地震學

地震學

地震學(seismology),研究固體地球介質中地震的發生規律、地震波的傳播規律以及地震的巨觀後果等課題的綜合性科學。固體地球物理學的一個分支,也是地質學和物理學的邊緣科學

  • 中文名稱
    地震學
  • 外文名稱
    seismology
  • 研究內容
    研究固體地球的震動和有關現象

緒論

研究固體地球的震動和有關現象的一門科學,固體地球物理學的一個重要分支。它不僅研究天然地震,也研究某些人為的或自然因素所造成的(如地下爆炸、岩漿沖擊、岩洞塌陷等)地的震動。這門科學首先是人類企圖逃避或抗御地震災害而發展起來的。早期的工作著重于地震破壞的描述和地震的地理分布,到了20世紀才發現由地震所發出的地震波動卻是揭露地下情況最有效的工具。在地震波的利用方面,地震學已經發展到相當成熟的階段。現代地震學不僅服務于地震災害的防御,而且在經濟建設和國防建設中也是一門極重要的套用科學

地震學內容

地震災害研究

地震災害對于人類社會來說,實在是太可怕了,人類對地震的研究始于對它的恐懼。人們研究地震災害通過以下幾個方面進行。

地震調查

直接對地震區域各種地震現象進行調查、分析、研究和評估。這是了解掌握地震發生全過程必不可少的重要環節,特別是震中及極震區的調查。調查是綜合性的,目的有判斷地震的性質、成因,為了防震、抗震或地震的預報。

地震區劃

按一定標準劃出各個地震活動帶的活動情況和危險程度。地震區劃方法各異、通常以地震的地理分布、次數和強度為依據、即以統計的方法劃分地震帶。還可以用地震地質的方法,也就是根據地震地質條件結合統計結果,進行地震的地區劃分。也有根據地震能量和頻度分布情況來劃分的。

地震預報

地震學研究的一個極為重要的目標就是盡可能準確的預報地震。為地震預報提供依據的方法和手段很多,有的是尋找與地震內在因素有關的現象和資料,如地形變地應力、能量積累、斷層移動、大地構造因素等等;有的是尋找與地震發生的外部因素有關的現象和資料,如氣象條件、天文情況等等;有的則是依據地震前的許多前兆現象來預報。

地震學與地震觀測地震學與地震觀測

地震控製(不可能)

這還是地震學研究的一個相當遙遠的目標。用各種方法,改變地震發生的地點,改變發震的時間,改變地震釋放能量的過程,化大為小,化整為零,減少地震的破壞和損失。

地震物理

地震的發生過程基本上是一種物理過程。可以作為一種物理現象來研究,有以下幾個方面:

a.地震波理論

研究地震波在地球表面和內部的傳播過程,傳播規律,能量的傳遞過程。

b.地震機製

c.地震現象的固體物理學

由地震發生過程中得到的全球性的各種資料,推斷地球內部物質的物理性質,如溫度、壓力、密度、剛性、彈性模量隨深度大小的變化規律,以及在特殊條件下地球深處高溫高壓下固體介質的各種特徵和變化規律。

d.地震信息

地球的地殼、大洋、地殼內的地幔、地核都能傳遞地震信息,研究地震信息在地球本身傳遞的規律,有助于研究地球內部及地殼的構造。

地震學的套用

利用地震學的基本原理探測地下資源,找油、找氣、找礦物,這就是地震勘探。還可以利用地震資料研究地球內部的構造及地殼構造。地震也給出地質活動的信息,有助于地質學的研究。研究地震發生的地質條件,由地質條件及地質活動的情報對地震作出估計和準確的預報是地震地質的重要目標。地下核爆炸與地震產生的沖擊模式是不一樣的,用測震學的方法可以探測到核爆炸,尤其是地下核爆炸。地震學的方法還用來研究礦山的塌陷、地球的脈動等等。

研究意義

在過去的500年裏,700多萬人死于地震,還有數百萬人眼巴巴地看著自己的生活來源和地方經濟被摧毀。災難性地震對于日益成長的世界人口來說已成為頭等重要的問題之一,驅動著科學家和工程師們去研究它。然而,地震已被證明它不僅是破壞之源,而且也是地質知識之源。對地震波的分析,為地質學家提供了詳細的、常常是獨一無二的有關地球的信息。研究地震的性質和探索地球的組成及動力學過程兩者同時並進。

地震學,即對地震的科學研究,與化學、物理學或地質學相比較,它是一個年輕的學科;然而僅在100年裏它在解釋地震成因、地震波的性質、地震強度的顯著變化以及整個地球的地震活動明顯的分區特征等方面取得了顯著進步。

