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摘 要:地震是一种不以人的意志为转移的自然现象,它既是对人类生存现状的一种破坏,同时也是造就地球的存在和发育的巨大能量。就世界范围来说,地震预报仍处于经验性的探索阶段,总体水平不高。地震预测面临的困难既是挑战,也是机遇。
关键词:地震 地球物理学 地震预测
【中图分类号】 G633.55 【文献标识码】 C 【文章编号】1671-8437(2010)03-00118-02
地球物理学是以地球为对象的一门应用物理学,研究地壳、海洋、地球内部、大气和地球空间的各种物理现象,是天文、物理、化学、地质学之间的一门边缘科学。人造卫星出现后,地球物理学的观测对象又扩展到了行星际空间。地球物理学,如果狭义的理解,指的就是固体地球物理学。其中,地震学是地球物理学研究的重点之一。
一 地球运动十分活跃,全世界地震频发
2010年4月14日7时49分,青海省玉树藏族自治州玉树县(北纬33.1,东经96.7)发生了7.1级地震。从地质构造上看,玉树历史上曾多次发生地震。玉树地处青藏高原块体的中部,该板块的地质活动较为强烈,中强度以上的地震在历史上持续不断,因此玉树地震不是一个偶然的现象。台湾、青海今天相继地震,虽然属于不同板块,但是反映了全球地震活动进入高活跃期。从2009年7月15日至今的9个月以来,全球发生7级以上地震共24次,平均每月2.6次;相比20世纪百年每年19次,每月1.6次的平均记录高出不少。而7.7级以上地震的百年平均值是每年两次,而最近9个月内全球则发生了6次。
玉树地震很可能与汶川地震有关。从板块构造来讲,青海地震位于巴颜喀拉地块的南边,汶川地震处在巴颜喀拉地块的东边。这个地块除了这两次地震之外,之前还有一次特别大的地震:2001年10月14号昆仑山口西8.1级地震,位于巴颜喀拉的北端。这个地块上再往前追溯还有97年西藏玛尼地震,也是在巴颜喀拉地块的南侧靠西方位。实际上从96年、97年以后,这个地块周围就一直非常活跃,但是很多次强震都是发生在无人区,没有产生重大灾难性影响。2001年以后,2008年发生汶川地震,现在又调整到南边,发生了这一次的玉树7.1级地震。
2010年4月11日,所罗门群岛发生今年第二次7级以上地震。2010年以来全球地震似乎有些频繁:从海地、智利、土耳其、日本、墨西哥到印尼地震,震级都超过7级。我们不禁会想,全球地震活动出现异常了吗?这意味着什么?据统计,今年以来全球6级以上的强震就已经超过10次。在大的地震间隙,震级较小的地震也是接连不断,从中国地震信息网上可以看到,四月份全球已发生6次4级以上地震。据美国地质勘探局提供的数据,全世界平均每年发生134次里氏6级至6.9级地震,18起里氏7级及7级以上地震。然而,今年迄今已发生的同类震级的地震次数超过了大多数年份的同期数字。相对于以前一百年地震活动的历史,1964年到2004年,这40多年没有发生8.5级以上地震,而今年已发生两次8.7级以上地震,这是在40多年相对活动水平比较低的状态下发生的,说明这几年全球8级以上地震活动水平明显偏高,与上世纪前半叶地震活动水平基本相当。所以全球可能处于一个强震活动的频发时代。但是从平静来说,8.5级以上的特大地震,应该是从2004年印尼地震以后,全球进入了地震强活跃状态。
二 地震是地球运动的自然现象
地震是一种不以人的意志为转移的自然现象,它既是对人类生存现状的一种破坏,同时也是造就地球的存在和发育的巨大能量。地震是在地下释放能量的过程,一般以震级表示。震级7级的地震,属于比较大的地震,释放能量已经非常大,唐山地震是7.8级。地震要产生破坏,和震源深度非常有关。一般像东部发生的地震都是10—20公里之间,这次地震是20—30公里之间,所以震源稍微深一点,深一点就说明它的破坏不像汶川地震那么大(汶川地震震源深度是10公里)。震源深度稍微深了点,破坏力就没有前面那几次地震大。
