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地震九讲
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第 5 章 地壳与板块
圣安德烈斯断裂 它是地球表面两大板块之间边界的一部分 到60年代为止，全球地震观测台网已经揭示了引人注目的地质格架。第一，地震大部分集中发生在地质上年轻的相对狭窄的地带上，例如地震和火山沿太平洋边缘都很常见，地震震中还在大洋中央勾绘成线。第二，造成地震的断裂类型也并非是任意的，而与特定大型构造有密切关系，例如，逆冲断层在山脉地带常见，而大洋中脊的地震常是由走滑断裂产生的。但在60年代尚未出现统帅一切的理论概念，以解释甚至预见这些全球特征。 在揭示这些特征时，通过地震观测台网获取了极大的科学成果：它对70年代形成板块构造理论起了关键性作用，板块构造理论能有足够广度和深度用地球物理原理去解释地球的主要地质现象。它在很大程度上不仅对地震，而且对火山、山脉、海沟及其他主要地质构造的分布和演化提供了解释。现代的观点认为，统一的全球“构造”力是引起所有这些现象的根源。这里，构造(tectonics)一词意思是地球内部产生的力造成的全球大规模变形。按照板块构造原理，地震的位置和产生它们的断裂机制是地球外层厚约200千米的岩石层系统运动的结果。为了了解引起这个运动的力，我们首先研究岩石外壳的构造和其中随深度增温的情况。 到上一世纪末人们已认识到在矿坑和钻孔中温度随深度增高，1889年费舍（Fisher）在广泛流行的《地壳的物理》一书中评论道： “大地物理学中确立的最牢固的事实是：地表岩石的温度随深度增大而增高。甚至在西伯利亚的冻土中，这种增温也存在，虽然冻土冻结深度达200米。在采矿中，必须考虑这种逐渐增温对工人在很深处劳动时身体受到的极其严重的影响。这种增温虽然是普遍现象，但增温速率并非处处相同。平均每下降15米增温1℃。” 温度随深度增高意味着热从地心流向地表。近年来，地球物理学家曾测量了从大陆和洋底流出的热量。热流不是直接测量的，而是从垂直地温梯度和热导率计算得到的。热导率描述岩石传导热的有效程度；垂直地温梯度是由在地表以下不同深度测温得到的。在大洋之下，把金属柱体插入软沉积物中，沿柱体每隔一定间隔有电温度计可测温度，并可回收其泥质岩心测热导率。在大陆上，温度计置于矿坑中不同高程的巷道或放入岩石钻孔中的不同深度，岩石的热导率是将岩心取样带回实验室测得的。 火山地区和地热区的热流常常相对较高，那里的热是由循环流动的水(热泉，间歇泉等)带到地表的。在古老、稳定的大陆区热流相对较低，这种古老地块可能几百万年来没有受地质作用干扰。一般地说，随大陆区域地质年龄增长和洋底年龄增长，它们的热流值降低。通常，热流范围为20～120毫瓦/平方米，全球平均约为60毫瓦/平方米。大多数地区热流值在平均值的30%之内。虽然大陆和大洋区的热流可相差很显著，但大洋区和大陆多数观测数据的大小是相似的。这种内热主要来源于地球可能曾是熔融状态的原始热，以及岩石中不稳定元素的放射性原子的衰变产生的热。 根据这些热流值，我们能推断地球深部岩石的温度(图5.1)。计算表明，在30～50千米深处温度介于500～800℃之间。这些数值很高，但还不算是最高的；在岩浆囊和喷发岩浆中温度常达到1 000℃和1 500℃。然而早就认识到，如果温度按这一速率继续增加，地球的岩石将不会像在地表及深矿坑中观察到的那样是刚性的，而将变为软的，甚至变为液体。例如，在奥斯蒙德·费舍（Osmond Fisher）时代普遍认为原始地球是全流体，随着热从表面传导到空间，外部岩冷却至固态，形成外皮或地壳，固态地壳类似炼铁炉中熔液表面上的固态壳。 然而，只有温度变化是不能完全确定地下深部岩石状态的。压力也随深度增加，压力增大将抵制高温造成的液化效应。令人惊奇的是甚至至今，从脆性到粘性变化的确切条件仍不能准确地预测。因此，岩石中复杂矿物组合的熔融状态现在仍不能全部清楚地了解，从固态到液态过渡时的温度和压力，特别是如果有水存在时，仍是不确定的。
图5.1不同年龄的大陆和海洋地壳和上地幔中温度随深度的增加 与此相反，地震波证据明确表明深处岩石处于弹性状态。因为地震的S波不能通过流体传播，然而除少数例外情况下，一直到深2 900千米，即几乎地球半径的一半，都观测到S波传播。这一事实表明地球外层岩石具有可观的刚性，这些刚性岩石构成地壳并深至地幔。 关于地壳不同性质和厚度的首批确切的地震学证据始于本世纪初，著名的早期工作由克罗地亚的扎格瑞布地震观测台的莫霍洛维奇（Mohorovicic） (图5.2)完成。他从地震记录中推断，在大陆表面之下约30～50千米处，有一显著的构造变化，该界面深度随地理位置不同有所变化。当分析1909年10月8日克罗地亚地震的地震仪记录的P波和S波时，莫霍洛维奇注意到有些波似乎比设想的沿地球表面传播的波到达得晚一些。为了解释这个延迟，他假定朝下走的P波和S波沿着深约54千米一个界面被折射上来。以后的研究表明，这个被称为莫霍洛维奇不连续面(或简称莫霍面)的界面是全球现象，虽然它的平均深度一般比54千米小而且并不总是一个急剧过渡。这个界面把地壳和其下的地幔分开。
