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地震的基本常识

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9月16日下午,地质学院庆祝建校60周年校庆专家论坛系列活动第三场在J6-434报告厅顺利举行,中国科学院院士陈顒教授为地质学院近300名师生作了题为“2011年‘东日本大地震’的几点启示”和“用地震波给地球做B超”的学术报告,报告由杨锋杰副院长主持。

汶川大地震给震区人民造成巨大的人员伤亡和财产损失,为了普及地震知识,加强社会对地震的科学认识,5月17日晚,中国科大地球和空间科学学院倪四道教授在2105教室作了一场题为“汶川-北川-青川大地震”的科普报告。整个教室座无虚席,连角落里也挤满了同学。

什么是地震
地震一般指地壳的天然震动,同台风、暴雨、洪水、雷电等一样,是一种自然现象。
全球每年发生地震约500万次,其中能感觉到的有5万多次,能造成破坏性的5级以上的地震约1000次,而7级以上有可能造成巨大灾害的地震约十几次。
有关地震的几个概念 1、波和横波
地震波分为纵波和横波。纵波每秒钟传播速度5~6千米,能引起地面上下跳动;横波传播速度较慢,每秒3~4千米,能引起地面水平晃动。由于纵波衰减快,离震中较远的地方,只感到水平晃动。在一般情况下,地震时地面总是先上下跳动,后水平晃动,两者之间有一个时间间隔,可根据间隔的长短判断震中的远近,用每秒8千米乘以间隔时间可以估算出震中距离。
2、震源和震中
地下发生地震的地方,叫”震源”。震源正对着的地面,叫”震中”。震中附近震动最大,一般也是破坏性最严重的地区,也叫”极震区”。从震中到震源的垂向距离,叫”震源深度”。在地面上,受地震影响的任何一点,到震中的距离,叫”震中距”,到震源的距离,叫”震源距”。在地图上,把地面破坏程度相似的各点连接起来的曲线,叫”等震线”。
通常根据震源的深浅,把地震分为浅源地震(震源深度小于70千米)、中源地震(震源深度70-300千米)和深源地震(震源深度大于300千米)。全世界95%以上的地震都是浅源地震,震源深度集中在5-20千米上下。
3、震级和烈度
地震的大小通常用震级表示,它是根据地震仪记录的地面地动位移,按一定的物理–数学公式计算出来的。也就是说震级是地震强度大小的度量,它与地震所释放的能量有关。一个6级地震释放的地震波能量相当于第二次世界大战美国在日本广岛投下的原子弹的能量。震级每差1.0级,能量相差10倍,即大约32倍;相差2.0级,能量相差约1000倍。小于2.5级的地震,人们一般不易感觉到,称为小震或微震;2.5-5.0级的地震,震中附近的人会有不同程度的感觉,称有感地震;大于5.0级的地震,会造成建筑物不同程度的损坏,称破坏性地震。
地震发生后,地震波传播到地面,会给地面各种物体造成不同的破坏现象。通常把地震对地面所造成的破坏或影响的程度叫烈度,它由物体的反应、房屋建筑物的破坏和地形地貌改观等宏观现象来判定。许多国家采用地面运动加速度值来表示地震烈度,一般在设定的不同地点安装加速度仪,直接记录当地的地面运动参数。地震烈度的大小,受地震大小、震源深浅、离震中远近、当地工程地震地质条件等因素的影响。因此,一次地震,震级只有一个,但烈度却是根据各地遭受破坏的程度和人为感觉的不同而不同。我国目前使用的地震烈度共分为12度,5度以上才会造成破坏。1976年唐山7.6级大地震,极震区烈度达11-12度,北京、天津的烈度则为6-7度。
地震的种类
地震一般可分为人工地震和天然地震两大类。由人类活动(如开山、开矿、爆破等)引起的叫人工地震,除此之外便统称为天然地震。天然地震按成因主要分为以下几种类型:
1、构造地震
因为地壳运动引起地壳构造的突然变化,地壳岩层错动破裂而发生的地壳震动,也就是人们平常所说的地震。由于地球不停地运动变化,从而内部产生巨大的力,这种作用在地壳单位面积上的力,叫地应力。在地应力长期缓慢的作用下,造成地壳的岩层发生弯曲变形,当地应力超过岩石本身能承受的强度时便会使岩层断裂错动,其巨大的能量突然释放,其中以波的形式传到地面,这就是地震。世界上的90%以上的地震,都属于构造地震。强烈的构造地震破坏力很大,是人类预防地震灾害的主要对象。
2、火山地震
由于火山活动时岩浆喷发冲击或热力作用而引起的地震叫火山地震。这种地震一般较小,造成的破坏也极少,并且只占地震总数的7%左右。目前世界上大约有500座活火山,每年平均约有50起火山喷发。我国的火山主要分布在东北黑龙江、吉林省和西南的云南等省。近代活动喷发的有黑龙江省的五大莲池、吉林省的长白山、云南省的腾冲及海南岛等地的火山。
