科學(xué)認(rèn)識(shí)地震

朱新運(yùn)

地震是地球內(nèi)部釋放能量的一種方式，是一種自然現(xiàn)象。地震波是地震能量的載體，是把地震釋放的能量傳遞出去的基本方式。由于地震波是在地下介質(zhì)中傳播的，因此它攜帶了震源與地下介質(zhì)的信息，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)地震提供了基礎(chǔ)。

在人類(lèi)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、地震等各種自然災(zāi)害持續(xù)不斷，而地震是這些災(zāi)害之中最重要的災(zāi)種。人類(lèi)在應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害的斗爭(zhēng)中進(jìn)行了大量的嘗試，雖然取得了很大的進(jìn)步，但同時(shí)也付出了慘重的代價(jià)。

地震是一種自然災(zāi)害現(xiàn)象，沒(méi)有人確切地知道地球上從什么時(shí)候開(kāi)始出現(xiàn)這種現(xiàn)象。人類(lèi)歷史上最早關(guān)于地震的記錄見(jiàn)于堯舜時(shí)代（公元前23世紀(jì)）《竹書(shū)紀(jì)年》，距今有4000多年的歷史。古人對(duì)地震現(xiàn)象及成因的描述，更多地表現(xiàn)為一種宗教或神話傳說(shuō)，如中國(guó)的“鱉魚(yú)翻身”說(shuō)、地球“陰陽(yáng)失調(diào)”說(shuō)，日本的“鯰魚(yú)發(fā)怒”說(shuō)以及印度的“大象發(fā)怒”說(shuō)等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)有條件使用科學(xué)儀器觀測(cè)地震，記錄地震資料并加以分析，進(jìn)而對(duì)地震的認(rèn)識(shí)逐漸具備了越來(lái)越高的理性與邏輯成分。毫無(wú)疑問(wèn)，地震是地殼的一種運(yùn)動(dòng)形式。但在目前的科技條件下，地震成因仍然眾說(shuō)紛紜，學(xué)界沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。所謂的板塊漂移、地幔熱對(duì)流、地球自轉(zhuǎn)速度變化、洋底擴(kuò)張等學(xué)說(shuō)，都無(wú)法完全解釋所有與地震相關(guān)的自然現(xiàn)象。相比較而言，板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)被更多的地球科學(xué)家所接受。

板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)認(rèn)為，地球的巖石圈不是一塊整體，而是被地殼的生長(zhǎng)邊界海嶺和轉(zhuǎn)換斷層、地殼的消亡邊界海溝和造山帶、地縫合線等一些構(gòu)造帶分割成許多構(gòu)造單元，這些構(gòu)造單元叫做板塊。全球的巖石圈分為亞歐板塊、非洲板塊、美洲板塊、太平洋板塊、印度洋板塊和南極洲板塊等六大板塊，大板塊中還有若干次一級(jí)的小板塊。板塊之間相互擠壓、摩擦、拖曳、碰撞，導(dǎo)致板塊邊沿及內(nèi)部產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和破裂，引起地殼快速釋放能量，這種能量釋放的過(guò)程造成了地震。因此，板塊與板塊的交界處，是地殼活動(dòng)比較活躍的地帶，也是火山、地震較為集中的地帶。

雖然板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)不能解決地殼運(yùn)動(dòng)的所有問(wèn)題，但卻為地震成因的理論研究奠定了基礎(chǔ)。地球上每天要發(fā)生上萬(wàn)次的地震。其中絕大多數(shù)因太小或太偏遠(yuǎn)而不為人們所感知，而真正能對(duì)人類(lèi)造成危害的地震，每年大約只有十幾次。

地震波是由地震震源向四處傳播的振動(dòng)，是地震能量傳播的載體。如果沒(méi)有地震波，地震甚至沒(méi)有在空中爆炸的炮仗那么有震撼力。著名的俄國(guó)地震學(xué)家伽利津曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“可以把每次地震比作一盞燈，它燃著的時(shí)間很短，但照亮著地球的內(nèi)部……”，這句話一點(diǎn)也不夸張。

科學(xué)家們可以用地震儀器記錄地面運(yùn)動(dòng)的波形圖，用地震波形圖確定地震的震級(jí)和震源位置，甚至通過(guò)地震波形記錄研究地球內(nèi)部構(gòu)造。

地震波分為縱波、橫波和面波?？v波是推進(jìn)波，波的傳播方向與介質(zhì)震動(dòng)方向一致，所以縱波也稱為壓縮波（P波）。橫波的傳播方向和介質(zhì)震動(dòng)方向相垂直，也稱為剪切波（S波）。由于巖石內(nèi)部壓力強(qiáng)大，巖石的密度隨深度的增加而變大，因此地球不同層位地震波的速度也不同。一般情況下，深度越深速度越快?？v波在地殼中的傳播速度是5.5～7千米/秒，橫波的傳播速度是3.2～4.0千米/秒。縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)的混合波叫面波（L波），面波一般出現(xiàn)在距震中較遠(yuǎn)的地方。絕大部分面波的能量被捕獲在近地表處，到一定深度后地下介質(zhì)實(shí)際上已不受面波的影響。這一深度取決于波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿入地球越深。其中，橫波和面波是造成建筑物強(qiáng)烈破壞的主要因素。由震源出發(fā)的地震波包含不同頻率、不同周長(zhǎng)的一個(gè)序列，其中大部分能量集中在一個(gè)波段內(nèi)。