图5.2莫霍洛维奇(1857～1936年)——克罗地亚地震学家 他发现了地壳底部的不连续界面(简称莫霍面) 早期的地震学工作只有不多几个地震台资料，给人的印象是地壳处处是平坦的结构(奇怪的是这一观点在那些熟知地表构造很复杂的地质学家中竟广泛流行)。按照早期的设想，大陆地壳仅由两个主要岩石层构成，而近几年的地震学观察工作，揭示了更多的不规则性。地壳性质确实有很大变化，特别是在浅海和大陆山区。几乎没有一个地区地壳可在地质上简单地分为两层。 现代地球物理野外测量，其中以地震研究作为中心，对地壳变化提供了相当详细的研究成果(图5.3)。对许多陆地上的人工震源和天然地震的研究确定了地质上不同的大陆地壳岩石具有不同的物理性质。古老前寒武纪地质区域的地壳构造最简单、厚度最均匀，如西伯利亚、加拿大和澳大利亚的广大地块自前寒武纪末几乎几千万年来未曾经受变动。较年轻的地区诸如北美西部地壳由厚度和倾向不同的地壳组分构成。
图5.3北美的地壳厚度（等值线单位以千米计） 在山区增大，靠近大洋减薄 识别地壳岩石详细构造的努力很大程度上依靠石油勘测工业中发展起来的高技术。放在卡车上的震动装置由一个大电动机提供地震波的能源。在20秒内，起震器最高可达30吨的垂直力以大致像一正弦波的形式作用于2米2的地面上。其频率可在20秒左右缓慢变化，震动周期大约在8～32赫间线性变化。从地壳构造反射来的信号被安置在横过地面剖面上的许多地震仪的磁带记录下来。在一些雄心勃勃的实验中，上百台地震仪以100米的间隔安放在10千米长的剖面上。这种方法不需要在钻孔中爆破，而且科学家能简便地控制波源的特征。 这种试验的一个惊人成果见图5.4。这一工作是由纽约康奈尔大学地质科学系一组人于1976年和1977年在怀俄明的风河山沿风河山隆起进行的。图中纵坐标是地震P波的双向走时，即从振动器向下到界面又从界面向上反射到地面的时间。将它的数值乘以3，就可把时间粗略地换算成深度(以千米计)。如果我们沿着剖面从西南向东北，首先看到从绿河盆地许多沉积层的反射。这些沉积岩剖面最大厚度达到12千米，有些形成平缓的褶皱。当我们向风河山移动时，可看到陡倾斜的反射层，反映了逆冲面向地壳内俯冲下去(见图中的B-D)。地表地质证据证实这一逆冲断层的存在，绿河盆地年轻的沉积岩被覆盖在风河山的前寒武系古老岩石之下。在本图中未印出的另一条延续的剖面上，可以显示逆冲面横过沉积盆地并延伸到约25千米深度。这种工作表明大型地表构造仅是深部构造的露头，而深部构造能穿透整个地壳。这些图展示给我们地壳非均匀性的鸟瞰图像，尤如我们能切开地壳并直接观察它。
图5.4怀俄明州风河山地壳的一条地震反射“X光”剖面图 水平比例尺代表在地表的距离，垂向比例尺代表向下到反射层并返回到地面的波的双向走时
图5.5靠近加利福尼亚州洛杉矶一个地震产生的勒夫波传播的计算机模拟 波向北运动时被区域主要地质构造折射(时间从发震时间开始，以秒计量) 现代地震台网在对了解地壳构造如何影响地震波方面取得了显著进展。因为现在已能记录到各种不同波长的波。人们能够追踪长波长面波的波前通过不同地壳构造的情况，它很像第2章末谈到的大洋滚浪绕射过突出的岩角，传向被它遮挡在后面的海滩。一个地质上简单的情况如图5.5所示。计算机模拟南加州1985年惠蒂尔-纳罗斯地震从震源向北运动的勒夫面波的变化着的波前图像。该波前通过3条宽阔地壳带：西部沿海岸的混合变质岩、中部加利福尼亚大谷的深沉积物和东部塞拉内华达花岗岩。勒夫波在花岗岩中传播较快，在沉积物中较慢。已知这些传播速度，用计算机程序计算，结果如图5.5。通过塞拉内华达的勒夫波跑得快，跑到它西面邻居——岩石刚性较低的大谷的波的前面。计算出来的图像被北加州地震观测台对1985年地震的实际记录所证实，并且通过波前的真实测量改进了初始计算时依据的地壳模型。 地球表面最大的地形反差显然是大陆和大洋。大陆构成约1/3的地球表面，并屹立于地球表面，平均高程约800米。大陆延伸入海下成为相对低的大陆架，约几十千米宽。从这个陆架的边缘大洋底向深海平原下降变深，那里的水深在海平面下约4.8千米。 一个多世纪以来有些观测表明，大洋和大陆之下的地壳的厚度不大一样。世界范围的重力测量表明大陆与大洋地壳之间有重大区别。但重力方法要在地球表面不同点上用摆式重力仪测量，不仅耗费时间，还不能给出全球定量的地壳厚度。然而当地震仪能记录绕地球漫长路径传播的地震波时，通过洋底和通过大陆的地震波显示明显不同的波型，从而清楚地显现出地质构造的差别。这些波型首次提供了一种得力的方法，能从遥远处观察和发现主要地质构造的变化。 如果我们知道深部地球物质的性质，比方说某一特定大洋或大陆的下面，我们就可以从理论上预测相应观察到的面波波形。在实际工作中往往是反过来的，我们观测到某种波形，然后试图从它推断出沿漫长传播路线所经过的岩石性质的平均状态。一般情况下，面波通过地球表面的路径既穿过大洋，又穿过大陆。但有时有些地震台能记录到仅通过大陆地壳或海洋地壳的纯路径面波。例如在加利福尼亚记录的南太平洋地震的地震波只穿过太平洋；在瑞典的地震台记录的喜马拉雅地震的地震波只穿过欧亚大陆，这些波的不同波形见图5.6。