一般而言,地震的产生包括三种成因:一是,构造成因。这种地震又被称为断裂地震,是由地下岩层突然发生错断所引起,这种类型的地震分布最广,其强度也最大,地球上约90%的地震和破坏性最大的地震都属于断裂地震。二是,火山成因。即火山喷发时由于气体的冲击力所引起的地震,这种地震强度较小,只是在火山周围地区有较显著的影响,火山地震占地震总数的7%。三是,陷落成因。在石灰岩发育的地区,岩石被地下水溶蚀形成巨大空洞,或矿产资源开采形成采空区,上覆岩层坍塌引起地震,这种地震影响范围小,破坏性不大,约占地震总数的3%。
三 地球物理学研究地震的主要内容
地震灾害对于人类社会来说,实在是太可怕了。人类对地震的研究始于对它的恐惧,人们研究地震灾害主要通过以下几个方面进行。
地震调查,直接对地震区域各种地震现象进行调查、分析、研究和评估。这是了解掌握地震发生全过程必不可少的重要环节,特别是震中及极震区的调查。调查是综合性的,目的有判断地震的性质、成因,为了防震、抗震或地震的预报。
地震区划,按一定标准划出各个地震活动带的活动情况和危险程度。地震区划方法各异,通常以地震的地理分布、次数和强度为依据,即以统计的方法划分地震带。还可以用地震地质的方法,也就是根据地震地质条件结合统计结果,进行地震的地区划分。也有根据地震能量和频度分布情况来划分的。
地震预防,专门研究地震对建筑物,人造结构的影响和破坏规律。为了寻求最科学最合理的抗震设计,在地震发生时不致于受到严重破坏,是地震作用条件下的结构动力学及结构材料力学问题。
地震预报,地震学研究的一个极为重要的目标就是尽可能准确的预报地震。为地震预报提供依据的方法和手段很多,有的是寻找与地震内在因素有关的现象和数据,如地形变、地应力、能量积累、断层移动、大地构造因素等等;有的是寻找与地震发生的外部因素有关的现象和数据,如气象条件、天文情况等等;有的则是依据地震前的许多前兆现象来预报。
地震控制,这还是地震学研究的一个相当遥远的目标。用各种方法,改变地震发生的地点,改变发震的时间,改变地震释放能量的过程,化大为小,化整为零,减少地震的破坏和损失。
地震物理,地震的发生过程基本上是一种物理过程。可以作为一种物理现象来研究,有以下几个方面:地震波理论,研究地震波在地球表面和内部的传播过程,传播规律,能量的传递过程。
地震机制,研究地震的成因,震源附近地区应力和应变情况,地震发生的力学过程。地震现象的固体物理学,由地震发生过程中得到的全球性的各种数据,推断地球内部物质的物理性质,如温度、压力、密度、刚性、弹性模量随深度大小的变化规律,以及在特殊条件下地球深处高温高压下固体介质的各种特性和变化规律。
地震信息,地球的地壳、大洋、地壳内的地幔、地核都能传递地震信息,研究地震信息在地球本身传递的规律,有助于研究地球内部及地壳的构造。
四 地球物理学应加强地震预警的探索
地震领域所谓的“地震预警”是指突发性大震已发生,抢在严重灾害尚未形成之前发出警告并采取措施的行动,即“震时预警”,主要对象是重大设施和生命线工程,如核电站、煤气管道、地铁、高速火车等,并非通常所说的“地震预报”。二者的基本区别是:地震预报是对尚未发生、但有可能发生的地震事件事先发出通告,而地震预警是破坏性地震已经发生,对即将到来的灾害抢先发出警告并紧急采取行动。就现有国内外研究,地震预警技术系统一般包括地震检测、通讯、控制与处置、警报发布等组成部分。实现地震预警有三种基本技术途径:一是利用地震波和电磁波传播的速度差异;二是利用地震波本身在近处传播时纵波(P波)与横波(S波)传播速度的差异;三是利用致灾地震动强度阈值。
