地震九講第4章地震的產(chǎn)生

回首頁地震九講第4章地震的產(chǎn)生4.1地質(zhì)斷層4.2其他來源的地震動4.3彈性能的緩慢積累4.4彈性回跳原理4.540年中美國的最大地震4.6地震矩4.7一條斷層破裂的過程4.8著名的帕考義馬水壩加速度儀4.9深源地震4.10區(qū)分非自然與自然地震4.11有限禁止核試驗條約4.12識別的線索

1988年亞美尼亞地震造成的新鮮斷崖

背后是斯皮塔克城地震學(xué)的偉大成就之一是，人們完全了解了地震波被激發(fā)的機制。在上個世紀末，一位地震學(xué)者評述地震時寫道：“地震的原因還仍隱匿于朦朧之中，可能是永恒之謎，因為這些強烈震動發(fā)生的處所，遠距人類觀察領(lǐng)域之下?！痹S多與他同時代的人認為，火山作用是地震的首要原因，而另一些人傾向于地震源于高大山脈造成的巨大重力差。在20世紀初地震臺網(wǎng)建立之后，完成了地震活動的全球性監(jiān)測，人們發(fā)現(xiàn)許多大地震發(fā)生之處遠離火山和山脈。越來越多的地質(zhì)學(xué)家把破壞性地震的野外考察作為他們的任務(wù)。地面斷裂之大常常使他們震驚，這些斷層可以從地形沿線狀系統(tǒng)變形而被識別。上世紀末科學(xué)家已經(jīng)清楚地認識，一般的地震與造成地球表層廣泛變形的構(gòu)造過程密切相關(guān)，這些變形也創(chuàng)造了山脈、裂谷、洋脊和海溝。地質(zhì)學(xué)家推測，地表巖石的大規(guī)模迅速錯動是強烈地動的原因。他們的推斷很快發(fā)展成信心十足的論述，大多數(shù)地震發(fā)生的機制已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。今天認為天然淺震幾乎都有同樣成因。地球深成構(gòu)造力造成地球外層大規(guī)模變形是地震的根源。沿地質(zhì)斷裂的突然滑移則是地震波能量輻射的直接原因。

4.1地質(zhì)斷層

在實驗室里巖石受壓能使之以不同方式“破裂”和“破壞”。在有的突發(fā)破裂中，斷裂把巖石切開，兩側(cè)巖石相對滑動，多條裂紋把巖石裂成碎塊。如果巖石破碎的碎塊能再拼合起來，這種破壞類型稱之為脆性破壞。另外一種巖石破壞中，標本的兩側(cè)不突然滑移，而是緩慢地碾磨，沿著一個傾斜斷面仍粘合在一起。這種巖石的破壞不能像脆性破壞那樣快速釋放儲存的彈性能量。

在自然界，大規(guī)模的破裂面被稱為地質(zhì)斷層。像在實驗室中見到的那樣，一條斷層的兩側(cè)可以逐漸地并難以察覺地互相滑過；也可以突然破裂，以地震形式釋放能量。在后一情況下，斷裂兩側(cè)向相反方向錯動，以致一度橫過斷裂排列的巖石會發(fā)生變位。許多斷裂非常長，有的可在地表追蹤幾千米。

斷裂展示的特性形形色色。它們可能是僅具有很小的可見位錯的清晰的裂面（圖4.1），

也可能是巖石的擴展破碎帶，幾十或幾百米寬，這是沿斷裂帶不時重復(fù)運動的結(jié)果。斷層一旦形成，它往往成為持續(xù)應(yīng)力作用下繼續(xù)變位的場所，這可由斷面附近的碎裂巖泥質(zhì)物所證實，斷面上的大多數(shù)巖體含有曾發(fā)生巖石變位造成的豐富的破裂。斷裂帶中的巖石可在若干地震過程中被非常細地挫碎和剪切，使它變成一種塑性粘土物質(zhì)，叫斷層泥。這種物質(zhì)強度小，以致彈性能量不能像在較深的脆彈性巖石中那樣存儲。

斷層曾按它們的幾何學(xué)及相對滑移方向分類。如圖4.2所示，斷層在三維坐標中的定位由兩個角度給出：第一是斷層的傾向，即斷面與水平面之間形成的角度。第二是斷層的走向，即出露于地表的斷層線相對于正北方向的角度。

圖4.1猶他州喀那布附近的切過巖層的小而清晰的正斷層圖4.2地質(zhì)斷層的類型斜斷層(圖右邊)都具有水平運動(走滑斷裂)和垂直運動(正斷層和逆斷層)兩種斷裂的特征

斷裂可按其沿傾向和沿走向的運動方位分類。走滑斷裂，有時也叫橫推斷層，能引起斷層兩側(cè)彼此相對水平滑移。巖石平行于走向相對平行地移動，如果當我們站在這種斷裂的一側(cè)，看另一側(cè)的運動是從左向右，這種斷層運動叫右旋走滑。同樣地能確定左旋走滑斷層。

斷層的運動可完全沿傾向發(fā)生，稱為傾滑斷裂。這時斷裂一側(cè)相對另一側(cè)上下運動，其斷裂運動基本平行于斷層傾向，巖石在垂向發(fā)生位錯，有時造成一個小而可見的巖石墻面，稱之為斷層崖。這類斷層可劃分為兩個亞類：一個是正斷層，是在傾滑斷裂中傾斜斷面上邊的巖石相對斷裂下邊的巖石向下運動；相反地，逆斷層是傾斜斷面上邊的巖石向上運動。逆沖斷層是斷層傾角很小的逆斷層。斷層很少是純走滑或傾滑的，通常它們具有水平和垂向運動分量。這種斷裂名為斜向斷裂。有些斷裂面沒有能從基巖穿透上覆土壤，因為近地表的土壤吸收了差異滑移。這時只能通過挖探槽或切開隱伏斷崖才能探測出斷層。4.2其他來源的地震動

大多數(shù)破壞性地震——諸如1906年舊金山地震、1988年的亞美尼亞地震和1992年加利福尼亞蘭德斯地震，都是因斷層巖石的突然破裂而發(fā)生的。雖然通常談地震指的就是這些所謂的構(gòu)造地震，但強烈的地面震動也可能是許多其他來源的結(jié)果。

