迄今为主,地球上记录到的最大地震是1960年5月发生在南美洲大陆与太平洋交接部位的智利9.5级特大地震。1950年8月,在我国西藏察隅一带发生了8.6级察隅特大地震,它是至今记录到的大陆内部最大地震。在全球范围,这些8级以上的特大地震极其罕见,但震级为中等强度和我们人类自身感知不到的地震却无时无刻不在发生。图1显示了发生在2018年内震级大于4的(约12123个)全球地震分布,可以看出地震主要发生在环太平洋大陆边缘、大洋中部(板块构造上称大洋中脊)、地中海-伊朗-尼泊尔-印度尼西亚-新西兰一线、以及我国青藏高原-天山等地区。可以说,地震作为常见的自然现象,它与我们“影形相随”,人类无法回避。为了减少地震对人类的影响,科学家一直想知道地震发生在哪?什么时间发生?它的震级有多大?以便将地震的损失减到最小。
我国是一个地震多发的国家。据国家地震台网数据,仅在2021年,地震监测网络就记录到发生在我国境内震级2级以上的地震达14000余个。在几千年中华文明历史长河中,我国对地震的记载可以追溯到公元前23世纪,对一些重大历史地震的记录堪称典范(如1303年山西洪洞8级地震、1920年甘肃海原8级地震等),为世界地震科学研究提供了极其宝贵的第一手资料。
基于地震的极其复杂性,以下用少量篇幅,就地震及其余震的一些基本知识作简要概述。
地震如何发生
受板块运动、火山喷发、人类活动等众多因素影响,我们居住的地球其内部不同深度存在着具有复杂时-空特征的力。在特定力的作用下,地球内物质将发生变形,而当变形发生在岩石圈浅部时,这种力所造成的物质变形通常符合弹性关系;即如同一根受力的弹簧,它的压短或拉伸量与作用在其两端的力成线性正比。一般地,为了定量一个物体的受力大小,可以将力转化为作用在单位面积上的力,即应力。随着作用在弹性岩石圈上的应力不断增大,弹性变形的介质将在极短时间内发生脆性破裂;这个过程又似我们双手折一根筷子,随着用力不断增加,筷子先是弯曲类似弹性变形,而后折断发生脆性破裂。在弹性(地壳)岩石圈中,当形成的破裂伴随两侧瞬态的相对运动时,即形成地震。这时,地震的大小可以用矩震级来标定,即:Mw=(lgM0)/1.5-10.7,其中 M0=μ∙W∙S,为地震矩(M0,N.m),它等于地震破裂面面积(W,m2)、地震破裂面两侧位移(S,m)、弹性地壳的弹性模量(μ,N/m2)三者的乘积。当然,还有一些根据地震波振幅特征来标定地震震级方法。他们与地震矩震级间有一定的经验转换公式,此不再表述。
需要说明的是,在经历了几十亿年漫长的地质历史演化后,我们脚下的地球内部在一定深度范围内已经充满了大量不同规模、不同运动方式、不同活动习性的断层。在应力作用下,这些已存在的断层比它周边的弹性介质更易发生(再)破裂和滑动。这解释了为什么震级较大的地震大多发生在已有断层上的主要原因(图2)。
然而,尽管我们知道地震发生的基本原理,但地震学家目前对地震的三要素(发震时间、发震地点、发震震级)仍然知之甚少。主要原因是:第一,我们对深度达几十公里的地壳内部所发育的断层的详细特征知之有限。第二,即使能知道断层精确形态,我们还仍然不知道每条断层的抗震(抗破裂)能力有多大。第三,地震学家更不清楚每条断层上的绝对应力有多大。我们相信,随着科学技术的不断发展,正如今天的日常天气预报,地震能被人类预测预报的时代一定会到来。
关于余震
一个较大的地震发生后,在该地震震中一定范围内,会发生震级相对较小、数量达数十到数百上千的地震,一般称这些地震为主地震的余震。对余震的准确定义目前还存在争议,也有提出用一定范围内主地震前后地震发生频率的变化来定义余震。然而,尽管对余震的确切定义有争议,与余震有关的一些重要现象地震学家已经有了十分深入的研究,如余震的分布空间、持续时间、发生频率及发震机理等。
在空间上,余震的分布与主地震断裂的破裂尺度有关。一般地,余震主要发生在大致相当于主地震破裂长度的范围内,如2008年汶川地震,其地震断层破裂长度约320km,余震也主要发生在沿断层相应长度的空间内。又如2021年发生在青海的玛多7.4级地震(图3),其余震的分布也主要集中在与主地震破裂长度相当的空间范围内。
图5. 2013年7级和2022年6.1级芦山地震断层破裂分布特征
图6. 2017年西藏米林6.9级地震余震序列分布特征(据韩佳东等,2019)
最后,关于余震发生机理。实际上,余震与任何地震一样也必然满足应力达到破裂阈值条件后才能发生,但这个应力的来源被认为与主地震的扰动密不可分。在一个新的理论中,余震被认为是由主地震应力触发而产生。就触发的机制,则在不同的地震构造环境中存在多样性,它可以是主地震导致的弹性应力、粘弹性应力、孔隙弹性应力变化;也可以是主地震后破裂面上一些部位继续发生缓慢(无震)滑动(即震后余滑)、地震波在地壳中传播时造成的瞬态应力(动态)变化等。总之这些不同机制可能在具体地震中和地震后的不同时间段扮演的角色不同。这是近几十年来地震学家所关注的研究热点之一。
地震的丛集与灾害
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