火山和地震都是地壳运动的产物,往往互有关连。火山爆发有时会激发地震的发生,地震若发生在火山地区,也常会引起火山爆发。1960年5月22日智利发生8.5级大地震,48小时后就使沉睡了55年之久的普惠山火山复活喷发,火山云直冲6000米高空,蔚为壮观。1988年我国在黑龙江省五大莲池市建立了第一个地震火山监测站,开展火山及地震的观测研究。
3、陷落地震
由于地下水溶解了可溶性岩石,使岩石中出现空洞并逐渐扩大,或由于地下开采矿石形成了巨大的空洞,造成岩石顶部和土层崩塌陷落,引起地震,叫陷落地裂。这类地震约占地震总数的3%左右,震级都很小。矿区陷落地震最大可达5级左右,我国曾发生过4级的陷落地震。虽然陷落地震的震源浅,但对矿井上部和下部仍会造成较严重的破坏,并威胁到矿工的生命安全,应引起人们注意。
4、诱发地震
在特定的地区因某种地壳外界因素诱发而引起的地震,叫诱发地震。如地下核爆炸、陨石坠落、油井灌水等也可诱发地震,其中最常见的是水库地震。福建省水口电站自1993年3月底水库开始蓄水,当年5月起的2年内,共诱发0.3级以上地震近千次,其中最大的3.9级,由于震源浅,2级以上地震,当地就会感到晃动。广东河源新丰江水库1959年建库,1962年发生了最大震级为6.1级的地震。究其原因,主要是:水库蓄水后改变了地面的应力状态,且库水渗透到已有的断层里,起到润滑和腐蚀作用,促使断层产生新的滑动。但是,并不是所有的水库蓄水后都会发生水库地震,只有当库区存在活动断裂、岩性刚硬等条件,才有诱发的可能性。
地震造成灾害的原因
地震发生时产生的地震波引起对地面建筑物的破坏,导致人员伤亡,造成了地震灾害。地震对建筑物的破坏,主要是由地震力通过地震波起作用的,即纵波地震力使建筑物上下颠簸,引起建筑物的纵向结构松动,随后横波地震力再使建筑物发生水平晃动,引起横向结构损坏。当先颠后晃的地震力超过建筑物的承受力时,在几秒钟内就能使建筑物遭受破坏。
另外,地震力引起的断层错动开裂、地基不均匀沉降以及沙土液化等地基失效问题,也间接造成建筑物的倾倒和损坏。
二、地震的周期性和灾害特点及空间分布特征 地震的时间分布特征
历史地震和现今地震大量资料的统计表明,地震活动在时间上具有一定的周期性,即在一个时间段内发生地震的频次高、强度大,称之为地震活跃期;而在另一个时间段内发生的地震相对频次低、强度小,称之为地震平静期。根据地震发生的特征,又可在活跃期中划出若干”活跃幕”。本世纪以来,我国已经历了4次地震活动期,第四个活动期大体是1966-1976年。在这10年间,我国大陆共发生14次7级以上的大地震,造成27万人死亡和数百亿元的经济损失。根据多数专家的研究判定,九十年代到下世纪初可能是我国大陆地区地震活动的第五个高潮期,其间可能发生多次7级,个别甚至更大的地震,强震的主体活动地区将在我国西部,东部地区中强地震活动也将相对活跃。
地震灾害的特点 1、突发性
地震一般是在平静的情况下突然发生的自然现象。强烈的地震可以在几秒或几十秒的短暂时间内造成巨大的破坏,严重的顷刻之间可使一座城市变成废墟。尤其发生在夜间的地震,后果更为严重。如唐山大地震发生在凌晨3点42分,当时人们正在酣睡,事先毫无警觉,结果伤亡惨重,造成经济损失上百亿元以上。
2、成纵性
在一个区域,或者一次强烈地震发生后,为调整区域应力场,或岩石破裂的延续活动,往往在某一时间内地震活动呈成纵性出现,连续造成灾害。
3、续发性
强烈的地震不仅可以直接造成建筑物、工程设施的破坏和人员的伤亡,而且往往引发一系列次生灾害和衍生灾害,造成更大的破坏。如由地震灾害诱发的火灾、水灾、毒气和化学药品的泄漏污染,以及细菌污染、放射性污染等,还有滑坡、泥石流、海啸等次生灾害等等。以及上述灾害所造成的社会各种损失。1923年9月1日的日本关东大地震引起火灾,造成136处起火,烧毁45幢房屋,有5.6万人被烧死,其中大部分人因窒息死亡。
地震的空间分布特征
地震的地理分布受地质构造影响,因而它有一定的规律,最明显的是成带性。全球的地震主要分布在:一是环太平洋地震带,这是世界上地震最活跃的地带,全球80%的地震和释放的地震能量75%,就集中在这条带上。二是欧亚地震带,全球15%左右的地震发生在这条带上。
我国地处欧亚板块的东南部,受环太平洋地震带和欧亚地震带的影响,是个多地震的国家,据统计,我国大陆7级以上的地震占全球大陆7级以上地震的1/3,因地震死亡人数占全球的1/2;全国有41%的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区,6度及6度以上地区占国土的面积的79%。
