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全球每年发生500多万次地震,能不能预测?

摘要:最近,发生在土耳其和叙利亚的7.8级大地震受到了全世界的关注,专家表示,地震发生的地方在四个主要断裂带的交界处,威力约为130颗原子弹持续爆炸了43秒。救援人员在废墟中搜寻幸存者 图片来源:凤凰网中国地震台网中心研究员孙士鋐表示,土耳其地理位置特殊,也是多地震国家,其南边是阿拉伯板块,北面则是欧亚板块,位于两大板块交汇处,这是土耳其地震多发的动力源。土耳其主要受两条大断裂带控制,一条是北安纳托利亚

全球每年发生500多万次地震,能不能预测?

最近,发生在土耳其和叙利亚的7.8级大地震受到了全世界的关注,专家表示,地震发生的地方在四个主要断裂带的交界处,威力约为130颗原子弹持续爆炸了43秒。

中国地震台网中心研究员孙士鋐表示,土耳其地理位置特殊,也是多地震国家,其南边是阿拉伯板块,北面则是欧亚板块,位于两大板块交汇处,这是土耳其地震多发的动力源。土耳其主要受两条大断裂带控制,一条是北安纳托利亚断裂带,长约1500公里,地震更为频繁,此次土耳其地震则发生在另一条东安纳托利亚断裂带,长约550公里。

每次听到地震的消息,总有人会问:地震是怎么产生的?是否可以被预测?下面我们就来回答这两个问题。

如何理解地震?打个响指

1912年,德国天文气象学家魏格纳在花费多年时间考察搜集地层、化石等方面的资料后,正式提出了大陆漂移学说。随后在其出版的《大陆和海洋的形成》一书中,对于该学说进行了详尽的阐述

不过令人遗憾的是,这一理论在魏格纳生前并未得到普遍承认,反而招致了诸多批评与反对。一方面是因为魏格纳没有地质背景,难免让人怀疑其科学性;另一方面是因为该理论在当时确实不完善,比如不能解释大陆漂移的动力来源。毕竟大陆是一个庞然大物,究竟是何等强大的力量,竟然能够推得动它们?

1930年,魏格纳去格陵兰岛进行科学考察,希望收集到更多证明漂移学说的证据,但在这次科考中他不幸遇难,年仅50岁。

但人类对地球的探索从未停歇。第二次世界大战后,美苏出于军事战略需要,开始探测海底地形,没想到这一军事行动竟然为大陆漂移学说找到了突破口。

20世纪60年代,美国海洋地质学家h.h.赫斯和r·s·迪茨提出“海底扩张学说”他们认为洋脊(大洋中间呈条带状分布的海底山脉)是地幔对流的上升部位,海沟(大洋中狭长陡深的沟槽)是地幔对流的下降部位。在洋脊处,当地幔上涌物质抵达地表附近时,一部分喷出形成海底火山,推动两边的岩层分离;另一部分沿岩层底部往两边散开,摩擦推动岩层运动漂移,同时被推挤到海沟处的物质就慢慢折回到了地球深部。

小知识

地幔对流,可以简单理解为因为地球深部很热,地幔物质受热不断上涌,就像水煮开时不断有水上涌冒泡一样(地幔部分物质上涌时形成了岩浆),当上涌物质变冷后又开始下降。

海底扩张学说解释了大陆漂移的动力问题,为大陆漂移学说注入了一剂强心剂,让大家开始重视几十年前的大陆漂移学说。后来科学家又发现大洋地壳向深海沟俯冲时产生的对大陆地壳的拖曳力也是重要的动力来源,进一步完善了漂移学说

海底扩张学说也暗示我们不能只以大陆或大洋的视角来看待地球表面,比如既然洋脊两边的大洋地壳彼此远离,那应该是两个部分;既然陆地在海边延伸出来的大陆架和陆地相对静止,那应该是一个部分。

于是科学家发展出了板块构造学说,认为地球表面由板块拼合而成,就像拼图一样。板块由洋脊和深海沟等划分而成,不纯是大陆或大洋,往往既有陆地部分也有海洋部分,即不是大陆在漂移,而是板块在漂移

