高中地球科学/地震的本质

地震是由于岩石中储存的能量突然释放而引起的突然地面运动。当岩石中的压力累积到足以使岩石断裂时，就会发生地震。地震的能量由地震波传递。每年有超过 150,000 次地震的强度足以让人们感觉到，还有 900,000 次地震被地震仪记录到。

课程目标

能够识别地震震源及其震中。
识别地震带，以及是什么使某些地区容易发生地震。
比较不同类型地震波的特征。
描述海啸是如何由地震引起的，特别是以 2004 年的印度洋海啸为例。

地震的原因

几乎所有地震都发生在板块边界处。所有三种边界类型——分离边界、汇聚边界和转换边界——都容易发生地震活动。板块构造导致岩石圈板块移动。可以想象，让巨大的岩石圈板块在一个球体上移动，并不平滑。当压力积累时，它们首先会导致岩石发生弹性弯曲。如果压力持续存在，能量就会继续在岩石中积累。当压力超过岩石的内部强度时，岩石就会断裂。虽然它们恢复到原来的形状，但压力会导致岩石移动到新的位置。这种运动释放了储存在岩石中的能量，从而产生地震。在地震期间，岩石通常移动几厘米，甚至可能移动几米。这种对地震发生方式的描述被称为弹性回跳理论（图 7.25）。

**图 7.25**：弹性回跳理论。压力在断层两侧积聚，导致岩石发生塑性变形（时间 2）。当压力变得太大时，岩石恢复到原来的形状，但它们会移动（时间 3）。这种运动释放了产生地震的能量。

岩石断裂的地方通常在地球表面以下。断裂点称为地震的震源。地震的震源可以很浅——小于 70 公里（45 英里），中等——70 到 300 公里（45 到 200 英里），或者很深——大于 300 公里（200 英里）。大约 75% 的地震的震源在地壳最上层 10 到 15 公里（6 到 9 英里）。浅层地震造成的破坏最大，因为震源靠近地球表面，那里是人们居住的地方。

在地表正上方，震源的正上方是地震的震中（图 7.26）。科学家和媒体报道的是地震的震中。例如，1906 年旧金山地震的震中位于离岸，距离金门公园以西 1.5-3 公里（1-2 英里）。

地震带

有些地方容易发生地震，而有些地方不容易。几乎 95% 的地震都发生在三种板块边界中的一个。科学家利用地震震中的位置来绘制板块的边界，因为地震经常发生在板块边界处（图 7.27）。

地球上地震最多的地区是太平洋周围的地区。大约 80% 的地震都发生在这个地区。这个地区被称为太平洋火环，因为那里也发生着大多数火山喷发。太平洋被汇聚边界和转换边界包围（图 7.28）。

**图 7.29**：圣安德烈亚斯断层穿过加利福尼亚州西部。它是西北向移动的太平洋板块和东南向移动的北美板块之间的转换边界。

大约 15% 的地震发生在地中海-亚细亚带。在这里，汇聚边界正在缩小地中海，导致喜马拉雅山脉不断增长。其余 5% 的地震散布在其他板块边界周围，其中一些发生在板块内部，远离板块边界。

三种类型的板块边界都会发生地震。转换边界会发生巨大而致命的地震。由于岩石圈板块相互滑动，但没有向上或向下移动，因此转换断层的地震是浅源地震。北美最臭名昭著的地震断层是穿过加利福尼亚的圣安德烈亚斯断层。这条长达 1,300 公里（800 英里）的断层是西北向移动的太平洋板块和东南向移动的北美板块之间的转换边界。圣安德烈亚斯断层是右旋走滑断层（图 7.29）。

历史上圣安德烈亚斯断层上最大的一次地震发生在 1906 年旧金山（图 7.30）。这次地震的震级可能达到 7.8 级，这是一个非常大的地震。这次地震和随后的火灾仍然是加州历史上最昂贵的自然灾害。估计有 3,000 人死亡，大约 28,000 座建筑物被毁，其中大部分是在火灾中被毁的。

1989 年，洛马普里埃塔地震袭击了加利福尼亚州圣克鲁斯附近。这场 7.1 级地震造成 63 人死亡，3,756 人受伤，超过 12,000 人无家可归。财产损失估计约为 60 亿美元。1994 年，一次发生在盲逆断层上的地震袭击了加利福尼亚州洛杉矶附近的诺斯里奇地区。它在矩震级尺度上记录为 6.7 级。72 人死亡，12,000 人受伤，损失估计为 125 亿美元。

