◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.dropin.org)(xys-reader.org)◇◇ 地震观测与地震预报 钟羽云(浙江地震局) 编 一、地震仪 1、模拟地震仪 感觉及记录地震的仪器叫地震仪,我国东汉时期的张衡于公元132年发明了 世界上第一台检测地震的仪器即候风地动仪,这台地动仪设置在洛阳,并于公元 138年检测到一次发生在甘肃省内的地震,这是人类历史上第一次用地震仪器检 测到远处发生的(在仪器所在地无感)地震。第一台近代地震仪是意大利人于 1875年发明的,其最根本的部分是传感地动的“摆”,它是一个可作为标准的惯 性较大的物体,例如一个很重的铁锤,平常都是静止不动的,当地震来时地和 附近的房子动,而摆不动,摆与地面间就产生相对运动,这个相对运动可以用一 套轻的杠杆加以放大,或把这个相对运动变成电磁信号,如一个线圈在一个磁场 中的运动所产生的感应电流,把这个电流的变化经适当的放大之后用检流计把它 记录下来,这就是地震信号。 从1875年第一台近代地震仪诞生以来,地震工作者便使用它来观测地震,通 过不断的改进和发展,近代地震仪的灵敏度可以达到十万倍数量级,已经可以记 录到距离台站很远的小地震,这种地震仪虽然灵敏度很高但动态范围不大,遇到 大地震时就“出格”,即超过量程。然而,地面振动的幅度跨越大约8个数量级, 地面振动的频率跨越大约6个数量级,且地脉动在5~10秒有一个峰值。受到仪器 制作技术的限制,地震学家只好在远距离记录大地震的低频率成分或者在近距离 记录小地震的高频率成分。 因此,随着仪器放大倍数的提高,地震学家最终采用分别在0.01~0.1Hz(长 周期地震仪)和1~10Hz(短周期地震仪)两个频率范围内来测量地面振动以避开 地脉动“噪声”。地震工程师则主要关注引起建筑物破坏的近场强地面运动,他 们着重于在近距离用低放大倍数的强震仪记录1~10Hz的强地面运动。这就是为什 么模拟地震观测时期记录地震的仪器含有:短周期地震仪、长周期地震仪和强震 仪的原因。 2、数字地震观测系统 为了克服动态范围小和频带窄的缺点,以及为了使地震仪既轻又小以便安装, 地震学家做出了巨大的努力,并且取得了进展。一方面,通过对电路的改进,制 成了反馈式电磁地震仪,使地震仪的频带展宽了。另一方面,随着微电子技术的 发展,从上世纪70年代起,采用了将信号进行数字化的记录方式,制造出了数字 记录的地震仪,与模拟记录相比,数字记录方式的信号质量提高了,动态范围变 大了,模拟地震仪的动态范围不过是50分贝左右,数字地震仪的动态范围一般可 以确保在90分贝以上。数字地震仪具有频带宽、分辨率高、动态范围大以及易于 与计算机连接处理的优点。 3、地震监测台网 地震监测台网主要包括:测震台网、前兆台网和强震台网,前兆台网含有地 磁、重力、地壳形变、应力应变、地下水动态、水化学、地热、电磁波等各种不 同物理量的观测台站。 二、地震的发生和记录 1、地震的发生 在构造应力的作用下,断层长期缓慢运动,断层周围岩石产生变形并且积累 能量,错动变形产生的反弹力增大,最终达到断层面强度,断层产生破裂,释放 积累的弹性应变能,这便是地震。岩石发生相对位移的破裂面称为断层面,断层 包括正断层、逆冲断层和走滑断层。断层面之上的一侧称为上盘,之下的一侧称 为下盘。上盘相对下盘下滑错动的称为正断层,多是由于受拉张造成;上盘相对 下盘上冲错动的称为逆断层或逆冲断层,多是由于受挤压造成;两盘沿断层走向 作相对水平错动的称为平移断层或走滑断层。不同类型断层上发生的地震破裂具 有各自的特点。1999年9月台湾南投地震就是在一条逆冲断层上发生的,由于地 壳构造运动挤压应力的作用,地震时地表破坏表现为断层的上盘倾覆在下盘之上。 在漫长的地质历史过程中,地球表面曾形成过不计其数的大大小小的断层, 它们形成与活动的时代新老不同,许多断层经过强烈滑动位移之后早已停止了活 动,成为已愈合的死断层,这类断层一般不再具备发生地震的危险性。