第二種熟知的地震類型是伴隨火山的噴發(fā)而發(fā)生的地震。許多人，像早期希臘哲學(xué)家那樣，想象地震是與火山活動聯(lián)系的。的確，在世界許多地區(qū)地震與火山相伴發(fā)生，令人印象深刻?，F(xiàn)在我們知道，雖然火山噴發(fā)和地震都是巖石中構(gòu)造力作用的結(jié)果，但他們并不一定同時發(fā)生。今天我們稱與火山活動相關(guān)發(fā)生的地震為火山地震。

在大火山地震中，從地震波確定的震源機制可能與構(gòu)造地震是一樣的?？拷鼑姲l(fā)的火山，巖石由于巖漿的積累和運動而變形，彈性應(yīng)變能在巖石中積累起來。這些應(yīng)變導(dǎo)致的斷層破裂就像構(gòu)造地震一樣，但與火山并無直接關(guān)系。然而，由于地下火山通道中噴發(fā)巖漿的快速運動以及超熱蒸汽和氣體的激發(fā)，可使周圍巖石發(fā)生顫動，稱之為火山震顫。另外一種類型的地震為，當?shù)叵露囱ɑ虻V坑崩陷時造成一個小的“塌陷”地震。這種現(xiàn)象是通常所說的礦爆的變種，礦爆時采礦場誘發(fā)應(yīng)力造成大量巖石爆裂飛出采礦面，產(chǎn)生地震波。

1974年4月23日在秘魯沿曼塔羅河一個壯觀的滑坡造成相當4.5級地震的地震波。大約1.6立方千米體積的巖石滑動了7千米，致使約450人死亡。這次滑坡并非由鄰近的構(gòu)造地震驅(qū)動，而是由于山體的失穩(wěn)。部分重力位能在土壤和巖石的快速向下運動時轉(zhuǎn)化成地震波，并被上百千米以外的地震臺清楚地記錄到。一臺80千米以外的地震儀記錄到3分鐘的地動。這個搖動持續(xù)時間是與地滑的速度和范圍相一致的，它在觀察到的滑移7千米距離內(nèi)以每小時約140千米的速度運行。

因為地震通常造成地滑，有時規(guī)模很大，很難分開原因和效果。近代史中最大地滑可能發(fā)生于1911年俄國帕米爾山中的烏索。伽里津（Galitzin），一位現(xiàn)代地震學(xué)的先驅(qū)，在圣彼得堡附近他的地震儀上記錄到了烏索地滑造成的地震波，因此地滑發(fā)射出來的地震波傳播了3000千米。他開始以為記錄了一個正常的構(gòu)造地震，直到1915年派出一支調(diào)查隊去研究烏索地滑，才發(fā)現(xiàn)這次地滑席卷了2.5立方千米巖石!

圖4.3新西蘭庫克山1991年12月15日1400萬立方米巖石和冰雪崩塌下來之后的情景（a)和75千米以外記錄到的庫克山雪崩地震圖，相當于一次3.9級地震（b）

很大的隕石與大氣或地球表面碰撞造成碰撞地震是一種稀少的情況。一個神奇的例子是通古斯隕石于1908年6月30日在西伯利亞一個偏僻地區(qū)進入地球大氣層，在大氣層快速減緩時的應(yīng)力和熱作用下，隕石在地球表面以上不到10千米的高度爆炸，夷平了大面積的森林。俄國和歐洲的許多地震臺，有的遠在5000千米之外，都記錄到了地震波。開始人們還以為是一次大的構(gòu)造地震。

有一些在流體注入深井或大型水庫蓄水后誘發(fā)地震的記錄，雖然其機制仍被認為是由斷層破裂而釋放應(yīng)變能。這些事例提出一個問題：在什么程度下，一口井或水庫中的水會誘發(fā)那些否則要許多年后才會發(fā)生的地震?一個良好記載的案例是麥德湖事件，它于1935年水庫蓄水之后發(fā)生在科羅拉多河上胡佛水壩。在湖形成之前該區(qū)無地震活動的歷史記錄，但蓄水后小地震頻發(fā)。當水庫充水之后建立了地方性地震臺，記錄表明，發(fā)震次數(shù)與水庫的蓄水量變化有相當密切的對應(yīng)關(guān)系。

對水庫水深超過100米和1立方千米體積的大型水庫，這種效應(yīng)最明顯。然而，大多數(shù)這種大水庫是無震的，世界上26個最大水庫僅有5個發(fā)生無可置疑的誘發(fā)地震，包括贊比亞的喀瑞巴水壩和埃及的阿斯旺高壩。最合理的解釋可能是，井或水庫附近已經(jīng)受構(gòu)造力而產(chǎn)生應(yīng)變，以致斷裂已經(jīng)幾乎準備滑動，水頭增加了壓力，從而增加了巖石中的應(yīng)力并驅(qū)動滑移；水也可使巖石弱化，降低巖石強度。

最后，人類爆炸化學(xué)炸藥和核裝置引起爆發(fā)地震。在近地表爆炸中，破碎地區(qū)產(chǎn)生的地震波向所有方向傳播，當初至P波到達地面時地面會外隆，如果能量足夠大，會將巖土四拋，如同采石場那樣。當然，人類和野獸有時也造成地震，盡管一般極小，例如機械地敲擊地面。

4.3彈性能的緩慢積累

讓我們對構(gòu)造地震成因作進一步的討論。地球深部的作用力使地震活動區(qū)巖石產(chǎn)生變形，隨時間增加變形漸漸變大。這種變形在很大程度上，起碼在大約千年尺度上，是彈性變形。所謂彈性變形，是指加力時巖石產(chǎn)生體積和形狀變化，當力移去時將彈回到它們的原狀，就像受擠的橡皮球。這種彈性巖石運動能通過精密的系統(tǒng)的大地測量加以探測，以區(qū)分出彈性和非彈性(即不可逆的)變形。

