科學認識地震

朱新運

地震是地球內部釋放能量的一種方式，是一種自然現象。地震波是地震能量的載體，是把地震釋放的能量傳遞出去的基本方式。由于地震波是在地下介質中傳播的，因此它攜帶了震源與地下介質的信息，為人類認識地震提供了基礎。

在人類現實生產生活中，水災、風災、地震等各種自然災害持續不斷，而地震是這些災害之中最重要的災種。人類在應對地震災害的斗爭中進行了大量的嘗試，雖然取得了很大的進步，但同時也付出了慘重的代價。

地震是一種自然災害現象，沒有人確切地知道地球上從什么時候開始出現這種現象。人類歷史上最早關于地震的記錄見于堯舜時代（公元前23世紀）《竹書紀年》，距今有4000多年的歷史。古人對地震現象及成因的描述，更多地表現為一種宗教或神話傳說，如中國的“鱉魚翻身”說、地球“陰陽失調”說，日本的“鯰魚發怒”說以及印度的“大象發怒”說等。

隨著科學技術的發展，人類有條件使用科學儀器觀測地震，記錄地震資料并加以分析，進而對地震的認識逐漸具備了越來越高的理性與邏輯成分。毫無疑問，地震是地殼的一種運動形式。但在目前的科技條件下，地震成因仍然眾說紛紜，學界沒有統一的認識。所謂的板塊漂移、地幔熱對流、地球自轉速度變化、洋底擴張等學說，都無法完全解釋所有與地震相關的自然現象。相比較而言，板塊構造學說被更多的地球科學家所接受。

板塊構造學說認為，地球的巖石圈不是一塊整體，而是被地殼的生長邊界海嶺和轉換斷層、地殼的消亡邊界海溝和造山帶、地縫合線等一些構造帶分割成許多構造單元，這些構造單元叫做板塊。全球的巖石圈分為亞歐板塊、非洲板塊、美洲板塊、太平洋板塊、印度洋板塊和南極洲板塊等六大板塊，大板塊中還有若干次一級的小板塊。板塊之間相互擠壓、摩擦、拖曳、碰撞，導致板塊邊沿及內部產生錯動和破裂，引起地殼快速釋放能量，這種能量釋放的過程造成了地震。因此，板塊與板塊的交界處，是地殼活動比較活躍的地帶，也是火山、地震較為集中的地帶。

雖然板塊構造學說不能解決地殼運動的所有問題，但卻為地震成因的理論研究奠定了基礎。地球上每天要發生上萬次的地震。其中絕大多數因太小或太偏遠而不為人們所感知，而真正能對人類造成危害的地震，每年大約只有十幾次。

地震波是由地震震源向四處傳播的振動，是地震能量傳播的載體。如果沒有地震波，地震甚至沒有在空中爆炸的炮仗那么有震撼力。著名的俄國地震學家伽利津曾經說過：“可以把每次地震比作一盞燈，它燃著的時間很短，但照亮著地球的內部……”，這句話一點也不夸張。

科學家們可以用地震儀器記錄地面運動的波形圖，用地震波形圖確定地震的震級和震源位置，甚至通過地震波形記錄研究地球內部構造。

地震波分為縱波、橫波和面波。縱波是推進波，波的傳播方向與介質震動方向一致，所以縱波也稱為壓縮波（P波）。橫波的傳播方向和介質震動方向相垂直，也稱為剪切波（S波）。由于巖石內部壓力強大，巖石的密度隨深度的增加而變大，因此地球不同層位地震波的速度也不同。一般情況下，深度越深速度越快。縱波在地殼中的傳播速度是5.5～7千米/秒，橫波的傳播速度是3.2～4.0千米/秒。縱波與橫波在地表相遇后激發的混合波叫面波（L波），面波一般出現在距震中較遠的地方。絕大部分面波的能量被捕獲在近地表處，到一定深度后地下介質實際上已不受面波的影響。這一深度取決于波長，波長越長，穿入地球越深。其中，橫波和面波是造成建筑物強烈破壞的主要因素。由震源出發的地震波包含不同頻率、不同周長的一個序列，其中大部分能量集中在一個波段內。