对研究现 代地震的危险性来说,更关心现代仍在活动着的断层,即活断层。活断层与地震 灾害的关系密切,活断层决定着多数破坏性地震的发生位置,活断层的规模大 小、运动性质和活动时代等属性决定着地震震级的大小,同时,对强地震地面运 动具有复杂的影响。城市及附近地震可加重发震活断层沿线建筑物的破坏和地面 灾害,特别是位于城市之下的活断层突然快速错动所导致的"直下型"地震能引起 巨大的城市地震灾害。 如果把全世界的地震在地面上的位置都标示在地图上,那么可以看到世界上 的地震分布是非常不均匀的。粗略地说,世界上的地震主要集中在三条大的“地 震带”上,第一条地震带差不多环绕了整个太平洋沿岸,因此称为环太平洋地震 带;第二条地震带沿着欧亚大陆南部展布,因此被称为欧亚地震带;第三条地震 带沿着洋中脊展布,因此又叫洋中脊地震带。 能够记录全球地震活动的全球性的地震台网,到20世纪50年代才初具规模。 在此之前,人们还不清楚大洋中的地震的情况。不过,在一些具有悠久历史的国 家,例如中国、希腊、意大利、伊朗等,从浩瀚的历史文献中也可以得到很多关 于历史上的地震分布的信息。但直到20世纪60年代末,科学家才开始明白这样一 个极不均匀的地震分布究竟意味着什么。原来,全球绝大多数地震都分布在板块 边界上,比如喜马拉雅山地区的地震,就是印度板块与欧亚板块碰撞的结果,这 种碰撞也是使珠穆朗玛峰成为“世界屋脊”的主要原因。洋中脊是海底扩张的发 源地,是一个重要的板块边界,因此在那里也有地震活动。在俯冲型的板块边 界,可以看到贝尼奥夫地震带。 2、地震参数及测定 最常用的地震参数是发震时刻、发震地点和震级,即我们经常说的地震三要 素。除此之外,要全面地描述一个地震还有震源机制等。 地震波:地震波是震源辐射的弹性波,一般分为体波和面波。体波是纵波 (也叫做P波)和横波(也叫做S波)的总称,包括原生体波和各种折射、反射及 其转换波。面波为次生波,一般指洛夫波和瑞利波。 地震定位:地震仪问世以前曾经以宏观等震线最高烈度为中心作为震中(如 历史地震的震中)。利用仪器记录进行地震定位首先是识别各种类型的地震波(例 如P波、S波等)及其到达时刻,再选择合适的定位方法进行定位,要准确地测定 一个地震的震源位置,最少需要4个地震台的记录资料,一般来说,资料越多结 果越精确。 震源:地球内部发生地震的地方称为震源,或称震源区。理论上常常把震源 看成一个点,而实际上是一个区,震源区的大小与地震类型、地震大小及地震方 式有关。 震源深度:将震源看成一个点,此点到地面的垂直距离称为震源深度。通常 震源深度小于60公里的天然地震称为浅源地震,世界上大多数地震为浅源地震。 震源深度在60~300公里称为中源地震,大于300公里的地震称为深震,我国东北 地区常有深震发生。目前观测到的地震中,深度最深的约720公里。 震中:震源在地面上的投影点称为震中,或震中区。地面上受破坏最严重的 地区叫极震区,由于地表局部地质条件的影响,极震区不一定是震中区。 震中距:从震中沿地球表面测量到观测点的距离称为震中距。震中距小于 100公里时称为地方震,震中距小于1000公里时称为近震,震中距大于1000公里时 称为远震。 发震时刻:发生地震的时间称为发震时刻。 震级:震级是用来描述地震大小(准确地说是地震释放的能量的大小)的量 度,早期人们主要是用烈度,即地震造成的破坏的程度来度量一次地震的大小, 这种度量好像是用炸弹造成的破坏来度量一颗炸弹的TNT当量。20世纪30年代,里 克特引入震级的概念,里克特使用地面运动的振幅的对数来标度震级的大小。他 规定:用“标准”地震仪(伍德-安德森式短周期地震仪),在震中距100公里处, 记录地动位移的最大振幅为10-3毫米,相应的震级为0级。 自从里克特提出“里氏震级”的概念以后,很多地震学家针对不同的仪器提 出了不同的震级。