地震學是探測地球內部的最有效的深部探測器。通過地震波可以探測出地球內部岩石密度和剛度變化小到10%的變化。這些新研究進展大多依靠層析成像方法,這一方法原來在醫療中常用,要採用大記憶、高速電腦去探求遙測圖像。

研究進展

地震學的研究起源于人類抵御地震災的需要。早期的地震學主要從地質學的角度研究記載地震的巨觀現象和地震的地理分布。

地震學發展

據《竹書記年》記載:"夏帝發七年(公元前1831年)泰山震"。《通鑒外記》又載:"周文王立國八年(公元前1177年),歲六月,文王寢疾五日,而地動東西南北不出國郊"。中國也是最早發明地震儀器的國家。《後漢書選》中載,河南人張衡"陽嘉元年(公元132年)復造侯風地動儀。以精銅鑄成,圓徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱,旁形八道,施關發機,外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之。其牙機巧製,均隱在尊中,覆蓋周密無際。如有地動,尊則振龍,機發吐丸,而蟾蜍銜之。振聲激揚,伺者因此覺知。雖一龍發機,而七首不動,尋其方向,知震之所在。驗之以事,合契若神。自書典所記,未之有也。嘗一龍機發而地不覺動,京師學者,鹹怪其無征。後數日,驛至,果地震隴西,于是均服其妙。自此以後,乃令史官記地震所從方起。"張衡的這架世界上最早的地震儀在當時的首都洛陽第一次記錄了甘肅的地震。

地震記載

尤其是明清時代地方志流行,關于地震的記載極為豐富,有很多研究地震的重要史料。但是長期的封建統治,對科學技術的輕視,使地震學沒有得到發展,有關地震的記載,僅僅是對自然災害的記述,沒有進一步的研究、分析和總結。與此相反,國外的地震學研究卻有長足的進步。

地震學發展

20世紀初由于地震波的記錄和分析,使地震學從巨觀描述向數理科學的方向發展,擴展了研究領域,出現了一些分支學科,並有了多方面的套用。

雖然地震學僅在上一世紀才被公認為是一獨立研究領域,然而人們推測地震的成因已有上千年歷史。當對這些自然事件早期的迷信讓位于較科學的分析時,無情的大地震序列激發了人們對地動原因的縝密思考,直到本世紀早期科學家們才獲得了對強烈地動直接來源的現代理解。

地震成因研究

第二次世界大戰以後,幾乎地震學的各個方面都有顯著進步。由美國科學家瑞德(Reid)研究1906年舊金山地震奠基的地震成因研究,得到了擴展和加深。我們具備一個關于整個地球變形的理論,它可以解釋為什麽大地震發生于日本和加利福尼亞等一些地方,而加拿大或法國的遼闊原野則沒有大地震。這個地質理論也能解釋山脈、火山和大洋中深海溝的形成,並說明它們在地球表面的特定分布。這種對地球上相互聯系的格架理論認識的形成,很大程度上是與地震學研究分不開的。

地震預測

關于地震發生的機理,有震源機製的研究和震源物理的研究。地震預測也是現代地震學研究的一個課題,探索預測地震的途徑也需要深入研究地震成因。20世紀地震波的研究已經取得大量的成果。最重要的成果是利用地震波探查地球內部構造,取得了基本的認識。第二次世界大戰後,地震波被用來監測地下核爆炸。在地震波的記錄和觀測中,還取得了地球自由振蕩的資料,證實了理論研究的結果。用地震波勘探地下礦藏,則是地震學在經濟建設中的重要套用。在抗御地震災方面 ,工程地震學已經形成比較完善的學科體系,在工程抗震中發揮重要的作用。

利用地震波分析,首先必須了解地震波動的性質。穿過地球岩石傳播的地震波具有相當的復雜性,是常見的聲波、無線電波或光波所沒有的。然而正是地震波攜帶著沿途的地質和構造變化的信息。地震學家越來越熟練地從日益靈敏的地震儀記錄的地震波圖像中提取這種信息。

科學家已決定在世紀之交建立一個全球地震儀器網,雖然大多數人沒有意識到其後果甚至它的存在,但這一觀測計畫具有的科學歷史意義比人們熟悉的一些科學大事毫不遜色。這個地震觀測的全球性網路,在近幾十年裏日益加強,現已成為重大科學成就之一。從這些觀測記錄中,科學家們已能推測某些地震的成因和地震波傳播時通過地球的途徑,還能區別天然地震和地下核試驗引發的地震。

