科学家详解汶川大地震的13个科学问题

科学家详解汶川大地震的13个科学问题编者按中国科协学术会刊《科技导报》2008年第10期推出“汶川地震特刊”。在特刊中，中国地震局地球物理研究所名誉所长陈运泰院士、中国地震局科学技术委员会主任陈顒院士、中国科学院研究生院地球科学教授史保平等分别以论文、评论和访谈的形式，对汶川大地震发生后公众非常关心的一系列问题，如汶川大地震震级为什么调整、汶川及附近地区是否进入了地震活跃期、地震是否可以预报等，做了说明与解释。征得《科技导报》的同意，我们浓缩、整理出如下13个问题，以使读者能够对汶川大地震有更为科学的了解。陈顒陈运泰史保平1、汶川大地震释放的能量有多大？陈顒：中国地震台网中心、美国地质调查局和日本气象厅测定的这次汶川地震震级分别为：8.0,7.8,7.9。按我国确定的震级8.0计，汶川地震释放的地震波能量约为1023.7尔格，相当于上千颗二战时美国在广岛扔的原子弹的能量。2、汶川大地震的物理过程如何？陈顒：这次地震破裂从汶川附近开始，破裂带沿北东方向延伸。地震滑动从西南向东北传播，第100s时破裂的位置在北川附近，整个破裂持续时间为120s，地震造成的地下破裂长度约300~400km。震源破裂滑动量较大的区域有两处，分别分布在（40~80km）和（100~140km）附近；大的滑动一般对应大的地震灾害，这两处正是目前得知的地震破坏最为严重的汶川和北川附近的地区。这次地震的震源深度在8~12km附近，地下震源处的最大滑动约小于9m。汶川距北京1530km，地震面波传播所需时间约500s。北京地震台在地震发生约8min记录到了汶川地震产生地震面波的到达。汶川地震发生在14时28分，而北京高层建筑居民感受到的震动的时间则是14时36分。3、汶川大地震的发生是否表明这一区域进入了一个地震活跃期？陈顒：在地震学史上，一次如此巨大地震原地重复的例子极为罕见。一般来说，一个地方发生一次超大地震之后，将有一段百年以上的地震平静时段。4、汶川大地震为什么从7.8级修订为8.0级？陈运泰：汶川地震发生后，美国地质调查局国家地震中心给出的结果是“矩震级”7.8级。不久，将其修订为“矩震级”7.9级。我国地震台网用的是“面波震级”，速报结果为“面波震级”7.8级。地震后翌日，我们所做的“地震矩张量反演”得出的测定结果是，汶川地震的“矩震级”至少为7.9级，有可能高达8.3级。5天后修订为“面波震级”8.0级。5、汶川大地震与唐山大地震相比哪一个更大？陈运泰：与1976年7月28日唐山地震相比，汶川地震大得多。许多人都熟悉唐山地震最后确定的震级是7.8级，但那是“面波震级”。那么，唐山地震的“矩震级”是多少呢？唐山地震的“矩震级”是7.6级。所以，无论是“面波震级”，还是“矩震级”，汶川地震都要比唐山地震大得多。汶川地震的“矩震级”（7.9级）要比唐山地震的“矩震级”（7.6级）大0.3级，这表明汶川地震释放的能量比唐山地震释放的能量大约3倍！事实上，汶川地震的断层长度大约为300km，也是唐山地震断层长度（不足100km）的3倍多。汶川地震的震级大、断层长，从一个侧面说明了为什么这次地震造成了如此巨大的破坏。6、地震震级如何测定？陈运泰：地震的震级是根据在地面上测到的地面振动的强烈程度来测量。测定震级有几个难点：第一，在地面上测到的地震引起的地面振动，不仅仅是由地震的大小决定的，它还与地震波传播时所经过地方的性质大有关系。在不同的地层、沿不同的方位，地震波的速度都不一样，介质对地震波吸收的程度也不一样。所以，即使距离相同，在不同方位的地震仪记到的地震波动幅度，也会因传播地震波的介质的不同而不同。确定震级的时候，要考虑到地震波“沿途”衰减的情况，将传播路径的影响扣除掉。