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地震九讲 |
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第一章 地震学的起源|第二章 地震波|第三章 地震的仪器监测|第四章 地震的产生|第五章 地壳与板块| |
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第 1 章 地震学的起源
1.4 罗伯特·马莱（Robert Mallet）和1857年意大利的大地震
艺术家对旧金山市政厅于1906年地震和大火灾后惨状的描绘
在过去的500年里，700多万人死于地震，还有数百万人眼巴巴地看着自己的生活来源和地方经济被摧毁。灾难性地震对于日益增长的世界人口来说已成为头等重要的问题之一，驱动着科学家和工程师们去研究它。然而，地震已被证明它不仅是破坏之源，而且也是地质知识之源。对地震波的分析，为地质学家提供了详细的、常常是独一无二的有关地球的信息。研究地震的性质和探索地球的组成及动力学过程两者同时并进。 地震学，即对地震的科学研究，与化学、物理学或地质学相比较，它是一个年轻的学科；然而仅在100年里它在解释地震成因、地震波的性质、地震强度的显著变化以及整个地球的地震活动明显的分区特征（图1.1）等方面取得了显著进步。虽然地震学仅在上一世纪才被公认为是一独立研究领域，然而人们推测地震的成因已有上千年历史。当对这些自然事件早期的迷信让位于较科学的分析时，无情的大地震序列激发了人们对地动原因的缜密思考，直到本世纪早期科学家们才获得了对强烈地动直接来源的现代理解。
图1.11987～1992年全球大地震震中分布图
地球在整个地质时期都经受过地震，文字记载可追溯到过去的几千年。在中国，学者们曾从很早以前的历代王朝文献、文学作品及其他来源得到地震证据。最早的可追溯到公元前1831年的山东省地震，该记载仅提到“泰山震”，但从公元前780年起中国北部的地震记载就已经相当完整了。 这些历史记载如此之详细，以致现代研究者根据它们可了解当时破坏的分布情况，从而得出地震的大小。例如，1679年9月2日的三河地震，是北京附近的最大地震，在121个州府县志中都有记载。当现代的研究者们把建筑物破坏、地裂缝和近震源的其他地质现象以及从远处传来的地面摇动的报告与现今地震进行比较时，他们得出结论，认为该地震大小与1906年美国旧金山地震相似。 尽管中国学者们对地震有详细记载，但是他们对灾难性地动的原因并未达到真知。占主导的想法是把地震与其他自然灾难联系起来，诸如洪水、干旱和瘟疫等，并从超自然的关系中寻求原因。 在古代世界很多地震区人民对地震都有宗教性的解释。对古代地震的许多引喻可在《圣经》和当时其他宗教著述中见到。一些显著的事件，诸如杰里科城墙的倒塌和红海的开裂，曾被那些不迷信超自然事件的人解释为是地震的结果。泽长赖亚（Zechariah）的书中甚至有一节对地震成因——岩石错动的卓越描述：“橄榄山将从中间劈开，一半向东，另一半向西，那里将出现一个大谷；山的一半将向北移，另一半向南移动。” 这一段文章所提示的岩石滑动和地震之间的物理联系直至20世纪末才被人们理解，但是很早以前古希腊人已经对地震成因的物理学理解迈出了第一步。
