九、強烈的脈衝：地震-3(避震防災)

7.我們能預測「大地震」么？

地震學家能預測地震嗎？答案取決於預測的時間尺度。根據我們目前對地震帶分佈和地震發生頻率的了解，我們可以作出長期預測(在幾十年到幾百年的時間尺度上)。例如，我們可以肯定地說，下個世紀，一場地震將震動伊斯坦布爾，但不會震動加拿大中北部。然而，地震學家無法做出準確的短期預測(按小時到年的時間尺度)。例如，我們不能說40天後San Francisco將會發生地震。然而，新技術允許地震學家在地震波襲擊前幾秒到幾分鐘向人們發出警告。在本節中，我們將探討長期預測和地震早期預警系統的科學基礎。

7.1長期預測

長期預測估計地震在特定時間內發生的概率或可能性。例如，一位地震學家可能會說：「下一次發生大地震的概率。50年內在這個州只佔20%。」這句話暗示了五分之一的幾率在50年後發生地震。地震學家將導致長期預測的研究稱為地震風險評估。城市規劃者利用這樣的評估為一個地區設計建築規範：要求更堅固的建築規範對地震風險更大的地區是有意義的，因為建築在其使用壽命中被震的可能性更大。

地震風險評估的基本前提是：過去發生過多次地震的地區將來很可能發生地震。因此，地震帶(地震多發的地區)是地震風險高的地區。這並不意味着災難性的地震不會發生在遠離地震帶的地方(它們可以而且確實發生了)，但是在任何給定的時間窗內，在這些地方發生地震的概率會更小。

為了提供地震發生可能性更具體的指標，地震學家試圖為一個地區中給定大小的地震指定重複發生的時間間隔，即連續事件之間的平均時間。由於重複發生間隔的概念可能會令人困惑，因此地震學家有時會指定年度概率，即某一年發生地震的可能性：

年度可能性=1/重複時間間隔(annual probability=1/recurrence interval)

例如，如果某一地區Mw7地震的重現間隔是100年，那麼這種地震的年概率是1%。請注意，由於壓力在斷層上隨着時間的推移而積累，彈性回彈理論表明，每年發生地震的概率可能會隨着時間的推移而逐漸增加。

為了確定某一地震帶內大地震的重複發生時間，地震學家必須確定該地震帶內以前地震發生的時間。對於那些歷史記錄沒有足夠久遠的地方，研究人員尋找地質記錄中保存的大地震的證據。例如，在盆地中沉積層堆積在斷層上的地方，研究人員可能會挖一條溝渠，在地層中尋找埋藏的火山沙或斷裂層理的記錄。每一個這樣的地層都記錄了地震發生的時間，其年齡可以通過對植物碎片的C同位素定年來確定。地震學家統計連續地震事件之間的年數，然後計算平均值，得到重現間隔。

該地塊顯示了活動斷層附近的地下沉積層，埋藏的沙火山和破碎的岩層(用數字表示)表示過去發生地震的時間

7.2地震預警系統

短期預測，即地震將在特定的日期或在某天到某年的時間窗口內發生，是虛假的。事實上，這樣的預測可能永遠都不可靠。然而，短期預測的概念不應與地震預警系統的概念混淆，後者基於真實的信號，有可能挽救生命。

早期預警系統的工作原理如下：當地震發生時，地震產生的地震波開始穿過地球。放置在震中和城市之間的地震儀將在地震波到達城市之前探測到它們。地震檢波器一旦探測到地震，發射器就會向控制中心發送信號，控制中心就會自動向城市廣播緊急信號。這些信號以光速傳播，在地震波發生前幾秒到一分鐘到達城市。信號的到達可以觸發天然氣管道、火車、核反應堆和電線的自動關閉。信號還可以引發警報，觸發收音機、電視和手機網絡的廣播，提醒人們採取預防措施。

因為海嘯是如此的危險，預測它的到來可以拯救成千上萬的生命。在夏威夷的海嘯預警中心，觀測者跟蹤太平洋附近的地震，並使用潮汐計、浮標和海底壓力計傳送的數據來確定某一特定地震是否引發了海嘯。如果觀察員探測到海嘯，他們就會向太平洋附近的當局發出緊急警告。

浮標可以探測到公海上的海嘯，這樣陸地上的人就可以得到警告

8.預防地震破壞和人員傷亡

一定規模的地震造成的破壞和死亡取決於許多因素，包括：震中與人口中心的距離；震源的深度；震中地區的建築風格；斜坡的陡度，是否斷裂使海底移位；受影響地區是否靠近海洋；建築地基是在堅實的基岩上還是在脆弱的材料上；地震時，人們在室外還是室內；政府是否能夠迅速提供緊急服務。為了把地震的災難降到最低，人們可以努力建造更堅固的建築物，並選擇更安全的地點來建造。

8.1地震工程

1988年發生在Armenia的6.8級地震造成的死亡人數是1971年發生在California San Fernando的6.7級地震的400倍。死亡人數的對比反映了這兩個地區建築風格和質量的不同，以及建築底層的特點。Armenia的無鋼筋混凝土板建築和磚石房屋易倒塌，而加州的結構基本上是按照建築規範建造的，這些規範要求結構能夠承受地震造成的應力。大多數建築物都是彎曲和扭曲的，但不會倒塌壓死人。

