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              地震:人類面臨的重大自然災害
              2023-09-20 09:49:06

                  在人類賴以生存的行星地球上,各種自然災害頻發,其中,地震是我們必須面對的最重大自然災害之一。2022年6月1日和2022年6月10日,在四川蘆山地區和四川阿壩地區相繼發生了震級達6級的地震,這引起大家廣泛關注。地震給人類生命和財產帶來的損失數不勝數,因此,它一直是世界各國科學家長期不懈研究的主題。

                  迄今為主,地球上記錄到的最大地震是1960年5月發生在南美洲大陸與太平洋交接部位的智利9.5級特大地震。1950年8月,在我國西藏察隅一帶發生了8.6級察隅特大地震,它是至今記錄到的大陸內部最大地震。在全球范圍,這些8級以上的特大地震極其罕見,但震級為中等強度和我們人類自身感知不到的地震卻無時無刻不在發生。圖1顯示了發生在2018年內震級大于4的(約12123個)全球地震分布,可以看出地震主要發生在環太平洋大陸邊緣、大洋中部(板塊構造上稱大洋中脊)、地中海-伊朗-尼泊爾-印度尼西亞-新西蘭一線、以及我國青藏高原-天山等地區??梢哉f,地震作為常見的自然現象,它與我們“影形相隨”,人類無法回避。為了減少地震對人類的影響,科學家一直想知道地震發生在哪?什么時間發生?它的震級有多大?以便將地震的損失減到最小。

               

               


              圖1. 全球地震分布基本格局(據美國地調局發布的2018年震級大于4級地震數據制作,數據來源https:// http://earthquake.usgs.gov

                  我國是一個地震多發的國家。據國家地震臺網數據,僅在2021年,地震監測網絡就記錄到發生在我國境內震級2級以上的地震達14000余個。在幾千年中華文明歷史長河中,我國對地震的記載可以追溯到公元前23世紀,對一些重大歷史地震的記錄堪稱典范(如1303年山西洪洞8級地震、1920年甘肅海原8級地震等),為世界地震科學研究提供了極其寶貴的第一手資料。

                  2022年6月1日,在我國2013年發生蘆山7級地震的震中附近又發生了一次6.1級地震。2022年6月10日,在四川阿壩地區馬爾康市一帶還發生了最大震級達6級的地震群。于是,人們希望知道,為什么相隔不到10年,幾乎在同一個地區會連續發生強烈地震?地震后的余震有何時空分布規律?

                  基于地震的極其復雜性,以下用少量篇幅,就地震及其余震的一些基本知識作簡要概述。

              地震如何發生

                  受板塊運動、火山噴發、人類活動等眾多因素影響,我們居住的地球其內部不同深度存在著具有復雜時-空特征的力。在特定力的作用下,地球內物質將發生變形,而當變形發生在巖石圈淺部時,這種力所造成的物質變形通常符合彈性關系;即如同一根受力的彈簧,它的壓短或拉伸量與作用在其兩端的力成線性正比。一般地,為了定量一個物體的受力大小,可以將力轉化為作用在單位面積上的力,即應力。隨著作用在彈性巖石圈上的應力不斷增大,彈性變形的介質將在極短時間內發生脆性破裂;這個過程又似我們雙手折一根筷子,隨著用力不斷增加,筷子先是彎曲類似彈性變形,而后折斷發生脆性破裂。在彈性(地殼)巖石圈中,當形成的破裂伴隨兩側瞬態的相對運動時,即形成地震。這時,地震的大小可以用矩震級來標定,即:Mw=(lgM0)/1.5-10.7,其中 M0=μ?W?S,為地震矩(M0,N.m),它等于地震破裂面面積(W,m2)、地震破裂面兩側位移(S,m)、彈性地殼的彈性模量(μ,N/m2)三者的乘積。當然,還有一些根據地震波振幅特征來標定地震震級方法。他們與地震矩震級間有一定的經驗轉換公式,此不再表述。

                  需要說明的是,在經歷了幾十億年漫長的地質歷史演化后,我們腳下的地球內部在一定深度范圍內已經充滿了大量不同規模、不同運動方式、不同活動習性的斷層。在應力作用下,這些已存在的斷層比它周邊的彈性介質更易發生(再)破裂和滑動。這解釋了為什么震級較大的地震大多發生在已有斷層上的主要原因(圖2)。

               