地中海及其周边国家的地震活动性是很高的，对地震作出自然解释的首次尝试就发生在那里。早在希腊科学发展的早期，其实践者已开始考虑用地震的物理原因取代民间传说和神话提示的神学原因。最早的希腊科学著作作者之一是萨勒斯（公元前580年），他以对磁性的讨论而出名。他的故乡在的米勒特岛，在那里，海的破坏力给他很深的印象，他相信地球是漂在海洋上的，水的运动造成地震。相反，约于公元前526年逝世的安乃克西门内斯（Anaximenes）认为地球的岩石是震动的原因。当岩体在地球内部落下时，它们将碰撞其他岩石，产生震动。另外一个学派的安那克隆高拉斯（Anaxagoras）（公元前428年）认为火， 至少是一些地震的部分原因。 然而这些大胆的希腊解释中没有一个是地震成因的全面原理。第一个这样的论述是由希腊学者亚里士多德（Aristotle）（公元前384～322年）发起的。其论著的重要性在于：他不是从宗教或占星术中寻找解释，诸如地震是由行星或彗星联合而产生的，相反，他注重当时的务实背景。他讨论地震的成因，首先与常见的大气事件类比，诸如雷和闪电；其次与从地球升起的蒸汽和火山活动相联系（图1.2）。像他的许多同时代人一样，亚里士多德确信地球内有一“中心火”，虽然希腊思想家对其原因存在异议。亚里士多德原理认为地下洞穴将像暴风雨云造成闪电一样产生火。这股火将快速上升，如遇阻，将强烈爆发穿过围岩，引起震动和声响。后来对这一理论的修正认为，地下火将烧掉地球外部的支护，跟着发生的洞顶坍塌将导致像地震一样的震动。亚里士多德把地震和大气事件联系起来以及它的火和烟气引起地下地震的观点虽然不正确，但直至18世纪曾广泛地被接受。
图1.2人们对地球内部的早期想象
1678年左右科齐尔（Kircher）认为地球是有许多裂隙的固体球，岩浆和爆发性气体通过管道涌到地表火山口
图1.3赫尔曼·高尔（Herman Galt）的木刻画 该画描绘1556年在君士坦丁堡看到的一颗彗星，被说成是预示两个地震的异兆 对于地面震动的物理解释中重要的一步是，亚里士多德根据它们对建筑物的震动主要是垂向的还是横向的，以及是否伴有气体逸漏，把地震划分为不同的类型。在亚里士多德所著的《气象学》中，他解释了多种不同类型的自然现象，如“下层土松散的地方摇动剧烈，因为它们吸引大量的风”。 塞尼卡（Seneca）（公元前4年至公元65年）在其著作《自然界的问题》中提出他自己的地震成因解释，其原理与他前辈的原理相反。他的著作部分地受到意大利公元63年大地震的启示。塞尼卡推测震动是空气寻路钻入地下通道的结果。当空气受压缩时，产生强风暴，当它们破土而出抵达地面时造成广泛的破坏。 所有希腊人的解释都缺少产生地震所需要的能量的机械力的理论概念。希腊科学研究的优点在于实践者们有好奇心，它引导他们去研究地震分类和成因推测。其弱点是缺乏实验和应用仪器对自然现象作定量的观察。 通过木板印刷的有关艺术家们印象和日记、书信及旅行日志中的记载，给我们提供了许多建筑物毁坏的记录。但是几个世纪过去了，对地质构造运动和地震的关系的理解是缓慢的。由于地质学严重缺乏物理学原理的解释而闭塞停顿。18世纪在伊萨克·牛顿爵士有关波和力学著述的强烈影响下，一个新的时代开始了。牛顿的《数学原理》终于提出了能够统一解释地球上所有的运动，包括地震运动的公式。他的运动定律提供了解释地震波所需要的物理学原理，他的重力作用原理为理解造成地球形状的地质作用力提供了基础。他有关地球潮汐的极有见地的议论：“海的涨潮和落潮是由太阳和月亮的（引力的）作用引起的”，清楚地表明他的工作促成的巨大进展。 然而，古代把地震归因于超自然原因的迷信很难逝去。甚至到1951年一位作者在伦敦皇家学会的哲学汇报中提出“向那些对地震作自然解释而被冒犯的人”道歉。 1 8世纪中期在牛顿力学影响下的科学家和工程师开始发表研究报告，把地震和穿过地球岩石的波联系起来。