科学认识地震

朱新运

地震是地球内部释放能量的一种方式，是一种自然现象。地震波是地震能量的载体，是把地震释放的能量传递出去的基本方式。由于地震波是在地下介质中传播的，因此它携带了震源与地下介质的信息，为人类认识地震提供了基础。

在人类现实生产生活中，水灾、风灾、地震等各种自然灾害持续不断，而地震是这些灾害之中最重要的灾种。人类在应对地震灾害的斗争中进行了大量的尝试，虽然取得了很大的进步，但同时也付出了惨重的代价。

地震是一种自然灾害现象，没有人确切地知道地球上从什么时候开始出现这种现象。人类历史上最早关于地震的记录见于尧舜时代（公元前23世纪）《竹书纪年》，距今有4000多年的历史。古人对地震现象及成因的描述，更多地表现为一种宗教或神话传说，如中国的“鳖鱼翻身”说、地球“阴阳失调”说，日本的“鲶鱼发怒”说以及印度的“大象发怒”说等。

随着科学技术的发展，人类有条件使用科学仪器观测地震，记录地震资料并加以分析，进而对地震的认识逐渐具备了越来越高的理性与逻辑成分。毫无疑问，地震是地壳的一种运动形式。但在目前的科技条件下，地震成因仍然众说纷纭，学界没有统一的认识。所谓的板块漂移、地幔热对流、地球自转速度变化、洋底扩张等学说，都无法完全解释所有与地震相关的自然现象。相比较而言，板块构造学说被更多的地球科学家所接受。

板块构造学说认为，地球的岩石圈不是一块整体，而是被地壳的生长边界海岭和转换断层、地壳的消亡边界海沟和造山带、地缝合线等一些构造带分割成许多构造单元，这些构造单元叫做板块。全球的岩石圈分为亚欧板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度洋板块和南极洲板块等六大板块，大板块中还有若干次一级的小板块。板块之间相互挤压、摩擦、拖曳、碰撞，导致板块边沿及内部产生错动和破裂，引起地壳快速释放能量，这种能量释放的过程造成了地震。因此，板塊与板块的交界处，是地壳活动比较活跃的地带，也是火山、地震较为集中的地带。

虽然板块构造学说不能解决地壳运动的所有问题，但却为地震成因的理论研究奠定了基础。地球上每天要发生上万次的地震。其中绝大多数因太小或太偏远而不为人们所感知，而真正能对人类造成危害的地震，每年大约只有十几次。

地震波是由地震震源向四处传播的振动，是地震能量传播的载体。如果没有地震波，地震甚至没有在空中爆炸的炮仗那么有震撼力。著名的俄国地震学家伽利津曾经说过：“可以把每次地震比作一盏灯，它燃着的时间很短，但照亮着地球的内部……”，这句话一点也不夸张。

科学家们可以用地震仪器记录地面运动的波形图，用地震波形图确定地震的震级和震源位置，甚至通过地震波形记录研究地球内部构造。

地震波分为纵波、横波和面波。纵波是推进波，波的传播方向与介质震动方向一致，所以纵波也称为压缩波（P波）。横波的传播方向和介质震动方向相垂直，也称为剪切波（S波）。由于岩石内部压力强大，岩石的密度随深度的增加而变大，因此地球不同层位地震波的速度也不同。一般情况下，深度越深速度越快。纵波在地壳中的传播速度是5.5～7千米/秒，横波的传播速度是3.2～4.0千米/秒。纵波与横波在地表相遇后激发的混合波叫面波（L波），面波一般出现在距震中较远的地方。绝大部分面波的能量被捕获在近地表处，到一定深度后地下介质实际上已不受面波的影响。这一深度取决于波长，波长越长，穿入地球越深。其中，横波和面波是造成建筑物强烈破坏的主要因素。由震源出发的地震波包含不同频率、不同周长的一个序列，其中大部分能量集中在一个波段内。