图5.6穿过大洋和大陆的地震波的不同波形 （a）加利福尼亚伯克利的一个长周期地震仪记录的地震图，可看到阿拉斯加地震 沿大洋路径传播的勒夫波脉动(G脉动)(时间分段信号点为1分钟间距)； （b）西伯利亚地震到瑞典乌普萨拉地震台穿过大陆路径传播的勒夫波列 由于频散被拉开成长久的波列(时间从左到右；0.9毫米相当1秒) 回想第2章讲的面波频散，即因为较长周期的波传播到较深处，那里地震波速度较高，首先到达，从而将波列拉开。因为地壳岩石和地幔岩石具有相当不同的地震波速度剖面，以勒夫和瑞利面波中的频散量提供了地壳厚度的线索。大陆地壳、地幔波速差别特别突出，大洋地壳、地幔波速差别相对较小，这样，勒夫波沿大洋路径传播时平行地面的单一脉动可以4.5千米/秒的速度传播1 000多千米距离。在同一震中距离，勒夫波沿大陆途径传播时则不出现一个清楚的脉动，而显示为一个长长的波列，其周期稳定，随传播时间增加波列被拉长。这种波形记录的明显不同可以清楚地告诉我们，一特定震源与观测台之间究竟是主要大洋地壳呢，还是纯大陆地壳(图5.6)。 大洋和大陆的瑞利波记录的特征也明显不同(图5.7)，不像勒夫波，它具有垂直分量的地面运动。沿大洋途径传播的瑞利波扩散成的波列可以以15秒周期持续许多分钟。沿大陆途径传播同等距离的瑞利波记录则不出现这种长而单调的波列。
图5.7解释沿大洋和大陆路径传播的勒夫和瑞利波特征的频散曲线 各种周期的大洋勒夫波几乎以同样速度传播，它们同时到达，产生突出的 G脉动；相反的，大陆勒夫波的速度随周期逐渐变化，使之频散 在解释这些差别时，早期研究者试图把记录到的面波波形与不同厚度的地壳模型相联系。他们研究了一系列有可能出现的地壳数学模型并计算了理论频散，然后排除那些与实际观测的频散相矛盾的地壳模型。这一模拟表明洋壳肯定较薄；早期据低分辨率地震仪观测提出洋壳可能为20千米厚，而大陆地区地壳厚为35千米。当全球地震台网在60年代现代化之后，地震台装备了长周期摆，能准确地记录具有10～50秒周期的地震地面运动，于是图像分辨得更好了。确定大陆地壳厚度在25～50千米之间，一般在高山区较厚。相反，洋壳变化小，厚5～8千米之间，在一些过渡区或浅海地区，地壳厚度居中，介于大洋与大陆之间。用地震波阐明地球表面变化的最新研究揭示了地壳底界往往是起伏的，图5.8表示地壳下界起伏对从震源发射出来的地震波传播的影响，为了看起来方便，图中的地壳起伏被夸大了。
图5.8地震P波被一不平整的莫霍不连续面反射和折射的计算机模拟结果 许多有关勒夫波和瑞利波的独立的理论计算结果和实际观测最终得以吻合，使我们可以估计构成大陆和洋壳岩石的弹性特征。实际上大洋下的地壳很像是玄武岩薄板，最初由火山岩浆流动覆盖在更深部的岩石上而形成。明确确认大陆和海洋地壳截然不同有深远的地质意义，因为它在一个关键问题上支持了大陆漂移的观点。 大陆之间相互移动的概念可追索到本世纪开始以前，但直到1912年才有第一个对大陆漂移的系统论述，它是德国气象学家魏格纳（Wegener）(1880～1930年)在讲课中提出来的。可能是因为第一次世界大战，这一假说在约10年时间内没有受到地质界的重视。在1922年2月16日有一篇评述魏格纳的书的一无人署名的短文，发表于著名的科学杂志《自然》上，说“该书直接应用了物理学原理，但遭到许多地质学家的强烈反对”。魏格纳假定一个超级大陆于3亿年前破裂，其碎块漂移出去形成现今的大陆。作为证据，他指出不同大陆的大型地质构造，如非洲西海岸和南美的东海岸似乎可以吻合。这一原理能够解释许多地质学问题，在以后几十年代中成为辩论的主要焦点。 现代地球物理学的奠基人之一杰弗里斯（Jeffreys）（图5.9）指出该理论依据两点名假设。第一是无论是多小的力只要作用时间足够长就能有效地使地球的岩石变形。杰弗里斯并不认为这一假设是不对的，虽然有些反对它的证据。然而他相信第二个假设是错的。魏格纳设想漂移的大陆，然而如果大陆是坐落在有很高强度的岩石上，杰弗里斯认为漂移将是不可能的，因为这要求一个小力量能胜过同时作用着的反向的较大力量。杰弗里斯认为这一假设与我们所理解的物理学是不一致的。从地震波所得的证据表明大陆构造比早期设想的要深，当时支持了杰弗里斯的反对意见。大多数地质学家当时都不愿接受大陆漂移，因为当时没有已知的自然过程可使之实现。
图5.9杰弗里斯爵士(1891～1989年)——理论物理学家，地球液态核的发现者 如我们曾描述的，到60年代末地震学研究已分辨出世界范围的地壳厚度差别。此外，面波频散和地震P波及S波的路径的进一步研究提供了另一关键信息：在地壳之下的上地幔内，不论是海洋还是大陆，下面都有一层地震波速低于其上覆岩石的低速层。这种地震波速的降低表明岩石物质的弹性和刚度随深度有所减小。因此，不再需要解释大陆怎样能在刚性的岩石上运移，大陆漂移的支持者们现在认真地考虑一个软弱带上支撑着刚性较大的地质“筏”的概念。另一曾强烈反对漂移的根据也被消除了，深源地震要求到几乎200千米深度岩石仍具备强的脆性，但改进了的地震观测台提供全球较准确的震源深度，明确深源地震只是发生在很特殊的位置，在大多数海洋及大陆壳中并不存在。 现代认为，地球上部刚性的一层叫做岩石圈(从希腊文lithes，“岩石”译来的)，地壳仅是岩石圈最上面的表层。岩石圈不仅包括地壳，还包括深达150千米或更深的刚性层。岩石圈在大洋区较薄，在古老大陆块下较厚。这些深度部分地由第4章讨论的深源地震分析而得到。 研究地震波的特性表明岩石圈的底部是逐渐而不是截然变化的。它渐渐地并入地球另一层，叫软流圈(从希腊字asthenia，“弱”译来的)。软流圈深至600～700千米，其特征是地震波速较低，且P波和S波的衰减比在岩石圈中快得多。因此一般认为软流圈比岩石圈软，也许接近熔融状态。刚性岩石圈浮在这层粘性物质上，以百万年的时间尺度缓慢地移动(图5.10)。