地震的成因假说
全球地震为什么集中在上述两大地震带上呢?它的成因机制是什么?这是地震学科中的一个重大理论问题。目前有几种假说:有大陆漂移学说、海底扩张学说等。现在比较流行的为大家所接受的是板块构造学说。1965年加拿大著名地球物理学家威尔逊首先提出”板块”概念,1968年法国人把全球岩石圈划分成六大板块,即欧亚、太平洋、美洲、印度洋、非洲和南极洲板块,板块与板块的交界处,是地壳比较活动的地带,也是火山、地震较为集中的地带。板块学说是大陆漂移、海底扩张等学说的综合与延伸,它虽不能解决地球运动的所有问题,却为地震成因的理论研究提出了一个方向,并打开了新的思路。
三、地震的前兆和监测
地震发生前是有预兆的,尤其是大地震发生之前,人们不仅可以借助于仪器的观测,发现地球内部和表面的物理、化学等微观的异常变化,而且还能直接观察到自然界的大量宏观异常现象,分析鉴别这些异常现象,从中提取发生地震的准确前兆信号,这是地震预报工作的基础,目前,我国开展前兆监测的主要方法有地震学、地形变、地磁、地电、重力、地温、地应力、地下水、卫星照片分析以及动物异常活动筹现象的收集与综合分析。
地震的微观前兆与监测 1.地震学观测
用地震仪测定地面震动大小、发震时刻和地点等的一种观测方法。通过研究地震活动的规律来进行预报可能发生的破坏性地震的方法,通常称”以震报震”。1966年在我国河北邢台地区发生的7.2级地震中,人们曾总结出”小震闹、大震到”的谚语。1975年在辽宁海城发生7.3级地震前,也发现很多前兆,尤其震前的小震群活动情况,对当地地震部们和政府作出短临预报决策起了很大的作用,这次的准确预报,成为世界上成功预报大震的唯一范例。目前,用以预报地震的地震学方法很多,如地震空区、地震条带、地震相关性、地震概率统计、地震波速比等十多个项目,是一种应用十分广泛的重要预报手段。
2.地形变观测
利用精密仪器观测地壳微小变化(包括倾斜、水平与垂直位移)来预报地震的具体方法。目前,利用卫星定位系统GPS、伸缩仪等,人们已能测出小于10-10的形变量和极细微且大范围的位移量,是监视大地活动的有效手段。
3.地磁、地电、重力、地温观测
利用仪器监测大地电场、磁场、重力场和地温的异常变化来预报地震的方法。由于人类活动,大地电场、磁场、重力场、地温的干扰背景复杂,需要从中提取地震前兆信息,作为预报辨别指标。
4.地下水观测
利用仪器观测地下水的水位和水质成份与气体含量、水温等异常变化,来分析地震前兆信息,进行地震预报的方法。由于地下水直接反映岩石圈中承压含水层的动态变化和携带大量地壳深部元素变化信息,提供地壳应力变化情况,因而是当前比较广泛应用的重要预报方法。
5.地应力观测
利用埋设在地下一定深处的测试元件测定地下应力的异常变化来预报地震的方法,是一种较直接、可靠的监测预报手段。
地震的宏观前兆与观测
利用地震前动物、地声、地光、水位水质等客观存在的宏观前兆现象,观测其异常变化,为临震预报提供重要依据。关于震前动物的异常反应,震区群众曾经流传着这样的谚语:
震前动物有前兆,密切监视最重要。 骡马牛羊不进圈,老鼠成群往外逃。
鸡飞上树猪乱拱,鸭不下水狗狂叫。 冬眠老蛇早出洞,燕雀家鸽不回巢。
兔子竖耳蹦又撞,游鱼惊慌水面跳。 家家户户细观察,综合异常作预报。
这是震区人民群众在监视预报地震的实践中总结出来的重要经验。地震越大,越是临近地震发生,动物异常的反应就越明显。因此,观测动物异常,进行分析鉴别,排除干扰影响,还应及时向当地地震主管部门报告。值得注意的是,动物异常往往与气象、环境等因素有关,必须注意分析鉴别。
距离较近的大地震发生前常常伴有来自地底下低沉的轰鸣声,它与平时城市噪音完全不同,或天空中出现强烈闪光,要提防其后可能出现大地的颤抖和房屋的晃动。如有这些现象,应及早采取家庭应急防御措施。
第二部分防震抗震知识 一、地震是群灾之首
破坏性地震会给国家经济建设和人民生命财产安全造成直接和间接的危害和损失,尤其是强烈的地震会给人类带来巨大的灾难。目前,每年全世界由地震灾害造成的平均死亡人数达8000一10000人/次,平均经济损失每次达几十亿美元。据联合国统计,本世纪以来,全世界因地震死亡人数达260万,占全球自然灾害所造成的死亡总和的58%。从某种意义上说,地震是群灾之首。
大地震如果发生在渺无人烟的地方是不会造成伤害的,如果发生在城市或农村的活,就会造成房倒屋塌,甚至建筑物与重要工程也会遭至”破坏并危及人员的生命安全,给人们造成严重灾害,1976年唐山大地震,在几十秒钟的时间内,将一座百万人口的工业城市变成了废墟,伤亡侧万人,直接经济损失100亿元以上,救灾花了6亿多元,重建用了50亿元,而且在这之后长时间内,造成全国人民的恐震心理。1995年1月17日日本皈神大地震造成5438人死亡,直接经济损失高达1000亿美元。
