打一个响指，可能就是地球地震的原因 | 地震知识小课堂（上）
2022/12/19 7:00:00 科学大院

    

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     还记得语文课本中那篇名叫《世界地图引出的发现》的课文吗？文中那位生病时爱看地图，不愿“躺平”的魏格纳，其工作竟然对于地震的研究产生了深远影响。

     如何理解地震？打个响指吧!

    

     世界地图

     图片来源：Wikipedia

     1912年，德国天文气象学家魏格纳在花费多年时间考察搜集地层、化石等方面的资料后，正式提出了大陆漂移学说。随后在其出版的《大陆和海洋的形成》一书中，对于该学说进行了详尽的阐述。

     不过令人遗憾的是，这一理论在魏格纳生前并未得到普遍承认，反而招致了诸多批评与反对。一方面是因为魏格纳没有地质背景，难免让人怀疑其科学性；另一方面是因为该理论在当时确实不完善，比如不能解释大陆漂移的动力来源。毕竟大陆是一个庞然大物，究竟是何等强大的力量，竟然能够推得动它们？

     1930年，魏格纳去格陵兰岛进行科学考察，希望收集到更多证明漂移学说的证据，但在这次科考中他不幸遇难，年仅50岁。

    

     1930年11月，魏格纳(左)在格陵兰岛进行科考时的照片

     图片来源：Wikipedia

     但人类对地球的探索从未停歇。第二次世界大战后，美苏出于军事战略需要，开始探测海底地形，没想到这一军事行动竟然为大陆漂移学说找到了突破口。

    

     海底地形(红色条带为洋脊，深色阴影为海沟)

     图片来源：Wikipedia

     20世纪60年代，美国海洋地质学家H.H.赫斯和R·S·迪茨提出“海底扩张学说”。他们认为洋脊(大洋中间呈条带状分布的海底山脉)是地幔对流的上升部位，海沟(大洋中狭长陡深的沟槽)是地幔对流的下降部位。在洋脊处，当地幔上涌物质抵达地表附近时，一部分喷出形成海底火山，推动两边的岩层分离；另一部分沿岩层底部往两边散开，摩擦推动岩层运动漂移，同时被推挤到海沟处的物质就慢慢折回到了地球深部。

     小知识

     地幔对流，可以简单理解为因为地球深部很热，地幔物质受热不断上涌，就像水煮开时不断有水上涌冒泡一样(地幔部分物质上涌时形成了岩浆)，当上涌物质变冷后又开始下降。

    

     水烧开时的热对流

     图片来源：作者自制

     海底扩张学说解释了大陆漂移的动力问题，为大陆漂移学说注入了一剂强心剂，让大家开始重视几十年前的大陆漂移学说。后来科学家又发现大洋地壳向深海沟俯冲时产生的对大陆地壳的拖曳力也是重要的动力来源，进一步完善了漂移学说。

    

     板块动力来源示意图

     图片来源：作者自制

     海底扩张学说也暗示我们不能只以大陆或大洋的视角来看待地球表面，比如既然洋脊两边的大洋地壳彼此远离，那应该是两个部分；既然陆地在海边延伸出来的大陆架和陆地相对静止，那应该是一个部分。

     于是科学家发展出了板块构造学说，认为地球表面由板块拼合而成，就像拼图一样。板块由洋脊和深海沟等划分而成，不纯是大陆或大洋，往往既有陆地部分也有海洋部分，即不是大陆在漂移，而是板块在漂移。

     科学家还认识到板块是漂浮在地球深部的软流圈上面的，所谓软流圈就像面团一样，虽然是固体，但较容易变形，甚至还有部分区域处在熔融状态。所以板块是真的是在“漂移”，有点像木板漂在水上一样。

    

     地球板块构造

     图片来源：Wikipedia

     虽然板块移动的速度很慢，一年下来往往只有几毫米，但在漫长的地质时光中，总有一些板块会因运动而碰撞到一起，并由此在板块之间产生了巨大的压力。即使是坚硬的岩石也会承受不住这种压力，发生断裂和相互错动，由此产生了地震。从下图地震点的分布就可以清晰地看出板块边界。

    

     1963年–1998年全球358214个地震的分布

     图片来源：Wikipedia

     大家可能注意到板块内部也有零星的地震点，这是因为板块之间的力量过于巨大，其中一些甚至会传导到板块内部，造成板块内部地层的断裂。因此板块也不是铁板一块，可以被细分为更小的块体，科学家称之为地块。在地块边界上，也形成了各种类型的断裂带。虽然比起板块边界的来说是小巫见大巫，但经过长年累月的应力积累，地块边界上的断裂带也可能爆发大规模的地震，比如1976年的唐山地震就发生在地块之间的张家口—蓬莱断裂带上。

     小知识

     地震发生时，岩层错动释放能量的地方叫做震源，震源在地面的投影是震中，地面建筑距离震中的距离是震中距。另外地震以波的形式释放部分能量，这种波叫地震波。

    

     地震示意图

     图片来源：作者自制

     地震的过程有点像打响指，打响指时两个手指突然错动，并以声波的形式释放部分能量。我们之于板块，就好比灰尘之于指头，看到灰尘的命运，大概可以理解人类在地震面前的渺小与脆弱。

     其实上面所说只是构造地震的成因，除此以外还有诱发地震、陷落地震等，但因为几乎所有造成重大破坏的地震都是构造地震，所以本文只介绍构造地震，并以“地震”代称“构造地震”。