这些研究报告很重视地震的地质效应，包括山崩、地面运动、海平面变化和建筑物毁坏。例如有人像希腊人一样注意到软地基上的建筑物比硬地基上的破坏厉害。有兴趣的人们开始保存并定期公布地震事件，1840年冯霍夫（Von Hoff）首次发表全世界的地震目录。 甚至当欧洲进入理性时代，科学探索迅速发展的时候，地震仍然往往被归之为超自然原因或仍沿用很早以前希腊学者们所假设的原因。这种对古老原理的依附可以在下面例子中看得很清楚。1951年伦敦被地震摇动了几次，因而被文人们称为“地震之年”。2月8日人们因窗户作响，家具摇晃跑到街上去了。一个月后一个更强烈的震动，使烟囱掉下，建筑物倒塌，教堂钟摇晃。这些事件促使学者向伦敦皇家学会提交50多篇文章。 这些论文之一，题为《地震成因的一些考虑》，其作者是哈尔斯（Hales），他活跃于教会事务，并与在美洲建立佐治亚殖民地的委托管理人有联系。1727年他发表了《植物统计》，是自牛顿的《光学》之后在欧洲发表最早的科学著作，此著作成为“树液在植物中流动”这一模型的奠基石。哈尔斯是一个勇敢和快乐的实验者，他的生动描述都是对牛顿的赞颂。他以自述方式描写1951年3月6日的地震： “我在伦敦的一层住室被震醒，很敏感地觉得床在起伏，地面必然也在起伏。在房子里有含糊的突发噪音，最终空气里传来像小炮一样的大声爆炸声，从地震开始到结束有3～4秒时间。” 哈尔斯关于伦敦地震原因的观点与许多世纪以前经典哲学家所表述的观点是相似的：“我们发现，在伦敦最近的地震中，地震发生前空气往往是平静的，天上出现黑色硫磺云，如果有风，这云可能像雾一样散开，而其扩散可以阻止地震。因为地震可能是由于这种硫磺云内爆发性闪电引起的。硫蒸气平时慢慢地从地球内部上升出来，当涌出量特别大时，可能造成长期干热的天气。当硫磺云和闪电两者都近地表发生时，上升的硫磺气可能着火，并引起地光，首先在地表点燃，并非想象的在深处的爆炸是地震的直接原因。” 一个灾难性地震于1755年11月1日袭击了伊比利亚半岛，这一地震对地震科学研究起了关键性的促进作用。这个地震在欧洲的许多地区都有感，当人们参加宗教仪式时注意到枝形吊灯摇晃。在葡萄牙和西班牙震感强烈，许多其他欧洲国家次之。里斯本建筑物倒伏严重，约6万人死亡，许多人是由于海啸 —— 一连串高度超出高潮水位达十余米的大洋波浪致死的（图1.4）。现代研究确认里斯本大地震的震源位于葡萄牙西南海底一个叫东大西洋隆起的巨大构造上。
图1.41755年里斯本大地震和海啸灾害的绘画 幸存者对里斯本地震的效应有以下描述：首先城市强烈震颤，高高的房顶“像麦浪在微风中波动”。接着是较强的晃动，许多大建筑物的门面瀑布似的落到街道上，留下荒芜的碎石成为被坠落瓦砾击死者的坟墓。 “在一些地方躺着车辆，其主人、马和骑士几乎全被压死；这里是母亲抱着婴儿，那里是盛装的妇女、绅士和工人；有些人的背或腿压断，另一些人被大石头压住胸部；有的几乎完全埋在废墟里。” 水几次冲向塔固斯河并急冲进城，淹死毫无准备的百姓，淹没了城市的低洼部分。随后教堂和私人住宅起火，许多起分散的火灾逐渐汇成一个特大火灾，肆虐3天，摧毁了里斯本的财富。 这个富足的都市，基督教艺术和文明之地的破坏，触动了世纪的信念和乐观的心态。许多有影响的作家提出这种灾难在自然界的位置问题。伏尔泰在其小说《公正》一书中写下了他观察里斯本地震后感慨的评论：“如果世界上这个最好的城市尚且如此，那么其他城市又会变成什么样子呢？” 哲学家卢梭试图寻找怎样对付地震最有利。他设想，如果人们回归自然，生活在空旷的地方，地震就不会伤害他们了。 