地震作為自然災害有可怕的後果,日益嚴重地威脅著人類居住的安全。寄希望于減輕這些地震造成的危險,預報將要襲擊人類居住區和震撼重要建築物的地震的強度是受到人們極大關註的問題。

20世紀地震學

從20世紀60年代中葉起,世界各國開始有計畫地進行地震預報工作。經過30多年的努力,各國地震專家積累了大量的前兆震例資料,在地震的長、中期預測上取得了不少進展。也越來越認識到地震預測遠比原先預料的困難得多,"發現了"原先沒有發現的地震現象的復雜性。

20世紀60年代提出的地球板塊構造說為研究地震成因提供了理論基礎。地震學家解釋說,板塊的相互作用是地震的基本成因。當岩石層因構造運動變形時,能量以彈性應變能的形式貯存在岩石中,直至在某一點累積的形變超過了岩石所能承受的極限時就發生破裂,即產生地震斷層。岩石破裂使貯存在岩石中的能量釋放出來,其中的一部分引起大地震動。

根據板塊構造理論,地震學家們又研究出全世界大多數地震分布在三個地震帶上,其中全球80%的地震能量釋放在環太平洋地震帶內,15%在歐亞地震帶內,5%在海嶺地震帶

能否實現地震預測,一直是人類關心的焦點問題,是地球科學的宏偉研究目標。中國科學院院士、地球物理學家陳?指出,主要有兩種地震預測方法,一種是理論性方法:根據一定的理論模型,推導各種可能的前兆及不同前兆之間的關系,然後通過各種實踐的檢驗來修改模型。但這種方法還很難對地震預報給出實用性指導。

另一種方法是經驗性方法,通過蒐集地震震例,從地震發生前出現的異常現象中提取地震發生的前兆信息並加以綜合,總結出經驗性規律推廣套用于未來的地震。我國曾經成功地預報了1975年2月4日發生在遼寧海城的7.3級地震,被譽為地震科學史上的奇跡,用的就是這種經驗性方法。

從70年代中期以來,地震觀測系統中大量採用了數位記錄方式,從而使地震學的發展出現了一個新的飛躍。由于數位記錄地震儀具有記錄頻頻寬、解析度高、動態範圍大以及易于與電腦在線上處理等優點,對于地震監測、研究以及防震減災具有重要意義,世界各國競相發展數位地震觀測系統。迄今,全世界已有大約440個數位地震台,我國現共有11個數位地震台網,在地震科學研究中發揮了重要作用。

運用已獲取的高質量的數位地震資料,地震學家們已經可以對地殼、地幔和地核的三維結構進行層析成像,由此揭示地球內部的非均勻性和各向異性。這對于闡明山脈和高原的隆升、沉積盆地的沉降、成礦規律等都具有重要意義。

從寬頻帶、大動態範圍和數位化地震觀測資料,地震學家可以對地震破裂的時-空進程成像,由此發現地震破裂不但在空間上是非均勻的,而且在時間上也是錯綜變化的;同時也觀測到,地震的起始階段對于緊接著發生的地震有著強烈的影響,這對于地震預測具有重要意義。

但是,由于人類至今對地震的震源環境所知不多,對地震前兆異常的機製不十厘清楚,尚未建立依據充分、令人信服的地震成因理論或模型,從而也就不能建立有效的監測方法。

中國科學院院士、地球物理學家陳運泰對此指出,對于地震的發生及其預測,地震學家可謂知之甚多、不知之處亦甚多。我國對1995年7月12日雲南孟連中緬邊境7.3級地震取得了長、中、短、臨預報成功;但對1996年2月3日雲南麗江7.0級地震在有明確的中、短期預報的情況下,卻未能做出臨震預報。在美國,1989年10月17日加州北部洛馬普列塔6.9級地震、1992年6月28日蘭德斯7.2級地震和1994年1月17日北嶺6.9級地震都有不在地震學家"安排好"的主斷層上。在日本,等候多年的"東海大地震"還沒有發生,而1995年1月17日在日在地震學家並未予以關註的兵庫縣南部卻發生了7.2級地震。這些情況可以說是當前地震預測水準的真實寫照。

地震學未來

盡管實現地震預測有著諸多的困難,但地震學家們一直在為實現這個目標而努力著。陳院士指出,在科學上更深刻地認識地震的本質,是未來世紀地震科學的發展方向,在這方面,新的觀測技術和新理論是發展的重點。