常用的震级有:近震震级ML,面波震级Ms和体波震级mb,以上 三种标度实质上都属于里克特-古登堡震级系统,也是我们通常所说的里氏震级系 统。其它的震级标度都是以此为基础发展起来的。目前记录到的最大地震为Ms8.9 级,因为当面波震级达到8.5级时,会出现“震级饱和”现象。1979年Hanks和 Kanamori提出了矩震级Mw标度,这是一个绝对力学标度,避免了震级饱和现象, 因此得到了越来越广泛的应用,现在美国USGS网站上公布的地震参数就提供Mw标 度。 长期以来,地震学家一直相信这些震级之间可以互相“换算”,即“一个地 震只能有一个震级”。但是70年代人们终于发现这种统一是不可能的,原因是地 震具有复杂的频谱结构,而每一种特定的震级都是针对一个特定的频段测得的。 作为持续近半个世纪的统一震级的努力的终结,德国地震学家杜达把地震分成蓝 地震(即以高频为主的地震)和红地震(即以低频为主的地震),这个分类标志 着人类对地震认识的一次重要的进步。 震源机制:震源机制是指震源处地球介质的运动方式,震源机制研究的内容 包括,确定地震断层面的方位和岩体的错动方向等。 三、地震预报 上世纪60年代初期,智利、美国和日本相继遭受巨大的地震灾害。紧接着, 我国发生1966年河北邢台6.8级、7.2级大地震,死伤近5万人。重大的地震灾害 激起了社会和公众对地震预报的强烈需求。另一方面,60年代科学技术的发展水 平也为地震预报研究提供了一定的科学基础。因此,从60年代中期开始,世界一 些地震频繁的国家相继开展有计划的地震预报研究,其中美国于1964年组织了一 批有声望的地震科学家拟定了地震预报的研究规划,开展了与地震孕育、发生相 关的地震活断层调查、地震前兆观测和地震孕育理论等地震预报研究,并于80年 代在加利福尼亚州一个名叫帕克菲尔德的地震区建立了地震预报实验场。日本政 府从1964年开始推行地震预报研究的第一个5年计划。1994年已进入第7个地震预 报5年计划,其重点是地震预报实用化和确定地震预报方法、提高地震预报精度 的观测研究,并加强地震预报的基础研究和新技术开发。前苏联则从60年代初开 始,在中亚和远东地区建立一系列地震预报实验场,开展地震预报的现场研究和 基础性的实验理论研究。 我国的地震预报,是1966年河北邢台大地震之后,在周恩来总理直接领导下, 以邢台地震现场为发源地,在全国范围内逐步发展起来的。由政府直接组织,在 广大地震区内,建立地震台站,发展监测系统,开展分析研究,进行预报实践。 到90年代初,在我国大陆建立了规模宏大的地震观测系统,这个系统包括地震学、 地磁、地电、重力、地壳形变、应力应变、地下水动态、水化学、地热、电磁波 等学科的地震监测台网。 地震之前有时出现某些异常现象,它们与地震有关,这些现象叫做地震前 兆。如重力的变化、地磁场的变化、地应力的变化。一个常见的现象是地下水位 的变化,还有和这个相连的如井水温度的变化、井水冒泡等等。温度(气温)的 变化也是一种前兆,海城地震时还是冬天,有蛇出洞,即本来它们应该蛰伏在 地下的,但因地震前地下的温度变高了,它们误认为到了天暖的节季了,就从地 下出来了,外面还很冷,有的蛇出来之后就被冻僵了。震前有些别的动物行为的 异常可能也是和气温有关的,也有的则和地下冒出的气体的气味有关。有些地方 还总结出了一些顺口溜如:“小震闹、大震到”等。当某处发生上述的前兆之时, 应对它加以注意,查明其理由,以证明是否本地将发生地震,这也是我们必须要 做的一项很重要的工作——异常落实。 通过对孕震过程和地震前兆的深入研究,逐步发展了我国自己的带有中国特 色的地震预报方法,形成了“长、中、短、临”的阶段性渐进式地震预报的科学 思路和工作程序。其中长期预报是指对未来10年内可能发生破坏性地震的地域的 预报;中期预报是指对未来一二年内可能发生破坏性地震的地域和强度的预报; 短期预报是指对3个月内将要发生地震的时间、地点、震级的预报;临震预报是 指对10日内将要发生地震的时间、地点、震级的预报。