里斯本地震是最早的现代“地震学之父”之一的英国工程师米歇尔（John Michell）（1724～1793年）灵感的主要源泉。在1760年，虽然他对地震成因还没有得到正确的认识，但那时他写的有关地震的研究报告中已试图用牛顿的力学原理讨论地震动。他相信“地震是地表以下几英里岩体移动引起的波动”。他还把地震波分为两类：迅速的震颤和接着而来的地面波状起伏。这个描述与我们将在第2章描述的确实发生的情况接近。 米歇尔的一个重要结论是，地震波的速度能用地震波到达两点之间的时间来实际测量。在审阅了见证人的报告之后，他计算出里斯本地震的波速约为500米/秒。即使米歇尔得到的数值未必准确，但他首次作出这类计算的贡献不可磨灭。 当欧洲殖民者散布到新大陆时，地震的全球分布特征就被逐渐认识了。很清楚地了解地震发生地区分布相当广阔，并且一般离火山很远。尽管亚里士多德的地震成因取决于火山的理论还在顽固地坚持着，观察者们应该理解它是站不住脚跟的了。 美洲新大陆的欧洲移民们在1663年2月5日首次遭受重大地震。这个地震发生在殖民历史时期较早年代，因此其记录不确切。其中有些相当耸人听闻，叙述山体塌下，森林滑入圣劳伦斯河。最好的报告来自法国牧师，特别是其中几年前穿过经历了最大地质变化区域的那些人。 他们描述的在魁北克三条河附近发生的事件无疑是一次强烈地震，那里大岩崩使河流形成一系列瀑布。沿圣劳伦斯河发生滑坡，并使一些地段河水混浊达几个月。 在新英格兰对该地震强烈有感。在马萨诸塞湾，房屋摇动，物体从架子上掉下来，烟囱震掉。如果同样大小的地震在后来年代里发生，财产损失将更加严重。 当北美居民成熟，并且教育科研机构建立起来之后，相当数量的地震继续发生，促进当地对地震的性质和成因作科学推测。推测者之一是弗兰克林（Franklin），他1748年离开了他的出版事业，将更多的时间献身于科学，可能是受到他的著名的风筝实验证明在暴风雨中有电存在的启示，弗兰克林判断电在引起地震中起重要作用。在这方面他同意亚里士多德2000年前的原理。 1755年11月18日一系列地震袭击了马萨诸塞的开普安。有关叙述记载说主震伴随巨大的吼声而来，地动类似滚滚的海浪，所以必须抓住东西以免跌倒，地震持续时间长达3分钟。这个地震从车萨皮德湾到安那普里斯河都有感。开普安东边200海里的海中，船上水手被地震波袭击时以为是船搁浅了。 在波士顿，墙壁和烟囱倒塌，地面似乎在起伏，“像海上的旋涡”。石头围栏被掀倒，大建筑物被毁坏。当时典型的看法，认为地震是上帝对人类邪恶的不满，人们应作道德上的反省。 相反，哈佛学院数学和自然哲学教授约翰·温索普（John Winthrop Ⅳ）持理性观点并通过他对这个地震的研究，使自己在地震学历史中获得了一定的地位。当感到摇晃时他看着自己的表并判断地震持续了3分钟。温索普试图完成一项艰难任务，通过计算砖从他家烟囱上掉下来用多少时间来求得地震波的运动速度。任务虽困难，但他清楚地描述了他在地震及其余震中的感觉，“像是大地上的小波向前滚动”。 1.4罗伯特·马莱（Robert Mallet）和1857年意大利的大地震 罗伯特·马莱（图1.5）的野外研究为现代地震学奠定了坚实的基础。1857年12月16日在意大利南部靠近那布勒斯的地震为马莱提供了充分研究地震的机会。在他访问破坏地区的3个月里，马莱建立了野外观测地震学的基础，并载入以《观测地震学第一原理》为标题的主要报告，其中可见下列引文： “当观测者首次进入那些被地震摇撼的城市时，他置身于极度混乱之中。漫步于杂乱的石块和瓦砾之上……房屋向各方向倒塌，似乎没有控制规律。