图5.10厚度不均的刚性岩石圈浮在较软的软流圈上 岩石圈由向不同方向运动的构造板块组成；非洲和南美板块被大西洋中脊分开，以 每年若干厘米的速率相分离；南美洲和纳斯卡板块汇聚构成安第斯山脉；本图 中的岩石圈和软流圈厚度被加以夸大以使之能在这小比例尺图中表示出来 刚性岩石圈漂浮在较弱的软流圈上，形成一个较令人满意的大陆漂移原理，它不再像50年前那样因受到批评而沉默。 板块构造的基本概念是：岩石圈由几个大而相当稳定的板块，即相对刚性的固体岩石块体组成，它们覆盖在地球表面上，尤如圆球上的弯曲便帽。大的板块有7块，诸如太平洋板块等，还有许多小的，如北加利福尼亚外的哥尔达板块，它们都彼此相对运动（图5.11）。
图5.11由洋中脊，海沟和转换断层构成边界的主要构造板块 岩石圈深达100～200千米，它们构成板块。每一板块都坐落在其下的软流层上，相对于其相邻的板块水平运动。在与相邻板块接触的边缘，板块运动产生大的拖曳力。这些力作用于岩石圈的岩石上，引起其物理的甚至化学的变化。因为岩石圈板块一般刚性和强度大，可以通过它传导力而自身不弯曲。板块之间的相对运动几乎全沿板块边界发生，不过边界自身可以有相当宽度。在这些板块边缘，地球的地质构造受板块之间相互作用力的影响，是大量激烈地质变化的发源地。 板块边缘很清楚地是地震多发带。板块边界和地震发生之间的密切关系通过彩图5.12（见插页）中沿太平洋与北美板块的地震活动图看得很清楚。震中的集中线状分布与大的活动断层，如圣安德烈斯断层，是吻合的。只有少量地震散布在绘出的主要断层之外。大断层带是地壳中的软弱带，板块间的相对运动沿它们发生。沿圣安德烈斯断裂的滑移速率是5厘米/年——这是板块边界大型断裂滑移速率的典型数值。
基于以下4个假设，根据板块构造理论预测板块相互作用及其后果： （1）新的板块物质由洋底扩张产生；新大洋岩石圈沿活动大洋中脊产生。 （2）新的大洋岩石圈构成一个运动板块的一部分；这个板块可能包括、也可能不包括大陆物质。 （3）地球的表面积保持为常数，因此岩石圈的生长须由其他板块的消耗来平衡。 （4）因为板块可以在很长的水平距离上传递应力而不弯曲，板块之间的相对运动几乎全沿它们的边界发生。 70%以上的板块面积被大洋覆盖，诸如太平洋、大西洋和印度洋。地形一般单调的洋底由于海山、火山岛甚至大山脉带的存在而有所起伏。最突出的特征是洋壳被全球活火山脊系统所分割，这里也是重要的地震源区。长期以来令人迷惑的是：这种地质格局是什么原因造成的? 现今的板块构造(如图5.11所示)并非是永恒的，而是经历着缓慢但持续的变化。在大洋中脊所谓发散边界，板块彼此扩散分离开。沿大洋中脊板块边界岩浆持续上涌，从软流圈岩石衍生出的新的板块物质添加给岩石圈。作为新的洋底，这些新产生的岩石慢慢地向洋脊的两侧移动。以这种方式板块彼此分离，好像巨大的传送带以均匀的速度横过表面；岩石随着离开中脊越远而变冷变老。因此大洋中脊也叫扩展脊。 没有哪条洋脊能保持连续的线性延伸，它们被间隔的水平位移所错断(彩图5.13，见插页)。这些错断是由两个地壳块体之间的相对水平滑移造成的，和扩展脊一起，它们构成板块边界。在每个错断的两头，新的洋底沿洋脊出露，使得位错脊两侧的构造板块相对移动，两个板块沿着水平断错边缘向相反方向滑过。因为这个滑移被新洋底的出现而转变，这种滑移就叫做转换断层，它们是许多地震的震源。转换断层的发生是由于洋脊线被错断，为什么会产生一个个错断，其原因还不清楚。
如果新板块不断地产生，老板块将怎样呢？按照板块构造原理，一个海洋板块的埋葬地是大陆或岛弧前面的海沟。这些地方叫消减带或俯冲带，表层岩石俯冲插入地球内部。在深处温度、压力增加，沉入的岩石圈逐渐被改造，直至被混合，化学上被深处内部岩石吸收。向下运行的板块可穿过软流圈达到约700千米，但往往是在较浅的深度上就被吸收了。现今非洲、南极、北美和南美等板块在生长，而太平洋板块在缩小。阿留申、日本和安第斯是俯冲板块边缘的地面表现，它们以火山山脉为特征。 大多数板块相互接近的汇聚边界是沿海沟的俯冲带。然而，在有些情况下，两个具有大陆的板块其边缘可顶头相撞，其结果是陆地的挤压和褶皱以及产生大山系（图5.14），诸如喜马拉雅、扎格罗斯地区(西南伊朗和东北伊拉克)和地中海地区(从土耳其到西班牙)的阿尔卑斯山带。这些碰撞都伴随有持续的地震活动。