按照阶段性渐进式地震预 报的科学思路,形成如下工作程序: ①确定地震重点监视防御区。例如:中国地震局在1996年1月根据震情、灾 情和社会发展规划,综合确定了未来10年我国“地震重点监视防御区”。 ②召开年度会商会。自20世纪70年代以来,中国地震局每年年初召开全国地 震趋势会商会,进行年度中期预报,预测本年度我国地震趋势,确定地震重点危 险区。 ③并在此基础上各省地震局召开半年、月、周会商会,进行地震短临跟踪和 预报工作。 ④震后趋势判定。强震发生后,对震后地震趋势作出判断。 我国目前的地震预报准确率还不高,只是在某些有利条件下,对某种类型的 地震,可以作出了一定程度的预报。这里所说的有利条件,包括:在某些特定地 区有足够的台网监测能力,地质构造和地下介质结构研究比较深入,积累了较多 的震例资料等。 地震预测为什么很困难?地震难以预测主要有三方面因素,第一,地震过程 的复杂性。地震是地壳构造运动的产物,但是在地底下,地壳分布到底是什么样 的情况,构造活动的性质、强度,我们现在知之甚少。我们对于地震规律和地震 机理的认知程度还非常低,这种情况下,大大限制了我们对地震的预测能力。 第二,地壳深部的不可入性。因为地震发生在地下十几公里乃至几十公里的 深度上,现在人类还不能把仪器设置到地下深部进行观测,只能在地表面布设一 些观测台站,根据这些地表台站的观测数据对地下结构及其发生的变化进行推测, 而这种推测不是唯一。用地表观测数据去研究和预测地底下的地震过程,无论是 从理论上、方法上还是技术上都有很大的难度。 即便如此,地表观测数据又受到包括人类活动在内的各种干扰因素的影响, 进一步增加了从观测数据中提取地壳深部信息的技术难度。根据现有的认识,地 震孕育过程中的变形积累,从来不是从零开始的,地震所释放的变形,也从来不 是“淋漓尽致”地释放到零。在地壳中,总是存留着非常高的“预应力”,而每 次地震释放的应力,最多只占它的百分之几。一次大地震所释放的能量,最多只 占地球给板块运动所提供的能量的千分之一。换句话说,我们是生活在一个巨人 身上的小人国,发生地震,并不需要巨人大发雷霆,它不小心轻轻一动,对我们 来说就是一次地震。对地震前兆的监测,不是对巨人是否发怒的监测,而是对巨 人的微小动态的监测。一个更恰当的比喻也许是,很高的“预应力水平”或者很 大的能量输入,使我们一直处在不稳定的边缘。同时,每一次地震所释放的应力 又仅仅是一个很小的“微扰”而已。也就是说,一些本来很小的变化,也足以使 我们有可能越过稳定性的“警戒值”而“触发”地震。这种情况就好像一头已经 驮了500公斤重的货物快要累倒的骆驼,也许再增加一根稻草的负担就会使它累 倒趴下,这一根稻草的负担不是导致它累倒的主要原因,却可以直接导致它累倒。 因此,要想对地震作出准确的预报,对各种地球物理场的监测必须有足够高的精 度,而且我们必须能够有把握监测到所有可能的触发地震的微小变化。 第三,地震事件的小概率性。就全球来讲地震比较多,但由于不同地区的构 造条件差别很大,地震孕育和发生的规律不一样,而对于同一个地区来说,大地 震是几百年一遇甚至是千年一遇,因此,这就限制了我们对地震观测的资料积累, 同时也限制了对研究结果的检验。 四、地震专家在做什么 地震短临预测只是部分地震学家所做的工作的一部分。地震学家除了做基础 研究之外,也有很多工作成果可以直接服务于社会,概括起来说,可以归纳成如 下四个方面。 第一,尽管那种我们通常理解的,可以给出确切的时间、地点、大小的地震 预测是非常困难的,但是“退而求其次”的预测,却不是做不到的。这种情况就 好像一座房子,我们虽然不知道它什么时候倒塌,但却可以用很可靠的方法,确 定它是否已经非常危险,不适于居住。直接导致它倒塌的原因,可能是一次风雨 的袭击,也可能是一只鼹鼠的破坏,甚至是某人无意地踢它一脚,但是它注定要 倒塌,却是无疑的。地震学家现在有很多方法来进行这样的估计,即某个比较大 的地区,在某段较长的时间里(比如10年内),可能发生多大的地震。