只有当找到一些控制点时，整个废墟的整体景观才能看到，然后可以对一栋栋房屋，一条条街道进行耐心的研究，通过分析每一个细节，最终理解到这一外观上的混乱实际上仅仅是表面现象。” 图1.5地震学奠基者之一— —1854年的爱尔兰工程师罗伯特·马莱（1810～1881年） 马莱推动了上世纪中叶开始发展的工程、地质和力学等学科的相互渗透。他的目标是应用物理和工程学原理去探寻地震真正的地质性质以取代迷信。他不仅对达到这一目的作出了很大贡献，而且在其创新性工作的成果中创造了许多描述地震的基础术语，在本书中我们仍将沿用。 罗伯特·马莱是新一代地震学者的首位理想人选。他是一位爱尔兰工程师，因火车站、桥梁和其他主要建筑的优秀设计而知名。他对地震研究的毕生努力是由1830年意大利地震中石柱被扭曲而开始的，他试图解决这一工程问题。 马莱建立一个综合性图书馆，搜集有关地震的书、剪报和杂志，并作出了第一个现代地震目录，超过6 800条，给出地震的位置和影响。从他的目录作出了第一张可靠的标绘着地震预测效应的图件。 马莱还以首次实施人工地震而知名。他在地下引爆炮弹，然后通过观察置放在远处的容器中的水银表面记录波动。用一只跑表记录爆炸和水银表面波动之间经过的时间。从这些观察中，他推断出地震波在不同物质中传播速度不同。人们首次清楚地理解地震波受其通过的不同类型岩石的物理性质的影响。他计算出通过砂质土地的波速为280米/秒，通过花岗岩的波速是600米/秒（事实上这个数值太小了）。 他相信这个地震像尼阿波里坦地震一样是火山爆发产生的，他注意到火山与发生地震的地区很近。尽管这种认为地震起源于火山喷发的想法，现在被证明是错误的，但马莱设想地震波从一点，即从震源开始的思想是正确的。进而，他提出地震波在岩石里类似声波在空气中传播（我们将从第2章中看到这至少是整个故事的一半），然后他得到结论，如果真是如此，地面的初动将显示规则的方向，即都从初始点向外，这样，高处坠落物体的方向或倾倒方向应指向或背向震源，从建筑物裂缝的方向也可推断波前传播方向。马莱通过把这些方向投影回到一个交汇点，试图计算出震源的位置。 我们现在知道，地震发生存在不同类型的波，马莱用坠落物体和建筑物中裂缝去估计地震震源位置是不实际的，特别是建筑物内裂缝主要与建筑结构有关。但不管怎样，马莱是第一个试图通过观测来确定地震位置的先驱，他发明和应用该方法估计尼阿波里坦地震震源深度为10千米。直到50多年以后，随着现代地震仪的出现，震源深度才得以以不同精度加以估算。即使至今，在许多情况下仍有困难。
马莱在地震方面的工作，正值地质工作整体也在蓬勃发展时期，许多国家开始建立专门机构，通过地质构造填图、化石分类和矿物分析去研究地球。对地震知识作出了很多贡献的两个机构是美国地质调查所（建立于1879年）和印度地质调查所（1857年成立）。每一家都发表过所在地区地震的杰出报告，这是他们的许多地震学成就中的一项。 美国地质调查所对地震进行的早期研究之一是，一位有经验的地质学家富勒（Fuller）于1912年发表的对100年前，即1811～1812年初沿密西西比河发生的3次特殊地震的调查结果。1811年12月16日一系列地震开始震撼南密苏里州南部的新马德里地区，持续达1年时间。第一次大地震发生于12月16日，第二次在1812年1月23日，而最强烈的地震发生在1812年2月7日。1811年12月16日至1812年3月16日之间发生了1 870次震动，其中有8次强震，在320千米外的路易斯维尔有感。这一地震系列是不寻常的，因为通常情况下主震（可能有小的前震）之后跟着是一系列小的余震，并逐渐随时间而衰减。 据报道，从新马德里往南至密西西比河沿岸一片3万～5万平方千米的地区都遭到破坏。