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标  题: [身边的力学]地震与断裂力学——周道祥
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 16:43:01 2005), 站内

地震与断裂力学

周道祥
 

    地震是常见的自然现象，一些大地震所造成的巨大破坏以及带给人类的灾难使人闻之色变。

    1976年唐山大地震把百万人口的大城市夷为平地，死亡242000余人。日本阪-神发生的地震虽处于设防区却仍造成5000多人死亡，直接经济损失数百亿美元。地震造成的破坏绝不仅仅是建筑物的倒塌，它所引发的次生灾害也极为严重。1923年东京地震死亡10万多人，其中相当部分是由地震引起的火灾造成的。如果震源位于大海中，它还常常引起海啸。如1896年6月15日日本本州东部海域的大地震激起海啸，海浪比最高潮位高出25～35米；海浪冲上本州东部海岸，卷走1万多幢房屋，死难26000余人；海浪横越太平洋到达夏威夷，振幅仍高达3米，掠过夏威夷后直抵美国西海岸，又从那里返回，横扫新西兰和澳大利亚。

    早在两千多年前我国就有关于地震的记载。古代传说共工怒触不周山，“天柱折、地维绝。天倾西北，故日月星辰移焉，地不满东南，故水潦尘埃旧焉。”（《淮南子·天文训》）若去掉神话色彩，把山崩地裂江河塞流，海水倒灌地陷成湖作为描述地震的传说倒是很恰当的。

    地震究竟是怎样形成的，迄今还不能说已完全弄清楚了。然而有一点学术界的认识是一致的，即：地壳上的断层是产生地震的根源。

    60年代美国从阿波罗飞船所拍的照片上发现洛杉矶附近有三条交叉的活动断层，在1969年的一次天文会议上就此发出了中期预报。1971年2月洛杉矶果然发生了大地震。阿拉斯加曾发生7次大地震，但原有地质图上的5条断层仅能解释其中两次地震，卫星照片上显示出的另外7条断层使其余5次地震也得到圆满的解释。

    地震在地面上显露出来的形态也说明地震的确是沿着断层发展的。1976年2月4日，中美州危地马拉大地震的震源位于莫塔瓜断层上，在地面以下10千米处。该地震地面破裂长度达250千米，沿埃尔普罗格雷索西部测得最大滑动量3.25米，裂缝宽度1～3米，局部最大宽度达9米。

    现代的断裂力学理论已能够为地震建立一个力学模型。地球外层是十几到几十千米厚度不等的地壳，地壳下部是地幔，地幔上部是250～400千米厚的软流层（由岩浆构成），地幔以下则是绝大部分呈液态的地核。地壳中的断层可视为裂纹。若断层出露地面或接近地表则是表面裂纹；若断层深埋在地壳之中则是埋藏裂纹。

    地壳的物质构成是非常复杂的，但是从地球的尺度来看断层长度一般都在百千米之上，像我国的郯庐断裂北起东北的伊兰，南至湖北的广济，横贯我国东部绵延2400千米以上。可见把地壳视为均质材料在工程上是可行的。构成地壳的基本材料是岩石，是脆性材料。若能获得裂纹扩展的条件就不难解释地震，若能测知断层区地应力积累的速度就能预报地震。

    问题在于引起裂纹启裂或扩展的应力从何而来呢？其方向与断层走向有何关系？

    自从德国气象学家阿尔弗来德·魏格纳（Alfread Wegner）在本世纪20年代提出大陆漂移说以来，板块结构及漂移理论已成为地球学中最权威的学说之一。该理论认为，地壳是由若干板块构成的，地幔中的熔岩不停地上下对流使得板块产生缓慢的横向漂移（如图1所示）。有的板块相撞，地壳隆起形成高山，如喜马拉雅山；有的板块冲没于另一板块之下，结果在边缘级处出现一系列岛弧，如千岛群岛、日本列岛直到菲律宾等岛屿组成的岛弧。地壳板块的漂移就像江面上刚解冻的浮冰那样，有碰撞，有俯冲，也有旋转，使得板块受力极为复杂。在板块接合部附近地应力较高，必然会引起附近断层的断裂造成地震，这也说明为什么地震频繁区大多位于大陆板块边缘及岛弧附近。

    板块运动的复杂性造成了地震的多样性，因此不可能以同一种模型用于各种不同的地震。

    若板块以旋转运动为主，断层两侧面则主要是沿断裂面在水平方向上的滑动，断裂力学称这种裂纹为错开型（Ⅱ型），地震学称为走滑型。当板块向另一板块下俯冲下沉时，断层两侧面就有沿断层面向上或向下运动的趋势，断裂力学称这种裂纹为撕开型（Ⅲ型），地震学称为倾滑型。当两板块相撞，地壳局部隆起或下陷，使断层两侧面相互分离，断裂力学则称为张开型（Ⅰ型）裂纹，若断层同时发生两种或两种以上的运动称为复合型裂纹。

    现在只要给出断层尺寸、走向，再给出地壳在断层附近区域的应力场和位移场，预报地震就没有原则上的困难了，因此出现多种预报地震的力学方法。有的是直接大范围测量地壳的应力场，研究应力积累的速度来预报地震；有的是利用卫星测量地壳板块的运动和板块固体潮汐的振幅来预报地震；有的则认为地壳受岩石圈围压作用，岩石不表现出明显的脆性特征，由于地壳板块漂移和其他天体引力的作用导致压力卸载使岩层脆性断裂。

    然而要准确预报地震仍存在巨大的困难。岩石圈的围压作用使断层面之间产生巨大的摩擦力，由于断层结构复杂，要准确获得摩擦力的大小是很困难的。大型水库区如果存在断层，水库常诱发小型地震，这就是水渗入断层从而减小了摩擦力而导致地震的例子。虽然目前仍有一些难以克服的困难，但是根据现在的理论人们已经能够根据断层结构、地壳的应力场与位移场找出最易发生地震的断层位置，从而设置观测网以便适时地作出地震预报。事实上，一些较好地做出地震预报的地方所发生的地震正是处于这些重点观测网内的地震。我们有理由相信，随着科学技术的发展和观测手段及分析工具的完善，随着地震知识和资料的积累，再经过几代人的努力对地震作出较准确的预报是完全可能的。

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