為了達到這種目的，有3種主要大地測量方法。兩種確定水平運動大小。第一類，用小望遠鏡測量地面上標志間的角度，這個過程叫三角測量。第二類叫三邊測量，測量地面標志之間的距離。在現(xiàn)代三邊測量技術(shù)中，光(有時是激光束)被從一定距離的制高點的鏡子反射，用一種光電測距儀測量光的雙向路徑往返所用的時間（圖4.4）。在路徑很長時，光速隨大氣狀況而變化。因此，在精密測量時用飛機或直升機沿視線飛行，并測量空氣溫度和壓力以便能夠校正。這些測量精度可達在20千米距離準確到約1.0厘米。

圖4.4在加利福尼亞帕克費爾德用于進行大地測量的激光束對著遠處的鏡子

第三類測量是通過野外建立水準測線測定垂向運動的大小。這種水準測量簡單地測定在地面上不同地點布設(shè)的基準點的高程。重復(fù)測量可揭示各次測量間的變化。國家測網(wǎng)是在國土固定位置上設(shè)置國家基準測樁。有可能的話，水準線將延至大陸邊緣，以便用平均海平面作為確定陸地高程絕對變化的參照點。近年來，同步衛(wèi)星也被用來作為已知參考點，利用地球表面固定點發(fā)射無線電波至衛(wèi)星的走時測距。不同的測量方法表明，在地震活動區(qū)，諸如加利福尼亞和日本，地面水平和垂直運動都達到了可觀測到的量級。它們還表明在大陸的穩(wěn)定區(qū)，諸如加拿大和澳大利亞的古老地塊，很少發(fā)生變化，至少在最近的過去。與地震有關(guān)的區(qū)域變形測量的最重要的結(jié)果可能來自加利福尼亞。在那里他們早自1850年開始并于1906年舊金山地震后定期進行測量。其成果在現(xiàn)代地震發(fā)生的理論中起著關(guān)鍵作用。近十余年來沿圣安德烈斯斷裂系的測量已有進一步改進，著眼于地震預(yù)報。測量人員用光學(xué)和激光束光電測距儀，測量了圣安德烈斯斷裂兩側(cè)山頂上基準點之間的距離。應(yīng)變的趨勢變化特別清楚，測量表明斷層存在右旋變形，而未橫過主要斷裂帶的測線長度變化則很小。

4.4彈性回跳原理

在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中常常不是記住對一事件的首次描述或某個假說的首次提出，而是記住那些使科學(xué)界信服確實發(fā)現(xiàn)了一些新東西的事件?，F(xiàn)今廣為接受的地震發(fā)生的斷裂破裂機制的物理學(xué)原理，是由對1906年圣安德烈斯地震令人信服的研究確立的。1906年以前跨被圣安德烈斯斷裂切過的區(qū)域作了兩組三角測量，一組在1851～1865年，另一組在1874～1892年。美國工程師里德（Reid）注意到，到1906年的50年期間斷裂對面的遠點移動了3.2米，西側(cè)向北北東方向運動。當這些測量數(shù)據(jù)與地震后測量的第三組數(shù)據(jù)比較時，發(fā)現(xiàn)地震前和地震后，平行于圣安德烈斯斷裂的破裂，都發(fā)生了明顯的水平剪切(見第8章圖8.4)。

自里德的工作之后，地震學(xué)界普遍認為，天然地震是地球上部沿一地質(zhì)斷裂發(fā)生突然滑動而產(chǎn)生的。這滑移沿斷面擴展，這種滑移破裂傳播的速度小于周圍巖石中的地震剪切波波速。存儲的彈性應(yīng)變能使斷裂兩側(cè)巖石回跳到大致未應(yīng)變的位置。這樣，至少在大多數(shù)情況下，變形的區(qū)域越長、越寬，釋放的能量就越多，構(gòu)造地震的震級也將越大。圖4.5給出地震矩與斷層長度的關(guān)系。

圖4.5板內(nèi)大地震的地震矩與斷層破裂帶長度的關(guān)系

如圖4.6所示，那些造成1906年地震的力畫在圖解中。想象這一圖解是垂直地橫過圣安德烈斯斷裂的一排籬笆的鳥瞰圖。該籬笆垂直穿過該斷層，在兩側(cè)延伸許多米。用空箭頭表示的構(gòu)造力作用使彈性巖石應(yīng)變。當它們緩慢地作功時，該線（籬笆）彎曲了，左側(cè)相對右側(cè)錯動。這種應(yīng)變作用不能無限地持續(xù)，早晚那些軟弱巖石，或那些位于最大應(yīng)變點的巖石要破壞。這一破裂后將接著發(fā)生彈回，或在破裂的兩側(cè)回跳。這樣在圖4.6中斷裂兩側(cè)的巖石中的D回跳到D1和D2。圖4.7示出1906年地震斷層破裂之后橫過斷層的籬笆被錯動的情況。

圖4.6跨斷層的籬笆當斷裂彈性回跳時造成的結(jié)果（a）構(gòu)造力作用下橫過斷層的籬笆發(fā)生彎曲，A點和B點向相反方向移動；（b）在D點發(fā)生破裂，在斷裂兩側(cè)的應(yīng)變巖石彈回到D1和D2圖4.7在海濱地區(qū)跨圣安德烈斯斷裂的籬笆在1906年舊金山地震時錯動了2.6米，遠處的土地向右移動自從1906年地震之后，肯定了彈性回跳作為構(gòu)造地震的直接原因。像鐘表的發(fā)條上得越緊一樣，巖石的彈性應(yīng)變越大，存儲越大的能量，當斷裂破裂時，儲存的彈性能迅速釋放，部分地成為熱，部分地成為彈性波，這些波就構(gòu)成地震。巖石的垂向應(yīng)變也很常見。在這種情況下，彈性回跳沿傾斜斷面發(fā)生，引起地水平線沿垂向垮落并形成斷層崖。大地震造成的斷層崖可達好幾米高，有時沿斷裂走向延伸幾十或幾百千米。巖石力學(xué)實驗室里的試驗曾闡明了地震前期應(yīng)變在地球巖石中的變化。在這些實驗中，將水飽和的巖石試樣在高溫下的流體介質(zhì)中壓縮。這種研究指示在局部構(gòu)造力作用下地殼緩慢應(yīng)變，在構(gòu)造斷裂鄰近造成巖石中微裂隙的集中。水緩慢地擴散并充填在巖石的裂縫和孔隙之中。由于微裂隙的發(fā)展，沿斷裂的高度應(yīng)變區(qū)的體積增加，這個膨脹過程進一步使斷裂帶弱化。同時，在裂隙中的水降低了巖石的約束力，并使橫過潛在斷層面的摩擦力降低了，容許巖石松動，以致最終沿一個主要斷裂面滑動。按這種方式變形的斷裂產(chǎn)生彈性回跳并傳播擴展。地震的前震和余震也能通過研究主滑動附近的裂縫發(fā)育過程而得到理解。前震是沿斷裂的應(yīng)變和破裂物質(zhì)中的微細破裂結(jié)果，而那時主斷裂并沒有發(fā)展，因為物理條件尚未成熟。前震中的有限滑動稍微改變了力的格局。水的運動和微裂隙的分布，終于使一個更大破裂開始了，造成主震。沿主破裂巖塊的拋擲和嚴重搖動及局部生熱，導(dǎo)致沿斷裂的物理條件與主震以前相比有很大不同。其結(jié)果是附加的小斷裂發(fā)生了，造成余震。之后，該區(qū)的應(yīng)變能逐漸降低，像一個沒勁的鐘表，可能在許多月之后恢復(fù)穩(wěn)定。

