逍遥学能 2016-08-11 11:03
1.1 地震的定义与天然地震的分类
地震俗称地动，就像闪电、打雷、刮风、下雨一样，是一种自然现象。不同的是，地震不像普通的雷电风雨那样经常发生，而且一旦发生在有人居住的地方，总会造成灾害。因此，地震是一种小概率的灾害性自然现象。
按照发生地震的地质构造背景与引起震动的原因的不同，天然地震主要可分为三类：
构造地震 由于构造运动，地下深处岩层发生变形积累应力，当所积累的应力超过岩石破裂强度，就会产生破裂，引起震动并传播到地面，这就是构造地震。图1-1比较形象地描述了这样的过程。这就好比有人用双手扳弯一条层板，随着用力加大，层板逐渐弯曲，积累应力，当层板强度承受不了时，就会突然折断。
这类地震发生的次数最多，约占世界地震的90%;这类地震分布最广，各主要地震带主要都是由构造地震组成的;这类地震造成的破坏和灾害最重，因为大地震几乎全是构造地震。
图1-1? 构造地震的形成与发生
火山地震 与火山活动相关发生的地震被称为火山地震。由于火山喷发岩浆的快速运动以及超热蒸汽和气体的激发，使周围岩石发生震动，称之为火山震颤。这是狭义的火山地震。火山附近地区的岩石由于上涌岩浆的积累、挤压而变形积累应力，当积累的应力超过岩石破裂强度也会导致岩石破裂，发生地震。这类地震的破裂方式与构造地震相像，区别在于积累应力的力源不同。由于它的应力积累与火山活动有关，也是一种火山地震。
火山地震数量较少，约占世界地震总数的7%。显然，它们分布在火山活动区。
陷落地震 在石灰岩或其他一些有地下溶洞的地区，当顶盖岩层支撑不住发生塌陷而引起地表震动，叫做陷落地震。这类地震不多见，一般规模较小，影响比较局部。
另外，流星的陨石撞击地面也会引起地表震动，也是一种天然地震。不过，流星陨石撞击能引起地面显著震动的很少，除极个别的以外，这种地震更小，影响也更小。
地震界还往往按地震的深浅、远近进行分类。为叙述的方便，拟在第二讲介绍有关震中、震源深度等地震参数后，再来讲解这方面的内容。
由于世界90%以上的地震都是构造地震，我们以后讲到地震，除非特别说明，一般都指构造地震。
无论构造地震，还是火山地震、陷落地震都发生在地球内部，不同的只是具体的地质条件与力的来源。为更好地说明构造地震的力是哪儿来的?也为便于后面更好地介绍地震与地震活动的特点，下节将简要介绍地球内部构造、地壳、岩石圈、活动断裂带以及板块构造等与地震的发生有较密切关系的地学知识。
1.2 地球、地壳、板块与活断层
地球 人类居住的地球是一个很大的椭球体，它的平均半径为6371千米。赤道半径比极半径大约长21.5千米。科学家们把长半径与短半径之差，跟长半径之比定义为椭球体的扁率，用来描述椭球体扁的程度。地球的扁率约为1/298，显然，地球是一个稍稍有一点点扁的大球体。
地球内部具分层结构。最早也是最简单的模型分三层：地壳、地幔和地核。地球半径那么大，目前世界上最深的钻井只有十几千米，人们是怎么知道地球内部结构的呢?这得归功于地球物理探测方法，主要是地震学方法。因为大地震的地震波能穿透地球，携带着震源和地球介质的信息，应用遍布全球的地震台记录的地震波资料可以反演，即反过来推算震源参数和地球内部速度结构。当然，重力学和地磁学等地球物理方法对于认识地球内部也有重要贡献。
