關于地震幾個概念的闡釋

沈新榮

（江蘇省天一中學, 江蘇 無錫 214101）

關于地震幾個概念的闡釋

沈新榮

（江蘇省天一中學, 江蘇 無錫 214101）

隨著社會經濟的發展，地震對社會生產生活的破壞性及公眾對于地震的關注度不斷提高。但是中學地理教科書及科普讀物中尚存在一些過時的地震知識，這有礙于人們正確認識地震的發生機制、危害性及防震自救。本文就震源、震級、地震成因、地震預報等幾個概念進行闡釋。

震源；震級；地震成因；地震預報

一、震源與震中

1.震源概念

震源，也叫震源區，指地球內部發生地震的地方，是地震波產生的波源。震源可以分為天然震源和人工震源兩種類型，其中天然震源具有一定的大小和體積。為便于用確定的數學、物理模型來描述，科學家將震源概括為多種不同的理論模型，如線源、點源、錯位源等。

2.震中概念

震中，也叫震中區，指震源在地面上的投影，其地理位置常以經緯度表示。按確定方法不同，可將震中分為微觀震中與宏觀震中。微觀震中，即儀器測定的震中，也是通常所說的震中。宏觀震中的位置需由調查確定。首先，根據宏觀地震資料確定震區的烈度值，編繪地震等震線圖；然后，確定等震線最內側圈定的區域，稱為極震區；最后，計算極震區的幾何中心，該中心即為宏觀震中。

在《中國地震目錄》中，1900年以前無儀器記錄的地震，常繪制宏觀震中；1900年以后有儀器記錄的地震，則同時繪制宏觀震中與微觀震中。

3.辨別點與區的重要性

一次地震的發生，尤其是大地震，其震中并非一個點，而是一個區域。6級、7級的地震，其破裂長度約十幾千米到幾十千米，8級地震的破裂長度則可達上百千米。受地表局部地質條件影響，一次地震后破壞最嚴重的地區（極震區）是宏觀地震區。宏觀震中與微觀震中常常并不重合（圖1）。

圖1 汶川地震資料圖（來源：中國地震局地球物理研究所、地質研究所）

如2008年汶川地震主震的微觀震中位于31.0°N，103.4°E（據中國地震網絡中心），該處距汶川縣映秀鎮的直線距離較漩口鎮更遠，但映秀鎮的受災程度卻更甚。這與傳統點震源、點震中（微觀震中）的觀念不符，運用震源區、震中區（宏觀震中）理論則可以很好的進行解釋：映秀鎮處于微觀震中東北方向的破裂帶上，且距宏觀震中較近。

中國國家地震局陳運泰等對美國阿拉斯加區域臺網記錄到的觀測數據進行分析得到，汶川地震開始于其震中位置（微觀震中），然后以3.1km/s 的速度向東北方向傳播了300km，造成震中東北方向形成了長約300km的破裂帶；對全球范圍內最小方位角間隔為5°的21個震中距超過7000km的長周期遠震臺站的資料進行分析得到，最大靜態滑動位移主要位于震中和震中北東方向100km以內；另外在震中北東方向150km左右，也存在著最高達4.4m的靜態滑動位移。

基于對震源區、震中區概念的認識，進行地震宏觀調查（強地震調查、前兆現象調查、歷史地震調查與考證、宏觀地震資料整理等），可以確定地震的烈度、繪制等震線圖、確定宏觀震中的位置，這對于災后準確計算極震區范圍、地震破壞性強度，并實施及時有效的救援，以及震區災后重建和城鎮規劃選址、建筑物抗震性能設計與抗震級別確定等，都是極其重要的。

二、震級

1.震級標度的提出與發展

地震震級的標度，最初是美國地震學家里克特（Charles Richter）、古登堡（Beno Gutenberg）共同提出并制定的里氏震級。為區分當時美國加州地區發生的大量小規模地震和少量大規模地震，里克特在借鑒天文學中表示天體亮度的星等概念基礎上，規定以震中距100 km處“標準地震儀”所記錄的水平向最大振幅的常用對數為該地震的震級。照此定義，若震中距100km處“標準地震儀”測得的地震波振幅為1mm的話，則震級為里氏3級。

受當初設計里氏震級時所使用的“標準地震儀”的限制，近震規模過大或觀測點震中距過遠時，里氏震級便不適用。隨著遠臺及非標準地震儀記錄換算的發展，研究人員對震級標度進行了改進，常用的有面波震級（MS）、體波震級（Mb）、近震震級（ML）等不同類別。同一地震的三種震級標度可通過一定的經驗公式互換。

