专家解读汶川地震地质运动与震级度量;预测地震依然是世界性难题
2008年5月12日14点28分04.1秒,灾难降临。北纬30.95度,东经103.40度,四川省汶川县境内,大地的力量开始肆虐。随之而来的,是巨大的人员伤亡。
地震,又一次在中国的大地上撕开了一道深深的伤口。人们难免要问,为什么我们依然无法制服这股暴虐的力量呢?
事实上,预测地震依然是个世界性难题。我们但不得不承认,人类对地震之源———大地深处的那些秘密所知甚少。至今人类探地的最深点,不过12千米深,如果把地球比喻成个鸡蛋,那么蛋壳都还没被钻破呢。
1 工作
以防震监测为主
汶川地震发生之后,不少网民将指责的矛头对准了中国的地震学家们。很多人简单地将地震台等同于“气象台”,将地震工作看成是关于大地的“天气预报”。在大家的想象之中,地震工作者应该时时监测着地震仪,像气象工作者一样对云图数据进行分析,精确预报未来几天内可能发生的地震。
然而,中国地震局地震预测研究所孙安辉研究员却表示地震工作者的工作与这些想象完全不同。地震带分布情况的分析、地震特点的研究、地震发生原因的研究,都在地震工作者日常工作范围内。
目前地震工作者主要是依据各种地震所得的数据进行各项科学研究的分析,统计各地地震情况的样本,类似修正地震带分布情况,“地震带上,我们就会加强地震的监测工作。”同时还有把观测到的现象、不正常的现象与地震的关系进行研究,进而能对地震成因、发生的所谓预兆作出更好的了解。
在汶川地震发生之后,中国地震局迅速公布了这次地震的基本情况:震中位置、发生时间、震级……这正是依赖于分布在全国各地的1000多个测震台站提供的地震波数据。而这一切为随后而来的救援活动赢得了时间。同时,地震工作者也为各个城市的新建建筑制定了抗震标准。
目前,中国地震局地质研究所研究员李志强已随地震局其他工作人员抵达此次地震重灾区之一的绵阳,就地展开了地震监测工作。对他们来说,震后的监测工作也是地震研究的重要部分。“现在我们主要是在绵阳布置流动的地震仪,以便监测余震。”这里的监测效果会更好,也能更及时地获得余震数据,并为未来的地震预报提供经验。
2 起因
龙门山地震带释放能量
有关地震的古代记载也相当丰富。“烨烨震电,不宁不令。百川沸腾,山冢崒崩。高岸为谷,深谷为陵。”《诗经·十月之交》有古代中国人对地震现象的最早描述。
其实,地震是地壳任何一部分的快速颤动,以地震波形式在岩石圈中迅速释放和传播能量的地球物理现象。它是一种经常发生的有规律性的自然现象,是地壳运动的一种形式。地震强烈震动区会出现地表变形、地面开裂;不稳定的斜坡发生滑坡、崩塌;不稳定的岩溶发育区和采空区发生地面塌陷;饱和砂土区发生砂土液化、喷砂冒水,软土区发生软土震陷等。
“地震易发地带主要处于板块断裂带上。”孙安辉指出。我国有6大亚板块断裂带,主要为青藏高原、华南地区、华北地区3块。
四川省汶川县就在一片地震活跃地区之内。它处于我国一个大地震带,南北地震带上。该地震带涉及地区包括从宁夏经甘肃东部、四川西部直至云南。更具体点说,汶川县又处在四川龙门山地震带上。“因此,这里发生地震的几率较高。”从历史记录来看,尽管龙门山主体没有发生过大地震,但它北边的松潘在上个世纪初曾经发生过强震。1933年里氏7.5级的松潘大地震发生,岷江甚至被截断而形成“叠溪海子”这一自然奇观。
而此次汶川地震很可能是龙门山地区应力蓄积到了一定程度,地壳破裂而导致的。
中国科学院地质与地球物理研究所研究员边千韬还指出,汶川所在之地存在着一个“低速带”。这个低速带可能与此次地震的发生有密切联系。研究人员曾对天山地震区活动区进行过研究,发现地壳内地震大都发生在上地壳低速带与下地壳高速区之间的梯度带附近。
3 冲击
不同震波各自摇晃
从汶川传回的信息显示,邻近震中之处,几乎所有房屋全都倒塌了。而在离震中有一定距离的地区,也受到了不同程度的破坏。这一切,事实上都是地震波在作祟。
地震波是指由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生时,震源区的介质发生急速的破裂和运动,这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性,这种波动就向地球内部及表层各处传播开去,形成了连续介质中的弹性波。
一般来说,按传播方式的不同,地震分为三种类型:纵波、横波和面波。
而纵波和横波合称体波。
其中,纵波(P波)是推进波,地壳中传播速度为每秒5.5千米至7千米,最先到达震中,“P波使地面发生上下振动。”孙安辉指出。
而横波是剪切波(S波)在地壳中的传播速度为每秒3.2千米—4.0千米,第二个到达震中。“它使地面发生前后、左右抖动。因此这种波的破坏性较强。”相比之下,纵波的传播速度较快,在远离震源的地方这两种波动就分开。通常,纵波先传到地面,横波次之。
除了纵波和横波外,还有第三种地震波,那就是面波。面波又称L波,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强,只能沿地表面传播。这种面波可能会引起人眩晕的感觉。孙安辉推测说,这可能是汶川地震的面波向外传递时产生的效应。
“不过,面波的发育是有条件的。”只有当地震的震级达到一定程度,能量很大时,才能发育出面波。
