美專家講座：地震預報的概率和後果

選自[美}Bruce A.Bolt  "地震九講「

目錄

1. 中國和日本的地震預報經驗
2. 前兆證據
3. 古地震學
4. 卡斯凱迪亞俯衝帶
5. 計算地震發生的概率
6. 帕克菲爾德地震預報實驗
7. 地震預報的後果

                                 

       加利福尼亞州帕克菲爾德地震預報實驗場的一台大地測量儀測量地面形變時的激光光束                                                                      
實現預報的能力經常被作為某一科學學科是否充分發展了的一個標誌。例如，牛頓發展了萬有引力理論，使天文學家們能作出行星運行軌道和宇宙飛船軌道的高精度定量預報。而根據大氣的溫度、壓力和水分含量測量，氣象學家們能夠應用大氣運動的理論公式作出雖然僅是短期的，但具有一定精度的大氣環流預報和天氣預報。

一般來講，科學的預報往往需要給出現象的規模、地點及其發生的時間。在地震學中也一樣，人們總是期望能應用對地球內部作用力的認識預報未來地震的大小、地點和發震的時間。如果能作出非常準確的預報，就可以嚴格地和充分地實施預防措施，從而大大減少生命危害和財產損失。如果我們知道作出的預報是非常不精確的，那就只能發出警告並作出有限的安排。

自古以來人們一直在試圖預報地震。例如，一種常見的觀念是在地震之前會出現一種特定類型的天氣；另一種看法是地震之前動物會表現出異常的行為。即使今天，在多地震國家中也常能聽到當地居民說，某人多次宣稱從對自然環境變化的觀測中具有預報地震的能力。在評論這類說法的可靠性時必須記住，即使一個預報是完全隨機地挑選了一個日期，它也總是有機會對應未來發生的某次地震。

一般認為，一個嚴肅的預報必須詳細說明地點、時間和震級，並對它們給出特定的窄的區間限制，例如，預報一個震級大約7.0左右的地震將要發生在今後7天內，地點為城市A的50千米範圍內。然而這種確定性的敘述往往不可能是完全正確的，因為一個預報總是建立在有限的測量和觀測上，它們往往不是很精確的，地點、時間和震級大小也僅僅是在某種最大似然程度基礎之上給出的。因此除了給出地點、時間和震級外，地震預報應該給出發震概率。

另外，在地震預報中存在著一個根本性的固有困難。假定地震學測量表明在一個時間段內，一定震級的地震可能在某個地震區中發生，那麼在該時間段內完全偶然地恰好發震的可能性不是沒有的。因此，如果一個地震發生，並不可能確切證明所使用的預報方法是正確的，它們在將來某次預報時很可能失敗。當然，如果作出一個嚴格的預報但又什麼也沒發生，那可以證明這個方法不是可靠的，至少不是普遍有效的。正因為如此，預報時也必須說明，即使不考慮特定預報的依據，僅僅作為一種隨機現象，發生地震的可能性有多大。

最流行的關於地震預報的一個看法可能是，認為動物在地震發生之前能預先感知。早在公元前373年的古希臘，有一隻老鼠和蜈蚣在破壞性地震發生之前為安全而搬家的故事。在中國，20多年前有很多關於動物異常行為前兆的報道。最近，舊金山灣區南部的一個地質學家提出一個異乎尋常的理論：在當地報紙的「丟失和尋找」專欄中出現特別大量的丟失貓、狗的消息時，地震要襲擊該地區的概率就明顯地增加了。丟失動物被看成在聖何塞城110千米範圍內和指定的時期內將要發生3.5～5.5級地震的信號。這個地質學家自稱在過去的12年內該方法有80%的成功率，但沒有提出什麼理論去解釋這個奇怪的相關性，並且以此方法在大約15年之前對地震進行預測是不奏效的。

這個奇怪的特例說明，對這種根據動物的異常行為預報地震活動的方法進行可靠性評估存在一定困難。儘管已經有地聲、溫度、電壓等的精密測量儀器，但這些被宣稱的動物反應到底是受什麼因素刺激而產生的，迄今仍無答案。動物不時地表現出許多古怪行為，常常是由地震以外各種自然因素所引起的。所以地震學家認為，僅僅根據動物異常行為預報地震幾乎是不可能的。

把科學雜誌中發布的地震預報與全部實際地震數據作個比較可以發現，沒有一種提出的方法已經被真正證明是可行的。尤其是近20年來，地震預報的進一步深入研究對是否能實現在嚴格的時間和地點範圍內預報地震提出了懷疑，特別是對巨大的破壞性地震。以下3個符合一定標準的由受過科學訓練的人完成的地震預報實例，或許可以幫助讀者理解這個問題。

在地震預報探索中，通常是努力尋找會觸發地震斷裂的力源，不管它是來自地球外部或是內部，就如同最後加上一根稻草也有可能壓垮一頭駱駝的脊樑一樣。人們常想到的觸發力有：惡劣的天氣、火山活動、太陽和月亮對地球產生的潮汐引力等。本世紀50年代後期，著名的科學雜誌《自然》中刊登了一位地震學家的論斷，他說來自天王星的引力會引起地震的周期性發生。這一理論聽起來十分奇怪，因為天王星是離地球最遠的行星之一，它施加給地球的引力與月亮相比簡直微不足道，但據他的統計結果，從表面上看確與地震發生的周期性似乎有些相關。

科學方法中存在這種實際困難，儘管這類表面的相關性有時會有助於揭示力源和地震之間的相互關係，但是看來相關的事件不一定真有物理因果關係，甚至究竟是否真正相關也有待於仔細考察。因為，即使我們不根據物理因果關係而是完全從現象上尋找有相關性的兩個現象，那麼也早晚總能找到，不過其相關可能只是偶然的而已。例如，或許紐約的出生率和喜馬拉雅的暴雨降雨量之間存在著很強的相關性，但這並不意味著二者之間有因果關係。有關天王星的例子也是這樣，人們從較近的行星開始尋找行星引力和巨大地震之間的相關性，但一直找不到，直到嘗試到天王星與地震的關係時才發現它們的相關關係。