社區可以通過採取合理的預防措施來減輕或減少地震的後果。地震工程(設計抗震建築)可以幫助拯救生命和財產。在容易發生大地震的地區，建築物和橋樑的建造應該有一定的彈性，這樣地面震動就不會把它們震裂。此外，支撐物應該足夠堅固，能夠承受地板的重量，這些地板不是靜態的，但在反彈後可能會下降。在某些情況下，建築實踐中的簡單改變可以使建築更堅固。例如，將鋼索纏繞在橋的支撐柱上可以使其強度提高很多倍，將橋跨用螺栓固定在支撐柱的頂部，可以防止橋跨反彈，用螺栓把建築物固定在地基上，在框架上增加對角支撐，避免了過度扭曲和剪切。

如果這些結構設計得能承受振動，對結構的破壞就可以避免

在地震風險較大的地區，應避免某些類型的建築。例如，混凝土砌塊、未加鋼筋的混凝土和未加鋼筋的磚房在木結構，鋼樑或鋼筋混凝土建築物在保持不變的條件下會出現裂縫和倒塌。傳統的重而脆的瓦片屋頂可能會破碎並將居民埋在裏面，而輕質的金屬板屋頂則不會。通過抗震加固，即加固現有結構的過程，可以使不適當的結構更加安全。

8.2地震區域劃分

在地震活躍地區，城市規劃者可以通過地震分區來減少災害。分區依賴於對土地穩定性的評估，不要在鬆軟的泥土或可能液化的濕沙覆蓋的土地上和可能發生滑坡或大壩破裂可能引發洪水的陡峭懸崖的頂部或底部修建建築。分區應該禁止在活動斷層上建造關鍵建築物(學校、醫院、消防站、通訊中心、發電廠)，因為斷層滑動可能會破壞和摧毀建築物。

8.3防止人員傷亡

即使是精心準備的建築和規劃也不能避免所有的地震傷亡。因此，處於地震帶的社區應該制定應對災害的應急計劃。他們應該制定策略，為救援和恢復提供人員、設備和物資。生活在地震高危地區的個人也應該承擔起保護自己和家園不受地震破壞的責任。簡單的預防措施包括將書架和熱水器用螺栓或捆紮在牆上，在櫥柜上加裝鎖栓，知道如何切斷煤氣和電力，以及在哪裡找到家人。學校、工廠和辦公室應該舉行地震準備演習，個人應該知道去哪裡尋求躲避墜落物的保護。只要岩石圈板塊繼續移動，地震就會繼續震動我們。但是我們可以通過做好準備來減少損壞或受傷的機會。

如果地震來了，躲在靠近牆的堅固桌子下面

9.地球內部的地震研究

地震檢波器發明的幾十年前，通過測量地球的質量和形狀，研究人員熱恩威地球由三個密度不同的同心層組成：地殼、地幔、地核。為了深化這一基本認識，定義層與層之間邊界的具體深度，並描述層的特性，研究人員需要一種能讓他們「看到」地球內部的工具。對地震波的研究就提供了這樣一種工具。通過測量地震波傳播的速度，地震學家已經能夠提供地球內部更為精確的圖像。

地球內部的簡化圖像，首次提出於19世紀。地球有地殼、地幔和地核

9.1速度的控制和地震波的彎曲

地震波在材料中傳播的能力和傳播速度取決於材料的幾個特性：密度、剛度和壓縮性。因此一組波的旅行時間，指它們從震中到地震檢波器的時間。對地震波的研究揭示了以下事實：

地震波在不同類型的岩石中以不同的速度運動。例如，縱波在橄欖岩中的傳播速度是每秒8公里，而砂岩中只有每秒3.5公里。因此，波從一種岩石進入另一種岩石時，會加速或減速。

地震波在橄欖岩中比在砂岩中移動得更遠

P波在液體中的傳播速度比在相同成分的固體中要慢。因此，縱波在岩漿中比在固體岩石中傳播慢，在熔融鐵合金中比在固體鐵合金中傳播慢。

縱波在固體鐵合金中的傳播速度比在成分相同的液體中(如熔融鐵合金)快

P波和S波都能穿過固體，但只有P波能穿過液體

如果地震波以不同的速度在兩種不同的材料中傳播，它會在兩種材料的邊界處彈跳和彎曲。這種彈跳現象稱為反射，彎曲現象稱為折射。反射波從邊界反射的角度總是與入射波擊中邊界的角度相同。但是折射波在邊界處彎曲的角度既取決於邊界上下材料中波速的對比，也取決于波與邊界的夾角。當波從高速介質傳播進入低速介質時，它們向下彎曲並遠離邊界。反之波向上彎曲靠近邊界。