地球内部最明显的两个地震波速度分界面就是地壳与地幔的分界面和地幔与地核的分界面。前者于1909年为克罗地亚地震学家莫霍洛维奇首先发现，被叫做莫霍面，或简称M面。地壳厚薄很不均匀，海洋下面的地壳薄一些，只有5～8千米，大陆地壳的平均厚度约35千米。首先发现地球有一个液态地核的是英国地质学家奥尔德姆，而最早于1913年较准确测定地幔与地核速度分界面的埋深约2900千米的是德国地球物理学家，后来在美国成为世界地震学权威的古登堡，也被称为古登堡面。由这两个分界面就把地球内部分成了三层结构。相对于几千千米的地幔厚度和地核半径来说，平均为33千米厚的地壳，实在是太薄了，根本无法按比例在一张图上展现。随着观测技术的进步和地震学研究的进展，科学家们陆续发现更多的分界面，已建立七层或更多层模型，主要是把地幔和地核又分别分成上地幔与下地幔，外核与内核，以及一些过渡层。有意思的是，外核由于不能传播横波被认为处于液态，而内核又能通过横波被推断为固态。图1-2是地球分层结构示意图，如果忽略过渡层，把上地幔和下地幔合成地幔，把液态外核和固态内核合成地核，也就与最早的地球三层结构模型是一样的。由于大多数地震发生在地壳里，最深的地震也只有720千米，下面主要介绍地壳、岩石圈，以及与地震活动有关的活断层、板块运动等相关知识。地球内部更深的知识就不再多说了。
图1-2 地球分层结构示意图
地壳与岩石圈 在19世纪末至20世纪初，人们认为地球内部是熔融的液体，地表凝固着一层硬壳。当时把地球最外层叫地壳就反映了这种内软外硬，有一层壳的意思。实际上后来的观测和研究表明，地球内部物质的密度比地壳岩层的密度大得多，硬度也大得多，一般比钢还硬。现在地学界仍沿用地壳这个名词，但需记住它只是地球的最外层，已无硬壳的含义。
在早期的书刊上，一般把大陆地壳分为两层：花岗岩层和玄武岩层。两层之间有一个速度间断面，按最早发现的科学家的名字命名为康拉德面。不过，后来很多工作发现，康拉德面并不普遍存在，或者说，有一些地方的大陆地壳不能明显分出两层。大陆地壳不仅厚度而且物性都不均匀，在构造运动比较年轻的造山带地区，地壳要厚一点，结构也要复杂一些，如青藏高原地壳厚度可达60～70千米，上层地壳以下还有低速层。
海底地壳与大陆地壳有明显差别。它不仅比大陆地壳薄得多，而且结构与物性也不同。一般认为，海底地壳可分三层。第一层是未凝结的沉积层，约0～2千米厚。第二层是空隙度很大的玄武岩碎屑，约0.5～2千米厚。第三层是铁镁质的岩石，与玄武岩很相近，平均4.7千米厚。显然，第三层是主要的，有人甚至把海洋底下的地壳形容成玄武岩薄板，由火山岩浆流动覆盖在更深部的岩石上。相对而言，海底地壳总的来说是比较均匀的，变化大的是海岭与洋脊，岛弧与海沟地区。关于这一点，后面介绍了板块与板块运动就很容易理解了。
无论大陆地区还是海洋地区，在地壳之下的上地幔内都有一层地震波速度低于上覆岩石的低速层。出现低速层的深度各处不完全一样，大致为100～200千米深。关于这个低速层是怎样形成的?多数科学家认为，那个地方的温度已接近岩石的熔点，有些晶体的边界上发生了部分熔化，使波速降低。需要说明的是，那里的介质仍是固体，只是在长期力的作用下，可表现相当塑性而发生流动。地质学家定义的软流圈大体与它相当，深至600～700千米。
地球上部刚性的，或者说石质的一层叫做岩石圈。它不仅包括了地壳，还包括了上地幔内软流圈以上的刚性层。好像100～200千米厚的刚性岩石圈漂浮在软弱的软流圈上。这些认识支持了大陆漂移原理，为板块构造理论的兴起提供了基础。
板块与活动地块 早在20世纪初，就有大陆漂移说，认为一个超级大陆于3亿年前破裂，其碎块漂移出去形成现今的大陆。他们的主要证据是，不同大陆的地质构造和地貌相似与相吻，如非洲西海岸和南美州东海岸似乎可以吻合。大陆漂移说还可以解释一些其他地质问题，但当时遇到了严重的困难，不为多数人接受。最要命的是，大陆坐落在高强度的岩石上怎么能漂移?因此，经过激烈的辩论后，大陆漂移说沉默了几十年。到20世纪60年代末地震学关于地壳及地球内部结构的研究发现，不论大陆还是海洋，地壳底下的上地幔内都有低速层。它表明那里介质的弹性和刚度都降低了，在长期力的作用下，可能流动。这样，大陆能够移动的主要障碍被消除了。随着地震学、古地磁学等基础地学的发展，在大陆漂移说的基础上，板块构造理论诞生了。