像声波、光波和水波一样，地震波也可以在介质界面发生变化的边界上形成反射、折射。不同的是，地震波的P波在地球内部不同的界面反射和折射时，除了产生反射和折射P波之外，还产生反射和折射的S波。同理，S波也是如此。这种现象见于地震波在不同固体界面反射或折射的状况，但是如果地震波从固体介质传入流体（如地球岩浆圈层）时，不会产生折射的S波。我们知道，人类可以感知的声波频率在20～20000赫兹之间。如果地震波频率也在这一范围内，那么在地震波遇到地表发生折射，引起同样频率的空气波动时，人耳就可以听到地震的声音了。

地震波的反射与折射有时可能使地震波能量汇聚在某一地质构造中，类似于声波在一个屋子里被墙壁多次反射形成回音一样。地震波的这种汇聚现象会增加地震破坏的风险。1976年7月28日，中国河北省唐山丰南发生7.8级地震，地震波经过多次入射与反射，反射波与入射波相互干涉，极大地增加了到达地表的能量。当时正在地下作业的矿工仅仅感到了晃动，作业点停电，但当他们到达地面时，发现整个唐山市已面目全非。

另外，地震波与水波、光波及声波一样，也存在共振现象。若某一周期的地震波与地基土层的固有周期相近，则会引起地基土层的最大响应，这个响应就是地震波共振导致的。在共振情况下，地震波的振幅得到放大，相应地基上的建筑物破坏程度也会增加。1989年10月17日，美国加利福尼亚州的洛马普瑞特地震，就是地震波共振导致极度破坏的一个典型实例。从震源传来的优势S波周期与旧金山海滨区冲积河谷的软弱沙石土壤卓越周期一致，因而建在软弱沙石土壤上的建筑破坏程度远超同区域的其他建筑。

地震预警是指在地震发生以后，抢在地震造成灾害之前的预警行为。由于地震波P波的速度高于S波，而S波携带了主要的地震能量，是造成地震破坏的地震波成分，地震发生后，从P波到达至S波到达之间还有一段微小的时间间隔。按前述的波速简单计算，假定你所处的位置与震中距离80千米，那么如果你感受到了P波震动，在S波到达之前，你有大约10秒钟的时间采取应对措施。

现代地震预警基于电磁波的速度优势，在地震可能发生的区域预先布设地震仪器。地震发生后，这些仪器首先捕捉到地震信号并预警，通过通讯网络把预警信号传达给可能受灾的民众。通讯网络传递信号的速度是电磁波速度即光速，光速每秒大约3×105千米，比S波快近10万倍，这就有效延长了应对地震的时间。同样在距离地震震中80千米的地方，使用这种地震预警方法，在S波到达前民众就可以有20多秒的时间来采取应对措施。

地震预警系统是集地震监测、数据快速分析、预警信息通讯及信息响应终端等于一体的综合系统。该系统的工作流程是：地震监测仪器检测到地震信号，计算机系统对地震信号进行分析并给出地震强度、震源位置等要素。如果地震强度达到预警条件，预警信息通讯系统就会自动启动并将地震信息传递给响应终端。基于现代社会智能手机、互动电视等便利的传媒条件，地震预警信息可以方便、及时地传递给民众，还可以给电力等人们日常生产生活中的设施配备自动响应系统，在重大地震灾害来临时自动关闭。

日本、墨西哥、中国台湾和美国加州等国家和地区都位于地震活动频繁的环太平洋地震带上，因此都在开展地震预警系统的开发与使用。如日本就启用了较为现代化、实用化的地震预警系统，并已于2007年10月1日开始向大众发布地震预警警报。我国在地震预警系统的开发与应用方面也进行了大量有益的探索，如2013年初中国地震局提出，用5年时间建设具有5000余台地震预警监测仪的中国地震预警网。目前该地震预警系统建设计划正在有序开展中，预计2020年底可完成项目建设，2021年试运行。