4.5

40年中美國的最大地震

我們設(shè)想因為強震發(fā)生緩解了一條斷層上的應(yīng)變，在一個地區(qū)一旦余震結(jié)束將跟隨而來的是平靜。但主斷裂往往僅是威脅一地區(qū)的復(fù)雜斷裂網(wǎng)格中的一條。一條斷裂上應(yīng)變能的災(zāi)變性釋放，可能增加相鄰斷裂的壓力。近幾年來襲擊美國本土的最大地震表明，一個大地震對一個地區(qū)的地震活動性及地震災(zāi)害的影響是多么難以預(yù)測。

1992年6月28日星期天上午4點58分，一個強震襲擊了加州荒僻的莫哈維沙漠中的蘭德斯城鎮(zhèn)(見圖4.10)。其主震的面波震級為7.5。事后發(fā)現(xiàn)彈性回跳的大主干斷裂，正是由于它的錯動在南加州產(chǎn)生強烈搖動，使遠在科羅拉多州的丹佛都有感。

震中位于蘭德斯鎮(zhèn)和尤喀河谷之間，大約在圣安德烈斯斷裂帶東北30千米。這個人口不多的居民點遭受了高強度的晃動。戈布羅哥（Gobrogge）先生描述了在尤喀河谷中他的保齡球道邊墻被破壞時說：“那太可怕了，確實可怕，它不肯平靜下來，一直持續(xù)地搖擺，從未停止?！边@個地震，官方名之為蘭德斯地震，與經(jīng)常提到的1952年克恩地震發(fā)生在同一地區(qū)。然而因為它位于沙漠，僅有1人死亡和5人重傷。地震摧毀超過77家，有4300戶受到破壞，估計財產(chǎn)損失約5000萬美元。

在以后的日子里，成百的地震學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家來收集資料，目睹了斷裂的明顯證據(jù)。壯觀的右行地表錯動形成一系列走滑斷層，排列成“雁列”狀，每一斷裂與前面另一斷裂首尾相鄰，坐落在前方右側(cè)或左側(cè)，像一個系列臺階。這一系列斷層連成的主斷裂已填繪在加州地質(zhì)圖上，但因為它們在其尾端分離達10千米，曾被認為是單獨的斷層。作為一條連續(xù)的深斷裂的段落，個別的斷裂被認為在12000年前滑移過，但自那以后沒有活動過。據(jù)此，沒有設(shè)想會發(fā)生一個7.5級，囊括全部80千米的斷層錯動的地震。

沿斷裂測量的地表滑移在蘭德斯附近達2米，如圖4.8和圖4.9所示，沿破裂西北部錯動大致5.5米。還有令人驚奇的1米高的地震陡崖，出現(xiàn)在沿主斷裂彎轉(zhuǎn)的部分段落。

圖4.8莫哈維沙漠中沿埃莫森斷層256千米寬的地區(qū)的一對衛(wèi)星影像該斷層是蘭德斯地震過程中錯斷的幾條斷裂之一。左邊的影像拍攝于1991年7月27日，地震之前11個月；右邊的影像，剛好于地震后27天拍攝。地震過程中斷裂造成的地裂縫清楚可見，從左上角延伸至右下角。在這一位置橫過斷裂的位移約為4米

圖4.9埃莫森斷裂崖的新鮮斷面顯示1992年蘭德斯地震后的滑移(稱之為擦痕)隨著蘭德斯地震之后發(fā)生了最不尋常的地震連鎖反應(yīng)。主震之后沿滑動的斷層連續(xù)發(fā)生一系列余震（圖4.10）。作為規(guī)律，在大的淺源地震之后，隨后的日子里地震活動在更大的地區(qū)內(nèi)會突然戲劇性地增加。主震之后3個小時又在以大熊湖附近為中心處發(fā)生了強震(MS=6.5)，地面被再次震顫。這次震動是距第一次斷裂源約45千米西方的另一條斷裂的滑移產(chǎn)生的。應(yīng)用計算模擬考察區(qū)域斷裂系的應(yīng)力變化，其結(jié)果表明，蘭德斯地震的斷裂滑動造成了斷裂上某些部位應(yīng)力增加，大熊湖地震就是因此而發(fā)生的。計算還表明，蘭德斯地震可能增強了南圣安德烈斯斷層上的應(yīng)力，加強了走滑剪切的趨勢，同時降低了圣安德烈斯四周頂住周邊的壓力，該種力是無形的連續(xù)的。這些作用集中在一起，可能增加了本區(qū)未來發(fā)生大地震的機率。

圖4.10南加州蘭德斯地震后25日內(nèi)的余震和斷層分布圖主震以星號表示，顏色深淺的變化表明1979～1992年間區(qū)域地震引起的應(yīng)力變化，圣安德烈斯斷層卡洪山口以東應(yīng)力增加，以西應(yīng)力減小