第二個例子來自1974年一本由兩個宇航員寫的暢銷書中。作者在書中提出了一個十分特殊的邏輯鏈，說明行星的排列成一線與巨大地震的發生存在聯繫。作者首先指出這種特定的行星排列每隔179年會發生一次，此時太陽受到的引力會增加，這些增加的引力會誘發太陽黑子活動。接下來，較強的太陽活動導致更強的太陽風，即不斷從太陽向外流出的帶電原子核，巨大的太陽風又改變了地球表面的天氣狀況，天氣狀況中包含了不規則的大氣干擾，增加了地表的壓力，例如增加了對於山脈的擠壓，這些額外壓力十分巨大，或許會引起構造運動，甚至災難性地震。

當時已知這種行星特定排列在1982年將再度發生，這一理論的提出人預測1982年聖安德烈斯斷層是大地震的一個可能發生地點。他們的理由是，聖安德烈斯斷層南段自1857年、北段自1906年以來，都未發生過斷裂，岩石應變積累已經很大，行星特定排列誘發大地震的條件已經成熟。

加利福尼亞還算走運，預報的地震沒有發生，因為該理論存在一系列缺陷。首先，全球地震目錄表明，行星發生一線排列的1803年、1642年和1445年——這些間隔為179年的年份，沒有發生特殊的破壞性地震周期活動。加利福尼亞歷史上1803年沒有發生大地震，1445年全世界只有日本偶然發生一次大地震，1642年也只有一次發生在西印度的大地震。相反在1448年發生了4次、1604年發生了5次巨大地震，儘管這些年份並不符合預測的間隔周期。

事實上，科學事實也強有力地反對這種基於簡單的一系列邏輯推理的預報方法。根據牛頓萬有引力理論計算，來自遙遠行星對太陽的額外引力遠不如來自地球以及金星的引力大。按上述作者的思考方式，我們不僅要考慮179年的行星排列間隔期，還要考慮鄰近太陽的行星之間的各種排列。

第三個誤導的地震預報事件發生在秘魯，幾乎給城市造成混亂，因而引起了公眾對巨大地震預報真實性的爭論。1976年，歐洲的科學雜誌上發表一些文章，研究岩石裂隙如何在壓力下產生地震波。這一理論工作被認為不僅僅適用於小規模的礦床岩石斷裂，而且適用於大規模的地質斷層滑動。進而它被認為能預測即將發生的大規模斷層斷裂及其伴生的地震發生的精確時間、地點和強度。

就在這篇文章發表不久，兩位科學家應用這一岩石破裂理論研究了1974年在秘魯利馬附近發生的兩次大地震。結果他們認為在城市附近已經醞釀形成大震發生的條件，該地區已經進入大震「孕震期」，並且計算出大約6年之後將會發生一次8.4級的主震。由於這兩位科學家是為美國政府工作的，因此他們的結論馬上被認為是可靠的，他們的預報很快引起了秘魯公眾和政府的關注。

這一預報的評價被提交給美國地質調查局下屬的國家地震預報評估委員會，它專門負責對重大預報進行分析評估。委員會的報告否定了該預報，事實上以後也並沒有巨大地震襲擊秘魯。從1980年到本書出版一直沒有發生大地震，對這個許多建築不具抗震能力的國家真是一件幸事。由於秘魯處於納斯卡板塊俯衝邊界的地震活動帶，毫無疑問，板塊俯衝斷裂遲早會產生大地震，但我們尚無從知道它將於何時發生。

一種廣義的、但重要的預報是，通過對有關歷史地震活動的研究，特別是對構造板塊邊緣地帶的研究，將有可能確定發生破壞性地震的可能地點。然而這些歷史記錄不能使我們精確地預報地震發生的時間，除非對特定地質環境有更多認識。地震的發生並不遵循有規律的時間表。即使是在中國，那裡記錄下了近2700年間的500～1000次破壞性地震，統計研究也仍無法揭示主要地震存在周期性。它們僅提示在發生一系列大地震的活動期之間，可能會經歷一段長時間的平靜期，各次平靜期長短不一，不存在嚴格周期性。

                          

圖8.11989年繪製的環太平洋地區的地震空區圖                                   

這種空區內的斷層近期沒有破裂，因此存在更大的地震危險                  

[ 本帖最後由 廣南子 於 2008-5-13 21:25 編輯 ]

20世紀70年代，中國的地震預報工作因為得到了廣泛宣傳而為全世界所注目。特別是1975年2月4日的事件被詳細報道之後，1975年2月4日，中國東北遼寧省官方發布了一個緊急警告，他們根據這個地區許多小地震的發生，預測在24小時內要有一次強烈地震發生。那天晚上，海城附近發生了強烈地震，但幸運的是大多數人已經睡在了室外，所以沒有受到傷害。                                                     

中國人宣稱已經準確地預報了幾次地震發生的時間：不僅有1975年的海城地震，還有靠近中國—緬甸邊境(雲南西部)1976年5月29日發生的兩次相隔97分鐘的6.9級地震。然而，在評價中國地震預報工作的歷史時，只有不僅引證其成功，還要引證其失敗才算公平。一方面，有些臨震預報被證明是虛報，例如，在廣東省1976年8月發出了一次地震警報(廣東不是地震活躍區)，許多人被說服睡在室外，但是並沒有地震發生；另一方面，有的災害性地震發生時沒有提前警告。1976年7月28日，悲劇性地震幾乎夷平了位於北京東部150千米有1百萬人口的唐山市（圖8.2和圖8.3）。官方報道，極震區約有24萬人死亡，在北京也有大約100人由於有些泥牆和老磚房倒塌而喪生。而且，據估計還有50萬人受傷。除了人員傷亡再加上巨大的工業損失，對整個國家來講，造成嚴重的經濟後果是必然的。唐山地震對一些迷信的中國人還有哲學含義：中國人的傳統觀點認為自然災難是來自上天的旨意。                                    
                                               