第二，地震波传到了地震台上，有些地震台建立在很坚硬的基岩上，而有些地震台别无选择，只好建立在松软的沉积层上。松软的沉积层对地震波有放大的作用。同样的地震波，传到地震台站下方的时候，到了松软的地方就放大，到了坚硬的地方不放大，所以地震仪记录下来的地面振动的幅度也不一样。因此，确定震级的时候，还要考虑到台站所处位置的土层和岩石条件。第三，地震是地底下岩石突然的错动，这个错动是有方向性的。地震发生的时候，向东发出的地震波和向北发出的地震波，在幅度上本来就可能不一样，即辐射有所谓的“方向性”。在进行震级测量的时候，理应事先考虑到这些因素。第四，地震学家在测量地震震级的时候，常不得不用不同的标度或尺度测量，因为并不是所有地震都可以用同一把“尺子”来量的，在某个震中距范围的地震，只能用某个震级标度来量，而在另一个震中距范围的地震，则只能用另一个震级标度来量。当然，用不同的“尺子”量同一个地震，结果理当相同。但由于存在所谓的“震级饱和”问题，也就是说即使地震再大，测出的震级到了最大时，并不会因地震大而增大，因此测出的结果常常也是不相同的。1999年9月21日我国台湾集集大地震也有类似的问题。地震刚发生的时候，台湾当地的地震台网测定的震级才7.3级，但是这个地震最后确认的是“矩震级”7.6级。即使是同一个台网，若采用不同的尺度，得出来的结果也不尽相同。7、地震为什么难以预报？陈运泰：地震预测的困难主要有如下3点：地球内部的“不可入性”；大地震的“非频发性”；地震物理过程的复杂性。地球内部的“不可入性”是古希腊人的一种说法。我们在这里指的是人类目前还不能深入到处在高温高压状态的地球内部设置台站、安装观测仪器对震源直接进行观测。大地震是一种稀少的“非频发”事件，大地震的复发时间比人的寿命、比有现代仪器观测以来的时间长得多，限制了作为一门观测科学的地震学在对现象的观测和对经验规律的认知上的进展。地震是发生于极为复杂的地质环境中的一种自然现象,地震过程是高度非线性的、极为复杂的物理过程。应该让大家知道，科学家在研讨地震能不能预测问题，有深刻的科学的内涵，不是简单地归之为“说地震不能预测，就是在宣传不可知论”等等就完事了。8、国内外有的科学家认为地震不可预测，这种看法是否正确？陈运泰：他们说的是地震短临预测这个难题从科学上来说现在还没解决，这一点大体符合实情，但太绝对化了。许多专家都认为，地震是一种“自组织临界现象”；因为在物理学中自组织临界现象具有内禀的不可预测性，所以他们便认为地震是不可预测的；进一步，他们认为，既然地震预测很困难，甚至是不可预测的，那么就应当放弃它，不再去研究它，就应当转而只研究一些基础的科学问题、工程抗震问题。可是，地震是不是一种自组织临界现象，这不是一个靠“民主表决”、“少数服从多数”可以解决的问题！多数人认为地震是一种自组织临界现象，并不能说明地震就是一种自组织临界现象！此外，他们从地震是一种“自组织临界现象”的这一在科学上并未确立的观点出发，主张放弃它，不再去研究它，主张转向只研究一些基础的科学问题、工程抗震问题的看法也是欠妥的，严重脱离了社会的需求，我很难苟同。地震预测的确是很困难的，正是因为困难，才需要有地震学家去攻坚。如果很容易，还用得着养着这些人吗？因此，地震工作者要迎接挑战，知难而进。9、西方对中国海城地震的预报成功有什么看法？史保平：西方的地震教科书都提到了这次地震预报，但仅仅把它看做是一次经验，而不是一个理论。因为后来的渤海地震、唐山地震，还是没有预测到。之后也没有临震预报的成功记录了。所以说，海城地震的预报成功只是概率很小的一次偶然事件，临震预报还是很难的。10、动物异常现象可用于预测地震吗？史保平：地质现象非常复杂，各种地质现象都可能造成动物的异常或者其他异常现象的发生，所以动物异常不能被简单地当做地震的前兆，而且也不是每次地震都有明显的前兆现象。