二、为什么我国地震灾害特别严重
我国地震灾害频度高,强度大,成灾率高,这是造成地震灾害特别严重的原因。同时,我国民众防灾意识不高,同一震级的地震,造成伤亡的人数可多达数倍。另外,我国大部分城市的基础设施,抗震性能较差。建国头20年中,多数建筑物和工程未考虑抗震设防,加之城市生命线管线纵横交错,埋设不合理,有的材料强度不够,有的年久失修,使我国多数城镇防震抗震的能力脆弱,潜在着很大的隐患。广大农村多属土、石结构建筑,抗震能力更差。据估计,地震若发生在我国工业城市及人口稠密的地区,8级左右或7级左右以及5、6级左右的地震所造成的经济损失分别为百亿元、数十亿元和数亿元人民币。
三、地震预报的现状
地震预报特别是短临地震预报,是当今世界科学的一大难题,是现代高科技领域的前沿课题。今天,人们对地震预报成功的期望远比实际的预报水平高得多。我国的地震预报自1966年邢台地震开始,已经走过了近30年的历程,经过地震科学工作者的努力探索和实践,取得了引人瞩目的成绩,同几个发达国家一样,处在世界领先地位。许多预报成果,已在地震重点监视防御区的确定、国上的规划和经济建设中得到广泛的应用。但对地震的中短期预报,目前仍处于对某些类型的地震,能作出不同程度的预报,而对大多数复杂的地震尚无法作出准确的预报。这就是当今地震预报的现状。
地震发生在数千米乃至数十千米以下的地壳中,目前人类最大钻探深度也仅在12千米以内,无法直接探测震源深处的情况,只能通过在地壳表层布设一些地球物理场、地球化学场、地球形变场等观测手段,间接推测或反演地壳内部变化。由于地表观测,难免混杂着气候、水文、人为等非地震因素引起的”噪声”,干扰了微弱的来自地球内部的宝贵信息。同时,7级以上的地震,全球每年平均仅发生十几次,且大多发生在没有前兆观测台网的海沟或人烟稀少的地区,使人们失去更多的实践机会;强烈的地震在同一区域重复发生的周期在百年或数百年以上,使人们从事地震预报的实践机会变得很少,认识与总结规律性就变得很困难。再者,地震短临预报,会在短时间内引起民众和社会的强烈反响,因此,发布地震预报是十分敏感的社会问题,也是十分复杂的科学问题,进而增加地震预报的难度。
鉴于上述情况,我国目前对地震预报研究仍处在经验性的探索阶段。
我国的地震工作虽然起步较晚,但在地震预报研究方面已步入世界先进行列。长期预报有相当可信度;同时,对以10年左右为时间尺度的地震大形势的估计有一定准确性;对几个月至几年内将要发生破坏性地震的中期地震预报的准确性占30一40%;对几小时以至几个月内将要发生破坏性地震的时间、地点、震级三要素还难以作出准确的预报,仅对某些类型的地震,如大地震前小地震活动有规律地发生,临震前微观和宏观前兆异常大量出现,才能作出不同程度的短临预报;对震后趋势的预报我国具有比较高的可信度,并在一些多地震国家的地震现场实践,得到有关国家的称赞。
总之,目前我国的长中期预报水平稍高些而短临预报水平较低。可以相信,随着地震科学和各有关科学领域研究的深入和现代技术的进步,地震预报的准确度将不断提高,人类最终会攻克地震短临预报的难关。
四、减轻地震灾害的途径
当前,人类还不能阻止地震的发生,也远未达到准确预报地震的水平。但是,人类也不能在地震灾害面前无所作为,必须坚决贯彻执行我国关?quot;预防为主、走综合防御的道路”的防震减灾工作方针,走地震监测预报、震灾预防、地震应急、地震救灾与重建的综合防御道路,达到最大限度地减轻地震灾害的目的。
准确地预测地震发生的时间、地点和震级,做好地震短临预报,是减轻地震灾害最经济的方法,也是全世界地震学家所孜孜以求和奋斗的目标。如l975年发生在海城7.3级的地震前作出了中期和准确的短临预报,使震区能及时地进行地震应急措施,及时地疏导群众撤离房屋,从而减少几万人的伤亡和40多亿元的经济损失。1988年,经国务院批准颁布的《发布地震预报的规定》,明确规定地震预报由省级人民政府批准,并适时向社会发布,同时上报国务院。已发布地震中期预报的地区,无论已经发布或尚未发布短期或临震预报,如果发现明显临震异常,情况紧急,当地市、县人民政府可以发布48小时之内的临震警报,井同时向上级报告,任何单位或个人都无权对外发布地震预报,无论任何部门和个人也无权以任何形式承担和发布涉及他国的地震预报。从非正规途径得到的地震预报消息都是违反上述规定的,是误传或谣传,切忌盲目信谣传谣,或轻易采取不必要的行动。