这种地震波的传播速度比体波慢,因此往往比体波晚到,但振幅往往很大,振动周期较长。面波的速度随周期而异,研究者用群速度和相速度来衡量它的传播速度,而不是单一的速度值。它的速度比体波中的横波慢,所以在地震图上面波往往在横波后面。
而此次汶川地震属于大型板块断层活动。印度洋板块向亚欧板块俯冲,能量从青藏高原向内陆释放。由于聚集的巨大能量,突然间释放,能量沿着板块裂缝传递,对各板块进行挤压,地层破裂尺度较大。同时,由于此次地震的震源距离地表只有10千米,属于浅源地震,破坏性较大,并使地震波由体波发育成了面波,进而导致其他地区都有震感。
根据全球地震网络(GSN)部分台网对此次汶川地震震波的监测,研究人员分析指出,此次地震的纵波和横波大概推进了1万千米左右,而面波则在近 1小时内推进了将近1.8万千米———几乎传到了地球那一头的南美洲。
4 度量
要看震级,也要看烈度
5月12日14点40分左右,美国地质勘测局(USGS)的实时数据图显示,四川东部汶川附近地区出现了一个方框,方框上面的标注是 “M7.8”(震级7.8级)。在之后的12小时,这个方框的附近又多了4个小方框,分别代表当地发生的4次较大余震。
通常,震级是人们衡量地震强度的指标。但孙安辉告诉记者,事实上还有一个并不那么为人熟知的指标,烈度,被用来衡量地震造成的破坏水平。所以,要全面衡量一次地震的危害,不仅要看震级,还要看它波及的范围以及地震烈度。
孙安辉表示,在地震研究中,震级和烈度是有区别的。其中,震级是表征地震强弱的量度,即地震发生后所释放的能量水平,通常用字母M表示。
比如一个6级地震,其释放的能量相当于美国投掷在日本广岛的原子弹所具有的能量。
震级有很多种,里氏震级是目前较常用的一种。它是由两位来自美国加州理工学院的地震学家里克特(CharlesRichter)
和古登堡(Beno Gutenberg)于1935年提出的。它根据离震中一定距离所观测到的地震波幅度和周期,并且考虑从震源到观测点的地震波衰减,经过一定公式,计算出来震源处地震的大小。
根据USGS的数据,目前世界已知最强地震为9.5级,于1960年5月22日发生于智利,该数据是1977年美国加州理工学院的金森博雄教授 (HirooKanamori)估测得到的。
然而,同一地震,不同地区的破坏程度又不相同。孙安辉指出,除了地震震级的区分外,还有烈度这一“标尺”。烈度由该地点与震中的距离、震源的深度、土壤结构,以及断层运动种类等因素来决定。“每次地震震级只有一个,但各地的烈度却是不同的。”
1976年唐山地震,震级为7.8级,震中烈度为XI度。而在此次地震中,北京、天津等地都受到影响。但由于地点与震中距离的不同,各地的烈度也不同。受唐山地震的影响,天津市地震烈度为VIII度,北京市烈度为VI度,再远到石家庄、太原等就只有IV至V度了。
目前,汶川地震各地区烈度的统计数据尚未明确。
但USGS根据其组织的摇晃程度调查结果,给出了部分中国城市烈度数据。震源附近的绵阳市烈度为IX,成都的烈度为VII,而包括北京、上海、香港及台北在内的中国大部分地区的烈度在I至III.
5 前景
预测是世界难题
张衡发明的“候风地动仪”一直被视为中国古代文明的骄傲。“其实,张衡地动仪还是很粗略的科学仪器,现在我们监测地震的仪器已经发达多了,比张衡的不知精确了几倍,只是预测地震依然很难。”孙安辉显得有些无奈。
监测工作的严密、监测仪器的发达并不意味着对地震预测的准确。中国地震局地质研究所研究员李志强指出,现在科学家可以观察地球板块的运动,但这还并不等于可以预测地震。
预测地震之所以难,主要有三方面的原因:一是观察困难。人们都说“上天容易入地难”,由于探索手段的限制,科学家对地球深处的认识还很简单。“天气预报是可以根据风云的变化来预测的,但都经常预报错。而深入到地球内部的观测则更难了。”李志强表示。
二来,科学家发现地震孕育、发生、发展的过程十分复杂,在不同的地理构造环境、不同的时间阶段,不同震级的地震都显示出相当复杂的孕育过程。
三来,虽然地震每时每刻都在发生,但具有破坏性的强震依然不多。李志强指出,尽管全球每年都会发生数十上百起强地震,但对某一个具体地区来说,地震发生的重复性时间是很长的,属于突发事件。这给地震预报增加了难度。孙安辉表示目前地震研究人员依然延续使用老一辈的中国地震带分布情况,近几年来只是做些修正工作。“毕竟这是要根据数据来得出结论的,而大地震的概率还是比较少。”
德国波兹坦地学研究中心金特教授表示,预测地震也是个世界难题。此前在接受媒体采访时,他指出,目前世界上还没有哪个国家的科学家能够成功预测地震。中国的科学家有过多次试验,其中也成功过几次,但是地震预测还是不可能的。因为我们对地球内部结构了解还太少。
其实,别说是预测地震,就是对已经发生了的地震的确认,都需要一定的过程。“汶川地震发生后,USGS对其震级就进行过修订,我国地震局也修订了此地地震的震级数据。这就是根据收集到的不同数据逐渐得出的。”孙安辉指出,这种数据都是越往后看越精确。
新知专题采写 本报记者 李健亚
本专题感谢:孙安辉(中国地震局地震预测研究所研究员) 李志强(中国地震局地质研究所研究员) 边千韬(中国科学院地质与地球物理研究所研究员)