地震:人类面临的重大自然灾害

作者:何建坤, 王卫民/中国科学院青藏高原研究所

在人类赖以生存的行星地球上,各种自然灾害频发,其中,地震是我们必须面对的最重大自然灾害之一。2022年6月1日和2022年6月10日,在四川芦山地区和四川阿坝地区相继发生了震级达6级的地震,这引起大家广泛关注。地震给人类生命和财产带来的损失数不胜数,因此,它一直是世界各国科学家长期不懈研究的主题。

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。

地震:人类面临的重大自然灾害
图1. 全球地震分布基本格局(据美国地调局发布的2018年震级大于4级地震数据制作,数据来源https:// earthquake.usgs.gov


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。

2022年6月1日,在我国2013年发生芦山7级地震的震中附近又发生了一次6.1级地震。2022年6月10日,在四川阿坝地区马尔康市一带还发生了最大震级达6级的地震群。于是,人们希望知道,为什么相隔不到10年,几乎在同一个地区会连续发生强烈地震?地震后的余震有何时空分布规律?
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)。

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图2. 当荷载达到断层滑动(岩石破裂)所需应力极值时,断层发生快速相对运动形成地震,并激发不同类型地震波。(资料来源;https://www.iris.edu)

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。

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图3. 2021年5月22日玛多7.4级地震破裂和余震时-空分布特征(数据来源:国家地震科学数据中心https://data.earthquake.cn)

在时间上,余震的持续时间与主地震发生地区的构造背景、地震断层活动性、地壳内部应力状态等综合因素有关。根据已有研究,在全球范围内一个大地震的余震序列可以持续几年到上千年(图4)。因此,根据分布位置和时间间隔(时-空特征)(图5),把2022年6月1日芦山6.1级地震厘定为2013年芦山7级地震的余震是合理的。在没有别的干扰下,余震发生的频率随着时间的增加而不断减少(图6)。

地震:人类面临的重大自然灾害
图4. 世界上一些大地震余震的持续时间(据Stein and Liu, 2009)

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图5. 2013年7级和2022年6.1级芦山地震断层破裂分布特征

地震:人类面临的重大自然灾害
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
大地震发生后,跟随而来的余震具有明显的时空丛集特征。理论上,不论是2022年6月1日的芦山地震,还是2022年6月10日的马尔康地震,它们必然会有后续余震,但一般而言,余震所释放的总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级可以达到主地震震级减1,说明一些大地震的余震潜在危险性不可忽视。从主震-余震触发机制看,一个余震的震级接近,甚至超过主震震级完全有可能。这种可能性可以用经典的古登堡-理查德关系描述,即在余震序列中,震级大于M的余震个数N也应满足 log10N(M)=a-bM,其中a、b为常数。

2022年6月1日发生在四川芦山的6.1级地震可能给我们敲响了警钟,启示了余震可以有足够的潜在危险性。就2022年6月10日马尔康地震,其后期监测该地震序列的活动规律极其重要。事实上,一些震级相当的强地震呈成对发生可能已近暗示了余震灾害的重要性,如1976年5月29日发生在我国云南的龙陵7.3级和7.4级地震。再者,受一些主震后应力变化的独特机理控制,余震的分布在空间上会随时间而增大。这一切均为地震学家研究地震时间、空间、大小带来了极其严峻的挑战。


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上一篇 2022年6月11日 12:08

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