还有许多其他断层从圣安德烈亚斯断层分支出去，这些断层与主断层一起每年产生大约 10,000 次地震（图 7.31）。虽然大多数地震甚至无法被附近的人感觉到，但偶尔也会发生大地震。在旧金山湾区，海沃断层是 1868 年 7.0 级地震的发生地。

**图 7.31**：旧金山湾区的圣安德烈亚斯断层带。圣安德烈亚斯断层被看到穿过旧金山和马林县，位于雷耶斯角以东。海沃断层位于东湾，穿过伯克利。地图上还显示了许多其他小型断层。

汇聚边界也会产生巨大而致命的地震。地震标志着俯冲岩石圈在穿过地幔时运动。地震可能是浅源地震、中源地震或深源地震。汇聚边界在整个太平洋盆地产生地震。

菲律宾板块和太平洋板块俯冲到日本下方，形成了一系列火山，每年发生大约 1,500 次地震。1923 年的大关东地震估计造成 140,000 人死亡，其中许多是在随后的火灾中丧生的。在横滨，90% 的房屋被损坏或毁坏，东京 60% 的人口无家可归。1995 年的大阪神（神户）地震造成 6,434 人死亡（图 7.32）。

俯冲也发生在太平洋火环的一部分，即太平洋西北部的喀斯喀特山脉。胡安·德·富卡板块正在俯冲到北美板块下方，形成了一系列火山，一直延伸到加利福尼亚州北部。喀斯喀特火山很活跃，包括圣海伦斯山，该火山在 1980 年发生了一次大规模喷发。拉森山、沙斯塔山和加利福尼亚州东北部的医学湖火山是喀斯喀特山脉中最南部的三座火山。

然而，卡斯卡迪亚俯冲带是世界上最安静的俯冲带之一，地震相对较少。尽管它们并不常发生，但发生时威力巨大。胡安·德·富卡上一次大地震发生在 1700 年，震级估计在 8.7 到 9.2 之间。该地区的地球史表明，这里大约每 300 到 600 年就会发生一次大地震。由于该地区上次地震已经过去了 300 多年，因此太平洋西北部面临着可能随时发生的大地震的风险。

大陆板块碰撞产生的逆冲断层和褶皱会产生巨大的地震。例如，喜马拉雅山脉及其周围地区是许多地震的发生地。2001 年印度古吉拉特地震造成约 20,000 人死亡，还有更多人受伤或无家可归。

地震也发生在板块分离边界。在洋中脊，这些地震往往很小，因为板块很年轻且很热。由于新板块很薄，地震很浅。由于海洋中的分离板块边界通常远离陆地，因此对人们的生活影响很小。在陆地上，大陆发生断裂的地方，地震更大、更强。

大约 5% 的地震发生在一个板块内部，也就是说，远离板块边界。1812 年，密苏里州新马德里附近发生了一次 7.5 级地震，这是一次大型板内地震。地震在约 50,000 平方英里的范围内强烈感觉到，并改变了密西西比河的走向。由于当时居住在这里的人很少，只有 20 人丧生。然而，今天这里住着更多的人，而新马德里地震带仍在活跃（图 7.33）。类似的地震今天无疑会造成很多人死亡，并造成大量财产损失。板内地震是由板块运动作用于岩石圈固体板块产生的应力引起的。

**图 7.33**：新马德里地震带的位置位于北美板块内部，远离最近的板块边界。该图显示，自 1974 年以来，该地区发生了约 4,000 次地震。

地震波

能量通过波传播。每个波都有一个称为波峰的高点和一个称为波谷的低点。波从中心线到波峰的高度称为振幅。波峰到波峰（或波谷到波谷）之间的距离称为波长（图 7.34）。

来自地震（以及爆炸）的能量以称为地震波的波的形式传播。其他类型的波传播其他类型的能量；例如，声波传播孩子的笑声和其他声音。对地震波的研究称为地震学。地震学家利用地震波来了解地震以及地球内部。

地震波从源头向各个方向传播。地震波主要有两种类型。体波从地震的震源穿过地球的固体部分，穿过地球内部到达地表。表面波只沿着地面传播。不同类型的地震波在不同材料中的传播速度不同。所有地震波都穿过岩石，但并非所有地震波都穿过液体或气体。在地震中，体波引起突然的震动。表面波引起滚动运动。表面波在地震中造成的大部分破坏。

体波

体波有两种类型——初波（P 波）和次波（S 波）。这些波穿过地球内部。P 波速度最快，约为每秒 6 到 7 公里（约 4 英里）。它们被称为初波，因为它们是第一个到达地震仪的波。S 波速度较慢，因此是第二个到达地震仪的波。体波的传播速度取决于它们穿过的材料类型。