1977年，美國地震學家金森博雄（Kanamori Hiroo）等發展出了與震源物理特性有更直接聯系的矩震級（Mw），并在大規模地震時取代了里氏震級（美國地質測量局對規模小于3.5級的地震不使用地震矩震級）。矩震級的優點首先在于它不像近震震級那樣容易飽和，亦即大于某震級的所有地震之數值都相同的情況不會發生；其次，它更能直接反應地震過程的物理性質，如地層錯動的大小和地震的能量等。缺點在于要準確計算矩震級難度較大、需要耗費的時間較長。

目前，各種震級標度普遍存在偏差大、物理基礎不充分、種類多而不統一等問題。國際地震學和地球內部物理學聯合會于1967年成立了專門的震級分委員會，來研究均一震級系統、近震震級和深震震級的測定，震級的物理基礎及歷史地震震級等，以尋求確定地震震級的統一方法和提高震級的精確性。

2.不同標度震級的應用

不同標度震級之間的差別是地震性質的反映。我們需要了解不同類別震級分別適用于說明什么問題。

比如，對救災來說，最理想的是能量震級（ME）。退而求其次的，也許是面波震級（MS）。里克特于1935年提出，美國南加利福尼亞適用的能量震級關系為lgES=6+2MS。此后的1956年，他與古登堡又將公式修改為lgES=1.5MS+11.8。式中，ES為能量，MS為面波震級。從中我們可以得知，震級每增加1級，其釋放的能量大約相差32倍。

對于海嘯預警來說，最有意義的是矩震級（Mw）。矩震級是對斷層錯動引起的地震強度的直接測量，只有它真正反映了地震錯動的大小，能更好地反映地震時釋放出的能量。矩震級的運用在分析波形的長度與方位角的關系、確定地震破裂的方向性、計算給定地點的海嘯大小、最大海嘯波幅等方面有很大的意義，可以為及時對海嘯進行預測和預警提供幫助。

借助對面波與體波振幅的比較，以及面波震級（MS）與體波震級（Mb）的比較，可以對核試驗產生的地震波進行監測和判別。在大多數天然地震中，面波振幅最大，其次是橫波（體波）振幅，再次是縱波（體波）振幅；人工爆炸導致的地震中，縱波振幅反而大于橫波振幅，低頻面波振幅也較小。通過面波震級（MS）和體波震級（Mb）的比值也可以較為直接的判斷地震是否是人為導致。除此以外，科學家也通過分析P波（縱波）初動的類型、震源深度、地震能量等方式來鑒別地震是天然還是人為的。

3.震級的修正

地震，尤其是大地震發生時，經常會出現各地地震監測機構先是公布一個震級，然后又反復進行震級修正的情況。其原因通常有兩種可能。

可能一：地震監測機構最先計算并公布的是已經飽和了的體波震級（Mb），后來又先后計算和公布了飽和點較高的面波震級（MS），以及不會發生飽和的矩震級（Mw）。

可能二：為在第一時間讓政府與公眾了解地震的基本情況，比如震級的大小，震中的位置等，地震監測機構往往會根據某一個或某幾個監測站的記錄數據，先公布一個粗估的“速報震級”。在地震發生一段時間之后，更多臺站的記錄數據被收集、匯總、分析，震級將會被修正的更為準確。

三、地震成因與地震預報

1.地震成因假說

在對美國舊金山大地震觀測資料進行分析和解釋的過程中，美國地震學家里德（Harry Fielding Reid）于1911年提出了關于地震機制的彈性回跳理論。這是出現最早、應用最廣的地震機制假說，它證明了地震是斷層作用的結果，而不是斷層作用的原因。彈性回跳理論認為，在發生地震時，具有彈性的地殼巖石以彈性回跳方式釋放應變能，能量釋放后變形巖石重新回到原來未變形的狀態，而斷裂兩盤則發生相對位移。（圖2）

圖2 彈性回跳理論（圖片來自網絡）

1966年，美國學者布雷斯（W.F.Brace）和拜爾利（J.D.Byer lee）正式提出“粘滑說”，被認為是“斷層說（彈性回跳理論）”的補充和發展。此外，地震成因還有“巖漿沖擊說”“相變說”“溫度應力說”等。上述假說，都是各學者根據所掌握的事實材料，按已被證實的理論，進行邏輯論證而提出的。它們從不同角度闡釋了地震的成因，但還需要實踐的檢驗。