科学家还认识到板块是漂浮在地球深部的软流圈上面的,所谓软流圈就像面团一样,虽然是固体,但较容易变形,甚至还有部分区域处在熔融状态。所以板块是真的是在“漂移”,有点像木板漂在水上一样。

虽然板块移动的速度很慢,一年下来往往只有几毫米,但在漫长的地质时光中,总有一些板块会因运动而碰撞到一起,并由此在板块之间产生了巨大的压力。即使是坚硬的岩石也会承受不住这种压力,发生断裂和相互错动,由此产生了地震。从下图地震点的分布就可以清晰地看出板块边界。

大家可能注意到板块内部也有零星的地震点,这是因为板块之间的力量过于巨大,其中一些甚至会传导到板块内部,造成板块内部地层的断裂。因此板块也不是铁板一块,可以被细分为更小的块体,科学家称之为地块。在地块边界上,也形成了各种类型的断裂带。虽然比起板块边界的来说是小巫见大巫,但经过长年累月的应力积累,地块边界上的断裂带也可能爆发大规模的地震,比如1976年的唐山地震就发生在地块之间的张家口—蓬莱断裂带上。

小知识

地震发生时,岩层错动释放能量的地方叫做震源,震源在地面的投影是震中,地面建筑距离震中的距离是震中距。另外地震以波的形式释放部分能量,这种波叫地震波。

地震的过程有点像打响指,打响指时两个手指突然错动,并以声波的形式释放部分能量。我们之于板块,就好比灰尘之于指头,看到灰尘的命运,大概可以理解人类在地震面前的渺小与脆弱。

其实上面所说只是构造地震的成因,除此以外还有诱发地震、陷落地震等,但因为几乎所有造成重大破坏的地震都是构造地震,所以本文只介绍构造地震,并以“地震”代称“构造地震”。

地震的能量可以算出来吗?

提起地震,大家的第一反应可能是山河破碎,墙倒屋塌,但实际上绝大多数地震都没有这么严重。据统计,世界上每年要发生500多万次地震,平均每天都有一万多次。绝大部分地震规模很小,人类感受不到,真正能对人类造成严重危害的,每年大约有一二十次。

那么问题来了,我们应该如何描述一个地震的规模大小呢?

1935年,加州理工学院的里克特和古登堡教授制订了大名鼎鼎的里氏震级以地震波的最大振幅来表征地震规模。他们对0级地震的设定是:地震让距离震中100公里处的地震仪产生的最大振幅为1微米,其他地震以此为基础确定震级,公式如下:

ml——里氏震级

a——距离震中100公里处的地震仪记录到的最大振幅

a0——1微米

可以看出,当距离震中100公里处的地震仪记录到的最大振幅为10微米时,震级为1级;100微米时,震级为2级,以此类推。

地震发生时释放的能量大部分以机械能(如岩石破裂)和热能(如摩擦生热)的形式滞留在震源区,另一部分以地震波的形式向四面八方传播,称为地震波辐射能量,正是这部分能量对地表造成了破坏

里氏震级和辐射能量之间有一个经验公式如下:

e——辐射能量

m——震级

可以看出,当震级m增加1时,log10 e 增加1.5,e 会变成原来的101.5≈31.6倍。即震级每增加1级,能量就会变成31.6倍;增加2级,辐射能量就会变成1000倍;增加3级,能量就会变成31623倍。

地震波辐射能量的数值是相当惊人的,可以尝试计算一下当m= 6时的能量,代入上式得

这一数值相当于一颗广岛原子弹的能量。1960年,智利发生了有仪器记录以来震级最高的地震,达到9.5级,按上面公式,能量相当于17万多个广岛原子弹。但地球经过此劫后几乎是毫发无损,所以大家不要相信人类掌握的核武器已经可以毁灭地球多少次的论述,事实上人类从未掌握毁灭地球的能力。

历史上我国多次发生大规模地震,造成的人员伤亡十分惨重。

表1 中国历史上地震伤亡人数统计表

除了里氏震级外,科学家还制定了矩震级、面波震级、体波震级等,各有优缺点。我们平时常见的震级主要是里氏震级和矩震级。

震级?烈度?到底有什么区别

除了震级,大家可能还经常会听到一个词叫烈度烈度表示一个地区地震过后的受破坏程度,在我国分为12度,度数越高代表受地震破坏越严重。说到这里可能有人比较困惑,不是已经有震级了吗,为什么还要再设置一个烈度?