在科学上,地震究竟能否准确预报?1996年,在伦敦召开的“地震预测框架评估”国际会议上,与会者达成一个广泛的共识:地震本质上是不可预测的,不仅现在没法预测,将来也没法预测!因为地球处于自组织的临界状态,任何微小的地震都有可能演变成大地震。这种演变是高度敏感、非线性的,其初始条件不明,很难预测。如果要预测一个大地震,就需要精确地知道大范围,而不仅仅是断层附近的物理状况的所有细节,而这是不可能的。
地震预测和地震预报是有严格区分的。地震预测是指地震主管机构或科研人员对某一地区内地震活动的未来状态,包括发生时域、地域、强度等要素进行的估计和推测。而地震预报则事关重大,关系到人民生命和财产安全,关系到社会秩序的稳定。从地震预测到地震预报还需经历预测书面报告提交、地震震情会商形成地震预报意见、专家评审和报告、政府部门统一发布等多个阶段。具体来说,地震预报一般分为:长期预报(未来10年可能发生破坏性地震的地域);中期预报(未来1年至2年内可能发生破坏性地震的地域);短期预报(3个月内将要发生地震的时间、地点、震级)和临震预报(10日内将要发生地震的时间、地点、震级)等四种类型。预报成功将可以避免或减少人员伤亡,减轻经济损失;但预报失误则可能给社会造成损失并造成正常社会生活秩序的混乱。通常来说,地震预测的技术途径是通过地震前兆信息、室内和野外的模拟实验以及孕震机理的理论研究来实现的。那么地震预测究竟难在哪里呢?原因可能有以下几个方面:
一是缺乏完善地球内部理论。地震震源位于地球内部,而地球和天空不同,它是不透明的。上天容易入地难,人类目前尚不能深入到高温、高压状态的地球内部设置观察仪器来对震源进行直接观测。同时,由于地震在全球地理分布不均匀,震源主要集中在环太平洋地震带、欧亚地震带和大洋中脊地震带。因此,地震学家只能在地球表面很浅的内部设置稀疏不均匀的观测台站。这样获取的数据很不完整也不充分,难以据此推测地球内部震源的情况。因此,到目前为止,人类对震源的环境和震源本身特点,仍知之甚少。
二是缺乏完善地震预警理论。一个地区大地震发生的概率小、复发间隔时间很长,往往要几十年到几百年,这样的时间跨度与人类的寿命、与自有现代仪器观测以来经过的时间相比,要长得多。作为一门科学的研究,必须要有足够的统计样本,而在人类有生之年获取这些有意义的大地震样本是非常困难的。迄今为止,对大地震前兆现象的研究,还处在对各个具体震例进行总结研究的阶段,尚缺乏建立地震发生理论所必需的经验规律。
三是地震物理过程的复杂性。地震是在极其复杂的地理环境中孕育和发生的。地震先兆的复杂性和多变性,与震源区地质环境的复杂性和孕育过程的复杂性密切相关。从技术层面上来讲,地震物理过程在从宏观至微观的所有层面上都很复杂。众所周知,地震是由断层破裂而引起的。仅就断层破裂而言,其宏观上的复杂性就表现为:同一断层上两次地震破裂的时间间隔长短不一,导致了地震发生的非周期性;不同时间段发生的地震在断层面上的分布也很不相同。其微观上的复杂性则表现为:地震的孕育包括“成核”、演化、突然快速破裂和骤然演变成大地震的过程。以上地震物理过程的复杂性及彼此之间关联的研究深化,将有助于人类对地震现象认识的深化。
我国是开展地震预报较早的国家,也是实践地震预报最多的国家。就世界范围来说,地震预报仍处于经验性的探索阶段,总体水平不高。地震预测面临的困难既是挑战,也是机遇。解决地震预测困难的出路,既不能单纯依靠经验性方法,也不能置迫切的社会需求于不顾,坐待某一天的突然进展。目前,我国已建立了1200多个地震监测台站,布设了总长度达数万公里的流动测线,建立了近万个群众业余监测哨,现代化的覆盖全国的地震观测网络已初具规模。与此同时,地震观测技术的进步和高新技术的发展运用,为地震预测研究带来了新的历史性机遇。因此,在科技进步、强化对地震前兆观测、开展地震预测科学试验、系统开展地球内部观测和研究的推动下,我们可以对地震预测的前景抱审慎的乐观态度。