緊接著蘭德斯主震之后的24小時內(nèi)，在距震中600千米范圍內(nèi)地區(qū)臺網(wǎng)測到了11個震級大于3.4的地震。按照加州和內(nèi)華達地區(qū)地震發(fā)生的正常概率，這種兩個大事件連續(xù)發(fā)生的機率僅為十億分之一。這種同時發(fā)震在地質(zhì)歷史中是極少出現(xiàn)的！因此我們推測，是蘭德斯地震引起了這個地震活動高潮，它直接在巖石中增加了彈性應(yīng)變，或由它的地震波通過各單個斷裂而在它們上面引起變化應(yīng)力而造成地震活動高潮。

最難理解的是沿內(nèi)華達山脈東側(cè)，從歐文谷以南向北到長谷火山口，距蘭德斯400千米的小地震發(fā)生頻度的顯著增加。北部距主破裂800千米的莫娜盆地、拉森山和最北頭的北加州沙斯塔山，也都出現(xiàn)背景地震活動的顯著增加。許多加速度計被蘭德斯地震觸發(fā)了，它們繪出強搖擺的信號。圍繞斷裂源的許多地點觀測表明，蘭德斯地震的震中破裂可能是由南開始向北傳播。在斷裂北端地面變動比斷裂南端強烈得多。聽眾可以體驗同樣效應(yīng)，像擴音器移近時聲強提高一樣，學(xué)術(shù)名詞叫定向聚焦，描述由波源的運動引起能量在一個方向上集中。因為破裂方向不同，其運動可比平均值更大或更小，因此地面運動強度取決于破裂的方向。

4.6地震矩

由受構(gòu)造應(yīng)力影響使斷裂面突然滑移的力學(xué)模型，推導(dǎo)出地震整體大小的最有用的量度。這個量度，在第3章提到過，叫地震矩。它是1966年美國地震學(xué)家安藝（Aki）提出的。現(xiàn)在受到地震學(xué)家歡迎，因為它與斷裂破裂過程的物理實質(zhì)直接聯(lián)系。根據(jù)它能推斷活動斷裂帶的地質(zhì)特性。

矩的力學(xué)概念可用一簡單實驗加以描述。把雙手放在重的方桌兩邊，在水平方向上一只手推、另一只手拉。兩只手分開得越寬，桌子越容易轉(zhuǎn)動。換句話說，桌子旋轉(zhuǎn)需要的力是隨兩臂的杠桿作用的增加而減少的。這兩個大小相同、方向相反的力稱為力偶。這個力偶的大小叫矩，其量值由兩個力之一的值和它們之間的距離相乘而得到。

這個概念可以引伸到造成地質(zhì)斷層滑動的力的系統(tǒng)。在這種情況中，地震矩定義為三個量的產(chǎn)物：巖石的彈性剛度、施力的面積和突然滑移中斷裂的位錯量。這種量度的好處是，它不像基于地震波幅的量度，受到波的傳遞過程中巖石摩擦使能量耗散的影響。在適宜的情況下，矩能夠簡單地從在野外測量的地面破裂的長度和從余震深度推斷的破裂深度估算出來。地震矩可以描述從最小到最大的地震震級變化。一個2級和一個8級地震之間地震矩變化6級。1906年舊金山地震造成450多千米長的圣安德烈斯斷裂，估計比1989年洛馬普瑞特地震的地震矩大10倍，后者的破裂僅45千米。

4.7一條斷層破裂的過程

一條斷層破裂有一個過程，破裂從地殼巖石中地震震源處開始，沿斷面在一個平面上可以向各個方位向外擴展。破裂邊緣并非均勻地向外擴展，而是不平穩(wěn)和不規(guī)則的，因為斷裂的物理特性從一處到另一處變化著。在斷面上有粗糙的部位(常稱之為凹凸面)，斷裂方向變化和其他構(gòu)造復(fù)雜性，給斷層滑移造成障礙。有時這些障礙被滑動克服打破，但有時它們能承受得住而保持不破。然后在某一瞬間，由于彈性力的再調(diào)整，破裂前鋒可能繞過障礙在遠側(cè)突然再破裂，并迅速傳播，使其臨近點破裂。也有可能在主震結(jié)束之后一段時間障礙才破裂，結(jié)果就是發(fā)生余震。在野外觀察實際的滑移和在巖石測試的實驗室里小規(guī)模的模擬，肯定了沿斷裂的粗糙面可以產(chǎn)生間歇的閉鎖和釋放（圖4.11）。

里德在對1906年舊金山地震研究中很好地描述了地震發(fā)生的過程：“運動并非在所有的點同時發(fā)生，而是以不規(guī)則的步驟陸續(xù)發(fā)展傳遞，運動突然停頓和摩擦產(chǎn)生的震動以波動形式傳播到遠方。運動的突然開始和突然停頓都會產(chǎn)生震動。”在地震波中觀察到的高頻復(fù)雜性是從破裂前沿由于速度變化產(chǎn)生不相干不連貫波而造成的，它們的頻度、幅度和相位各不相干，增加了波形的復(fù)雜性。

圖4.11側(cè)向透視斷裂沿傾斜的斷面向外移動在粗糙處斷裂速度可能變化或暫時停頓擴展

任何地震斷裂破裂的范圍，取決于全區(qū)巖石的應(yīng)變歷史和變化以及斷裂滑動面的性質(zhì)。破裂向外擴展，直到它到達某一位置，那里應(yīng)力不大、巖石沒有足夠提供斷裂進一步伸展的能量，于是斷裂的擴展在該位置停止了。

當斷裂向上朝著地表擴展時，它是由彈脆性巖石中儲存的能量驅(qū)動的。而在1千米或2千米深度，破裂開始接觸到受破裂和風(fēng)化使之變?nèi)醯牡貛В貏e是在近地表遇到已被破裂和風(fēng)化作用弱化的低剛度巖石，這些易碎裂和剪切的巖石隨時都能逐漸滑錯開，這種物質(zhì)相對來說不能有效地產(chǎn)生地震波。

