来,就会成为救灾的主要力量,即使对于特大型灾害也是如此(唐山市政协文史资料委员会编,唐山大地震百人亲历记,社会科学文献出版社,1995)。

临时安置地震灾民

图86 《中华人民共和国防震减灾法》吸取了国内外抗震救灾的经验,规定了严重破坏性地震后,各级政府可以实行紧急应急措施。图中所示是在1999年土尔其地震后,为了安置灾民,维护社会秩序,在军队的帮助下,临时安置灾民的救灾村。

来源:Munich Re(慕尼黑再保险公司)的Topics宣传小册子(2000)

本章的最后,谈谈作为一个个人,在地震中应该注意什么。 1556年华县大地震后一个叫秦可大的文人在《地震记》中总结的躲避地震灾害的经验是:”卒然闻变,不可疾出,伏而待定,纵有覆巢,可冀完卵”。这是说:当面临一次大地震时,人们往往来不及躲,最好就近寻个安全角落(如柜或土炕的一侧),伏在地上,注意保护头部和脊柱,等待震动过去再迅速撤离到安全地方。简单说,就是伏而待定。这种经验,从今天的角度来看,也是有参考意义的。

市民地震应急

地震灾害的伤亡主要由建筑物造成,因此,地震发生时应反应迅速,及时采取保护自己的措施。

应急要点

住在平房的居民遇到地震时,如室外空旷,应迅速头顶保护物跑到屋外,来不及跑时可躲在桌下、床下及坚固的家具旁。 住在楼房的居民,应选择厨房、卫生间等开间小的空间避难,也可以躲在内墙根、墙角、坚固的家具等易于形成三角空间的地方;要远离外墙、门窗和阳台,不要使用电梯,更不能跳楼。 尽快关闭电源、火源。 正在室内活动时(上课、工作、游乐等),应迅速抱头,闭眼,在讲台、课桌、工作台和办公桌家具下边等地方躲避。 正在室外活动时,应注意保护头部,迅速跑到空旷场地蹲下,尽量避开高大建筑物、立交桥,远离高压电线及化学、煤气等工厂或设施。 正在野外活动时,应尽量避开山脚、陡崖,以防滚石和滑波,如遇山崩,要向远离滚石前进方向的两侧方向跑。 驾车行驶时,应迅速躲开立交桥、陡崖、电线杆等,并尽快选择空旷处立即停车。 身体遇到地震伤害时,设法清除压在身上的物体,尽可能用湿毛巾等捂住口鼻防尘防烟,用石块或铁器等敲击物体与外界联系,不要大声呼救,注意保持体力;设法用砖石等支撑上方不稳定的重物,保护自己的生存空间。 (引自北京市突发公共安全事件应急委员会办公室编《首都市民防灾应急手册》,北京出版社,2006年, 42-43页)

地震时,每个人处的环境不同,因此,究竟采取什么措施,也是因人因地而不同的。最重要的,是保持冷静,努力保存自己,自己保住了,才有能力去救别人。 在包括中国在内的许多东方国家,灾害意识差,依赖思想强是个带有普遍性的问题。所以,作为整个社会,提倡灾害意识,发展灾害文化是十分重要的事情。

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

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《自然灾害》:地震灾害》上有2条评论

  1. 阅读此文,收益不少,感概多多,大自然给人类造成的灾难频频,在在自然面前,人类太显弱小.

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