关键词:地震 地球物理学 地震预测
【中图分类号】 G633.55 【文献标识码】 C 【文章编号】1671-8437(2010)03-00118-02
地球物理学是以地球为对象的一门应用物理学,研究地壳、海洋、地球内部、大气和地球空间的各种物理现象,是天文、物理、化学、地质学之间的一门边缘科学。人造卫星出现后,地球物理学的观测对象又扩展到了行星际空间。地球物理学,如果狭义的理解,指的就是固体地球物理学。其中,地震学是地球物理学研究的重点之一。
一 地球运动十分活跃,全世界地震频发
2010年4月14日7时49分,青海省玉树藏族自治州玉树县(北纬33.1,东经96.7)发生了7.1级地震。从地质构造上看,玉树历史上曾多次发生地震。玉树地处青藏高原块体的中部,该板块的地质活动较为强烈,中强度以上的地震在历史上持续不断,因此玉树地震不是一个偶然的现象。台湾、青海今天相继地震,虽然属于不同板块,但是反映了全球地震活动进入高活跃期。从2009年7月15日至今的9个月以来,全球发生7级以上地震共24次,平均每月2.6次;相比20世纪百年每年19次,每月1.6次的平均记录高出不少。而7.7级以上地震的百年平均值是每年两次,而最近9个月内全球则发生了6次。
玉树地震很可能与汶川地震有关。从板块构造来讲,青海地震位于巴颜喀拉地块的南边,汶川地震处在巴颜喀拉地块的东边。这个地块除了这两次地震之外,之前还有一次特别大的地震:2001年10月14号昆仑山口西8.1级地震,位于巴颜喀拉的北端。这个地块上再往前追溯还有97年西藏玛尼地震,也是在巴颜喀拉地块的南侧靠西方位。实际上从96年、97年以后,这个地块周围就一直非常活跃,但是很多次强震都是发生在无人区,没有产生重大灾难性影响。2001年以后,2008年发生汶川地震,现在又调整到南边,发生了这一次的玉树7.1级地震。
2010年4月11日,所罗门群岛发生今年第二次7级以上地震。2010年以来全球地震似乎有些频繁:从海地、智利、土耳其、日本、墨西哥到印尼地震,震级都超过7级。我们不禁会想,全球地震活动出现异常了吗?这意味着什么?据统计,今年以来全球6级以上的强震就已经超过10次。在大的地震间隙,震级较小的地震也是接连不断,从中国地震信息网上可以看到,四月份全球已发生6次4级以上地震。据美国地质勘探局提供的数据,全世界平均每年发生134次里氏6级至6.9级地震,18起里氏7级及7级以上地震。然而,今年迄今已发生的同类震级的地震次数超过了大多数年份的同期数字。相对于以前一百年地震活动的历史,1964年到2004年,这40多年没有发生8.5级以上地震,而今年已发生两次8.7级以上地震,这是在40多年相对活动水平比较低的状态下发生的,说明这几年全球8级以上地震活动水平明显偏高,与上世纪前半叶地震活动水平基本相当。所以全球可能处于一个强震活动的频发时代。但是从平静来说,8.5级以上的特大地震,应该是从2004年印尼地震以后,全球进入了地震强活跃状态。
二 地震是地球运动的自然现象
地震是一种不以人的意志为转移的自然现象,它既是对人类生存现状的一种破坏,同时也是造就地球的存在和发育的巨大能量。地震是在地下释放能量的过程,一般以震级表示。震级7级的地震,属于比较大的地震,释放能量已经非常大,唐山地震是7.8级。地震要产生破坏,和震源深度非常有关。一般像东部发生的地震都是10—20公里之间,这次地震是20—30公里之间,所以震源稍微深一点,深一点就说明它的破坏不像汶川地震那么大(汶川地震震源深度是10公里)。震源深度稍微深了点,破坏力就没有前面那几次地震大。