                 

圖8.2                   1976年唐山地震破壞了的大橋

在日本也有幾個世紀的地震統計，自從1962年以來一直在進行以地震預報為目標的大力研究，然而至今仍未取得明顯的成功。檢驗日本地震預報方法的障礙是日本島近年來沒有遭受到破壞性地震的襲擊，儘管發生了許多中等地震。

日本已實施了5個地震預報五年計劃，並為計劃提供了十分充足的資金，數以百計的在大學或政府研究所工作的地震學家、地球物理學家和大地測量家參與該研究並已經取得進步。這個方案的開始是觀測潛在震源區的地質特徵的短期變化；繪製活斷層地質圖；用改進了的大地測量設備和潮汐儀連續監測地殼變形；布設了簡單地震儀的密集台網以全面了解即使極小地震的空間分佈。此外，在部分選定的地震觀測台上設置專門儀器，不間斷地測量地球磁場的變化和岩石中電流的變化；在地熱區取樣測量水化學和溫度的變化，記錄地下水位。最近，科學家們在進行區域地殼形變和地震活動性測量的同時，研究了東京附近歷史地震的周期性。結果表明，儘管東京附近地區尚不存在發生1923年關東大地震那樣大震的迫在眉睫的危險，但在鄰近地區發生破壞性地震的危險不能排除，特別是本州海岸的東海重要工業區，15年來已經觀察到了不規則的地質變化。

               

                                

圖8.3                   唐山地震中地面巨大變形造成了鐵軌的彎曲

在日本的五年計劃和類似的觀測計劃得到執行的同時，棘手的問題也隨之而產生了，究竟哪些測量到的變化真正與地震預報相關呢？如果有了關於地震孕育和發生物理變化過程的成熟理論，人們就可以知道地震前應該去測量哪些量，才能尋找到異常。可惜現在所缺乏的正是這種理論，日本以及其他地方的地震預報研究，主要通過發現有待論證的依據而進行的。1982年，日本著名地震學家鈴木曾這樣評論日本本土以及國外地震預報情況：「地震預報的現狀是非常混亂的，到目前為止，報道過的地震前兆真是形形色色，其中一些看來就很奇怪，令人懷疑。很清楚，即使排除這些模稜兩可的記錄，也仍無法找到一條確定的成功預報地震的道路。」這一公正的評論在10年後的今天依然是正確的。激烈的爭論引起了有關什麼是世界範圍地震預報最佳計劃的再思考。一個修改計劃提出，應該加強震前短期物理變化過程的基礎研究，因為這些物理變化過程正是了解大斷層滑動前兆的關鍵，而前兆現象的產生目前對我們仍是個謎。

儘管我們還沒有一個實用的系統闡述的理論能為地震起源提供一個可靠預測的指導，然而一個有關斷層起源的彈性回跳理論，為我們提供了粗略預測已知活斷層的下一次大破裂時間的依據。實際上，1906年加利福尼亞地震之後，里德運用回跳理論得出，舊金山附近的再一次巨大震動將發生在一個世紀之後。他的論證過程十分簡單，通過對舊金山斷層在地震發生前50年內的斷裂狀況的測量，得知50年間斷層東、西兩側山頂間相對位移已經達到3.2米（圖8.4）。在1906年4月18日地震斷層回跳破裂后，最大相對錯動距離為6.5米，或者是原來相對位移的2倍。因此，大約100年之後，可產生6米錯距的地殼岩石應變才能再次累積起來，形成再一次大地震的條件。這一推論是否可靠有賴於推理中隱含的有關變形的細節的一系列假設是否真正成立，例如，區域應變積累應隨時間均勻地增加；1906年大地震本身並沒有改變斷層的力學性質；中等大小地震不會對積累的應變釋放發生重大影響等。

                                               

                  

圖8.4                  1906年地震后測得的聖安德烈斯斷層兩側地殼岩石的相對位移                                                    

箭頭表示1906年地震斷層斷裂之後，穿過洛杉磯的地殼岩石的相對位移的大小和方向              

[ 本帖最後由 廣南子 於 2008-5-13 21:28 編輯 ]

本書前面已經討論了幾種比較可靠的臨震前兆現象，如通過測地學測量地殼岩石的變形（第4章），以及在一些平時地震發生比較規則的地區，識別出時間和空間上的地震空區（第5章）。近幾年來，地震預測的重點主要集中在對大陸地震活躍區地殼岩石物理參數變化的高精度測量上。人們布設了特殊的精密儀器來觀測記錄這些參數的長期變化。但是測量點的總數仍是十分有限的，並且測量結果存在相互矛盾的地方。有時，在當地地震之前的確觀測到異常情況，但也有時觀測到參數變化后卻沒有發生任何地震。圖8.5中列出了5種被認為是最有希望的參量：P波速度、地面升降和傾斜、水井中氡氣含量、岩石中的電阻率以及地震發生頻度。                                                     
                                                      

               
                 

