防震减灾丨解密地震

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防震减灾科普

恐慌源自不知,伤亡疏于防御,

增强全民防震减灾意识和技能。

减轻地震人员伤亡和财产损失。

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据统计,全球平均每年发生的地震约500万次,其中人能感觉到的地震不到1%,造成破坏的地震数十次,造成严重破坏的地震仅数次。地震是一种突发性的自然现象,只是一些强烈地震可能引发灾害,在顷刻间使房屋倒塌,造成大量人员伤亡和财产损失。这导致了人们往往谈震色变,也希望知道地震到底是怎么回事。

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就现象而言,地震就是大地的震动,乃至断裂的错动,但从深层次看,地震实际包括的三个阶段:第一个阶段是能量在地球内部的突然释放(地震波的激发),第二个阶段是能量在地球内部的传播(地震波的传播),第三个阶段是能量在地表的释放(地震波的转换)。第三阶段就是通常我们所说的地震。将地震划分为三个阶段,可以帮助我们厘清一些模糊认知,更全面认识地震。

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每一次地震都有一个震源,就是产生地震的地方。震源往往在地面之下数千米,乃至数十千米,最深者甚至达到七百余千米。目前普遍认为是在震源由于力的逐渐积累导致岩石(层)破裂产生“弹性回跳”而释放能量,但这仅是一种能被普遍理解的假说(推测)。也有学者脑洞大开,认为地球就是一个“巨型生物”,地震就犹如人在打“寒颤”,是因为身体局部能量失衡的快速调整,而非受力积累的结果。应该说,地震真实的成因我们尚不清楚,然而我们可以确认的是在震源激发并向四周传出一种波,叫地震波体波,包括纵波和横波。从震源发出的地震体波就像从某处发出的声波一样,不同的是地震体波相对声波携带无比巨大的能量。这表现在两个方面,一是地震体波传播的速度,快者(纵波)速度平均可达到6.3千米/秒,约相当于23000千米/小时,慢者(横波)速度平均可达到3.5千米/秒,也约相当于13000千米/小时,而声波的速度(在空气中)约为1200千米/小时,仅为地震波体波速度的二十分之一到十分之一;二是地震体波激发的固体介质的总体质量与声波激发的空气中介质的总体质量相比,就相当于一立方米的巨石重量比一立方米的空气质量。我们知道,动能等于质量乘以速度平方的一半,由此可见地震体波传播的地震能量之巨大。为了说明地震能量的巨大,有人将其与原子弹爆炸相比,说某某地震相当于数百颗甚至数千颗原子弹爆炸。如此类比是不合适的,因为原子弹爆炸的危害不在其释放的能量所引起的地面震动,而在爆炸所产生的巨大冲击波和核辐射对人类和环境的影响都是毁灭性的。

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地震体波属于弹性波,而地球具有弹性,再加上地震体波的传播速度很快,从震源到近地表的距离(震源深度)平均又仅十几千米,传播时间仅数秒,因此地震体波传播速度几乎没有衰减(匀速),而能量在传播到近地表的过程中也衰减很小。当然,整个地球并非完全弹性体,还具有塑性。在地震体波传播穿透半径约6371千米的地球到达远地表的漫长过程中,能量会因地球的塑性和介质不均匀性而衰减,主要表现为地震体波速度会发生阶变,衍生出一些特殊的地震体波。地震学家正是利用设在全球各地的地震仪,测定在地球内部各处发生地震到达观测点所记录到各种地震波的不同到达时间,反演推断出地球的分层结构,即地球包括地壳、地幔和地核,以及地球内部同区域和深度的速度分布。地震被誉为照亮地球内部的明灯,只是转瞬即逝。

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地震体波作为弹性波,只能在地球内部传播,而不能在大气层中传播,因此,地震体波一旦传播到地表,会受到大气层的“阻挡”而无法继续向地球外传播。这时,地震体波一部分会反射回地球内部,另一部分则会衍生转变为沿地表传播的面波。地震面波的传播速度约低于横波的传播速度,远低于纵波的传播速度。正是因为地震体波传播到地表衍生为面波,瞬间降速而释放能量,从而产生对地表的巨大冲击力,使地表震动乃至破裂,这就是地震。地震的冲击力等于地震波的加速度(负数)乘以相应介质的总质量,主要产生在震中区,随着震中距(任何一个观察点到震中的地面距离)的增加,地震的冲击力会迅速减弱。人们感觉到地面的强烈晃动,还与地震面波有关。地震面波包括勒夫波和瑞利波,勒夫波介质沿地面做水平往复振动,瑞利波介质则沿地面做垂直往复振动。地震面波相对地震体波速度变慢,但振幅增大,频率则减小。人们往往发现,距离震中区较远的高楼反倒比低矮楼房晃动更强烈,这主要是因为高楼的自振周期与地震面波相近而产生的共振所致。

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我们主要是通过测量地震体波或面波的振幅计算地震释放能量的大小即震级,但造成地表震动和建(构)筑物破坏的根本原因并不是地震波的振幅,而是地震波减速所形成的地震力。地震观测仪器记录到的地震波振幅是经过放大数万乃至数十万倍的结果,真实的地震波振幅远非人们感觉的那样强烈。地震力并非是从震源直接传递到地表的,也就是说,从震源向近地表传播的是能量,而不是地震力的传递。这就犹如海啸一样,在广阔的大海,我们几乎看不到海面上的船只因海啸波而移动(海水也没有向海岸运动),只是到了由深逐渐变浅的海岸带,我们才见到由海啸波被逐渐变浅的海底阻挡减速而释放能量产生的巨浪(由后浪推前浪叠加而成)和对海岸的破坏。巨浪高度也不是海岸遭受破坏的根本原因,根本原因是巨浪所蕴含的巨大能量和被阻挡所产生的破坏力。

地震也并非断层活动造成。不论是断层的产生或是断层的再活动本身都需要吸收和消耗能量,而不是释放能量。断层在地表的活动和地震动,皆是地震波在地表瞬间减速释放能量的结果。断层往往是地表最薄弱的地方,在强烈地震时,断层及跨断层建(构)筑物易集中吸收地震波能量(遭受地震力)而造成断层再次错动和建(构)筑物破坏。大量震例显示,一些在大震时距离活动断层数十米,甚至数米远的建筑物仍完好无损或轻微破坏,说明断层错动并不向周围释放能量。近年来,国家投入巨资探测城市活动断层,其目的不是预测地震,而是为了评估区域历史强震活动背景和工程建设避开活动断层等。

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至今,人们对地震的根本成因及其孕育过程尚不清楚,因此地震预报尤其是短临预报被喻为世界性难题。然而,防震减灾或抗震救灾都不是世界难题,人们对地震如何造成灾害尤其是建筑物破坏的认识已然清晰,并设计建造出抗震的建(构)筑,可实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”。只要建(构)筑物不倒塌,就能在遭遇地震时实现最大限度减少人员伤亡。再加上人们防震减灾意识和技能以及地震应急救援能力的不断增强,我国地震造成的人员伤亡已呈大幅减少趋势。地震将不再那么可怕!

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