一般而言,地震的产生包括三种成因:一是,构造成因。这种地震又被称为断裂地震,是由地下岩层突然发生错断所引起,这种类型的地震分布最广,其强度也最大,地球上约90%的地震和破坏性最大的地震都属于断裂地震。二是,火山成因。即火山喷发时由于气体的冲击力所引起的地震,这种地震强度较小,只是在火山周围地区有较显著的影响,火山地震占地震总数的7%。三是,陷落成因。在石灰岩发育的地区,岩石被地下水溶蚀形成巨大空洞,或矿产资源开采形成采空区,上覆岩层坍塌引起地震,这种地震影响范围小,破坏性不大,约占地震总数的3%。
三 地球物理学研究地震的主要内容
地震灾害对于人类社会来说,实在是太可怕了。人类对地震的研究始于对它的恐惧,人们研究地震灾害主要通过以下几个方面进行。
地震调查,直接对地震区域各种地震现象进行调查、分析、研究和评估。这是了解掌握地震发生全过程必不可少的重要环节,特别是震中及极震区的调查。调查是综合性的,目的有判断地震的性质、成因,为了防震、抗震或地震的预报。
地震区划,按一定标准划出各个地震活动带的活动情况和危险程度。地震区划方法各异,通常以地震的地理分布、次数和强度为依据,即以统计的方法划分地震带。还可以用地震地质的方法,也就是根据地震地质条件结合统计结果,进行地震的地区划分。也有根据地震能量和频度分布情况来划分的。
地震预防,专门研究地震对建筑物,人造结构的影响和破坏规律。为了寻求最科学最合理的抗震设计,在地震发生时不致于受到严重破坏,是地震作用条件下的结构动力学及结构材料力学问题。
地震预报,地震学研究的一个极为重要的目标就是尽可能准确的预报地震。为地震预报提供依据的方法和手段很多,有的是寻找与地震内在因素有关的现象和数据,如地形变、地应力、能量积累、断层移动、大地构造因素等等;有的是寻找与地震发生的外部因素有关的现象和数据,如气象条件、天文情况等等;有的则是依据地震前的许多前兆现象来预报。
地震控制,这还是地震学研究的一个相当遥远的目标。用各种方法,改变地震发生的地点,改变发震的时间,改变地震释放能量的过程,化大为小,化整为零,减少地震的破坏和损失。
地震物理,地震的发生过程基本上是一种物理过程。可以作为一种物理现象来研究,有以下几个方面:地震波理论,研究地震波在地球表面和内部的传播过程,传播规律,能量的传递过程。
地震机制,研究地震的成因,震源附近地区应力和应变情况,地震发生的力学过程。地震现象的固体物理学,由地震发生过程中得到的全球性的各种数据,推断地球内部物质的物理性质,如温度、压力、密度、刚性、弹性模量随深度大小的变化规律,以及在特殊条件下地球深处高温高压下固体介质的各种特性和变化规律。
地震信息,地球的地壳、大洋、地壳内的地幔、地核都能传递地震信息,研究地震信息在地球本身传递的规律,有助于研究地球内部及地壳的构造。
四 地球物理学应加强地震预警的探索
地震领域所谓的“地震预警”是指突发性大震已发生,抢在严重灾害尚未形成之前发出警告并采取措施的行动,即“震时预警”,主要对象是重大设施和生命线工程,如核电站、煤气管道、地铁、高速火车等,并非通常所说的“地震预报”。二者的基本区别是:地震预报是对尚未发生、但有可能发生的地震事件事先发出通告,而地震预警是破坏性地震已经发生,对即将到来的灾害抢先发出警告并紧急采取行动。就现有国内外研究,地震预警技术系统一般包括地震检测、通讯、控制与处置、警报发布等组成部分。实现地震预警有三种基本技术途径:一是利用地震波和电磁波传播的速度差异;二是利用地震波本身在近处传播时纵波(P波)与横波(S波)传播速度的差异;三是利用致灾地震动强度阈值。