圖8.5                   大震前一些物理參數的可能變化                                                     

這些變化可以作為地震前兆，用於地震預報                                                     

                                   就像颱風前天氣產生變化一樣，在主要斷裂產生之前幾小時到幾個月，彈性岩石的性質也會發生變化。岩石破壞的實驗室研究表明，水飽和岩石在壓力之下，它的充滿水的細小裂縫以及孔洞會擴散延伸到整個岩石中，使岩石弱化。在野外實際觀測中會看到如下情況：大面積的岩石隆起，水溶性氣體被析出並經通路達到地表，地震P波和S波速度發生不同的變化，以及水的擴散改變了岩石電阻率等。
如何在地震預報中利用這些參數呢？首先，P波速度所顯示的前兆變化是值得特別注意的，利用現代地震儀和精密儀器可以很容易地測得P波和S波走時的1%秒間的變化。這些P波和S波可以是大震震源區內的小震發出的，可以是震源區外的大震發出的，也可以是人工爆炸或機械重鎚敲擊產生的。這一方案被在許多國家試驗，但效果各不相同。例如，在美國，沿聖安德烈斯斷層發生的中小地震前測量到的波速變化似乎與地震沒什麼明顯聯繫。

第二個參數是地面高程的變化，例如在活動斷層附近的地面傾斜。在美國觀測到的不多幾次大區域地面抬升，同樣不能證明這種測量方法的可靠有效性。

第三個參數是指沿活動斷裂帶氡氣以及其他一些氣體的釋放，特別是從深井中的釋放。據稱在前蘇聯的一些地區，地震前氡氣的濃度會有大幅度的增加，一般在一段平靜時段內沿活動斷裂帶發現多種氣體濃度升高，特別是在斷層彎曲帶或交叉帶等構造薄弱部位。實際上，在距震中幾千米或幾百千米地區的這種構造薄弱部位的地面、空氣中、地下水中均觀測到了氡氣濃度的變化，類似的起伏在震前、震后，甚至某些未發生地震的情況下都觀測到過。因為地質環境的複雜，人們很難確定氣體濃度的變化是與地震有關還是由於其他自然因素變化而引起的。

第四個參數是地震帶內岩石的電阻率，這一參數得到一些研究者的特別注意。對於岩石試件的實驗得出，滲水性岩石，例如花崗岩的電阻，在高壓碎裂時會產生巨大變化。為驗證實驗室結果是否能應用於實際，在野外實際斷裂帶進行了觀測。結果發現某些地震前會出現電阻減小的特性，但另一些觀測則不然。因此，在這一方法得以應用之前，還需要作進一步的研究。

地震頻率的變化是第5個參數，從這一參數比從前4個參數更容易獲得較多信息，但最近的研究表明，其效果並非是完全肯定的。概括地說，某一地區正常背景下的地震活動有時會出現一個顯著的改變——通常是小震頻率的增加，有時，這些微震預示著一系列破壞性地震即將發生。利用這種方法進行預報，義大利地震學家曾獲得成功。1976年5月6日義大利北部弗留利?威尼斯朱利亞地區的悲劇性地震之後，觀測到了許多不同震級的餘震。1976年9月初地震學家注意到，這一地區的餘震日頻率明顯增大，因此，專家們警告那些居住在強度不高的房屋中的人們最好睡到其他地方甚至帳篷中。9月15日下午5點15分果真發生了一次6級餘震，但只毀壞了一些不堅固的建築，人員傷亡很少。

[ 本帖最後由 廣南子 於 2008-5-13 21:34 編輯 ]

目前，上述5個參數尚未成為預報地震的可靠依據，然而還存在另一些更有發展前途的預報方法，有可能成為某些地區長期地震預報的可靠依據。古地震學的最新研究發現了所謂「化石地震」，「化石地震」發生的時空特徵提示了未來地震的可能活動情況。這種新方法側重研究長期地殼形變的地質依據，板塊構造的一般理論是這種預報方法的理論基礎。               

    對1906年沿聖安德烈斯斷層帶的舊金山地震，目擊者描述說：「樹木突然斷裂，連根拔起，60米寬的樹林彷彿被整齊地切割過。」在地震的震動中，樹木嚴重傾斜，樹枝甚至樹榦被折斷。根據修正的麥卡利地震烈度表估計，表現出輕度樹木震動的強度為Ⅴ度，重度震動的強度為Ⅶ度，折斷樹枝樹榦的強度為Ⅷ＋度。震動常使樹木的樹冠受損，因為震動在樹木上部會被放大。同樣的道理，1985年墨西哥城地震時，許多12層以上高層建築的高處各層在震動中受損。

    這一觀察的啟示是，通過分析樹的年輪，我們有可能確定在遙遠的過去發生的地震的地點、時間和強度。地震通常會損壞樹木的生長形態，破壞其根系，折斷其樹枝甚至樹冠，這些受損改變了樹木年輪的寬度和形狀（圖8.6）。利用這種方法，從生長的或已死去的樹木上取樣，便可確定這一地區曾經歷過的地震情況。根據樹木的破壞程度，可以得知各地區最高地震強度。                                  

                                                                                                    
               

圖8.6                  南加利福尼亞州聖安德烈斯斷層附近一株生長了370多年的松樹                                 

                  

圖中的松樹名為池木，位於1812年地震震中附近，地震時其頂部折斷，                                   

                  

根系也被破壞，其年輪表明地震之後許多年內它的生長都十分緩慢                                                      

                  

                     另外一些情況，例如乾旱，也可能影響樹木的年輪。因此，只有排除這些干擾，斷層附近樹木生長中的間斷才能被認為是地震破壞的結果。舉例來說，1857年南加利福尼亞州德洪堡地震之後，樹木的年輪寬度發生變化，但是氣象數據表明同年此地也曾發生過特大幹旱。因此，需要識別狹窄條紋的年輪究竟是乾旱造成的呢，還是樹木被地震破壞后多年恢復而產生的。

    從活動斷層附近的樹木取樣特別重要，因為當斷層類型已知時，這些樣本將提供是地震而非其他原因造成損害的證據。傾滑斷層通常會引起較寬地帶的土地裂縫，而走滑斷層一般隻影響離斷裂較近幾米內的樹木。可靠地應用此方法的關鍵是統計樹木一定半徑內距圓心的年輪數時，必須對該地區至少兩棵樹進行比較，特別要將估計曾受地震影響的樹木年輪記錄與遠離斷層地區的樹木進行比較。因為乾旱可能影響整個區域的樹木年輪記錄，而地震則不能。

