高中地球科学/测量和预测地震
地震图告诉地震学家地震的强度和距离。至少需要三张地震图来计算震中的位置。在过去的一个世纪里，科学家们已经开发了几种测量地震强度的方法。目前公认的方法是矩震级标度，它测量地震释放的总能量。目前，地震学家还没有找到可靠的预测地震的方法。
- 列出不同类型的震波，它们的特性，并描述地震学家如何利用它们来了解地震和地球内部。
- 描述如何找到地震震中。
- 描述不同的地震震级标度以及矩震级数值的含义。
- 描述地震是如何预测的，以及为什么地震预测领域收效甚微。
地震仪是一种记录地震波的机器。过去，所有地震仪都是地震记录仪，因为它们会产生接收到的地震波的图表式表示。纸质记录称为地震图。现代地震仪使用电子运动检测器记录地面运动。然后数据以数字形式保存在计算机上。
地震记录仪有一个悬挂在固定框架上的笔，而纸卷则在其下方旋转。笔加重，使其悬空而不与地面连接。鼓与地面连接。当地球在发生地震时摇晃时，笔保持静止，但鼓在其下方移动。这产生了构成地震图的波浪线（图 7.39）。
地震图包含有关地震强度、持续时间和距离的信息。地震图中产生的波浪线清楚地显示了P波和S波的不同到达时间（图 7.40）。与页面上的文字一样，地震图记录从左到右。首先，有一条平线，表示没有地面震动。地震图首先记录的波是P波，因为它们速度最快。S波接下来到达，通常比P波更大。面波紧随S波之后到达。如果地震的震源较浅，则面波将是记录到的最大波。
如果地震图记录了P波和面波，但没有记录S波，则地震仪位于与地震震源相对的地球另一侧。科学家知道地球外核是液态的，因为S波无法穿过液态。液态外核在地震震源的地球另一侧形成一个S波阴影区，那里没有S波到达。波的振幅（高度）可用于确定地震的震级。震级的计算方法将在后面的章节中讨论。
单个地震图可以告诉地震学家地震有多远，但它不能提供足够的信息来确定确切的震中。为此，地震学家需要至少三张地震图。确定到地震震中的距离取决于不同地震波以不同速度传播的事实。P波总是先到达地震仪，但S波在P波之后到达所需的时间表示到震中的距离。如果震中靠近地震仪，则P波、S波和面波将依次快速到达。如果震中较远，则S波的滞后时间将更长。换句话说，地震的P波和S波到达时间间隔越长，震中距离地震仪就越远。
经过多年的研究，地质学家了解了不同类型的波在各种地球材料中传播的速度。根据第一个P波和第一个S波到达时间的差异，地震学家确定震中与地震仪之间的距离。一旦知道到震中的距离，科学家就可以识别所有距该距离的点。假设他们知道地震震中距离堪萨斯城50公里。当标记所有距堪萨斯城该距离的点时，这些标记会形成一个圆圈。这个圆圈可以用圆规画出。
为了确定地震震中，地震学家必须拥有来自至少三个地震仪的数据。以正确距离从第二个地震仪到震中画出的圆圈将与第一个圆圈相交于两点。显示从第三个地震仪到震中的距离的第三个圆圈将与另外两个圆圈相交于一点。这一点就是地震震中（图 7.41）。虽然这种方法在几十年来对确定震中非常有用，但该技术已被数字计算所取代。
人们一直试图量化地震的大小和造成的破坏。在20世纪初，地震只能用附近居民的感觉和对附近建筑物的破坏来描述。这被称为麦加利地震烈度，由意大利地震学家朱塞佩·麦加利于1902年制定。麦加利地震烈度有时与下面描述的更现代的地震烈度标度一起使用。
表7.1显示了12个麦加利地震烈度等级的简要描述
| 编号 | 描述 |
|---|---|
| I | 除在特别有利的条件下极少数人外，无人感觉到。 |