地震波的折射和反射

9.2殼幔邊界的發現

在1909年，克羅地亞地震學家Andrija Mohorovičić指出到達距離震中200km以內的地震儀的P波平均速度是每秒6公里，到達距離震中200公里外地震儀的P波平均速度是每秒8公里。為了解釋這一觀察結果，他認為到達附近地震儀的P波沿一條淺層路徑行進，這使得它們完全處於地殼內，傳播速度相對較慢，而到達遠處地震儀的p波有一部分經過了地幔，而且它們在地幔中的傳播速度更高。他意識到的波折射穿過殼-幔邊界。

從這個觀察中Mohorovičić計算了殼幔邊界，他認為該邊界在陸殼處於35至40公里的深度。後來的研究表明，大陸下面的殼幔邊界的深度在25到70公里之間，大洋地殼的殼幔邊界在7到10公里的深度。為了紀念Mohorovičić，殼幔邊界現在被稱為莫霍面。

莫霍面的發現

地震學家已經確定地震波在地幔的不同深度以不同的速度傳播。具體來說，是在深度約100到200公里之間在海床下，地震速度低於地幔上覆部分。這100-200公里深的地層現在被稱為低速帶(LVZ)。研究人員認為LVZ對應於地幔岩石經歷了輕微部分融化的一層。因為地震波在液體中傳播的速度比在固體中慢，所以即使是一點點的熔體也會減慢地震波的傳播速度。簡單地說，LVZ區分了岩石圈的底部和大洋板塊下的軟流圈的頂部。地震學家在大陸下沒有發現發育良好的LVZ。

在大約200公里以下，在大陸和海洋之下的地幔中的地震波速度隨着深度的增加而增加。地震學家解釋說，速度隨深度的增加意味着地幔橄欖岩的可壓縮性逐漸減小，剛性增強，密度隨深度增大而增大。

深度在410公里到660公里之間，地幔中的地震波速分步驟增。一個主要的增速階段發生在深度660千米的地方。實驗表明，這種地震速度的不連續性發生在地層深處，壓力使礦物中的原子重新排列成更緻密的相同成分的礦物，這種現象稱為相變。地震速度的不連續性是將地幔細分為上地幔(<660公里)和下地幔 (>660公里) 的基礎。上地幔的最下面的部分，在410到660公里之間，稱為過渡帶。

由於地幔的物理性質隨深度而變化，所以在地幔中縱波的速度隨深度變化

9.3地核的結構

20世紀，研究人員在世界各地的許多觀測站安裝了地震檢波器，希望能夠記錄地球上任何地方的大地震產生的地震波。1914年，其中一名研究人員發現，按照從震中開始沿地球表面曲線測量的結果，在103度到143度之間的區間內，某一地震的P波無法到達地震儀。該區域現在被稱為P波陰影區。P波陰影區的存在意味着在地球深處存在一個主要的邊界，在那裡地震波速突降，向下折射。地震學家通過陰影區的尺寸計算出這個邊界的深度為2900千米，他們認為這就是核幔邊界。

地震學家還發現，S波無法到達103度到180度之間的地震儀觀測站(S波陰影區)，這意味着橫波無法穿過地核。橫波不能通過液體，因此，橫波不能通過核心這一事實意味着，核心，或至少部分核心，是由液體組成的。

起初，地震學家認為整個地核可能是液態鐵合金。但在1936年，丹麥地震學家Inge Lehmann發現，P波穿過地核時，在地核的邊界上發生反射。她認為地核包括兩部分：由液態鐵合金組成的外核和由固態鐵合金組成的內核。內外核邊界深度最終通過測量地震波穿過地球，在內外核邊界反射並回歸地表的時間來確定。這些測量表明邊界的深度約為5155公里。

陰影區和地核的發現：P波無法到達P波陰影區；S波不會到達S波陰影區；地震波在內核-內核邊界反射

9.4地球的現代圖像

經過艱苦的努力，地震學家彙編了地震波傳播時間的數據，形成一種速度-深度曲線圖，它顯示地震波速突然變化的平均深度和平均變化量。發生重大變化的深度對應了地球中心以下的主要層和子層。

P波和S波的速度隨地球深度的增加而變化的曲線，圖中沒有顯示出外核中S波的速度，因為S波不能穿過鐵水(液體)

近年來更詳細的研究表明，我們目前所描述的類似洋蔥的地球分層模型過於簡單化。使用一種稱為地震層析成像的技術，地震學家可以生成地震速度變化的三維圖像地球內部，就像醫生製作三維CT(電腦斷層攝影術)掃描人體一樣。層析圖使地震學家能夠在地幔中確定地震波傳播比預期快或慢的區域，而且這些研究已經使人們認識到，在某一特定深度，地震波的速度隨位置的不同而顯着地變化。速度較低的區域可能代表較暖的地幔物質，而速度較高的區域可能代表較冷的地幔物質，因為當岩石變得更熱更軟時，它傳遞地震能量的速度就會變慢。暖區和冷區的出現是地幔對流的結果。地球內部確實是一個充滿活力的地方!

地球的三維層析圖像，地震速度較低的地區可能比其周圍環境相對溫暖，而速度較高的地區可能相對較冷

地球內部的概念圖像：較熱的地幔物質發生上升流，較冷的地幔物質下沉。板塊在地表形成，然後下沉到地幔中