图5.14来自以色列的精彩实例——原来水平的刚性岩石层在长时期作用的构造力挤压下褶皱 沿保守边界，岩石既未产生也未消灭，而是板块相互侧向移过。这些板块边界似乎常常采取转换断层形式，如加利福尼亚的圣安德烈斯断裂，就是一条很长的介于两个扩展脊之间的水平断错。相邻的板块以高达15厘米/年的速率彼此相对运移。 尽管岩石层板块由海洋和大陆两种岩石组成，一般只有海洋板块会被创生或摧毁。在俯冲带，大陆和海洋物质相遇，但只有海洋板块被俯冲和消减。这是因为，只有海洋板块能被俯冲到大陆或其他海洋板块之下，大陆板块由较轻物质组成，它如同筏子一样，总是浮在表面。 海洋板块相互分离的速率一般是通过观测大洋中脊两侧的地磁条带的间距而决定的。往往每过几十万年，地球磁场的南北极性就发生反转。洋脊的岩浆一边扩展一边固化时，洋底就记录下了一系列具有不同极性的地磁条带。因为地磁南北极性各次反转的年代已被相当精确地测定，所以可以从地磁条带的宽度确定海洋板块扩张的速率。 这些地磁观测显示板块分离的速率在过去几百万年中各不相同：由横过北极洋脊的1.2厘米/年的低速率到太平洋和纳斯卡板块间东太平洋中隆的16厘米/年的高速率。具有稳定内部的板块在深海沟汇聚，沿南智利海沟南极板块下冲到南美板块之下的汇聚速率仅为2厘米/年，而沿印度-澳大利亚和太平洋板块边界的汇聚速率达11厘米/年。然而，在远离海洋和深海沟的地方，特别是当板块运动使大陆碰撞时，大陆壳与岩石圈会拆离并堆垒成山脉和宽阔高原，如喜马拉雅山脉和西藏，在这些地方的磁测对于判定板块运动学状况就力不从心了。 虽然度量板块运动的通常方法对大洋板块往往是成功的，但由刚性板块被窄构造边界分开的简单模型并不能很好地描述所有的变形。例如在印度洋赤道区内发生的大地震就远离板块边界。而对这些地震的地震矩的估计表明，能量的释放大大超过沿典型板块边缘转换断层（例如圣安德烈斯断裂）大地震的能量释放。因此，从这个和其他地质证据表明，印度-澳大利亚板块不是单一的刚性系统，而是内部具有裂谷的（实际上，现在科学家把印度板块和澳大利亚板块分为两个板块——译者注）。 原则上，板块的现今运动能由确定板块边缘断层的滑移速率而推断出，现实的问题是，大陆和大洋岩石圈板块边缘都有上百或甚至上千千米宽，以致难以分辨出板块相对变动，当然，还有一些板块边界是难以到达和测量的。 了解构造板块的详细运动情况，现在已经通过空间卫星测量广阔板块边缘上的相距甚远的点之间的距离加以解决。其方法是基于无线电天文学和卫星追踪。为这一目的，最广泛被采用的卫星系统是全球定位系统或GPS，它使用高轨道(20 000千米)一族每天环绕地球两周的卫星。从这些卫星广播出的信号说明它们的时间和地点。地面GPS接收站与每一卫星之间的距离由传播信号的时间来估计。GPS的多台接收器与多卫星之间的距离可使接收器位置能用简单三角测量法估计准确到几米范围，很像是用P波和S波的三角测量法确定地震震中那样。当应用GPS台网时可降低误差，相对位置计算的误差降到几厘米或更小。可以期望，由于这种高度准确性，未来10年能更精确地解决板块之间和边界带内相对构造运动问题。 当谈到以板块构造理论预测断层滑移的方式时，主要是指用地震学和地球大洋地壳岩石的磁性的证据解释板块沿大断裂的运动，使怀疑者信服板块构造原理的正确性。地震学证据还揭示了不同类型板块边界有不同的震源机制。 环绕世界的大洋中脊系统被转换断层错断，地震台记录的转换断层地震P波表明，这种地震大多数情况下是由走滑反弹产生的。对全球上千条这种转换断层的这种遥测使人们了解到，洋脊总是由这类断裂与别的洋脊或俯冲带相联，这种水平走滑运动携带扩展板块从洋脊离去，正如板块构造原理所要求的那样。 俯冲带倾斜的地震区可延伸到约700千米深处（图5.15），地震研究表明，这种地震区震源机制与洋中脊的完全不同。俯冲带震源机制有几种情况，都与俯冲板块向下推进时板块的几何形状和运动状态有关。当岩石圈仍处于俯冲板块的浅部时弯曲成弧，引张力把岩石彼此拉开，产生正断层。当俯冲到深部时，板块的下沉受地幔岩石阻挡，板块受挤压力作用而变形。挤压力把两岩石块体推挤到一起，产生地震的主要机制是逆冲断层。所有这些地震的发生表明俯冲岩石圈具有足够的脆性，然而在深度650～680千米以下没有探测到任何地震，可能是俯冲板片完全被融合到地球内部岩石中去了，或是深部温度较高使之足够软化，只能柔性变形，不能再发生脆性断裂地震。
图5.15沿俯冲岩石圈产生的许多地震(在下沉岩石圈板片附近) 在板块碰撞的地方，如印度板块向南亚推挤，按板块构造原理预测大规模逆冲将建造山脉，如喜马拉雅山。这种预测被沿喜马拉雅山南麓野外地质填图发现许多逆冲断层所证实。沿这些断层的滑移继续反抗着重力的下拉力而推起这条巨大山脉。印度板块沿喜马拉雅山北缘挤入中国西部，这一碰撞把亚洲向东推移，很像钢楔打入未固结的混凝土使软物质挤出一样。水平力驱动亚洲向东，形成上千千米长的东西向的走滑断层。印度和缅甸北边的板块接合部是地球上最强的地震活动区。高原下边有较深源地震发生，表明印度板块向下潜行到了亚洲板块之下。