| II | 仅在休息时少数人感觉到，尤其是在建筑物的高层。 |
| III | 在室内的人明显感觉到，尤其是在建筑物的高层。许多人不知道这是地震。停着的汽车可能会轻微摇晃。振动类似于卡车经过。估计持续时间。 |
| IV | 白天许多人在室内感觉到，少数人在室外感觉到。晚上，一些人被惊醒。餐具、窗户、门受到干扰；墙壁发出爆裂声。感觉像重型卡车撞击建筑物。停着的汽车明显摇晃。 |
| V | 几乎每个人都感觉到；许多人被惊醒。一些餐具、窗户破损。不稳定的物体倾倒。摆钟可能会停止。 |
| VI | 所有人都感觉到，许多人感到害怕。一些笨重的家具移动；少量石膏脱落。损坏轻微。 |
| VII | 设计和建造良好的建筑物损坏可以忽略不计；建造良好的普通建筑物损坏轻微至中度；建造不良或设计不良的建筑物损坏严重；一些烟囱破损。 |
| VIII | 专门设计的建筑物损坏轻微；普通坚固建筑物损坏严重，部分倒塌。建造不良的建筑物损坏严重。烟囱、工厂烟囱、柱子、纪念碑、墙壁倒塌。笨重的家具倾倒。 |
| IX | 专门设计的建筑物损坏严重；设计良好的框架结构倾斜。损坏严重 坚固的建筑物，部分倒塌。建筑物从地基上移位。 |
| X | 一些建造良好的木结构被摧毁；大多数砖石结构和框架结构被摧毁，包括地基。铁轨弯曲。 |
| XI | 几乎没有建筑物仍然完好无损。桥梁被摧毁。铁轨严重弯曲。 |
| XII | 破坏全面。视线和水平线扭曲。物体被抛向空中。 |
麦加利地震烈度标度存在许多问题。人们在遇到地震时感受到和看到的东西会受到他们距离地震震源的距离、他们下方岩石的类型、附近建筑物的建造类型以及许多其他因素的影响。不同的观察者也会以不同的方式感知体验。例如，一个人可能会夸大其词，而另一个人可能会淡化造成的损害。使用麦加利地震烈度标度，很难进行地震之间的比较。
为了解决这些问题，查尔斯·里克特于1935年制定了他的里氏震级标度。里氏震级标度测量地震中释放的最大能量冲击的震级。由于里氏标度是对数标度，因此最大波的振幅每增加一个整数就会增加10倍。例如，5级地震的最大地震波振幅是4级地震的10倍，是3级地震的100倍。震级增加一个整数大致对应于释放能量增加30倍。里氏标度上两个整数的差异等于释放能量增加1000倍。
地震学家认识到里氏震级存在局限性，因为它测量的是最大地震波的高度。一次剧烈的短时震动在里氏震级上的测量值会高于持续时间长、强度大的地震，即使后者释放的能量更多。换句话说，释放能量更大的地震比那些持续时间短但单次震动更大的地震更有可能造成更大的破坏。使用里氏震级，高震级不一定反映地震造成的破坏程度。
矩震级是目前测量地震震级的方法。这种方法测量地震释放的总能量，因此更准确地反映了地震的强度。矩震级是根据断层破裂的面积和地球沿断层移动的距离计算出来的。与里氏震级一样，矩震级也是对数的。震级增加一个整数意味着释放的能量增加了30倍，而增加两个整数则意味着释放的能量增加了1000倍。里氏震级和矩震级通常给出非常相似的测量结果。
每年记录的地震超过90万次。其中15万次强度足以让人感觉到。每年大约有18次属于大地震，里氏震级为7.0到7.9。平均每年发生一次震级为8到8.9的地震。请记住，许多地震发生在地壳深处和海洋中，不会对陆地造成太大或任何破坏。
震级在9级范围内的地震很少见。美国地质调查局列出了历史上矩震级达到9级的六次地震（见图7.42和表7.2）。除了2004年的印度洋大地震外，其他地震都发生在环太平洋火山地震带上。