               
              圖2. 當荷載達到斷層滑動(巖石破裂)所需應力極值時,斷層發生快速相對運動形成地震,并激發不同類型地震波。(資料來源;https://www.iris.edu

                  然而,盡管我們知道地震發生的基本原理,但地震學家目前對地震的三要素(發震時間、發震地點、發震震級)仍然知之甚少。主要原因是:第一,我們對深度達幾十公里的地殼內部所發育的斷層的詳細特征知之有限。第二,即使能知道斷層精確形態,我們還仍然不知道每條斷層的抗震(抗破裂)能力有多大。第三,地震學家更不清楚每條斷層上的絕對應力有多大。我們相信,隨著科學技術的不斷發展,正如今天的日常天氣預報,地震能被人類預測預報的時代一定會到來。

              關于余震

                  一個較大的地震發生后,在該地震震中一定范圍內,會發生震級相對較小、數量達數十到數百上千的地震,一般稱這些地震為主地震的余震。對余震的準確定義目前還存在爭議,也有提出用一定范圍內主地震前后地震發生頻率的變化來定義余震。然而,盡管對余震的確切定義有爭議,與余震有關的一些重要現象地震學家已經有了十分深入的研究,如余震的分布空間、持續時間、發生頻率及發震機理等。

                  在空間上,余震的分布與主地震斷裂的破裂尺度有關。一般地,余震主要發生在大致相當于主地震破裂長度的范圍內,如2008年汶川地震,其地震斷層破裂長度約320km,余震也主要發生在沿斷層相應長度的空間內。又如2021年發生在青海的瑪多7.4級地震(圖3),其余震的分布也主要集中在與主地震破裂長度相當的空間范圍內。

               

               


              圖3. 2021年5月22日瑪多7.4級地震破裂和余震時-空分布特征(數據來源:國家地震科學數據中心https://data.earthquake.cn

                  在時間上,余震的持續時間與主地震發生地區的構造背景、地震斷層活動性、地殼內部應力狀態等綜合因素有關。根據已有研究,在全球范圍內一個大地震的余震序列可以持續幾年到上千年(圖4)。因此,根據分布位置和時間間隔(時-空特征)(圖5),把2022年6月1日蘆山6.1級地震厘定為2013年蘆山7級地震的余震是合理的。在沒有別的干擾下,余震發生的頻率隨著時間的增加而不斷減少(圖6)。

               

               

               
               

              圖4. 世界上一些大地震余震的持續時間(據Stein and Liu, 2009)

               

               

               


              圖5. 2013年7級和2022年6.1級蘆山地震斷層破裂分布特征

               

               

               


              圖6. 2017年西藏米林6.9級地震余震序列分布特征(據韓佳東等,2019)

                  最后,關于余震發生機理。實際上,余震與任何地震一樣也必然滿足應力達到破裂閾值條件后才能發生,但這個應力的來源被認為與主地震的擾動密不可分。在一個新的理論中,余震被認為是由主地震應力觸發而產生。就觸發的機制,則在不同的地震構造環境中存在多樣性,它可以是主地震導致的彈性應力、粘彈性應力、孔隙彈性應力變化;也可以是主地震后破裂面上一些部位繼續發生緩慢(無震)滑動(即震后余滑)、地震波在地殼中傳播時造成的瞬態應力(動態)變化等??傊@些不同機制可能在具體地震中和地震后的不同時間段扮演的角色不同。這是近幾十年來地震學家所關注的研究熱點之一。

              地震的叢集與災害

                  大地震發生后,跟隨而來的余震具有明顯的時空叢集特征。理論上,不論是2022年6月1日的蘆山地震,還是2022年6月10日的馬爾康地震,它們必然會有后續余震,但一般而言,余震所釋放的總能量可能不到主地震的5%。但是,前人也曾有研究表明,余震序列中最大的震級可以達到主地震震級減1,說明一些大地震的余震潛在危險性不可忽視。從主震-余震觸發機制看,一個余震的震級接近,甚至超過主震震級完全有可能。這種可能性可以用經典的古登堡-理查德關系描述,即在余震序列中,震級大于M的余震個數N也應滿足 log10N(M)=a-bM,其中a、b為常數。

                  2022年6月1日發生在四川蘆山的6.1級地震可能給我們敲響了警鐘,啟示了余震可以有足夠的潛在危險性。就2022年6月10日馬爾康地震,其后期監測該地震序列的活動規律極其重要。事實上,一些震級相當的強地震呈成對發生可能已近暗示了余震災害的重要性,如1976年5月29日發生在我國云南的龍陵7.3級和7.4級地震。再者,受一些主震后應力變化的獨特機理控制,余震的分布在空間上會隨時間而增大。這一切均為地震學家研究地震時間、空間、大小帶來了極其嚴峻的挑戰。

              參考文獻;

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