                                     一些地震年代學家曾發表了有關年輪研究的成果。圖8.7給出的樹的年輪圖案像一種「羅塞達石」的花紋。這棵古老松木生長在加利福尼亞州懷特伍德的聖安德烈斯斷層附近，它記錄了這一帶較大斷層各次滑動時所引起的效應。圖中所示的樹木年輪是1986年從此樹的樹樁上取來的，此樹在1957年已經死去並且隨後被砍伐了。樹榦的年輪在1857年聖安德烈斯斷層的巨大斷裂中明顯受到干擾，呈現狹窄的形態。規則生長的年輪在1812年也曾受到擾動。該年在南加利福尼亞發生過另外一次地震。此次地震並不像1857年地震那樣廣泛有感及有詳細報道，它只有少量地質證據。另一個可確信的年輪實例發生在1964年耶穌受難日的阿拉斯加地震，薩克林角海岸的地殼在逆掩斷裂的推動下抬高了4米，岸邊的雲杉在震動下傾斜，根系暴露於地面。其年輪樣本再次證明，在1964年8.6級地震之後，樹木年輪寬度要比震前平均年輪寬度窄得多。

                                       
                                   

圖8.7                   取自加利福尼亞州懷特伍德附近聖安德烈斯斷層上的白皮松樹樹樁的部分年輪                                   

                  

它是1812年和1857年地震的證據                                                                        

                  

                                     現在再看看另一種被更廣泛應用且更可靠的歷史地震活動性研究方法，即對沿活動斷層地層的地質研究。它利用土壤層位受到的擾動來確定歷史上曾發生的某些大地震。在適當的條件下，科學家們可追溯到距今1萬年前全新世初期發生的大地震。舉例來說，在距洛杉磯以北50千米處，聖安德烈斯斷層橫切一地勢較低地區，這一地區在雨季時由於帕勒河水的泛濫，變成了一片沼澤地。經過地質學家在這一地區挖掘跨斷層探槽，得到一個依次由淤泥、砂土、褐色泥炭土組成的清晰剖面（彩圖8.8，見插圖）。地質學家確信，由於大地震造成的位移和液化效應都保留在這個由砂土、泥炭等組成的成層剖面中。

                                                   
                 

圖8.8               加利福尼亞帕勒河畔一個探槽東南壁上顯示的聖安德烈斯斷層剖面

                 

                  泥炭層(深棕色)垂直錯斷距離隨深度增加而變大,這是反覆地震錯動變形累積的結果.最上面沒有被錯斷的地層是1857年地震后沉積的,最下面斷層西南測的泥炭層是公元800年左右沉積的

                                   

                      地震搖動土層時，一些水飽和的砂土層會液化，這種較輕而易浮的水飽和砂在其上部的岩石和泥土的過大壓力下上升到地表，形成一層噴砂。隨著干、濕季的交替，砂土上生長了草木以及其他植物，帕勒河及附近其他河流衝來了礫石和淤泥，覆蓋在砂土之上，於是淤泥層內一些死去的植物轉化為泥炭。經過一段時間之後，巨大地震再次發生，液化生成的砂土再次覆蓋於地表，並再次被覆蓋。新的砂土層、淤泥層和泥炭層不斷產生，覆蓋於老層之上。存在於每層中的植物或有機物質的年代可以用放射碳方法測定。

                                      帕勒河的樣本證明，自公元545年至今大約1400年間發生過至少9次地震，它們的年代大致為：1857、1745、1470、1245、1190、965、860、665、545。其中1857年1月9日發生在德洪堡大地震是有歷史記載的，此次地震是附近聖安德烈斯斷層斷裂所引發的最新一次地震。對帕勒河地區研究的主要結論是，該區大約每隔160年發生一次大地震，但是這間隔會發生相當大變化，最大間隔時間將近200年，最小間隔則只有55年。

    類似於這樣的跨斷層液化研究在其他國家，如中國和日本也已經開始了（圖8.9）。應該指出，破壞性地震在乾旱季節也可能曾經發生過，但由於土地缺乏足夠水分，不一定能產生大量液化。                                  

                                             
               

圖8.9                  中國安徽省郯廬斷層帶上挖掘的探槽                                 

                  

探槽中暴露的固化的「管子」是地震時向上噴砂冒水時形成的                  

地震學的「偵探」們是如何揭示過去大地震記錄的？這些古地震證據又是如何進一步被用於預報未來地震災害的？卡斯凱迪亞俯衝帶的歷史事例可以說明現代地質學研究是怎樣回答這些問題的。                                                   在北美洲西北太平洋海岸，有一條名為卡斯凱迪亞山脈的火山帶，它從加利福尼亞經過俄勒岡和華盛頓州，延伸到加拿大的不列顛哥倫比亞地區。這些火山是由於胡安德富卡板塊及其鄰近的哥爾達板塊俯衝到北美板塊之下而造成的。這一地區被稱為卡斯凱迪亞俯衝帶（圖8.10），它南起聖安德烈斯斷層，向西拐入大西洋的門多西諾角，向北延伸到加拿大的溫哥華島的北部。過去的幾百萬年裡，這兩個太平洋內的板塊正以不同的速度滑移到北美大陸板塊西部邊緣地帶之下。對其他俯衝帶的觀測表明，有時這種滑動是平穩的，有時這種滑動會被鎖住，直到應力超過岩石本身的強度時才會失穩突然錯動。這種應變的突然釋放將會引發巨大地震。1964年阿拉斯加大地震就是太平洋板塊沿阿留申海溝向阿拉斯加之下俯衝而形成的。                                                     
                                                
                 