遭破坏的地区包括田纳西州一部分和阿肯色州东北部。自然工作者约翰·奥都邦（John Audubon）报道过在肯塔基州“地面像湖水面一样波动起伏，地面的波动类似田野里被风吹动的麦浪。”最大的地震曾惊醒白宫里的总统麦迪逊，波士顿教堂钟声响起，辛辛那提烟囱倒塌。 地震后一个显著特征是形成“沉陷地”，一个约240千米长，60千米宽的地区下沉1～3米。密西西比河水冲进沉陷地区，形成新的湖泊、沼泽和支流。田纳西的里尔富特湖就是这时形成的（图1.6）。它12千米长，3千米宽，至今仍然存在。观测者报告说，波的幅度高达许多英尺，冲破土地，留下平行的裂缝。砂从地裂缝中喷出，地面形成裂纹和喷砂口。水蒸气和尘埃充满空气，使得天昏地暗。森林也惨遭浩劫，许多树被折断，许多树由于地面沉降被淹死，也有许多树因根被错断而死。 无论在当时，还是在1912年富勒发表详细研究结果的时候，人们都感到“为什么在大陆内部会发生这样巨大的地震”始终是一个地质学的谜，因为大陆内部与大陆边缘相比较，一般地震少得多。我们现在了解了，这类特殊地震有其地质成因。我们可以估计两个大震之间的时间间隔（约为几千年，见第5章）。经常有一些关于1811～1812年新马德里大震要复发的预报，可惜都没有可靠根据。最近一次这类预报发生在1989年，新闻电视当时广为宣传。虽然本区信息灵通的地震学家提出怀疑的见解，但这个外行的预报还是导致靠近假设的震中区的学校和其他机构关闭。发出的关于几天或几个小时的预报过去了，甚至连微弱的地动也没有发生。
图1.6密苏里州新马德里大地震中形成的里尔富特湖 1899年印度地质调查所发表了一份描述1897年6月12日印度东北部阿萨姆地震的报告，这是人类有详细记载以来的最强地震之一的报告。这份著名地震报告大部分是印度地质调查所所长奥尔德姆（Oldham）写的。后来他由于论证地球内部含有一个大的中央液态核而知名（见第6章）。奥尔德姆的报告在地震研究史中是一个里程碑，因为他非常仔细地描述了广大地区摇动强度，摇动中地面速度的推断，及应用仪器记录得到的地面上升数据。奥尔德姆掌握了清楚的证据证实由于岩石的大规模翘曲和断裂而产生地震的假说。 阿萨姆地震在450万平方千米的地区都有感，在2 3000平方千米区域内几乎全部遭受破坏。死亡人数不到1 000人，这是因为该地区人口密度不大，大建筑物也很少。虽然死亡人数相对较少，但发生强烈摇动的证据相当清楚，震动可能持续不到1分钟，有人曾被抛离地面。地球的垂直加速度如此强烈，以致从地面垂直抛起了大石块，但在地上留下坑穴的周边几乎没破裂。砂质土壤表现得像流体一样，据报告，建于其上的房屋下沉，只剩下房顶还依稀可见。 奥尔德姆也讲述了人们在强烈摇动的地区看到可见波动横过地面，他估计这些波动有1英尺高。奥尔德姆报告说：“从南山嘴的西部和国民外科医生居住区周围1英里距离到曼柯察路，土质为砂质，地表原来相当平整。地震使地面变得像犁耕过似的，草皮被撕破，泥块被抛向不同方向，有些被抛向坡上，有些滚到坡下，有许多地方草皮完全被翻转，以致露出草根。” 致命的滑坡把山坡上32千米距离内的树木一扫而光，松散沉积物形成的地面的突然倾斜产生了许多大裂缝，大片农田里水和砂像喷泉一样涌冒出来，严重影响了震后农民的耕作。一个特殊景观是大断裂向不同方向扩展。据报道，最大的相对地面位移是沿齐庄断裂垂直位错10米，其东侧相对西侧上升。 奥尔德姆最初假设地震原因是，阿萨姆山沿一构造断层向喜马拉雅山脉的深层逆冲的过程中引起的。这一假说也可解释为在逆冲过程中岩石构造的强烈变形引起地震。