图5.16冰岛的辛格韦德利地堑是一条裂谷（实际是大西洋中脊出露在海平面上的一部分） 正断层运动产生了起伏的地形和陡峭的岩壁（图左车轮痕迹可作为比例尺） 因为横过一个板块的力的方向是变化的，地震形成机制和地震大小在同一板块的不同部位是不同的。世界上仅有约10%的地震沿大洋中脊系统发生，它们都是浅源地震，所释放的能量仅构成全球地震释放总能量的约5%。相反，发生在板块汇聚边界如海沟上的地震既有浅源地震，也有中源和深源地震，它们释放的能量构成世界地震释放能量的90%以上。最大的地震，如1960年和1985年智利地震，1964年阿拉斯加地震和1985年墨西哥地震，大多数发生在俯冲区域，是一板块向另一板块下俯冲的结果。 大多数现今活动火山位于靠近地球构造板块边缘的相对较宽的地热带，在许多但并非所有情况下，它们的位置集中于主要地震区内。然而，火山作用的主要特征随板块边界类型不同而异。 最大量的熔岩喷发沿大洋中脊发生，那里的板块是分离的。因为热岩浆与较冷的上覆岩石比起来要轻，岩浆因浮力而上升，通过被持续的拉力引张开的板块大裂缝或裂谷上涌。相反的，在两板块彼此滑过的保守边界很少有火山发生爆发，在两大陆板块碰撞的汇聚边界如喜马拉雅，火山也很少。 主要危险区位于汇聚带。那里大洋板块俯冲于大洋或大陆板块之下，火山发生位于上覆板块，距板块边缘几十千米到上百千米。这些火山是由俯冲板片的上表面原洋壳岩石及其富水沉积顶盖部分熔融产生的。因为含水的岩石比干燥的岩石熔点低，这些富含水的岩石在深100千米左右就发生熔融。由下沉板块产生的巨大摩擦热赋予熔融岩石足够的浮力使之上升到地表。汇聚带的典型火山爆发抛出岩石碎块，构成火山产物的约45%～99%。火山灰流、泥石流、熔岩流、多发的崩塌及严重的灰雨，都是火山爆发常伴产物。 世界约5%的活火山位于板块内部，一个典型的例子是夏威夷群岛火山链。一种流行的假说认为地球深部核幔边界升起热柱，在地球的软流圈熔融形成岩浆，喷发到太平洋板块的表面。热柱是固定的，而当板块向北西方向移动时把地表老的火山从“热点”上方携带走，新的火山在“热点”上生成，如此下去，直到整个火山链最后形成。夏威夷火山的绝大多数喷发是相当温和的，但另外一些板内火山喷发较强。在地壳上建造如此巨大的火山会在岩石中产生巨大局部应力，这些应力能造成发震断裂，有时能发生相当大的地震。 地震发生的位置和机制现在能用板块构造原理加以研究。地震对调整板块运动的作用从最近在菲律宾共和国发生的破坏性地震可以被清楚地阐明。1990年7月16日星期一当地时间下午4点26分发生了7.8级地震。这一地震的强烈摇动及余震造成至少1 700人死亡和3 500人严重受伤。吕宋中部遭到广泛破坏，在远至240千米外的马尼拉市的建筑也有零星破坏。最严重的破坏发生在偏远的碧瑶（图5.17），那里的房屋建在沿河流的松软冲积物上。此外，饱和着雨水的热带土壤发生大滑坡，埋没了房屋甚至整个村庄，并堵塞了大段公路。
图5.17碧瑶最大的旅馆的两座塔楼在1990年菲律宾地震中倒塌 主震及其余震的直接原因是沿菲律宾断裂和迪戈迪格断裂的滑移。断裂的地表错断起码延续了110千米，因为是山区，使调查者难以到达，所以实际断裂可能延伸更长而未被发现。迪戈迪格断裂南段和北段的垂直错距不尽相同，最大水平位错达6.1米，垂直位错有的地方达2米。 菲律宾岛长期以来遭受地震破坏。米尔恩讨论过1895年吕宋地震中马尼拉的严重破坏。他提醒人们注意菲律宾可能发生大地震，指出那里存在着非常严重的地震危险。研究一下图5.11就解释了为什么那里地震频繁。菲律宾群岛位于世界两大主要构造板块，太平洋板块与菲律宾海板块之间，板缘一条显著的断裂带呈一个大裂谷斜过吕宋、雷特和棉兰佬岛，菲律宾断裂和迪戈迪格断裂就是它的组成部分。过去数十年中，在这个断裂和沿其次生断裂的滑移曾引起许多大地震。 这个断裂带的活动性是由3个主要构造板块相互作用产生的。太平洋板块推挤菲律宾海板块的东缘，迫使菲律宾海板块西缘以7厘米/年的速率沿吕宋海沟俯冲到菲律宾群岛之下。欧亚板块的海洋部分沿吕宋和棉兰佬岛西缘以3厘米/年的速度缓缓向东俯冲。这样菲律宾群岛处于来自东、西方的强大水平应力的地质老虎钳作用之下。在这些力作用下，菲律宾群岛地质构造受到严重畸变和剪切。菲律宾断裂带的作用似乎是使太平洋板块的西北向运动与欧亚板块的东南向运动脱离关系。这两个板块运动速度不同，为了调节速度差的效应，主断层的走向不是与板块运动平行，而是与之斜交。 岛链两侧的俯冲带都产生了深源地震和活火山，使得地质演化变得更为复杂。也许恰是巧合，1990年迪戈迪格地震后一年，皮纳图特火山爆发了。这一火山已休眠了400多年，这一猛烈的爆发使岛上及克拉克空军基地都造成巨大损失，该基地离震中180千米，离火山50千米。1990年的菲律宾地震没有预报，但皮纳图特火山从4月2日开始的一系列小的喷发导致至少58 000人在6月15日喷发高潮前撤离，虽然有320人死于火山活动。大多数是由于火山灰覆盖屋顶垮落造成，事先的警报和防范无疑避免了更大的生命和财产损失。 板块构造的一般原理能很令人满意地解释地震分布的最显著特点和震源机制的总体特征。然而，许多地震，包括一些大地震，发生在远离板块边界的地方，而板块构造原理并没有对这些板内地震提供现成的解释。内陆地震活动发生于除格陵兰和南极以外的所有大陆。追溯到16世纪的地震目录，至少记载了地壳中15次主要地震，它们发生在一般会被认为是稳定的地区。