| 地点 | 年份 | 震级 |
|---|---|---|
| 智利 | 1960 | 9.5 |
| 阿拉斯加威廉王子湾 | 1964 | 9.2 |
| 印度洋大地震 | 2004 | 9.1 |
| 堪察加半岛，阿拉斯加 | 1952 | 9.0 |
| 非洲，秘鲁（现智利） | 1868 | 9.0 |
| 卡斯卡迪亚俯冲带 | 1700 | 9.0 |
为了有价值，地震预测必须准确。一个好的预测会预测地震的日期、地点和震级。预测需要准确，以便当局能够说服人们撤离。不必要的疏散将非常昂贵，并将降低当局在以后可能需要疏散该地区的信誉。不幸的是，这样的准确预测在很长一段时间内不太可能普遍出现。
最容易预测的是地震发生的地点（图7.43）。因为几乎所有地震都发生在板块边界，而且地震往往发生在以前发生过地震的地方，所以科学家知道哪些地方可能发生地震。此信息对社区很有用，因为那些易发生地震的社区可以为地震做好准备。例如，这些社区可以实施建筑规范，使建筑物能够抗震。在没有风险的地区可以避免额外的工程和费用。
预测地震发生的时间要困难得多。科学家可以通过查看该地区地震的历史和地质记录来获得大致了解。如果断层上的应力随时间以相同的速率累积，那么地震应该以规则的间隔发生。虽然这是事实，但这些预测存在很大的误差范围。使用这种方法，科学家甚至无法准确到几年之内，疏散也不切实际。
地震学家还利用地震空白区理论进行长期地震预测。在这个理论中，科学家假设，平均而言，断层同一侧的所有岩石都以相同的速率移动。例如，他们说加利福尼亚州圣安德烈亚斯断层北美板块一侧的岩石随时间推移移动速度相同。虽然这可能是真的，但断层沿线地震的频率和震级并不相同：北部和南部地区地震更多，但中部地区相对不活跃。
地震学家试图利用地震空白区理论预测地震空白区的地震。在加利福尼亚州帕克菲尔德附近，地震定期发生：大约每22年发生一次6.0级或以上的地震。利用这些信息，地震学家预测1993年该地区将发生6级或以上地震。在20世纪80年代中期，美国地质调查局的地震学家在圣安德烈亚斯断层的帕克菲尔德段设置了大量仪器，以监测预计发生的地震。虽然他们预测该断层段将发生地震是正确的，但在预测地震时间方面却相差甚远。直到2004年，即11年后，帕克菲尔德才发生了一次6.0级地震。
科学家已经认识到一些指标，使他们能够认识到可能发生大地震。大地震之前通常会发生一些小的震动，称为前震，这些震动发生在主震前几秒到几周。然而，许多地震之前并没有前震，而一系列小地震也不一定会导致大地震。
大地震之前通常还会伴随着地面的倾斜，这是由岩石中应力的积累引起的。地震学家测量地面倾斜并利用这些变化来预测即将发生的地震。虽然这项技术在某种程度上取得了成功，但它也被用于预测从未发生过地震的事件，并且未能预测一些确实发生过的地震。井水位在发生地震前会因水进入或流出裂缝而发生波动。这些信息也可以用作可能但不可靠的大地震预测指标。
最成功的地震预测发生在1975年2月4日。在中國地震學家的建議下，官員疏散了遼寧省許多居民。尽管该地区不易发生地震，但地震学家做出了预测，因为该地区几天内发生了大约400次小前震。疏散当晚发生了一次7.3级地震，只有数百人丧生。估计有15万人获救。然而，一年多后，中国地震学家未能预测唐山地震，造成超过25万人死亡。一个月后，中国官员疏散了广东省的居民以应对一场从未发生过地震。