     地震的能量可以算出来吗？

     提起地震，大家的第一反应可能是山河破碎，墙倒屋塌，但实际上绝大多数地震都没有这么严重。据统计，世界上每年要发生500多万次地震，平均每天都有一万多次。绝大部分地震规模很小，人类感受不到，真正能对人类造成严重危害的，每年大约有一二十次。

     那么问题来了，我们应该如何描述一个地震的规模大小呢？

     1935年，加州理工学院的里克特和古登堡教授制订了大名鼎鼎的里氏震级，以地震波的最大振幅来表征地震规模。他们对0级地震的设定是：地震让距离震中100公里处的地震仪产生的最大振幅为1微米，其他地震以此为基础确定震级，公式如下：

    

     M_L——里氏震级

     A——距离震中100公里处的地震仪记录到的最大振幅

     A₀——1微米

     可以看出，当距离震中100公里处的地震仪记录到的最大振幅为10微米时，震级为1级；100微米时，震级为2级，以此类推。

     地震发生时释放的能量大部分以机械能(如岩石破裂)和热能(如摩擦生热)的形式滞留在震源区，另一部分以地震波的形式向四面八方传播，称为地震波辐射能量，正是这部分能量对地表造成了破坏。

     里氏震级和辐射能量之间有一个经验公式如下：

    

     E——辐射能量

     M——震级

     可以看出，当震级M增加1时，log₁₀ E 增加1.5，E 会变成原来的10^1.5≈31.6倍。即震级每增加1级，能量就会变成31.6倍；增加2级，辐射能量就会变成1000倍；增加3级，能量就会变成31623倍。

     地震波辐射能量的数值是相当惊人的，可以尝试计算一下当M= 6时的能量，代入上式得

    

     焦耳

     这一数值相当于一颗广岛原子弹的能量。1960年，智利发生了有仪器记录以来震级最高的地震，达到9.5级，按上面公式，能量相当于17万多个广岛原子弹。但地球经过此劫后几乎是毫发无损，所以大家不要相信人类掌握的核武器已经可以毁灭地球多少次的论述，事实上人类从未掌握毁灭地球的能力。

     历史上我国多次发生大规模地震，造成的人员伤亡十分惨重。

     表1 中国历史上地震伤亡人数统计表

    

     除了里氏震级外，科学家还制定了矩震级、面波震级、体波震级等，各有优缺点。我们平时常见的震级主要是里氏震级和矩震级。

     震级不够，烈度来凑

     除了震级，大家可能还经常会听到一个词叫烈度。烈度表示一个地区地震过后的受破坏程度，在我国分为12度，度数越高代表受地震破坏越严重。说到这里可能有人比较困惑，不是已经有震级了吗，为什么还要再设置一个烈度？

     震级主要反映的是地震规模，更具体地来说就是反映了地震波辐射能量的大小。虽然一般来讲震级越大，辐射能量越多，地区受破坏就会越严重，但在相同的震级下，如果不同地区震源深度不同，震中距不同，建筑质量不同，那受破坏的程度往往是不一样的。因此我们需要设置一个指标来反映这种差异，这就是烈度。

     为了准确规范地评估烈度，我国出台了国家标准《中国地震烈度表》(GB/T 17742-2020)。标准中涉及的一些指标较复杂，下表是为方便大家理解简化后的版本，如果有兴趣了解全文可自行去国家标准全文公开系统免费查阅。

     表2 地震烈度表简化版

    

     从表中可以看出，需要根据震后实地调查了解到的情况来确定烈度，所以烈度在地震发生一段时间后才能被评估出来，不像震级那样在地震刚发生时就能被计算出来。2022年9月5日发生的泸定地震，中国地震局在当天就给出了震级，但到9月11日才给出地震烈度。

    

     四川泸定6.8级地震烈度图(颜色越深烈度越大)

     图片来源：中国地震局

     未完待续...

     看完本文，相信大家对地震产生的原理有了一定的了解，并且知晓了如何在地震发生后去描述其规模。面对可怕的地震，我们能否预测它的到来？科学家们为了预测地震做出过哪些尝试呢？

     请持续关注科学大院，下节课我们一起揭晓答案～

     参考文献：

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     [3] 舒良树. 《普通地质学(第三版)》[M]. 北京：地质出版社,2010.

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     [5] Choy G L, Boatwright J L. Global patterns of radiated seismic energy and apparent stress[J]. Journal of geophysical research: Solid earth, 1995, 100(B9): 18205-18228.

     [6] 袁乃荣, 刘瑞丰, 李赞, 等. 能量震级及其测定[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(5): 1-7. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.05.001.

     [7] GB/T 17742-2020, 中国地震烈度表[S]. 北京：国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会，2020.

     [8] 中国大百科全书总编辑委员会.中国大百科全书：中国大百科全书出版社，1985.8.

     [9] 展圣洁等. 四川泸定地震救援难度如何？[EB/OL], https:// https://www.chinanews.com.cn/sh/2022/09-07/9846395.shtml, 2022-09-07.

     [10] 魏格纳、地震度量、板块构造-维基百科.

     [11] 李泽峰. 断裂带：地震的“老巢”[EB/OL], https://www.cas.cn/kx/kpwz/202209/t20220919_4847938.shtml, 2022-09-19.

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     [13] 蒋麟. 泸定6.8级地震已致88人死亡，30人失联，超八成为山体崩垮、滑坡、滚石等所致[EB/OL], https://baijiahao.baidu.com/s?id=1743573684960438222&wfr=spider&for=pc, 2022-09-10.

     作者：肖易东

     作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所

    

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