如果破裂達到地表(僅發(fā)生于少數(shù)淺震)，它會造成可見的斷層破裂。1983年10月28日愛達荷州博拉峰地震時，麋鹿獵人驚奇地看到一個近2米高的突出斷崖在他們車前形成（圖4.12），這是人們首次觀測到該現(xiàn)象。他們描述道，最初是暈旋(可能是從遠震源傳來P波的影響)。然后，在2～3秒鐘內(nèi)持續(xù)感到新斷崖形成和汽車的強烈搖擺。

圖4.121983年博拉峰地震的斷層破裂形成的斷崖階狀系列

地震成因的彈性回跳原理受到世界各地地震儀記錄的支持。當?shù)乇砥屏巡⒖芍苯訙y量時，記錄的波與野外觀察到的斷層的滑動是一致的。近年來能清楚地表明斷層破裂源對地震波的效應(yīng)的實例，是1971年震撼加利福尼亞的圣費爾南多地震的優(yōu)秀地震記錄。

4.8著名的帕考義馬水壩加速度儀

1971年2月9日太平洋標準時間上午6點42分，大多數(shù)人正在準備一天的工作時，一個強震襲擊了洛杉磯市區(qū)，全市都強烈地感受到地震波引起的震動。由于好運，我得以和一位地震學(xué)家乘早班飛機從伯克利到洛杉磯，并驅(qū)車駛?cè)胧芷茐牡貐^(qū)，包括塞爾馬城中嚴重破壞和地面變動的地區(qū)。當我們到達時立即看到街道邊的大裂縫和位錯，從一個街區(qū)延伸到另一個。我們踏上了幾小時前地震產(chǎn)生的主斷層破裂段。后來地質(zhì)學(xué)家確定了沿圣加布里埃爾山麓的新鮮斷裂面長達15千米。

斷層位錯指示逆沖和左旋走滑運動，走向隨處有所變化，但平均值為北72°西，向北45°傾斜。這個逆沖意味著圣加布里埃爾山向南移動到圣費爾南多谷之上。在這個地區(qū)過去并沒發(fā)現(xiàn)什么沿山前的逆沖斷層的證據(jù)，已有的斷裂與圖上表示的并不吻合。

這次地震時有200多臺強震加速度計被驅(qū)動，得到了極重要的記錄。有幾個測得的峰值加速度超過重力加速度的25%。然而最引人注意的記錄是在當時已干枯的帕考義馬水庫的水泥堤壩附近取得的。地面水平運動最大加速度超過了重力加速度。換句話說，如果這個加速度是沿垂直方向的，可以將物體拋離地面。這個測定結(jié)果是自歐德海姆（Oldham）對1897年阿薩姆大地震的敘述以來，首次用儀器測定確證地面加速度可超過重力加速度。盡管這個峰值加速度很高，但水泥堤壩并未毀壞，附近看守者住房的煙囪也沒有破壞。

帕考義馬加速度儀恰巧放置在滑動的斷裂面正上方的巖石上。P波從滑移的斷層傳播到儀器約用2.7秒鐘。因為破裂的斷裂可以很好地確定，地震學(xué)家有機會檢驗，如果地震的斷裂源狀況已知，能否用它來解釋距震源如此近處的地面運動記錄。解釋的結(jié)果揭開了靠近破裂斷層的地震的一些重要特征。

在帕考義馬取得的波型，如圖4.13所示，給出了斷層破裂的歷史。從地面運動一個水平組分開始，接著是不同波型出現(xiàn)，最后以尾波結(jié)束運動。首先是小的地面加速度持續(xù)了約1.7秒。這些無疑是直達P波最早到達帕考義馬測點。緊隨這個前期運動的是一直達S波，在加速度儀記錄上標著S1，它的出現(xiàn)預(yù)示著較長周期運動的開始。如果我們假定一個合理的破裂速度，如3.0千米/秒，破裂將從震源沿傾斜的斷層在約5.5秒到達靠近帕考義馬水壩的一點。在記錄上5.5秒和2.7秒的間隔之間，我們觀察到標注著F的較長周期脈動。于是我們把具有能量的F波解釋為靠近帕考義馬位置的斷裂巖石回跳的結(jié)果。巖石的突然變動(或地面擺動)發(fā)出S波。由于它的相對大幅度和周期，這個波對靠近斷層破裂處的建筑物具有很大的破壞性。

圖4.13在帕考義馬水壩加速度儀記錄到的1971年圣費爾南多地震

當?shù)孛嫫屏褌鞑サ绞ゼ硬祭锇柹綍r，地震進入爆發(fā)期，產(chǎn)生不同頻率的瑞利面波。些波的地面滾動到達帕考義馬約在P波到達后4.3秒，在加速度圖上用R標明（圖4.13）。隨后，不同頻率和幅度的波從相繼更遠的斷裂剖面到達帕考義馬。

帕考義馬加速度圖在R脈動到達之后的最終部分，包括一些具有最高振幅的高頻地震波，具有最大加速度峰值。這些晚爆發(fā)的高頻能量可能是從粗糙面(斷面上的凹凸不平面)釋放出來的，當斷裂破口從深處向上延到地面時，最晚到達的波包含的高頻能量，是從圣費爾南多斷裂南端釋放出來的。在記錄上P波到達之后8秒出現(xiàn)最大幅度的波，可能是由一些特別強的粗糙面產(chǎn)生的，這種粗糙面沿破裂斷面方向離起始破裂有一定距離。

4.9深源地震

有一類地震可能不是沿一條斷裂簡單地彈性回跳產(chǎn)生的，這些地震的震源在地表以下很深。從1964年起在英國的國際地震中心記錄了60000多次地震，其震源深度大于70千米，占已知深度的所有地震的22%。雖然這些深源地震在地表一般比淺震弱，但有時它們也具有破壞性。例如1977年3月4日喀爾巴阡山下一個地震在羅馬尼亞布加勒斯特造成相當大的破壞，雖然其震源深度約為90千米。

最深地震的震源深度約為680千米。這些深源地震對若干地質(zhì)理論的特殊影響將于第5章討論。因為最深的地震發(fā)生處巖石經(jīng)受高壓和高溫(約2000℃)，研究它們對了解如此極端條件下物質(zhì)性質(zhì)大有助益。