P 波是纵波。它们使材料在与波传播方向相同的向前和向后移动。这种运动类似于弹簧的压缩和伸展。在 P 波通过后，材料恢复到其原始大小和形状。因此，P 波不是最具破坏性的地震波。P 波可以穿过固体、液体和气体。

S 波是横波，上下移动。它们的振动垂直于波传播的方向。在岩石中，这种运动会产生剪切应力。S 波的速度约为 P 波的一半，约为每秒 3.5 公里（2 英里）。S 波只能穿过固体，因为液体和气体没有剪切强度。

表面波

表面波沿着地面从地震的震中向外传播。表面波是所有地震波中最慢的，速度为每秒 2.5 公里（1.5 英里）。表面波有两种类型。勒夫波像蛇一样左右移动。瑞利波像海浪一样滚动（图 7.35）。这些波导致物体落下和升起，同时来回摇摆。这些运动在地震中造成对刚性结构的破坏。

海啸

地震会引发致命的海洋波浪，称为海啸，尽管海啸可能是由任何对海水造成的冲击引起的，包括陨石撞击、滑坡或核爆炸。当海水被海底地震的强烈冲击所取代时，地震能量会形成一组波浪。这些波浪在海中传播，完全没有被注意到，因为它们的振幅很低，波长很长。当这些波浪到达海岸时，它们可能会长到巨大的高度，造成巨大的破坏和人员伤亡。幸运的是，很少有海底地震会引发海啸。

2004 年 12 月 26 日的Boxing Day海啸是迄今为止最致命的海啸。这次海啸是由 2004 年印度洋地震引起的，也称为大苏门答腊-安达曼地震（图 7.36）。这次地震的震级为 9.2 级，是有史以来第二大地震。到达地球表面的能量是广岛原子弹释放能量的 1,502 倍，但估计释放的总能量是广岛原子弹的 5.5 亿倍。

印度洋地震发生在印度尼西亚苏门答腊岛以南 160 公里（100 英里）处。在这个地区，印度板块正在俯冲到缅甸板块之下。地震断层沿线的滑动量令人难以置信，达到了 15 米（50 英尺），大约三分之二为水平方向，三分之一为垂直方向。断裂长度约为 1,600 公里（1,000 英里）。断裂持续了长达 10 分钟，是迄今为止目睹的最长持续时间。

地壳的极端运动使数万亿吨水位移。水位移发生在断裂的整个长度上。这意味着海啸波沿很长一段距离形成，增加了杀手波浪传播的区域。形成了几场海啸，每场海啸的波峰之间大约有 30 分钟的时间间隔。

水从断裂处以极快的速度穿过印度洋。与典型海啸一样，这些海浪在开阔水域中并不明显。卫星测量出海水表面的波浪高度仅为 50 厘米（20 英寸）。第一波浪在约 15 分钟内袭击了苏门答腊岛北部地区。最严重的时候，这些海浪的高度约为 10 米（33 英尺）。在 1.5 到 2 个小时内，海浪袭击了斯里兰卡和印度东海岸。泰国在地震发生后两个小时遭到袭击。索马里在地震发生后七个小时遭到袭击。随着距离地震的增加，海浪的规模减小，因此斯里兰卡、泰国和索马里的海浪相对较小，高度约为 4 米（13 英尺）。

与其他海浪一样，海啸也有波峰和波谷。海啸袭击海滩时人们看到的是什么，取决于波峰或波谷先到达。在一些地方，海啸的波谷首先到达海滩。当这种情况发生时，海水会退回大海，海滩外围的海底就会暴露出来。在这种情况下，好奇心往往会致命，因为那些去海滩看这种奇观的人在海啸波峰到达时被淹死。

一个令人惊叹的故事是 10 岁的英国女孩蒂莉·史密斯的故事，她和她的父母一起去泰国迈考海滩度假。在大约两周前的海啸发生之前，蒂莉在学校里学习了海啸。她知道海水退去和海面上的泡沫表明海啸正在来临。当海啸波的波谷袭击海滩时，她向她的父母指出了这些特征。他们告诉其他游客和他们酒店的工作人员，海滩被疏散了。迈考海滩上没有人死亡，蒂莉被认为救了将近 100 人。

在其他海滩上，人们没有那么幸运。总的来说，海啸袭击了 8 个国家，印度尼西亚、斯里兰卡、印度和泰国受灾最严重（图 7.37）。约 230,000 人丧生，甚至在距离地震震中近 8,000 公里（5,000 英里）的南非也出现了人员伤亡。超过 120 万人失去家园，更多的人失去生计。例如，渔民失去了渔船，商人失去了餐馆和商店。许多海洋动物被冲到内陆，包括海豚、海龟和鲨鱼。