可以肯定地说，还没有科学证据支持动物可预测地震。11、中国的地震台网目前站点的密度如何？史保平：还不够。美国GPS台站、地震台站密度非常大，特别是对几个主要地震活动区所设立的台站就更多了。EARTHSCOPE计划预计在全美增加的地震台站达8000个左右。美国国家基金会及美国内政部下属的美国地质调查局（USGS）都在抓紧新的台站建设。美国中部和东部许多著名大学与美国宇航局（NASA）、美国地质调查局（USGS）合作实施一项新的地空观测计划，预计对未来20~50年之内的地震做出准确的预报。这也是一项雄心勃勃的计划。从以前的模拟技术到现代的数字技术，从没有强震台网到密集的强震台网，融合创新技术的各种监测仪器，加上先进的网络通讯，使得他们的监测力量很强。这次第一个报出四川汶川地震的震级和震中的国家是美国，比我们大概早了十几二十分钟。而且当时他们是在深夜的凌晨，而我们是在白天。虚心学习发达国家先进的科学和技术，引入科学的管理体系，是我们迈向强国的第一步。12、美国应对地震的策略是什么？史保平：美国应对地震的基本思路是“防”。比如，已经知道某个区域是一个地震活动区或者地震带，那么，通过我们对几千年里地震情况的研究和积累的知识可以知道，这里未来肯定会有地震发生。那么，美国就会投入很大的力量来对这个区域进行实时监测。此外，美国人还在研究一种预警系统，它能在地震发生的几十秒钟之内把重大的设施和设备关闭。13、如何预防地震引起的灾害？史保平：在地震带上，所有建筑物应该严格按照标准设计、施工。在一些大的断裂带，不适合人居住的话就不要居住了。不适合盖水电站、核电厂等各种重大设施的地方，也一定要避开这方面的建设。美国有这方面的例子。20世纪70年代，美国北加州要建核电厂，地质学家突然发现那个地方有条活动断层，历史上曾经发生过地震，不过发现的时候已经投了几亿美金进去，但是当时还是立即叫停了这个工程。这是必须停的，因为如果地震发生，核电厂一旦发生核泄漏，整个生态环境将不堪设想。其他的核设施、大型的水坝、桥梁都是如此。2002年，美国阿拉斯加发生了规模相当的大地震。当时，英国石油公司从阿拉斯加北面修建的一条输油管道，却没有受到任何影响。因为管道必须穿过断层，当时修建时就知道这条断层今后会发生地震，于是设计的时候就把管道设计成了S型，避开了断层。地震发生之后，管道安然无恙，输油管没有受到任何破坏。另外一个例子是地震预警系统。1983年，美国Idaho州发生7.3级地震。早期地质地球物理的研究表明，该地区的断层是活动的，未来有地震的潜在危险。因此，建立在该州的原子能实验室安装了地震预警系统，地震来临时实验室的所有设备得以及时关闭，避免了灾难的发生。在测震学中，地震波由体波和面波组成；体波包括了P波和S波，对建筑物造成破坏的是S波，而P波的传播速度比S波快。因此，当测震仪器接收到P波时，通过触发有关的控制系统，就关闭了所有的实验装置。这是比较成功的例子。印度有过失败的例子。印度某个地方有断层，曾经发生过地震，但当地政府偏要在那里建水坝。20世纪90年代的时候，Brune博士知道这件事后，立即就给当地政府提出强烈的反对意见，认为这个地方肯定会有地震发生，不能建水坝。结果当地政府没有采纳他的意见，上世纪末的时候，那里果然发生了大地震，水坝受到了严重的损坏。发达国家在防止地震灾害时，体现的是以人为本，房屋建筑一定要按照标准施工。我国也有地震危险性区划图，哪个地方地表运动量大也都标示出来了。这些地方的建筑和工程应该特别注意，必须严格按照规范施工。在地震高危地区，未来的建筑设计和施工都应按照抗震规范来做。（《科技导报》记者黄永明等采写，《科技导报》内容提供，本报整理）