陈院士首先概括了日本大地震所产生的严重影响:此次地震作为有记录以来人类历史上的第三大地震,共计有11000余人在此次地震中丧生,财产损失初步估计在8000亿美元左右,所造成的损失是人类地质灾害史上最大的。而此次地震所凸显出来的地质相关问题却更需要我们重视:一、重视应急预案中的灾害链;二、做到地震速报;三、做好地震预报。地震灾害的监测、预防、预报、应对措施等都牵扯到与地质相关的重要理论知识。

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在“用地震波给地球做B超”的报告中,陈院士提出,可以利用人工发射地震波来进行地质监测,从而得以有效的预报地震灾害,“要把地震预报做成天气预报”。这个设想在陈院士等人的努力下已经开始成为现实,在云南大理附近已经建成了我国乃至世界上第一个地震波发射台,并开始逐步实施“地下明灯”计划。但陈院士也指出,在地震灾害监测与预防方面我们还做得不够好,只有将监测和预报体制相互沟通,地震防治工作才能越来越成熟。

在报告中,倪教授首先对地震死难同胞表示深切哀悼,对一线救援者致以崇高敬意。接着,他介绍了地震的产生、危害,地震波的传播特征以及地震预警系统工作原理,分析了此次汶川-北川-青川大地震的地质成因,特别是对引发本次地震多条深大断裂的运动机理和内部特征,并详细讲解了全国范围内地震灾害危害等级的区域划分,强调了抗震建设和地震知识宣传的重要性,并普及了地震中个人自救、逃生等知识,希望同学们学习和宣传与地震相关的科学知识。随后他解释了地震预报的困难之处,指出地震预报作为是世界性难题,还需要地球科学及相关科学领域研究者的共同努力。

陈颙院士用通俗易懂的语言、深入浅出的方法将地质灾害防治体系和所需要的理论知识进行了详细的阐述,让在座的同学们更加深了对所学专业的兴趣,也明确了应该怎么建设自身的理论基础,为将来的学习指明了方向。(胥文军、刘丁丁)

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在提问环节,同学们反应热烈,踊跃提问,倪教授都给予了详细解答。整个提问阶段持续了四十多分钟。

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(地球和空间科学学院)

 

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