这一假说的确可能是正确的，可是在他最后报告的结论中却放弃了这一假说，这是由于这一地区人迹罕至，当时地质填图极有限，难以取得足够的野外证据来肯定该假说。然而，不久在西半球发生了一次大地震，那里容易到达，并且该地区已经具备地质观测条件。 理解地震成因的转折点来自对1906年4月18日震撼中加利福尼亚的旧金山地震的研究。因为在这个地区没有活火山，所以地质学家对地震成因的认识没有试图转向古希腊有关地下爆炸、火山激发的概念。此外，1906年地震的震源位于已作过测量的地区，布有作为测量距离和高程所用的标志。这些大地测量结果使有经验的地质学家可以对地面变形进行填图。 为了研究地震建立了州地震调查委员会，由加利福尼亚大学的劳森（Lawson）教授任主席。由劳森召集的科学家们比较了震前与震后的测量数据，并研究观测到的地面变化。他们后来的报告包含的基本原理直至今日仍左右着地震学（在第4章将详细讨论这个原理）。该报告结论说，强烈的地面摇动是由于被劳森称之为圣安德烈斯断裂的大断层突然错动产生的，它是基岩中的一条破裂带，后来测量制图时查明，它从墨西哥边界一直延伸到旧金山以北。断裂中的岩石破碎了，断裂西侧的岩块向北错动了好几英尺。该断裂错动延伸了400多千米，从圣胡安包蒂斯塔直到旧金山以北大约250千米，这个巨大断裂带刚好从金门海峡西 边经过。 该地震的有感范围高达18万平方千米，这表明该地震是如何巨大，有幸的是地震中死亡人数不多，虽然确切的数字至今尚未确定。早期的报告说死亡人数大约为700人，但最近重新估计的死亡人数比原来要高三四倍。 将来类似大小的地震会再次袭击加利福尼亚的大城市地区，所以重温1906年发生过的情况是极重要的。旧金山当时是一个约有40万人口的城市，房屋在一系列狂热建造风潮中建筑，包含老的和新的建筑，它们许多是偷工减料、未加固的或仅部分加固的砖筑物。位于坚硬基础和有牢固地基的良好的砖木结构建筑相对破坏不大。不幸的是，许多建筑物位于市场街头的码头地区，这一地区是在通向旧金山湾沼泽地区的泥质台地上堆积垃圾充填出来的。这些建筑都遭受了严重破坏。相反，当时市区的高层钢结构在摇动中没有发生结构性破坏。19层的斯普克尔斯大楼和当时新建的16层“旧金山日报”大楼都安然无恙。 国家火灾保险委员会于1905年发表了一份报告说，旧金山的火灾是不可避免的： “鉴于地区面积之大，地形之高，普遍未设防，建筑物又高度易燃，几乎完全没有消防水龙设备……以及相对狭窄的街道，潜在灾害是很严重的……事实上旧金山违反了所有安全传统和惯例，它如果不着火才是怪事。” 旧金山地震后随之而来的大火灾在以后的几天里烧掉城市的大部分地区（图1.8），上述委员会的忧患就是可以理解的了。 目击者在震灾之后即刻所见的叙述被记录于国家地震调查委员会的报告中。例如在旧金山负责气象局的亚历山大·麦克阿迪（Alexander McAdie）教授说：“我的习惯是睡觉时把怀表打开，笔记本翻开到当天的页，铅笔准备好，还有一支手电筒。它们按顺序摆放 ——手电筒、怀表、书和铅笔。” 他继续说： “我经历的强烈摇晃持续了40秒钟。醒了之后我记得把分针拨到先前震动最强烈时的部位。”加利福尼亚大学的天文学教授刘施纳（Leuschner）后来说，在旧金山海湾对面的伯克利，“地震包括两部分：第一部分持续了40秒，这是我一边把小孩抱出房子，一边计数估计的。”有兴趣的读者将会在国家地震调查委员会报告中发现许多前人写下的地震时的迷人记述，还可以学习到当类似的大震发生时预计会发生什么。
图1.71906年旧金山地震烈度等值线图