圖8.10                   在卡斯凱迪亞俯衝帶胡安德富卡板塊俯衝到北美板塊之下                                                                       

                  

                     對於太平洋板塊和北美板塊活動的最近觀測表明，兩板塊仍然在以平均4厘米/年的速度相向運動著，當胡安德富卡板塊俯衝到北美板塊之下時，其邊緣地帶沉入北美板塊下面而在深處熔融。熔融的岩石以岩漿的形式正在不斷地湧出地面，形成了如聖海倫火山一樣的活動火山。經測量發現，沿大陸邊緣地帶的卡斯凱迪亞山脈被壓縮，華盛頓州的海岸在抬升。儘管存在著這種地質活動，但是卡斯凱迪亞俯衝帶的俄勒岡部分在歷史上基本沒有地震的記載。

                                     美國西北部是否存在大地震災害的危險將取決於俯衝作用的強度是否足夠在有限的年代中造成破壞性震動。幾年之前，鑒於卡斯凱迪亞俯衝帶在歷史上並無重大地震，地質學家們還認為此帶為非地震帶。然而最近一些新的證據對於這一「非地震帶」觀點提出了疑問。第一，與其他俯衝帶類似，北美板塊與海岸外的太平洋板塊碰撞必然引起海洋地殼俯衝到卡斯凱迪亞之下，碰撞時這些岩石沒有其他地方可去。第二，證據表明海底距今約1萬年的全新世時期的水飽和海底沉積物發生了形變，它由一系列巨大重疊的褶皺-逆沖斷層組成。在陸地上卡斯凱迪亞帶的南端，也發現了一些相對年輕的褶皺。海底和陸上這種水平的擠壓縮短表明兩個板塊在持續相向運動。第三，觀測表明，沿海岸線的地表曾經歷過抬升和下沉運動的循環。在一些沿海灣地帶，金屬圓管被擠入水飽和的淤泥中達數十米，取出的長長的泥圓柱岩心表明，由樹木殘餘物、浮木以及泥炭組成的薄層穿插在厚層的斑點狀軟泥灰層中。泥炭層一定是當地面高於最高潮位並被耐鹽植物覆蓋時沉積的，今天的太平洋沿岸到處可見這種景觀。每一泥炭層的形成都是淤泥突然沉入海平面之下，並迅速被砂土和細粒的沉積物覆蓋的結果。利用放射性碳技術分析這些泥炭層的原始物質，可以大致確定這一運動發生的時間。華盛頓州海岸的泥灰層在過去的7000年間下沉過至少6次，已經下沉了0.5～2米，最近一次下沉發生在約300年前（圖8.11）。                                    

                                                                                                 
                  

圖8.11                   探槽揭示了位於加利福尼亞德洪堡灣的麥德河的海岸                                   

交替上升和下沉運動形成的泥炭與淤泥的交互層                                   

上升運動后形成泥炭，下沉運動后產生淤泥。圖中A表示現代淤泥，                                   

B表示現代泥炭層的底部，C表示距今300年的泥炭層的頂部                                                                      

                  

海岸抬升現象在阿拉斯加和智利俯衝帶的大地震中是十分普通的。在1964年阿拉斯加地震中，海岸抬升和下沉達數米，許多地方由於海岸的下沉，肥沃的低地被水淹沒。數萬年間，肥沃的海岸泥土反覆地下沉然後又緩慢抬升，形成新的土地（圖8.12）。海岸沃土的下沉，起碼部分地與俯衝地震有關。

隨著爭論的不斷明了，卡斯凱迪亞俯衝帶的地震危險性被重新評價。一種極端的觀點是，整個卡斯凱迪亞板片會在一期活動中滑入大陸下部，形成特大地震；另一種不那麼極端的觀點是，由於俯衝速度緩慢，並考慮到俄勒岡和華盛頓南部地區目前沒有地震，因此認為突然的滑動只能發生在板塊的某些特定的段落，沿卡斯凱迪亞帶中強地震會間斷地發生，尤其是在胡安德富卡板塊地區。

    鄰近的哥爾達板塊在北加州的段落與卡斯凱迪亞帶不同，這裡大地震頻頻發生，包括一次7.5級的地震。小小的哥爾達板塊的海洋地殼一定有許多活動斷層來釋放其彈性應變。哥爾達板塊的地殼岩石形變帶隨著海岸線延伸到門多西諾角附近某地區，在那裡被西北走向的聖安德烈斯斷層的走滑斷層切斷。在這一地區3個構造特徵十分不同的單元相遇，它們是聖安德烈斯斷層、海底的門多西諾角斷層以及卡斯凱迪亞褶皺—逆沖斷帶。在這個「三連點」周圍的應力調整對於3個系統中的大地震的發生一定有影響。

                 

                           

                 

              

                 

圖8.12                   1964年阿拉斯加地震之後海岸下沉引起洪水的景象(a)和海岸回升后此地區今日風貌(b)                                                                       

                  

                     事實上，最近的發現證實了有關現今哥爾達俯衝板塊的地震滑動方向的推測。1992年4月25日，彼得羅利亞附近門多西諾角下俯衝板片逆掩斷裂導致了一次6.9級淺源地震，第二天又發生了兩次破壞性餘震。特別是在費恩達爾城中，許多古老的木製結構房屋被震離了地基。門多西諾角附近基岩上的加速度計記錄到超過1.8g的高脈衝水平加速度，這一加速度或許是目前世界上記錄到的最高值。但是，這一地區的其他一些加速度檢測器記錄下的地震波振幅只達到一般大小。

    地震之後，立即對門多西諾角附近沿岸潮汐帶進行了巡測，但幾乎沒有發現什麼高程變化。在這次事件中，關鍵性的地質證據在幾天後經歷了幾次潮汐漲落後才逐漸變得明了。主要震動大約1周之後，地質學家收到當地居民的抱怨，說沿岸海草以及其他潮汐帶生物發出惡臭。經過對海岸的再次調查，發現沿岸大約100千米的地區相對海面抬升了1米多。這種抬升使原來生活在潮汐帶內的海洋生物因無水而死亡，在沿岸岩石上留下了看上去很明顯的一帶褪色的貝殼（圖8.13）。