在科学上,地震究竟能否准确预报?1996年,在伦敦召开的“地震预测框架评估”国际会议上,与会者达成一个广泛的共识:地震本质上是不可预测的,不仅现在没法预测,将来也没法预测!因为地球处于自组织的临界状态,任何微小的地震都有可能演变成大地震。这种演变是高度敏感、非线性的,其初始条件不明,很难预测。如果要预测一个大地震,就需要精确地知道大范围,而不仅仅是断层附近的物理状况的所有细节,而这是不可能的。
地震预测和地震预报是有严格区分的。地震预测是指地震主管机构或科研人员对某一地区内地震活动的未来状态,包括发生时域、地域、强度等要素进行的估计和推测。而地震预报则事关重大,关系到人民生命和财产安全,关系到社会秩序的稳定。从地震预测到地震预报还需经历预测书面报告提交、地震震情会商形成地震预报意见、专家评审和报告、政府部门统一发布等多个阶段。具体来说,地震预报一般分为:长期预报(未来10年可能发生破坏性地震的地域);中期预报(未来1年至2年内可能发生破坏性地震的地域);短期预报(3个月内将要发生地震的时间、地点、震级)和临震预报(10日内将要发生地震的时间、地点、震级)等四种类型。预报成功将可以避免或减少人员伤亡,减轻经济损失;但预报失误则可能给社会造成损失并造成正常社会生活秩序的混乱。通常来说,地震预测的技术途径是通过地震前兆信息、室内和野外的模拟实验以及孕震机理的理论研究来实现的。那么地震预测究竟难在哪里呢?原因可能有以下几个方面:
一是缺乏完善地球内部理论。地震震源位于地球内部,而地球和天空不同,它是不透明的。上天容易入地难,人类目前尚不能深入到高温、高压状态的地球内部设置观察仪器来对震源进行直接观测。同时,由于地震在全球地理分布不均匀,震源主要集中在环太平洋地震带、欧亚地震带和大洋中脊地震带。因此,地震学家只能在地球表面很浅的内部设置稀疏不均匀的观测台站。这样获取的数据很不完整也不充分,难以据此推测地球内部震源的情况。因此,到目前为止,人类对震源的环境和震源本身特点,仍知之甚少。
二是缺乏完善地震预警理论。一个地区大地震发生的概率小、复发间隔时间很长,往往要几十年到几百年,这样的时间跨度与人类的寿命、与自有现代仪器观测以来经过的时间相比,要长得多。作为一门科学的研究,必须要有足够的统计样本,而在人类有生之年获取这些有意义的大地震样本是非常困难的。迄今为止,对大地震前兆现象的研究,还处在对各个具体震例进行总结研究的阶段,尚缺乏建立地震发生理论所必需的经验规律。
三是地震物理过程的复杂性。地震是在极其复杂的地理环境中孕育和发生的。地震先兆的复杂性和多变性,与震源区地质环境的复杂性和孕育过程的复杂性密切相关。从技术层面上来讲,地震物理过程在从宏观至微观的所有层面上都很复杂。众所周知,地震是由断层破裂而引起的。仅就断层破裂而言,其宏观上的复杂性就表现为:同一断层上两次地震破裂的时间间隔长短不一,导致了地震发生的非周期性;不同时间段发生的地震在断层面上的分布也很不相同。其微观上的复杂性则表现为:地震的孕育包括“成核”、演化、突然快速破裂和骤然演变成大地震的过程。以上地震物理过程的复杂性及彼此之间关联的研究深化,将有助于人类对地震现象认识的深化。
我国是开展地震预报较早的国家,也是实践地震预报最多的国家。就世界范围来说,地震预报仍处于经验性的探索阶段,总体水平不高。地震预测面临的困难既是挑战,也是机遇。解决地震预测困难的出路,既不能单纯依靠经验性方法,也不能置迫切的社会需求于不顾,坐待某一天的突然进展。目前,我国已建立了1200多个地震监测台站,布设了总长度达数万公里的流动测线,建立了近万个群众业余监测哨,现代化的覆盖全国的地震观测网络已初具规模。与此同时,地震观测技术的进步和高新技术的发展运用,为地震预测研究带来了新的历史性机遇。因此,在科技进步、强化对地震前兆观测、开展地震预测科学试验、系统开展地球内部观测和研究的推动下,我们可以对地震预测的前景抱审慎的乐观态度。