这种预测 对于建筑和工程的规划是非常有用的,像地震学家编制中国地震烈度区划图、划 定地震重点监视防御区,就是一种“退而求其次”的预测,它为防震减灾工作的 开展提供了重要的依据。 第二,地震本身带来的伤亡比较小,造成更大伤亡的是地震引起的建筑物的 破坏。建筑物破坏的主要原因,一个是在地震时出现的地基的变化,另一个是地 震波造成的地面运动。对于这两个问题,地震学家都有比较深入的理解。地基的 变化主要取决于当地的结构,而地面运动主要取决于地震波的传播。地震波在地 球内部的传播规律比较复杂,地球内部的非均匀性可以造成地震波的“聚焦”。 因此,同样一个地震在某些地区注定会造成更大的破坏。比如:1976年唐山地震 时,北京东部廊坊地区的破坏就比周围的其他地区大得多。究其原因,是因为地 震波在这里出现了“聚焦”。工程结构的特点是,它们通常对某些类型的地面运 动最“敏感”。比如传统的民居特别“害怕”高频地震加速度,而立交桥更容易 受长周期地震位移的破坏。把这些规律搞清楚,以后在建设中,即使再遇上大地 震,伤亡和损失也会大大地降低。 这个领域,实际上是三类专家在联手攻关。地震专家的任务是,搞清楚一个 地区在一段时间内发生地震的概率有多大,搞清楚万一地震发生,某个地方会出 现什么样的地面运动,即各级政府要求的建筑场地的地震安全性评价工作。抗震 专家的任务是把地震专家的信息作为“输入”信息,搞清楚建筑或工程结构是怎 样被这些地面运动破坏的。而建筑工程师的任务是根据抗震专家提供的“输入” 信息,设计出可以避免这些破坏的更好的结构。 第三,地震学家建立了地震台网,用来监测地震活动和记录地震。前面所说 的地震危险性研究和强地面运动研究,就是用这些地震台网记录到的地震和地面 运动的资料作为输入参数的。 然而地震台网还有另一个用处,就是在地震发生之后,很快地给出地震发生 在哪里,地震有多大等一系列信息,这些信息对于政府和社会组织救灾是必不可 少的。通常,地震发生之后的数分钟时间内,这些信息就可以上报给政府。如果 没有地震台网,而要通过一个地区一个地区扫描式的报告方式,要做到这么快是 不可能的。在少数采用智能化的“地震预警系统”的地方,还可以利用早到达的 地震波和造成破坏的、通常是较迟到达的地震波之间的“时间差”建立地震预警 系统。这种“时间差”一般只有几秒,但用来关闭高速铁路、核电厂、金融信息 系统等重要设施却是非常有用的。也许以后卫星遥感技术发展以后,对地震的快 速反应会更快。在地震救灾中,时间就是生命,而时间是用地震台网“抢”出来 的。 第四,我们前面所说的“地震预测很困难”,讲的是在现在的地震学的认识 范围内,依靠现在的地震学的观测技术,是非常困难的。但另一方面,地震学家 也在探讨突破现在的认识水平的局限,突破现在的观测技术的局限的可能性。实 际上,地震观测技术和地震学研究的每一项进展,都会导致对地震的认识的深化。 地震学还有很多“副产品”,有些“副产品”看上去似乎比地震学本身还重 要。在石油和其他矿产资源的勘探中,用地震波进行勘探是最有效的方法之一, 称为“勘探地震学”或“地震勘探”。利用地震台网监测和识别地下核试验,在 维护世界和平的外交政治斗争中扮演了重要的角色,称为“核爆炸地震学”。 尽管目前地震预测水平仍不高,但用地震方法预测火山喷发却有很大的进步,称 为“火山地震学”。对水库等诱发地震的监测和研究为水库等安全“保驾”,称 为“水库地震学”或“诱发地震学”。对矿山地震的监测是保证矿山安全的重要 的手段之一,称为“矿山地震学”。地震波是研究地球内部物理学的最有效的工 具,由于必须使用全球地震资料而称为“全球地震学”。地震学关于地球自由振 荡的知识在认识太阳和行星的结构方面发挥了巨大的作用,称为“日震学”或 “行星地震学”。 (XYS20080524) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.dropin.org)(xys-reader.org)◇◇