震级主要反映的是地震规模,更具体地来说就是反映了地震波辐射能量的大小。虽然一般来讲震级越大,辐射能量越多,地区受破坏就会越严重,但在相同的震级下,如果不同地区震源深度不同,震中距不同,建筑质量不同,那受破坏的程度往往是不一样的。因此我们需要设置一个指标来反映这种差异,这就是烈度

为了准确规范地评估烈度,我国出台了国家标准《中国地震烈度表》(gb/t 17742-2020)。标准中涉及的一些指标较复杂,下表是为方便大家理解简化后的版本,如果有兴趣了解全文可自行去国家标准全文公开系统免费查阅。

表2 地震烈度表简化版

从表中可以看出,需要根据震后实地调查了解到的情况来确定烈度,所以烈度在地震发生一段时间后才能被评估出来,不像震级那样在地震刚发生时就能被计算出来。2022年9月5日发生的泸定地震,中国地震局在当天就给出了震级,但到9月11日才给出地震烈度。

可怕的地震,我们能否预测它的到来?科学家们为了预测地震做出过哪些尝试呢?

汉代已有的验震器——候风地动仪

人类很早开始尝试进行地震预测,其中最著名的可能要数东汉时期张衡制作的候风地动仪——当某个方向发生地震后,由于受到地震波的扰动,该方向悬挂的龙口中所含铜珠就会掉落,告诉大家这个方向发生地震了。

严格地说,候风地动仪并不能预测地震,它只能在震后告诉人们地震发生的方向,算是一种验震器,但它仍然意义重大。因为人类本身很难感受到遥远地区的地震,而有了它之后,一旦某个地区发生大地震,中央王朝就可以立即获知大概方向,从而能在当时落后的通信条件下提前准备好救灾事宜。

地震预测依然遥遥无期

现代地震预测直到20世纪60年代才正式登上舞台。一方面是因为地震研究十分复杂,到这时才具备比较成熟的技术基础;另一方面也得益于美苏之间的核竞赛。

当时美苏进行了大量地下核试验并对相关资料严格保密,但双方又千方百计地想获知对方虚实。这时就有人想到,虽然政府可以三缄其口,但地下爆破产生的地震波是不会说谎的,可以通过监测地震波来推测爆炸数据。为此美国耗费巨资建立了全球标准地震台网(wwssn),为地震学家提供了以前想都不敢想的庞大资源,客观上大大推动了地震研究。

现代地震预测强调三个要素,即时间、地点和震级。在上世纪70年代早期,或许是因为资源和经费的充足,科学界对地震预测普遍比较乐观。

1975年,中国成功预测了辽宁海城7.3级大地震,在地震来临前及时将人员财产转移到空旷地带,避免了大量的人员伤亡和财产损失。这似乎无可辩驳地证实了地震预测的可行性,也进一步增强了科学界的乐观情绪。

但好景不长,1976年,中国未能预测出唐山地震,未能挽回重大伤亡。也是从这一时期开始,多种地震预测的方法接连被推翻。直到今天,海城地震的预测也是联合国唯一承认的地震预测成功的案例

地震预测分为长期、中期、短期和临震预测,对老百姓防灾避险而言,一般短期和临震预测才比较有价值。毕竟,如果你跟大家说未来十年内很可能发生地震,那大家听了也很难做出什么反应。

然而,想要实现短期以及临震预测非常难。在前一节课的学习中,我们已经知晓地震的产生往往与板块碰撞相关。但实际情况要复杂很多,由于板块的尺度太大,边界线太漫长,运动又太慢,即便我们知道两个板块之间“积怨已久”,我们也很难知道地下断裂带以及周边岩层的具体性质——它们受到的力有多大、它们是否到达临界值、是否有其它因素导致岩层中出现薄弱带(这里更容易活动)等。我们只能根据研究,确定断裂带的范围,从而框定出地震风险性大的区域,但是它们什么时候、具体在哪里、会发生多大震级地震就一概不知了。