只有少数科学家认为印度洋会发生大规模海啸，因此没有建立预警系统。海啸在太平洋更为常见，因为太平洋盆地周围有大量俯冲带，太平洋周围的社区自 1948 年以来一直在运行海啸预警系统（图 7.38）。作为 2004 年海啸的结果，印度洋预警系统于 2006 年 6 月投入运行。

预警系统作用有限。它们根据地震在海洋盆地内的位置发出警报。不幸的是，离地震非常近的社区无法及时收到警报，无法向内陆或山区迁移，因为海啸来袭速度太快。然而，在远离地震的大海啸中，疏散低洼地区可以挽救许多人的生命。

课程总结

在地震期间，地面震动，释放了储存在岩石中的能量。几乎所有地震都发生在板块构造边界，所有类型的板块边界都存在地震。
太平洋盆地和地中海-亚洲带是两个最有可能发生地震的地理区域。造成最大破坏的地震波是表面波，它们只沿着地面传播。
体波穿过地球，比表面波更早到达地震仪。海啸是致命的海浪，可能由海底地震引起。

复习题

什么是地震的震源？什么是震中？
为什么大多数地震发生在板块边界？
运用弹性回跳理论，描述引发地震的原因。
利用板块构造理论描述为什么太平洋周围的地震比地球上其他任何地方都多。
由于板内地震不靠近板块边界，请概述你认为可能导致它们的原因。
最大的地震会导致最多的死亡和最多的财产损失吗？
加州以圣安地列斯断层带沿线的地震而闻名，但还有另一种类型的板块边界会发生大型地震。它是什么类型的板块边界，地震可能发生在哪里？
根据你对板块构造和弹性回跳理论的了解，描述太平洋西北部，包括加州北部的喀斯喀特山脉正在发生什么。未来可能发生什么？包括地震和海啸。
当两个大陆岩石圈板块发生碰撞时，会发现什么类型的断层？解释这在断层和两侧岩石的图解中会是什么样子。
体波的特点是什么？两种类型是什么？
P 波可以穿过哪些材料，速度有多快？描述 P 波的运动。
S 波可以穿过哪些材料，速度有多快？描述 S 波的运动。
表面波与体波有什么不同？一般来说，哪种类型的波在地震中破坏性更大？
2004 年，泰国的蒂莉·史密斯在海滩上注意到什么，导致周围的成年人在巨型海啸袭击前撤离海滩？这些迹象是如何证明海啸的？

词汇

振幅: 从中心线到波峰顶点（或波谷底部）的波高。
体波: 一种穿过行星内部传播的地震波。两种类型是纵波和横波。
波峰: 波浪的最高点。
地震: 岩石中储存的能量释放导致的地面震动。
弹性回跳理论: 地震是如何产生的理论。弹性回跳理论指出，应力会导致岩石的应变积累，直到岩石不再能弹性弯曲并断裂，从而引发地震。
震中: 地球表面上位于地震震源上方的点。
震源: 地震期间岩石破裂的点。
勒夫波: 这些表面波具有侧向运动，很像蛇的蜿蜒运动。
纵波（P 波）: P 波是体波，因为它们是最快的，所以它们是第一个到达地震仪的波。P 波是纵波，可以穿过固体、液体和气体。
瑞利波: 这些表面波具有滚动运动。
横波（S 波）: S 波是体波，它们是第二个到达地震仪的波。S 波是横波，只能穿过固体。
地震波: 地震波传递地震期间释放的能量。两种主要类型是体波和表面波。
地震学: 地震波的研究，包括地震和地球内部。
表面波: 表面波是沿着地面传播的地震波。两种类型是勒夫波和瑞利波。地震发生后，表面波造成最大破坏。
波谷: 波浪的最低点。
海啸: 一组致命的波浪，通常由海底地震或其他冲击引起，在此过程中大量海水被置换。海啸在海滩上高高涌起，可以深入内陆，造成死亡和破坏。
波长: 两个波浪之间波峰到波峰或波谷到波谷的距离。

需要考虑的要点

加州旧金山湾区海沃断层上一次发生大地震是在 1868 年。利用弹性回跳理论描述今天海沃断层可能正在发生的事情，以及未来可能发生的事情。
为什么加州如此容易发生地震？
海啸如何破坏加州海岸？地震会在哪里发生？这种海啸如何预测？

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