悠久的中国3 000年的历史记录中记载了该区的破坏性地震，这些板内地震远离喜马拉雅碰撞带和西藏，也远离东部大陆边缘的俯冲带。欧洲过去许多世纪中也记叙过板内强震。一个著名例子是1356年发生在靠近巴塞尔的一个地震，它成为许多回忆和绘画的主题，根据描述，地震大小现在被估计为7.4级。 另一显著例子是1556年袭击中国内陆的灾难性地震，发生于那年的1月23日，在陕西省靠近古都西安，造成巨大的、地震史上绝无仅有的生命财产损失，中国的官方记录估计因各种原因死亡83万人，如此巨大的死亡人数其可靠性令人有些怀疑。在人口密集地区许多人生活在山边黄土窑洞中，窑洞抗震能力很差，而且地震发生于人们仍在沉睡的早晨5点。地震发生后，犯罪、饥饿和流行病的发生可能导致更多人死亡。 另一个特大板内地震震例是1819年发生于印度西北部的库奇兰恩地震，对此史籍有相当详细的描述。这是库奇许多强震中最近的一个。该区是一个山丘岛屿地区，与大陆之间有广阔的无人居住的盐滩相隔。这次地震在库奇造成1 500多人死亡，远至加尔各答仍有感。一些效应极为引人注目，出现了一条3米高的悬崖，从东到西延伸约25千米；被当地人命名为“神墙”。新瑞堡垒曾位于高地上，但震后发生下沉以致士兵只得乘船从塔楼上逃出(图5.18)。当时对断层长度和位错的细心测量使得近代有可能计算这个地震的地震矩。其矩震级为7.8，仅比已知的最大板内地震1811年和1812年新马德里地震小一点。
图5.181819年库奇兰恩地震前高耸的新瑞堡垒（a）及19年后的情况（b） 莱依尔经典名著《地质学原理》1853年版中的一幅木刻 约180年前，在靠近密西西比河肯特基和密苏里边界一个拐弯处发生过3次强震(见图7.1)。地震发生的日期为1811年12月16日、1812年1月23日和2月7日，震级为8.2、8.1和8.3。这些是在美国记录到的最强地震，而最近的板块边界却在1 000多千米以外。自从本世纪初地质学家首次详细研究地震以来，对为什么在稳定大陆内的一个地区能释放如此巨大的能量开展了研究，但缺乏地表断裂，阻碍了科学研究，因为无法寻找弹性回跳的证据。 最近的研究可能找到了一个答案，即主要是在美国中部通过区域地震台网精确定位，研究小震的位置，然后应用板块构造的一般原理试图解释。这项工作得到一个结论，认为靠近所谓的密西西比湾，北美板块被老的海岸岩石中的一个主裂谷切开。密西西比河湾是一平坦区，河流呈低水系格式，河道旁有废弃的河曲。不像位于北美西部板块边缘的圣安德烈斯断裂附近有突出地表地貌表现，密西西比河湾下的断层深埋于一个古代海底上的河泥和海洋沉积之下。 无疑，诸如陕西、库奇和新马德里那些大的板内地震是从板块边界横过整个主要是刚性的板块的应力转移的结果。密西西比地震的情况是应力从太平洋边缘向西和从中大西洋脊向东传播一路到大陆中心。在密西西比河湾，小地震震中沿3条断裂线分布，它们可解释为3条深埋的断裂。一条断裂走向东南，从新马德里城到西北田纳西地区；另一条较长的断裂延长100多千米，从密苏里突然终止于蒙菲斯，进入东北阿肯色以北60千米的靠近蒙菲斯北60千米的马克德树；第三条断裂带从第一条断裂走向北，在接近伊利诺斯州的开罗结束。沿这3条断裂的地震的浅源意味着断裂是老地质裂谷系的残余，与中央脊的扩展中心相似。 地震机制也提供了了解现今和过去构造应力的线索——在新马德里的情况应力扰动了稳定的北美大陆壳。这些机制一般意味着东西向挤压应力的存在，有时造成走滑地震，有时是逆冲断裂。这些从地震学得到的结果，与大地测量和在地表岩石中直接测量的应力是一致的。三种方法所得结果表明横过美国中部普遍受挤压。在密西西比湾之下的老裂谷系中的断层可能再活动。对于为何发生再活动的问题的答案至今还是推测性的。 板块格架的巨大规模和板块扩展的稳定速率，意味着沿一板块边缘运动状态几百年时间里平均值应该近似为一常数。这样，沿同一海沟相隔一些距离的两处滑移造成地震时，我们可以预期在长期过程中，两处的滑移应该具有相似性。这个概念意味着，主要板块边界历史上的板块运动模式和大地震的时间间隔，至少可以粗略地为未来将发生的大地震提供一个预示。 对这个地震学预报思路，我们将用阿拉斯加—阿留申弧板块边界的例子加以说明。图5.19中把一些最近发生的大地震震级都标在图上，岛弧的许多段落都已发生过地震，因而被覆盖（由虚线勾画出）。然而那里余留一些“地震空区”，这些地区最近一直还没有发生地震，因此可能在将来板块突然滑移时而发生大地震。