                 

                                                                   

                 

圖8.13                   1992年門多西諾角俯衝板片的逆掩使海岸抬升1.2米                                   

                  

地形抬升造成一些潮汐植物死亡；此照片攝於地震6周之後的德弗爾斯                                                                       

                  

有關沿卡斯凱迪亞俯衝帶的最新研究說明了如何利用地質學和地球物理學的各種證據，來評估一個構造帶的地震災害，而這個構造帶不像加利福尼亞州聖安德烈斯斷層帶那樣，歷史上並沒有重大地震的記載。目前，地質學家還不能確切地預報在未來的幾百年間，卡斯凱迪亞帶大地震是否會發生及何時發生。但是，研究的確表明，在美國西北部和加拿大的溫哥華島地區發生地震的可能性是無法排除的。

對許多自然災害如洪水或暴風雨，最好的對策是找出這類事件發生的統計概率。在一些地震危險區，地震學家現在採用了同樣的方法，向公眾發布破壞性地震可能發生的概率。特別是在1989年洛馬普瑞特地震之後，美國地質調查局的一個工作組估計了北加州未來發生破壞性地震的概率。他們確定在未來30年間舊金山海灣地區發生7.0級以上地震的可能性為67%。這一結論是在對過去地震的分析以及應變積累的統計的基礎上得出的。

所謂概率，是指某種事件發生的機會。概率值限於從0到1，0表示某事完全沒有發生的可能性，而1則表示某事一定會發生。在這兩個數值之間表示事情發生的相對可能性。例如一枚拋起的硬幣落地后正面朝上的可能性為50%，而從一疊撲克牌中抽到紅桃的可能性為25%。當然，如果硬幣本身不均勻或紙牌不是整套的，那麼這些數值會有所不同。

大多數人通過日常生活經驗對概率都有大致合理的認識，例如對於比賽的勝負，以及許多其他生活中的事例。幾乎沒人會懷疑駕車行駛於擁擠的高速公路上的事故率要比散步於人行道上高。同樣地，大多數人也會同意，一般來說在洛杉磯受地震傷害的概率要比得克薩斯高。大多數人還會同意，這一受害概率還要取決於一個人是居住在不堅固的磚房還是居住在牢固拴接在地基上的木構架建築中。確定拋硬幣獲得人頭一面的概率值並不難，困難問題的關鍵是，如何能確切得到地震破壞概率的數值。

一種有用的方式是確定某一地區一定時間段內預期發生一定震級的地震的機會。如果我們已知某一地區過去100年間已經發生的地震的數量和大小，就有可能估算出未來10～20年內該區發生地震的平均大小及發生某一震級地震的概率。例如，舊金山海灣地區自1936年到1991年55年間，共發生過5次6.75級以上的大地震。如果這些地震完全是隨機發生的話，我們便可預測在未來的55/5=11年間，發生類似大小地震的可能性是十分大的。

但是這種簡單的概率計算遇到了一個嚴重的問題，那就是處於某一特定構造帶的地震並非嚴格地隨機發生，一般存在系統的趨勢，地震有時是成組發生，有時會出現平靜和空區。在第5章中我們曾提供了有關長期空區的實例。這些地震發生的時空變化使得上述簡單概率估計在短期抗震規劃中無法應用。

一種建立在彈性回跳理論基礎上的、改進的確定概率的方法產生了。地震是一種斷層突然滑動的結果，這種滑動是由於斷層無法承受其附近岩石的彈性應變而發生的。應變積累越大，發生地震的可能性也就越大。通過地質調查或大地測量，科學家們可以確定斷層的哪一段落在未來最有可能發生滑動。

第一步是通過勘測斷層的轉折點、分叉點或與其他斷層的交點，來劃分某一斷層段落的起始位置。往往假定，如果該斷層段落從頭到尾全部斷裂而造成地震，那它就是該斷層段落上能發生的最大地震。斷裂長度較小產生的地震也較小，斷裂長度較大產生的地震也較大。發生在1989年的洛馬普瑞特地震，就是聖安德烈斯斷層長達40千米的段落突然斷裂，這一地震大約為7級。

估計地震發生可能性的第二步是：確定整條活斷層上哪些段落過去已經滑動，測量此活動帶在過去應變積累的速率。作為例子，可以分析1989年聖塔克魯斯山脈的聖安德烈斯斷層發生的洛馬普瑞特地震提供的信息。長期大地測量表明，位於加利福尼亞中部的聖安德烈斯斷層每年平均相對位移1.5厘米。1906年的舊金山地震時，舊金山北部的段落錯動了大約5米，而南部的聖塔克魯斯段落只錯動了1.6米。這樣，如果兩部分斷層長期應變積累速率是一樣的話，而聖塔克魯斯山脈段落每次錯距較小，那麼地震的發生率比北部段落就要高，起碼到1989年地震回跳前是這樣。

每一時期沿斷層段落滑動所發生的地震大小確定之後，我們便可以計算各次大地震之間的之間隔時間。然後確定在一定時間間隔內，如50年、60年或更長時間內，將要發生的地震的大小。這些數字繪製在柱狀圖中，我們就可以知道給定震級地震發生的頻率。根據該柱狀圖，將其分為左右相等的兩部分，就可計算出地震再次發生的最大可能間隔時間（圖8.14）。                                  
               

                             

(a)               

                                                                                 

圖8.14                  根據地層研究所獲得的特定斷層的位錯量（a）和                                                    

不同複發時間震級大於M的地震數量（b）                                                     

每次滑動產生相應大小的地震，以兩次地震間的複發時間製成柱狀圖(b）                  

                                                                