現(xiàn)在對這些深源地震的機制仍是推測性的，不過大家一致認為，在脆性巖石中沿斷裂彈性回跳這一對淺震的解釋難以應(yīng)用于深震。儀器地震學(xué)早期對深源地震的存在曾是有爭議的。地震學(xué)家用相當長的時間才承認深源地震的存在。1922年牛津大學(xué)的教授特（Turner），當時國際地震目錄編輯部的主任指出，世界地震，特別是日本的地震走時有偏差。有一些地震的地震波在某些臺站到時比正常的晚，對另外一些臺站到時又較早。特納為了解釋該現(xiàn)象設(shè)想，合理的假定是震源深度為200千米。

他的這個建議得到哈羅德·杰弗里斯男爵（HaroldJeffreys）的重視，他40余年來一直是地震學(xué)的頭等理論家。杰弗里斯反對這個提法，因為在50千米以下深度的熱和壓力將使巖石從脆性變?yōu)槿嵝?，巖石將流動而不是當應(yīng)變增加時突然破裂。杰弗里斯建議通過研究特納設(shè)想的深震的面波地震記錄去檢驗特納的觀點。根據(jù)理論，震動有一定類型，諸如第2章圖2.8所示，如果系統(tǒng)在某一點被擾動時沒有在該點產(chǎn)生某種特殊類型震動要求的運動，那么這種擾動就不可能激發(fā)這種類型震動。據(jù)此，因為面波的運動限于表面，深源地震將不能激發(fā)面波。杰弗里斯后來回憶他如何“對特納指出深源地震激起的面波或很小或根本缺失。這樣對地震圖加以考核就可以檢驗地震是否確實是深源的，但特納對其已有論據(jù)，已經(jīng)信心十足，以致不屑一顧。”

這個事被和達決定性地解決了，當他在東京氣象組織工作的時候。1928年他發(fā)表了強有力的直接證據(jù)：日本下面震源有幾十至幾百千米深。不久以后，其他地震學(xué)家通過應(yīng)用杰弗里斯的實驗肯定了和達的結(jié)論。然而仍存在杰弗里斯的批判性反對意見：在上覆物質(zhì)巨大壓力下巖石中應(yīng)力如何釋放？如果有裂縫存在，上覆巖石的重量將使之焊接起來。如果在如此高溫下發(fā)生變形，應(yīng)該是塑性流動的。

地震學(xué)家開始尋找淺、深震源地震其他各方面的不同特征（圖4.14）。差別之一是深震一般很少有余震。例如，1970年在哥倫比亞發(fā)生了1/4世紀里最大的深源地震，其深度為650千米，震級為7.6。這次震后，地震儀沒有測到余震。在大的淺震之后，余震震源常散布在整個地震滑動斷面上。相反，即使深震有少量余震，它們也僅僅分布在初始震源周圍。

以上這些深、淺源地震差別意味著深震的成因可能是巖石體積的突然變化，這種礦物相變引起的體積突然變化，很像水變成冰時體積的增加。巖石的突然壓縮或膨脹將產(chǎn)生地震波。

這個假說要求波產(chǎn)生于崩陷或爆炸，因此，世界各地的地震儀應(yīng)測得相應(yīng)的P波均為擠壓或均為膨脹。然而實際深源地震記錄并沒有發(fā)現(xiàn)遵從這種一致的格式。地球上不同地帶地震儀測得的P波初動方向有向上有向下，與淺震記錄的P波初動沒有顯著差別（圖4.15）。此外，深源地震不但產(chǎn)生P波，也產(chǎn)生顯著的S波，而如果崩陷或爆破是僅有的脈沖產(chǎn)生源，不應(yīng)在巖石中產(chǎn)生多少剪切S波。

圖4.14淺源和深源地震的P-S波到時差值的不同等值線給出一測點P和S波到時差。和達的研究表明1925年一個淺震的S-P到時差可小于10秒，但隨震中距增加而迅速增大。而1927年一個地震S-P波到時差最小也有40秒，但隨距離增長而緩慢得多。根據(jù)這點及其他證據(jù)，和達得以確定1927年地震震源深度為400千米圖4.15不同成因的P波造成地面形變不同（a）地下崩塌造成的P波到達地球表面任何地方時初動都是地面向下運動，地下核爆炸造成的P波到達地面任何地方都將引起地面初動向上；（b）由斷裂破裂產(chǎn)生的P波初動在兩個相背的象限里推動地面上隆，在另外兩個象限里把地面向下拉

最近對深震提出兩種特定機制。第一種設(shè)想提出，水在很大程度上影響了深處高溫高壓下巖石的脆性和塑性。地球巖石中許多礦物含有結(jié)晶的水，它們可能在高溫和高壓下被釋放。確實，在實驗室實驗中，含綠色水化礦物蛇紋石的巖石在高溫高壓情況下能產(chǎn)生脆性破裂。只要流體能透過巖石孔隙運移，就能潤滑潛在的裂縫和斷層，導(dǎo)致斷裂錯動的發(fā)生。

第二種流行的假說是對過去不能令人滿意的礦物相變假說的修正，認為相變發(fā)生于巖石內(nèi)一些透鏡體邊界，那里的流體賦存狀態(tài)特別適于突然相變的發(fā)生。沿已有的晶粒邊界，晶體的結(jié)構(gòu)將迅速變化，弱化了橫跨邊界的束縛。為了檢驗這些假說，在實驗室里再造了地球深部狀況，在兩個金剛石的堅果破碎器狀的設(shè)備里擠壓很小的標本，可以產(chǎn)生極高壓強，透明的金剛石使得可以用激光束透過金剛石加熱巖石試件，也可以將任何突然的物理變化拍照下來。聲學(xué)探測設(shè)備則檢測任何類似地震的能量的突然釋放。通過這些方法希望能解決深地震成因這個長期的謎。和達博士1993年91歲時仍保持對這一問題的興趣，我們希望他在有生之年能看到這謎底被揭穿。