像聲波、光波和水波一樣，地震波也可以在介質界面發生變化的邊界上形成反射、折射。不同的是，地震波的P波在地球內部不同的界面反射和折射時，除了產生反射和折射P波之外，還產生反射和折射的S波。同理，S波也是如此。這種現象見于地震波在不同固體界面反射或折射的狀況，但是如果地震波從固體介質傳入流體（如地球巖漿圈層）時，不會產生折射的S波。我們知道，人類可以感知的聲波頻率在20～20000赫茲之間。如果地震波頻率也在這一范圍內，那么在地震波遇到地表發生折射，引起同樣頻率的空氣波動時，人耳就可以聽到地震的聲音了。

地震波的反射與折射有時可能使地震波能量匯聚在某一地質構造中，類似于聲波在一個屋子里被墻壁多次反射形成回音一樣。地震波的這種匯聚現象會增加地震破壞的風險。1976年7月28日，中國河北省唐山豐南發生7.8級地震，地震波經過多次入射與反射，反射波與入射波相互干涉，極大地增加了到達地表的能量。當時正在地下作業的礦工僅僅感到了晃動，作業點停電，但當他們到達地面時，發現整個唐山市已面目全非。

另外，地震波與水波、光波及聲波一樣，也存在共振現象。若某一周期的地震波與地基土層的固有周期相近，則會引起地基土層的最大響應，這個響應就是地震波共振導致的。在共振情況下，地震波的振幅得到放大，相應地基上的建筑物破壞程度也會增加。1989年10月17日，美國加利福尼亞州的洛馬普瑞特地震，就是地震波共振導致極度破壞的一個典型實例。從震源傳來的優勢S波周期與舊金山海濱區沖積河谷的軟弱沙石土壤卓越周期一致，因而建在軟弱沙石土壤上的建筑破壞程度遠超同區域的其他建筑。

地震預警是指在地震發生以后，搶在地震造成災害之前的預警行為。由于地震波P波的速度高于S波，而S波攜帶了主要的地震能量，是造成地震破壞的地震波成分，地震發生后，從P波到達至S波到達之間還有一段微小的時間間隔。按前述的波速簡單計算，假定你所處的位置與震中距離80千米，那么如果你感受到了P波震動，在S波到達之前，你有大約10秒鐘的時間采取應對措施。

現代地震預警基于電磁波的速度優勢，在地震可能發生的區域預先布設地震儀器。地震發生后，這些儀器首先捕捉到地震信號并預警，通過通訊網絡把預警信號傳達給可能受災的民眾。通訊網絡傳遞信號的速度是電磁波速度即光速，光速每秒大約3×105千米，比S波快近10萬倍，這就有效延長了應對地震的時間。同樣在距離地震震中80千米的地方，使用這種地震預警方法，在S波到達前民眾就可以有20多秒的時間來采取應對措施。

地震預警系統是集地震監測、數據快速分析、預警信息通訊及信息響應終端等于一體的綜合系統。該系統的工作流程是：地震監測儀器檢測到地震信號，計算機系統對地震信號進行分析并給出地震強度、震源位置等要素。如果地震強度達到預警條件，預警信息通訊系統就會自動啟動并將地震信息傳遞給響應終端。基于現代社會智能手機、互動電視等便利的傳媒條件，地震預警信息可以方便、及時地傳遞給民眾，還可以給電力等人們日常生產生活中的設施配備自動響應系統，在重大地震災害來臨時自動關閉。

日本、墨西哥、中國臺灣和美國加州等國家和地區都位于地震活動頻繁的環太平洋地震帶上，因此都在開展地震預警系統的開發與使用。如日本就啟用了較為現代化、實用化的地震預警系統，并已于2007年10月1日開始向大眾發布地震預警警報。我國在地震預警系統的開發與應用方面也進行了大量有益的探索，如2013年初中國地震局提出，用5年時間建設具有5000余臺地震預警監測儀的中國地震預警網。目前該地震預警系統建設計劃正在有序開展中，預計2020年底可完成項目建設，2021年試運行。