预测已经发生的地震的地震波到达具有价值。地震仪可以在更具破坏性的S波和表面波到达前几秒钟检测到P波。虽然几秒钟时间并不多，但一个协调的计算机系统可以利用这段时间关闭天然气管道和高压输电线路，并在化工厂、核电站、公共交通系统、机场和道路上采取保护措施。
民间传说称，动物在地震前会表现出异常行为。大多数这些轶事是在地震发生后讲述的，人们会回忆起震动开始之前的时间。记忆出了名的不可靠。然而，中国科学家积极研究动物在地震前后的行为，以了解轶事是否有依据。
一个有趣的例子是2004年“海啸”中被杀死的动物数量出奇地少。有大量报道称，这些动物有一种“第六感”预警了危险。例如，在斯里兰卡的亚拉国家公园，大约有60名游客和公园员工溺水身亡，但大型动物很少。人们看到三头大象逃往高地。经过仔细检查，配备跟踪项圈的大象当天表现出正常的活动。如果动物确实能感知来自地震或海啸的危险，科学家不知道它们能感知到什么，但他们希望找出答案。
- 地震学家利用地震图来确定地震的强度、距离和持续时间。
- 利用三个地震图上P波和S波到达时间的差异可以计算震中。
- 地震的强度可以用多种方法确定。麦加利地震烈度表确定了地震造成的破坏和人们的感觉，里氏震级测量地震的最大振幅，而矩震级测量地震释放的总能量。
- 尽管取得了一些成功，但地震学家在预测地震方面并没有取得太大进展。
- 如果地震仪的所有部件都必须固定在地面上，那么它如何测量地面震动？
- 在地震图上，哪些波先到达，哪些波第二到达，哪些波第三到达，哪些波最后到达？
- 地震学家需要哪些信息才能计算地震台到地震震中的距离？
- 如果地震图记录了P波和表面波，但没有记录S波，那么地震震中相对于地震仪位于何处？为什么？
- 与里氏震级一样，矩震级也是对数的。震级为7.2的地震与震级为8.2的地震释放的能量差多少？震级为7.2的地震与震级为9.2的地震释放的能量差多少？
- 为什么需要至少三个地震仪才能确定地震震中？
- 虽然麦加利地震烈度表仍然用于测量地震震级，但为什么它不是唯一使用的量表？与里氏震级和矩震级相比，它的不足之处在哪里？
- 为什么认为矩震级比里氏震级更适合测量地震震级？
- 里氏震级6级和7级释放的能量差多少？矩震级6级和7级释放的能量差多少？
- 地震学家如何利用地震前震来预测地震？为什么前震并不总是有效的预测工具？
- 好的地震预测有什么特点？为什么需要这些特征？
- 为什么中国地震学家在预测1975年辽宁省地震方面如此成功？为什么他们未能预测1976年的唐山地震并在一个月后不必要地疏散广东省？
- 麦加利地震烈度表
- 该量表测量地震对地表的影响以及人类的感受。其测量范围为I-XII。
- 矩震级
- 这是一个对数刻度，用于测量地震释放的总能量。震级增加一个整数，表示释放的能量增加30倍。震级增加两个整数，表示释放的能量增加1000倍。
- 里氏震级
- 里氏震级测量地震产生的最大震动。它是一个对数刻度。
- 地震图
- 地震图是由地震仪产生的地震活动的印刷记录。
- 地震仪
- 一种较老式的地震仪，其中一个悬挂并加重的笔在随地面移动的鼓上写字。
- 地震计
- 地震计是一种测量地震波和其他地面运动的机器。
- 如果你住在地震多发地区，读完本节后你对你的家有什么感觉？由于地震不太可能被预测，你能做些什么来最大程度地降低你和你家人的风险？如果你不住在地震多发地区，你需要什么才能搬到那里？此外，你居住的地方面临哪些自然灾害的风险？
- 你认为科学家将来可能用来预测地震的最有希望的一组线索是什么？
- 关于可能发生地震位置的信息对这些地震多发地区的社区有什么好处？