隨著地震觀測技術全面進入數位化時代,記錄地震的頻帶和動態範圍,地震記錄的分析解釋等方面的工作都將會有新進展。從空間角度對地球進行觀測也將成為地震科學的一種新技術。全球通訊網路的發展與完善,使各國科學家可以迅速了解全球各地的地震資料和經驗,加快震例積累,促進經驗性預報的發展。套用非線性科學中的理論、概念和方法,將會使地震預測純經驗方法向動力預測方法發展。

可以預見,隨著數量空前的高質量地震資料的迅速積累、即時處理和廣泛深入的研究,隨著地震學研究與大地測量及其它地球物理觀測研究的交叉滲透,人們對于地球內部的構造、運動和動力演化會取得更深入準確的認識。這一切必將會使對地震成因的研究取得重大進展,使前兆監測建立在堅實的理論和實驗探測基礎之上,從而最終實現對地震的科學預測

地震預防

專門研究地震對建築物,人造結構的影響和破壞規律。為了尋求最科學最合理的抗震設計,在地震發生時不致于受到嚴重破壞,是地震作用條件下的結構動力學及結構材料力學問題。

地震預報

地震學研究的一個極為重要的目標就是盡可能準確的預報地震。

地震控製

地震物理

a.地震波理論

b.地震機製

研究地震的成因,震源附近地區應力和應變情況,地震發生的力學過程。

c.地震現象的固體物理學

d.地震信息

(2).地震學的套用

地震的認識

人們對地震的認識最早始于中國。東漢的張衡在公元 132年創製了世界上第一架地震儀──候風地動儀。從《後漢書》的簡短記載中,可以清楚地看到,張衡設計候風地動儀的基本出發點是:地震是沿一定方向由遠處傳來的地面震動。這個概念直到18和19世紀才為英國人米歇爾(J. Michell)和馬利特(R. Mallet)重新確認,並被認為是地震學發展的一個裏程碑。現代地震學可以說是從 19世紀末或 20世紀初開始發展的。英國的瑞利(J.W.S.Rayleigh)、洛夫(A.E.H.Love)首先提出了兩種彈性面波的理論,以後為地震觀測所證實。德、俄、意、法、日等國的科學家也都對地震學的不同方面有所貢獻。特別是1900年形成了以德國的E.維舍特為代表的格丁根學派,系統地發展了地震儀和地震波的理論,開創了地球內部的研究,並將地震方法套用于勘探礦床。從此地震學走上了現代套用科學的道路。

現代方法

中國用現代科學方法來研究地震開始得較晚。1920年甘肅大地震之後10年,才在北京鷲峰和南京北極閣建立了兩個地震台。中華人民共和國成立後,由于基本建設的需要,地震學得到長足的發展。為了提供建設場地地震烈度中國科學院在1953年成立了地震工作委員會,組織歷史學家和地震工作者整理了中國3000多年的地震歷史資料,于1956年出版了兩卷《中國地震資料年表》。這是世界上最長的地震年表。同年,中國科學院地球物理研究所完成了第一幅中國地震區劃圖。此外,"天然地震的災害及其防御"這個研究項目也列入了當時製定的全國12年科技遠景規劃中。從此,地震研究工作走上了穩步發展的階段,但規模還不大。1966年 3月,河北邢台發生了災害性的大地震(見中國著名大地震),損失巨大。為了統一地震工作的部署和加強領導,1971年成立了國家地震局,系統地開展地震的預測和預防工作。將地震研究工作提高到一個新的水準。

震災的預測

天然地震是在特定的地質條件下,地下發生的一種物理現象,它使地面震動,甚至造成破壞。這個現象不是孤立的,而是一個物理過程中能量突然大量釋放的階段。認識了這個過程就可選擇適當的前兆來預測地震,但可惜這個認識還很模糊。地震的基本成因、發展過程、產生方式、表現特征也都認識得很不夠。若要科學地預測地震,這些都是需要深入研究的。

預測地震,可以根據地震地質的情況或歷史統計資料。這種方法是長期的並帶有一定程度的不確定性。另一種方法是根據地震發生的前兆進行預測,這可以是短期的。如果能確認哪些現象是地震的前兆,就可以做出確定性的預測,不過這正是地震預測最關鍵性的困難,目前尚未能滿意地解決,有待進一步的努力(見地震前兆)。

預防地震不僅是一個科技問題,而且還要考慮地震的社會影響(見《地震預報實施規約》)。在地震學的範疇內,這就是根據地震資料來採取防震措施或提出抗震設計。這項工作現正發展成為地震學的一個重要分支──工程地震學