图5.19沿阿拉斯加—阿留申弧的地震空区1930～1979年的浅源地震(附大致的震级) 箭头表示太平洋板块相对北美板块的运动方向 在图的中央是舒马金空区，在1788年，1847年和1903年（？）都有破裂证据。在弧的北边亚卡塔加段落是1899年一次地震的震源。测量表明，北美板块以约1.6厘米/年的速率向北15度西方向俯冲汇聚，大致垂直于阿拉斯加。自1980年以来在这些地震区曾测量过地面标志之间距离的变化。按照地震空区原理，基于以上证据，这两个地震空区可能是沿阿拉斯加弧下一个大逆冲断裂地震发生的地点。然而，测量工作在舒马金空区没有探测出任何显著的地壳变形，一种推测性的解释是：俯冲是幕式的，即长期的缓慢应变积累和偶然的快速积累二者相间发生。在亚卡塔加空区，测量表明岩石的应变速率与板块汇聚预期值相等，这样，下一次地震可能按通常间隔期发生。 在加利福尼亚，在沿圣安德烈斯断裂于1906年地震滑移的断裂南端和1857年的铁钟堡滑移的断裂的北端之间有一地震空区。地震空区的另一实例是第7章将讨论的悲剧性的1985年墨西哥地震，墨西哥的太平洋边缘的俯冲带造成了该地震。较小规模的洛马普瑞特地震也将在第7章讨论，该地震可能也较好地符合地震空区原理。在地震前，在旧金山以南沿圣安德烈斯断裂小地震震源分布显示了以洛马普瑞特为中心约60千米长的地震稀少的空区，该空区与主震和大量余震的震中区几乎重合(图5.20)。 然而，应用地震空区原理时不能简单化，必须小心，因为已知事实表明会有例外。例如，1979年在加利福尼亚的帝国谷发生的一中强地震是由沿帝国断层的能量释放产生的，它与1940年较小地震时观察到的滑移在同一段落，而不是在空区内，因此不能排除同一断裂上发生地震的快速重复。
图5.20沿圣安德烈斯断裂旧金山以北至帕克费尔德以南地段地震剖面 上图是洛马普瑞特地震以前20年期间的背景地震，可以看出，圣安德烈斯断裂 在圣胡安—巴蒂斯塔以北基本上无地震。已发生的少数地震勾画出一个U形的 洛马普瑞特空区。地震及其余震几乎完全填充了那个空区(下图) 在地球表面移动的板块能为地球的许多地震活动提供一个解释。相邻板块碰撞时一个板块俯冲到岛弧之下造成俯冲带上的破坏性地震；沿洋中脊扩展的张裂地震，这些都是地壳岩石大规模应变并造成相关的破裂的机制。因此，在这些构造边缘发生的地震叫板块边缘地震。灾难性的地震带，如智利、秘鲁、东加勒比、中美洲、南墨西哥、加利福尼亚、南阿拉斯加、阿留申、库页岛、日本、中国台湾、菲律宾、印度尼西亚、新西兰和阿尔卑斯—高加索—喜马拉雅带都属于板缘类型。 一条清楚界定的板缘构造活动带，以高地震活动性、年轻山脉、火山和海沟为特征，沿秘鲁—智利海岸从委内瑞拉至智利南部蔓延7 000千米。这条带中地震可能很大并具有破坏性。 1970年5月31日当地时间下午3点23分，秘鲁钦博特城西约25千米在海沟下面约5千米深处一断裂发生破裂，发生一次震级7.75的地震。这个破裂导致西半球至今经历的最灾难性的地震灾害。灾害的范围几个星期后还不完全清楚，因为救援和救济队伍被安第斯山的山崩封闭道路和阻滞交通而延误。在秘鲁中西部的75 000千米2内有50 000多人死亡，50 000人受伤，大约200 000家庭和建筑物被毁，800 000人无家可归。在极震区(显著破坏的区域)100 000平方千米内许多村庄几乎完全被毁。目击者说地震开始时轻轻摇晃，然后振动加强，持续了30～60秒或更多一些。 最严酷的后果是瓦斯卡兰山峰北侧的山崩，50 000 000多立方米的岩石、雪、冰和土壤从山上滑移了15千米推向云街镇。估计崩滑速度为320千米/小时，越过了高达140米的山脊，重达几吨的砾石越过山崩的边缘被抛出1 000米。至少18 000人被埋在崩落的岩石之下，阮拉该尔喀城和云街镇的大部分被掩埋（图5.21）。 有关瓦斯卡兰山崩的最生动的描述是后来由喀隆凡尔德（Casaverde）给出的。他是秘鲁地球物理研究所的地球物理学家，碰巧他正在去云街镇的途中： 当我们驶过墓地时汽车开始摇晃，直到我停车时我才意识到我们遭遇了地震。我们立刻从车中出来，观察我们周围地震的效应。我看到几家住宅和跨小溪靠近墓地小山的小桥倒塌了。我估计是当地震摇动后约半分钟至3/4分钟后开始崩塌的。我还听到从瓦斯卡兰传来了巨大的呼啸声。向上看去，我看见尘云升起，大块岩石和冰从北峰碎裂崩落下来。我瞬时的反应是跑向位于150～200米以外的墓地山高地。我一面跑，一面注意到在云街镇还有其他许多人也跑向墓地山。在上山的约半路至3/4处，我朋友的夫人绊倒了，我转身过去把她扶起来。
图5.211970年5月31日秘鲁大地震引起的瓦斯卡兰山大块岩石和雪崩落对云街镇的摧毁情况 （a）地震前的云街镇；（b）地震后云街镇被掩埋 崩落的岩土坡脊部有一卷曲，像是从海洋来的大的激浪，我估计波浪至少80米高。我观察到云街镇上百的人们向四面八方奔跑，它们中有许多人是跑向墓地山的。过了少许时间，又是一阵持续的呼啸和隆隆巨响。我到达接近山顶的高处时，碎石流已经冲到了山脚，我可能仅仅提前了10秒钟而逃离。 大约在同时，我看见一个人刚好在山下几米处，他携带着两个小孩正为了活命而逃向山顶，然而碎石流把他席卷下河谷，他们消失了。我还记得在我后面不到几米有两个女人，但再也没有看到她们。我环顾四周，数了一下有92人跑到山顶而得救。这是我一生经历的最可怕的事情，我永远不会忘记。 摇动也造成相当的灾害，特别是沿岸的钦博特和卡斯马，以及内地直到150千米的城镇，那里的大多数砖坯房屋建筑遭到毁坏或严重损害。有幸的是沿海岸线没发生海啸。 受图5.19的地震空区实例启示，当对岩石圈板块的运动状态和速度有较好的理解时，板缘地震的长期预报是有可能实现的。在活动岛弧，如日本岛弧，有可能应用大震历史知识对弹性应变释放的状态填图和预测。这个问题将在第8章讲地震预报时进一步讨论。 |