那些年人们试过的地震预测方法

在几十年的研究中,研究者们做过多个方面的尝试。

有从统计方法入手的:

一是统计地震频率。比如有研究者统计某一个区域平均每150年发生一次7级以上的地震,而上次类似的地震已经是145年前的事情了,于是预测5年后可能会发生大地震。先不论“区域”涵盖的范围有多广,全部都做预防工作是多么困难;也不管“5年之后”是多么模糊,意味着那一整年每天都要提心吊胆。仅就预测本身而言,也存在相当大的不确定性。比如虽然平均间隔是150年,但是如果160年后才发生过不过分呢?

结论可能是毫不过分。因为板块运动的速度极慢,其时间单位以十万年甚至百万年计,所以在板块看来10年大概还不到1秒钟,晚“1秒钟”怎么能算迟到呢?就像公司要求每天早上9:00上班,而你9:00:01抵达办公室,你会觉得自己迟到了吗?

但是板块迟到的“1秒钟”是人类难以接受的。20世纪80年代,美国地质调查局预测帕克菲尔德将在1988年以后的4年内发生一场6级左右的地震,当地政府和居民随即投入大量资源准备应对地震。结果到2004年这场地震才发生,公众也因此对地震预测一片唏嘘。

二是统计地震规律。有研究者经过对地震的多年观测,总结出了一些简单规律,比如大震前有小震,大震后无大震。这些规律似乎很有道理,在不少情况下也是正确的,比如海城地震的主震前就有很多规模较小的地震,好像在不断警示大家“大的要来了”;大部分地区发生一次规模很大的地震后,要消停很多年才能孕育出下一次地震。

但例外的情况也不少,比如汶川地震前没有明显密集的小震;又比如海城刚发生7.3级的地震,一年后附近的唐山就发生了7.8级地震。当初唐山地震前专家们展开了激烈争论,分为“无大震”和“有大震”两派,“无大震”派的重要依据之一就是一个区域不会连续两年发生两场大地震。最后“无大震”派胜出,错失预测良机。不过这也不能怪专家,主要是我们对地震的了解太少了。

除了统计方法,还有从地震前兆入手的

一是动物异常。大家可能也听说过类似的故事:如果在寒冬腊月里几十条蛇群聚出洞,几百只青蛙集体搬迁,鸡鸭焦躁不安,可能就要发生地震了。这种说法有一定道理,因为有一些动物确实对震动等非常敏感,它们可以更敏锐地感知地球深部的运动。

该方法在历史上有成功先例,比如在海城地震前人们就观察到了动物异常现象。不过令人遗憾的是,不是每次地震都会引发动物异常,毕竟动物也不是万能的。另外也不是每次动物异常都预示着地震。因此这个方法仅供参考。随着现代科技的发展,我们制造出的许多设备的监测精度已经大大超越动物的灵敏度,动物异常的观测在地震研究中越来越小众化。

二是地下水位异常。因为大地震发生前可能会发生小地震,导致地下岩层产生小规模的错动,而错动后就可能会改变地下水的流动通道,比如打通或者堵塞了某些地下通道,致使井水位在短时间内出现剧烈变化。但是该方法也存在局限性,因为大地震前不一定会有小地震,所以地下水位也不一定变化;另外地下水位变化不一定是地震所致,也可能是附近建筑基坑施工时截堵了地下水,或者有人私自抽取地下水,甚至是向地下排泄废水。

除了上面两个,还有根据氡含量、地震波速比、电磁信号、地震光等进行预测的方法。氡含量法是说地层内储存了少量惰性气体氡,地层破裂后这些气体会被释放出来。理论上地层破裂越多氡含量应该越高,有人就想到可以通过监测氡含量揭示地层破裂进而预测地震;地震波速比是说地震波有横波和纵波两种,当地层破裂时它们的波速比理论上会发生变化,有人认为可以根据这个来预测地震;电磁信号可以简单理解为岩层相互摩擦生电,就像我们用手摩擦头发会生电一样,然后电又可以生磁,产生电磁信号,有人认为可以通过监测电磁信号揭示地层摩擦进而预测地震;而地震光可以理解岩层在摩擦放电过程中产生的火花,就像闪电是云层间的放电现象一样。如果产生了地震光,说明地层摩擦很厉害,很可能会发生地震,不过更多的时候是已经地震了。