2.地震預報

地震機制，指震源區在地震發生時的力學過程。從廣義的角度來說，地震機制研究的是地震發動方式、地震發生后震源區能量再積累和地震能量轉移等問題。狹義的地震機制只分析地震的發動方式，并推斷地震的直接成因。

地震預報指地震發生地點、時間與強度的預報，按預報時間長短可以分為長期預報（時間以年計）、中期預報（以月計）、短期預報（以日計）與臨震預報（數小時以內）等。地殼內部的物化變化與機械運動、地球的自轉變速、相鄰星球間的作用等使地殼不斷有規律的運動著。運動的規律決定了地殼中斷層系統的分布、運動特征和活動歷史，也決定了地震發生的地點、時間和強度。所以，地震地質研究是預報地震的根本依據。

地震破裂動力學中有一個著名的佯謬：如果地震斷層是“弱”的，地震時就不可能釋放出那么強的地震波能量；如果地震斷層是“強”的，那么地震時地震斷層上的滑動肯定會因為克服摩擦而導致明顯的“摩擦生熱”。問題在于，科學家對地震斷層進行熱流測量，卻找不到“摩擦生熱”的明顯跡象。因此，地震斷層在地震前到底發生了什么？地震是如何“發動”的？地震又是怎么“停下來”的，這些都是未解之謎。未解之謎決定了地震預報和預警都會很困難，因為我們不知道地震應該在哪里“開始”，所以地點報不準；我們不知道地震什么時候或在什么條件下“開始”，所以時間報不準；我們不知道地震“開始”后會在哪里“結束”，所以大小報不準；我們不知道一次地震，究竟是在它開始發生時就“知道”自己會有多大，還是“走到哪里算哪里”，所以提前估測地震的震級并進行預警很難。

四、樹立應對地震危害的現代觀念

我們知道，地震預報可以分為長期預報、中期預報、短期預報與臨震預報。長期預報作為一種時間跨度最大的階段性地震預報，要對某一地區未來幾年到幾十年或更長時期內地震活動的趨勢、概率和影響作出預測，并向政府部門提交報告，如全國及區域性的地震區劃，建設規劃區及工程場地的地震烈度、地震地面運動參數、地震小區劃和震害的預測，全國及區域性的地震活動趨勢預測等。地震長期預報對國家經濟建設的順利進行、合理布設監測臺網、集中力量圍捕大震、以較少的經濟代價取得較多的社會效益等，都有極大的意義。“預防比救助更人道”。面對地震，我們要堅持預防為主，防救結合的方針。構造地質學家瓊斯曾說過：“你愿意提前一小時從樓房里逃出呢，還是希望房子根本不會倒？”答案是顯而易見的。

中國地震局地球物理研究所吳忠良所長曾說過，地震的時候在學校應該往哪里躲？這是一個完全錯誤的問題，不僅因為怎么回答都有可能是錯的，而且因為這是一個被錯誤地提出的問題。這個問題的唯一正確答案是：學校以及其他公共建筑（例如醫院、體育場館等），必須是地震時最安全的地方，應該是地震時候避難場所的首選！學校，應該朝著“地震時最安全的地方”、朝著“地震時避難場所的首選”這個目標，去設計與建設。

樹立應對地震危害的現代觀念，其一，是要確定建筑物的最低抗震系數，提高基礎設施的安全等級，以此可長期減弱地震的危害性；其二，是利用地震臺網，摸清境內地震高發區和地震帶，為城鎮建設選址及災后重建提供決策依據；其三，是加強防震避震宣傳教育，指導公眾了解大震預警現象、預警時間和避震空間，指導公眾進行家庭避震、學校避震、戶外避震、公共場所避震和野外避震等，以及指導公眾有效開展震后自救等。

[1] 徐世芳,李博.地震學辭典[M].北京:地震出版社,2000.

[2] 周存忠.地震詞典[M].上海:上海辭書出版社.1991.

[3] 李慶臻.科學技術方法大辭典[M].北京:科學出版社.1999.

[4] 吳忠良,蔣長勝,彭漢書等.與地震預測預報有關的幾個物理問題[J].物理,2009,(4):233-237.

[5] 陳運泰,許力生,張勇等.汶川特大地震震源特性分析報告[A].汶川大地震工程震害調查分析與研究[C],北京:科學出版社.2009.