圖8.15                   今後30年間聖安德烈斯斷層不同段落上地震發生概率的粗略估計                                                     

概率的大小由圖中的柱高表示                                                                         

    這種概率計算方法是建立在對斷層滑動的統計之上的，只適用於那些從地表可以觀察到活動斷層的地震區。因此，此種方法的應用是十分有限的。加利福尼亞州聖安德烈斯斷層地震帶是世界上能從地表詳細測量活斷層活動量的不多地區之一，運用此方法繪出該區的地震概率圖（圖8.15），但估算中隱含了許多假定，因此結果存在很大不確定性。無論如何，隨著地質和大地測量的進一步發展，這種估算應該會變得更可靠。

[ 本帖最後由 廣南子 於 2008-5-13 21:42 編輯 ]

本書的特例生動地說明了現代大地震預報的期望和煩惱。這一特例發生在位於中加利福尼亞州沿聖安德烈斯斷層兩側的帕克菲爾德地區。在此遠離人口稠密地區的廣闊牧場地帶，聖安德烈斯斷層的軌跡清晰可見。這一長達25千米的地帶是世界地震學中研究得最詳盡的區域之一。                加利福尼亞大學從1887年起布設的地震台站記錄了帕克菲爾德附近聖安德烈斯斷層發生的中強地震，記錄表明，一些震級在5.5～6.0之間的地震，分別發生於1901年、1922年、1934年和1966年。根據19世紀當地居民的反映得知，類似的地震在1857年和1881年也曾發生過。這些地震時間直接顯示了一個幾乎每隔22年發生一次地震的周期特性。只有1934年的斷層滑動是一次例外。地震波記錄（圖8.16）進一步反映了發生於1922年3月10日、1934年6月8日和1966年6月28日的3次地震波形十分類似，說明這3次地震中聖安德烈斯斷層的斷裂方式也十分類似。於是得出一個似乎有道理的結論，聖安德烈斯斷層的帕克菲爾德段落具備一種能使其一而再反彈的機制，像發動機，一般是一種有規律的循環。
                     發現了帕克菲爾德地震的周期規律之後，在美國地質研究所的帶領下大量設備及研究人員投入了「帕克菲爾德地震預報實驗」。根據循環模式預期帕克菲爾德地區的下次地震將發生在1988年，統計誤差可能導致4年的偏差。由於科學家確信地震很快將在該地區發生，這一地區便成了尋找地震前兆的最佳地點。利用最先進技術，地震學家們設置了高解析度監測儀器測量種種特徵量，例如當地小震圖像的細微變化，地傾斜等地形變的變化，以及電磁性質等。
                                                     當此書於1992年12月完成時，1966年帕克菲爾德地震后預期再次發生類似地震的時間段已經過去，科學家們所預測的地震並沒有發生。在舊金山召開的美國地球物理學會年會上，進行了有關帕克菲爾德實驗的總結。科學家們承認這次實驗失敗了，失敗的原因也許是由於有關特徵地震機制的假設不正確；也許是最近發生在加利福尼亞中部的其他大地震改變了地震複發的形式；也許是計算地震概率的統計方法有問題。                                    
                 

                                                                    

                 

圖8.16                   荷蘭德比爾特同一台地震儀記錄到的1922年、1934年和1966年帕克菲爾德地震的面波                                   

                  

1984年，據其相似的波型和振幅，貝肯（Bakun）和麥克埃維利（McErvlly）                                                     

                  

確定1988年是具有帕克菲爾德地震類似機制的沿聖安德烈斯斷層再次斷裂的時間                                                                       

                  

                     從積極的方面來看，會上發言者們也肯定了此次實驗在特殊地球物理監測儀器的設計、布設及野外操作方面取得了成功的經驗。向公眾發出了幾次地震警報，儘管是虛報，但起到了向公眾普及地震知識、提高防震意識的作用。儘管帕克菲爾德地震預報實驗已經成為地震學研究的歷史，但是仍可以肯定在未來的某一天帕克菲爾德會發生大地震。太平洋板塊和北美板塊仍在不斷相向運動，聖安德烈斯斷層的應變也會繼續增加。

隨著地震研究的不斷深入，各國可能會發布許多確有可靠依據的地震警報。在西方社會，科學家們的研究進行的並不順利，無法做出準確的地震預報。例如，如果能夠精確地提前一年左右預報加利福尼亞的破壞性大地震，並不斷更新和補充預報，那麼人員死傷以及財產損失會大大減少，然而，投資會下降，居民和企業可能搬遷，因此該社區的人們必須忍受經濟蕭條和社會變動。臨震預報可使人們作好緊急措施的準備以便減小地震危害，另外，醫療、警察、消防及其他救護服務也能夠嚴陣以待。但一旦地震警報拖得太長，公共事務的重新安排、工廠停工、學校關門等一些措施不可避免地會引起社會疲軟。

目前，現實的態度是接受這種事實：要進行最嚴格意義上的地震預報現在是不可能的。但是在世界上某些地區，尤其是板塊邊緣地區，其未來最大地震震級及未來幾十年發震概率已經被估計出來。只要這種含有不確定性的估計不對公眾信心產生誤導，它們將有助於制定合理的社會政策，採取必要的措施減少地震危害。

中國多山地, 32年兩次7.8級大地震的確敲響警種.  張衡差不多兩千年前就打造候風地動儀也非空穴來潮. 經濟的發展也須帶動基礎建設的發展.  

08年天災人禍, 物價飛漲, 多事之秋, 諸位保重.

[ 本帖最後由 NYLASH 於 2008-5-13 22:41 編輯 ]

中華民族又到了最危險的時刻了，
讓我們團結起來抗地震災，
盡自己的能力，
戰勝一切困難把奧運辦好，
雄起在世界上。