总的来说,虽然有各种五花八门的猜想,甚至在民间也产生了不少预测理论,不过迄今还没有一种方法能够有效预测地震

不能预测,不代表无法预警

虽然人类在地震预测方面屡屡碰壁,但在地震预警方面还是可圈可点的。预测和预警虽然只有一字之差,但含义全然不同。预测是说在地震发生之前就能准确获知地震发生的时间、地点和震级,提前疏散群众让地震扑个空;而预警是指在地震发生之后,横波还没有到达某一个地方之前(什么是横波?下面会介绍),临时通知当地群众紧急避险

预警的原理和地震波的性质有关。地震波有两种,分别是p波primary,即首先到达的波)和s波secondary,即后来到达的波)。p波的传播速度大约为5.5-7 km/s,而s波大约为3.2-4 km/s。因为p波的传播速度更快,所以可以更早地到达地表。

按物理上波动的分类,因为p波质点运动的方向与传播方向平行,靠质点纵向推搡挤压传播,所以称为纵波,类似的还有声波等;因为s波质点运动的方向与传播方向垂直,靠质点横向摩擦剪切传播,所以称为横波,类似的还有水波等。横波的特点是质点没有离开原地,但波却持续向前,就像风吹麦浪,麦子并没有离开原地,但波浪滚滚向前。

波动示意图(上面为横波,下面为纵波。横波的质点运动是上下方向,波传播却是左右方向,二者相互垂直;纵波的质点运动和波传播都是左右方向,二者相互平行)图片来源:tenor***

对于建筑物而言,比起p波带来的上下挤压,它更害怕s波的左右剪切。我们可以简单做一个实验:把几本书摞在一起当作多层建筑,先上下晃动,再左右晃动,会明显发现左右晃动对“建筑物”的破坏性更大,表明s波造成的破坏往往更严重

发现地震波的性质后,有人就想到,既然p波来得早而且破坏性较低,那我们能不能把p波当成信使,一旦接收到了p波,就赶紧通知要地震了,让大家在s波到来之前紧急避险。顺着这个思路,地震预警就诞生了

如图所示,当a地收到p波后,可以立即向居民发布地震预警,同时通过电磁信号(电视、广播、短信、微信等方式)立即告知b地。由于电磁波的传播速度接近300,000km/s,远高于地震波的速度,所以可以让b地在地震波到来之前就收到消息发布预警。部分手机支持的地震预警服务,依据的也是该原理。

虽然预警听起来好像不如预测那么厉害,但发挥的作用不容小觑。有研究表明,地震预警时间为3秒时,可减少14%的人员伤亡;10秒时,可减少39%的人员伤亡;20秒时,可减少63%的人员伤亡

我国在地震预警方面也已经布局。2022年9月5日四川省泸定县发生6.8级地震,中国地震预警网震后6.2秒产出了预警信息,向康定市提前9秒、雅安市提前21秒、成都市提前56秒发布地震预警信息,避免了大量人员伤亡和财产损失。

结语

虽然直到今天我们仍旧无法预测地震,但相信科学家在地震方面所做的大量研究不会白费,比如根据现有成果科学家已经研发出了地震预警系统。

与此同时,我国在建筑抗震、地震科普等方面也做了大量工作,已经让更多人认识地震、了解地震。如果大家关注地震新闻,也能发现近年来我国因地震伤亡的人数在逐渐减少。

相信地震的秘密终究会被揭开,我们终究可以实现地震预测,也期待那一天早日到来。

小知识

除了地震预测外,大家可能还听说过“地震预报”这个词。根据四川省地震局的解释,地震预测是科学意义上的研究行为,比如中国地震局有“地震预测研究所”;而地震预报是政府行政行为,是指政府向社会发布的可能要发生地震的公告。所以二者使用的情景不同,不过在实际生活中确实有混淆,大家理解概念就好。

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作者:肖易东

作者单位:中国科学院地质与地球物理研究所

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