像聲波、光波和水波一樣，地震波也可以在介質(zhì)界面發(fā)生變化的邊界上形成反射、折射。不同的是，地震波的P波在地球內(nèi)部不同的界面反射和折射時(shí)，除了產(chǎn)生反射和折射P波之外，還產(chǎn)生反射和折射的S波。同理，S波也是如此。這種現(xiàn)象見(jiàn)于地震波在不同固體界面反射或折射的狀況，但是如果地震波從固體介質(zhì)傳入流體（如地球巖漿圈層）時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生折射的S波。我們知道，人類(lèi)可以感知的聲波頻率在20～20000赫茲之間。如果地震波頻率也在這一范圍內(nèi)，那么在地震波遇到地表發(fā)生折射，引起同樣頻率的空氣波動(dòng)時(shí)，人耳就可以聽(tīng)到地震的聲音了。

地震波的反射與折射有時(shí)可能使地震波能量匯聚在某一地質(zhì)構(gòu)造中，類(lèi)似于聲波在一個(gè)屋子里被墻壁多次反射形成回音一樣。地震波的這種匯聚現(xiàn)象會(huì)增加地震破壞的風(fēng)險(xiǎn)。1976年7月28日，中國(guó)河北省唐山豐南發(fā)生7.8級(jí)地震，地震波經(jīng)過(guò)多次入射與反射，反射波與入射波相互干涉，極大地增加了到達(dá)地表的能量。當(dāng)時(shí)正在地下作業(yè)的礦工僅僅感到了晃動(dòng)，作業(yè)點(diǎn)停電，但當(dāng)他們到達(dá)地面時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)唐山市已面目全非。

另外，地震波與水波、光波及聲波一樣，也存在共振現(xiàn)象。若某一周期的地震波與地基土層的固有周期相近，則會(huì)引起地基土層的最大響應(yīng)，這個(gè)響應(yīng)就是地震波共振導(dǎo)致的。在共振情況下，地震波的振幅得到放大，相應(yīng)地基上的建筑物破壞程度也會(huì)增加。1989年10月17日，美國(guó)加利福尼亞州的洛馬普瑞特地震，就是地震波共振導(dǎo)致極度破壞的一個(gè)典型實(shí)例。從震源傳來(lái)的優(yōu)勢(shì)S波周期與舊金山海濱區(qū)沖積河谷的軟弱沙石土壤卓越周期一致，因而建在軟弱沙石土壤上的建筑破壞程度遠(yuǎn)超同區(qū)域的其他建筑。

地震預(yù)警是指在地震發(fā)生以后，搶在地震造成災(zāi)害之前的預(yù)警行為。由于地震波P波的速度高于S波，而S波攜帶了主要的地震能量，是造成地震破壞的地震波成分，地震發(fā)生后，從P波到達(dá)至S波到達(dá)之間還有一段微小的時(shí)間間隔。按前述的波速簡(jiǎn)單計(jì)算，假定你所處的位置與震中距離80千米，那么如果你感受到了P波震動(dòng)，在S波到達(dá)之前，你有大約10秒鐘的時(shí)間采取應(yīng)對(duì)措施。

現(xiàn)代地震預(yù)警基于電磁波的速度優(yōu)勢(shì)，在地震可能發(fā)生的區(qū)域預(yù)先布設(shè)地震儀器。地震發(fā)生后，這些儀器首先捕捉到地震信號(hào)并預(yù)警，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)把預(yù)警信號(hào)傳達(dá)給可能受災(zāi)的民眾。通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞信號(hào)的速度是電磁波速度即光速，光速每秒大約3×105千米，比S波快近10萬(wàn)倍，這就有效延長(zhǎng)了應(yīng)對(duì)地震的時(shí)間。同樣在距離地震震中80千米的地方，使用這種地震預(yù)警方法，在S波到達(dá)前民眾就可以有20多秒的時(shí)間來(lái)采取應(yīng)對(duì)措施。

地震預(yù)警系統(tǒng)是集地震監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)快速分析、預(yù)警信息通訊及信息響應(yīng)終端等于一體的綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作流程是：地震監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)到地震信號(hào)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行分析并給出地震強(qiáng)度、震源位置等要素。如果地震強(qiáng)度達(dá)到預(yù)警條件，預(yù)警信息通訊系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)并將地震信息傳遞給響應(yīng)終端?；诂F(xiàn)代社會(huì)智能手機(jī)、互動(dòng)電視等便利的傳媒條件，地震預(yù)警信息可以方便、及時(shí)地傳遞給民眾，還可以給電力等人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中的設(shè)施配備自動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)，在重大地震災(zāi)害來(lái)臨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。

日本、墨西哥、中國(guó)臺(tái)灣和美國(guó)加州等國(guó)家和地區(qū)都位于地震活動(dòng)頻繁的環(huán)太平洋地震帶上，因此都在開(kāi)展地震預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與使用。如日本就啟用了較為現(xiàn)代化、實(shí)用化的地震預(yù)警系統(tǒng)，并已于2007年10月1日開(kāi)始向大眾發(fā)布地震預(yù)警警報(bào)。我國(guó)在地震預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面也進(jìn)行了大量有益的探索，如2013年初中國(guó)地震局提出，用5年時(shí)間建設(shè)具有5000余臺(tái)地震預(yù)警監(jiān)測(cè)儀的中國(guó)地震預(yù)警網(wǎng)。目前該地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃正在有序開(kāi)展中，預(yù)計(jì)2020年底可完成項(xiàng)目建設(shè)，2021年試運(yùn)行。