4.10區(qū)分非自然與自然地震

有一類特殊的震源在第二次世界大戰(zhàn)之后受到了人們的深切關(guān)注，那就是地下或水下核試驗。1946年7月24日，一個爆破核裝置在太平洋中比基尼環(huán)礁附近水下被引爆了，全世界的地震臺站首次記錄到了核爆炸的地震波。雖然這類記錄的數(shù)量很少，但這種震源位置和發(fā)震時刻均為已知的受控的人工地震在地質(zhì)勘探方面立刻嶄露頭角。例如，把人工控制的油田勘探的地震爆破方法推廣到核爆炸，可以解決涉及地球深部的構(gòu)造和組成的許多問題。雖然核試驗可以提供有價值的地球物理信息，但地震學(xué)與核武器試驗拉上關(guān)系完全是因為另一方面的需要。因為核爆炸產(chǎn)生放射性產(chǎn)物嚴重傷害生物，到50年代中葉，世界上許多人開始關(guān)心由核武器地面試驗產(chǎn)生的大氣中放射性微粒的量迅速增加。因此核裝置試驗程序被修改，以使大氣中的放射性散落減少。水下試驗也被證明是有害的，例如1954年3月美國實驗的15兆噸聚變裝置（代號“妙啊”（Bravo））散布的放射性微粒遠遠超出預(yù)期的范圍，使馬紹爾群島若干居民受到高劑量放射性物質(zhì)的輻射。當兩周后一日本漁船，具有諷刺意味的是船名叫“幸運的龍”，載著23名受到放射性物質(zhì)散落而致病的船員返回日本港口，引起了世界轟動。

1958年艾森豪威爾總統(tǒng)響應(yīng)人們增長的呼聲，建議舉行關(guān)于禁止核試驗條約的技術(shù)會談。1958年7月，技術(shù)專家們在日內(nèi)瓦舉行歷史性會談，為在大氣和地下環(huán)境普遍取消核試驗條約奠定了基礎(chǔ)。在達成這個協(xié)議時，每一方都需要能肯定對方不會欺騙自己。

科學(xué)家很快達成一致，認為“現(xiàn)代物理、化學(xué)和地球物理測試方法在相當距離里探測到核爆炸是可能的。這樣，高當量的地表和高空核爆炸都能夠在距爆炸地很遠的地方毫無困難地探測到?！蔽瘑T會列出若干可靠的手段確定高空和地面核爆炸，諸如聲波和放射性微粒。

惟一困難的問題是探測和識別地下爆破。如果核裝置在地下爆炸，它在大氣層將不再產(chǎn)生特征信號。然而，地面下的大爆炸，不管是核的或化學(xué)的，都會產(chǎn)生地震波。

探測爆炸事件是否發(fā)生的主要線索將是靠地震儀探測從爆炸發(fā)出的地震波。首要應(yīng)考慮的是記錄到這些波。然而在美國、前蘇聯(lián)、中國許多地區(qū)及其他能產(chǎn)生核武器的國家，天然地震活動性本來就很高。這些構(gòu)造地震產(chǎn)生的地震波也會被記錄到。在地震圖上，如何區(qū)分人工地震和天然地震的波呢？

4.11有限禁止核試驗條約

美國地下核爆炸實驗大部分在內(nèi)華達沙漠的偏遠地區(qū)一個出名的內(nèi)華達試驗場（或NTS）進行。至今在這個試驗場地已進行了數(shù)百次地下核爆炸。它們大多數(shù)核爆炸產(chǎn)生的地震波曾在世界各地被記錄到。當一埋藏的核裝置爆炸后，上覆巖石如此碎裂以致常形成一陷落坑。圖4.16上的照片示出1969年中期在內(nèi)華達試驗場的一次核試驗時，塵云在下陷的坑上升起。核爆破使周圍巖石熔化汽化，地震的壓力波向外傳播，使其上巖石抬升和破碎。地下洞穴中的氣體壓力隨后下降，在幾分鐘或幾小時內(nèi)，空洞上面的破碎巖石崩塌下來。結(jié)果，一柱狀煙囪直通向地表，碎石充填于坑內(nèi)。如果實驗裝置相對其埋深比較小，這個煙囪可能不會達到地表。如果它足夠大，而其上層的確太弱不能支撐上覆重量，巖石破碎坍塌不斷發(fā)生持續(xù)到地表。在后一情況，一個“陷落坑”形成于地表，從空中看類似一個大淺碟，周邊有裂口和扇貝殼紋。這一洼陷能從高空飛機或衛(wèi)星照像機觀察到。如果一地下核爆炸需保守秘密，就要設(shè)法避免形成陷坑，一般是在深深的沖積物和軟巖石中打洞試驗，形成一個寬廣的保護層。即使這樣，“煙囪”也仍可能最終會塌落，暴露秘密實驗。就算試驗在地表被掩蓋得不露痕跡，原始爆炸和巖石隆動會輻射出彈性波，通過地球迅速傳播出去而不再回頭宣告一個核地震的發(fā)生，最深的埋藏爆炸地點也掩蓋不了秘密。

圖4.161969年內(nèi)華達州試驗場一次地下核爆炸后下沉的環(huán)形口上瞬時升起的塵云

天然地震和地下爆炸之間有一個關(guān)鍵區(qū)別。與天然地震不同，一次爆炸在地下球體洞穴或水下是一個對稱的波源，而天然地震的首次P波和S波來自震源或是巖石破裂的初始點。天然地震對地球表面的一些觀測點，P波初始到達時可能為地面巖石被上推，相當于地面被擠壓；而在其他觀測點上，P波到達地表時可能為巖石被下拉，相當于引張。這些推和拉決定著地面初動或首次到達波的極性。核爆炸與天然地震成鮮明對照，因為爆炸驅(qū)動四周巖石向外向每個方向?qū)ΨQ地輻射出波，在所有的地震儀上記錄均應(yīng)為地面被上推。原則上，這種相當清楚的圖像應(yīng)該明確地揭露震源的類型。然而在實際工作中，因為巖石構(gòu)造復(fù)雜，一個爆炸的P波極性有時產(chǎn)生方向混亂，特別是小事件，與斷層破裂機制差異不甚清楚。幸運的是，極性圖像并不是兩類震源之間僅有的差異。因為斷層破裂相當大，天然地震中波源覆蓋較大地區(qū)。一爆炸中的能量釋放主要集中于巖石中一點的四周。因此，天然地震的P波和S波的形態(tài)常與地下爆破產(chǎn)生的波形不同，對相當小的地震也是如此。

在開始研究