地球內部研究

由地震震源發出的地震波可以穿過地球的任何深度而又返回地面,從而帶來地球內部的信息,特別是地球內部各個深度的地震波傳播速度。而這個速度與該處介質的密度和彈性有關,所以地震觀測是研究地球內部最基本的方法。觀測內容包括地震波的波形變化和到達時間,以及大地震時地球自由振蕩頻譜。根據地震觀測結果可以獨立地計算地球內部的結構,但同其他的地球物理資料配合時,還可以確定地球內部組成的物理性質和物理狀態。

地震勘探

這門技術的基本原理是利用地震波在不同岩層分介面上所產生的反射、折射或衍射來確定這些介面的幾何關系,從而尋找地下的地質構造,特別是儲油構造。由于所用的震源是人工控製的,對地震波傳播的時間觀測可以達到很高的精度。地震方法是石油勘探中必不可少的手段,發展很快;還利用地震波同油氣的作用,向直接尋找油、氣田邁進。

其他套用

地震波可以用做傳遞信息的工具。第二次世界大戰期間,曾嘗試利用地震波追蹤海上風暴。在現代,唯一有效的監視地下核爆炸的方法就是偵察和辨別核爆炸所產生的地震波。在這個課題上,蘇、美等國做了大量工作。十幾萬噸以上當量的地下核爆炸無論發生在多麽遙遠的地方,都可以用地震方法偵察。

中新網10月24日電 據外媒23日報道,歐洲地震委員會主席阿列克謝·扎維亞洛夫,義大利法院對地震預測評估有誤的一批地震學專家作出6年有期徒刑的判決,將危及地震科學的發展。

歐洲地震委員會主席、施密特地球物理學研究所實驗室主任扎維亞洛夫表示,"這是一個使地震預測倒退幾十年的極其惡劣的先例"。

扎維亞洛夫指出,自20世紀80年代末起,地震學界掀起了關于可否預測地震的巨大爭議。2009年國際地震學和地球內部物理學協會(IASPEI)通過一項關于該組織支持地震預測研究的決議,之後這場熱議才告落。

扎維亞洛夫認為,"義大利法院的判決讓我們倒退二、三十年,讓我們再次重新開始"。

昨日,義大利拉奎拉市法院判處該國風險預測及防範委員會的七名成員6年監禁,其中包括前義大利國家地球物理學及火山學研究中心主任,以及一名國家地震中心負責人。

義大利法院裁定這七名專家在2009年奪取309人生命的拉奎拉地震發生前5天發布不準確預測訊息,犯有"過失殺人罪"。

扎維亞洛夫指出,地震專家個人不會做出預測,他們是提供關于地震發展情況的信息,而專家們在這方面掌握的知識還遠遠不夠。

他表示,"這個判決開啓了一個先例,而且今後處于地震敏感地帶的任何一個國家的司法機構都將以此為例"。

中新社北京3月11日電 (記者 孫自法)中國科學院最新完成的《2012科學發展報告》指出,中國地震減災中地震學面臨"地震斷層的破裂過程"、"近地表環境對地震災害的影響"等7個巨大挑戰,亟需建設一個現代化的地球物理觀測系統和實施地震學教育拓展計畫等兩個地震學重大工程。

另5項巨大挑戰分別是"中國區域構造塊體的相互作用與地震的關系"、"中國地表應變和應力的分布與地震的關系"、"青藏高原的內部結構、形變和隆升對地震災害的影響"、"地球近地表隨時間的變化與地震的關系"、"地球內部結構和動力過程與地震的關系"。

《2012科學發展報告》稱,中國需要建立和實施的一個強有力地震學教育拓展計畫應該包含3方面內容:一是建立一個權威機構和平台在地震來臨時向公眾提供地震發生的信息、地震相關現象的科學解釋和目前地震科學的前沿研究成果;二是成立一個專門組織來製定和實施一個對社會公眾、中國小生、大學生和一般科學團體進行長期地震科學教育和宣傳的計畫;三是針對中國內地大學隻有少數開設地震學或固體地球物理學大學部專業、缺乏地震學教育的現狀,加強高校對地震學學科的重視和關註。

為更有效了解中國地震災害以及加強中國今後的地震減災工作,2010-2011年,中科院、國家自然科學基金委、中國地震局成立專項工作組,完成"中國地震減災中地震學面臨的巨大挑戰"咨詢研究報告,《2012科學發展報告》將其收錄、發表。(完)

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