标出地震时同等破坏强度的区域，按修正的麦卡利地震烈度表，高烈度区的黑色线条相当于旧金山断裂的破裂段 调查委员会的地质学家和工程师们为系统地收集信息作出了巨大努力，试图理解地震动的性质和建筑物破坏的原因。一个特别有意思的发现是，破坏并不是沿圣安德烈斯断裂震源向外均匀地散布。破坏集中于几个城市，北起圣罗莎，南至圣何塞，它们都建设于冲积河谷和盆地中，它们的松软土壤增强了振动。加利福尼亚的大谷地的大部分摇动的强度较低，但也有显著例外处，例如在洛斯巴诺斯城内就遭到中等破坏。 伯克利大多数砖烟囱遭破坏后倒塌，几座砖建筑的上部墙壁被震倒，或发生裂缝破坏。城市的一些地区似乎没有遭受破坏，与邻区显著的烟囱倒塌形成明显的对照。例如加利福尼亚大学校园里的建筑物没有遭受严重破坏，没有一座烟囱倒塌，虽然有些发生裂缝。伯克利校园的地震低烈度与湾区南部斯坦福大学校园的高烈度呈鲜明对比，后者以其未加固的砖石建筑而知名，固然该校园比伯克利距圣安德烈斯断裂近得多，但不同的结构和建筑类型无疑在决定破坏程度上也起了很大作用（图1.9）。 在州的首府萨克拉门托，地摇动不很厉害。一位居民琼斯（Jones）先生报告说：“我被地震惊醒，起床和我妻子核实发生了什么。”在距震中相当远处，取得了有关破坏性波能传播多远距离这一关键问题的信息。住在圣巴巴拉以南400千米的道奇（Dodge）先生报告说：“我被房子里的沙沙声从半睡状态唤醒。当时我们没有人意识到那是一次地震。我在床上没有察觉到摇动。”圣巴巴拉的另一居民霍克（Hooker）先生察觉到一个弱震动，然后是一个强震动，“强震动引起窗和门格格作响，窗帘里外摇动。”在第7章我们将论述摇动强度变化的根本地质原因，在第9章讲述它对抗震建筑的作用。 1906年地震的重要教益之一是：虽然它发生在没有建立抗震建筑条例的时代，但大多数建筑幸免地震破坏，而旧金山的破坏大多来自火灾。于是工程师们在震后认识到在地震区什么样的建筑设计类型可以防震。
(a)
图1.81906年旧金山地震后火灾蔓延前后萨克拉门托的情景 （a）4月18日星期三旧金山地震后火势扩展以前的俯视 萨克拉门托大街；（b）火灾之后的邻近市场街
图1.91906年地震以后斯坦福大学未加固的砖石建筑垮塌情景 该处距破裂的圣安德烈斯断裂约8千米
还有一些积极和基础性的成果。其一是在震区详细填绘的地震烈度图，这对评估旧金山湾区现今的地震灾害提供了基本资料。另一有益成果是诞生了美国地震学会，它的成立为了达到以下目标： （1）促进地震学研究，对地震及有关现象的科学研究。 （2）用所有可行手段促进公众震时安全。 （3）让工程师、建筑师、建筑承包商、保险业人员和财产所有者，采取现实的经济的抗震防灾措施，保护公众，使其减轻地震和地震火灾的损失。 （4）通过适当的出版物、演讲和其他手段进行宣传，使公众理解地震之所以危险，主要是因为我们对它的后果没有采取适当的预防。只要充分研究地震的地理分布、历史序列、活动性及对建筑物的影响，抗御震灾是可以实现的。 这些崇高的目标仍是美国地震学会的宗旨，也同样成为工程、建筑和保险机构的宗旨，并反映于世界上其他许多组织的努力之中。大约90年过去了，这些崇高的目标，仍然是我们努力减轻地震对人类威胁的核心任务。 20年代科学家们曾探讨地震活动分布图像是否可能指示未来地震的位置。日本是作出这种地震潜在可能性估计的第一个国家。当时日本地震学已经发展，受过训练的科学家保存着地震记录，日本地震研究所所长大森房吉教授（1868～1923年）曾研究过大地震在本州岛的分布，于1922年写道： “现在东京近邻地区保持地震平静，但距东京平均60千米距离的周围山区地震频频发生，虽然在城里常常明显感到这些地震，但因为该区不属于严重破坏的地震带，并不构成危险。然而随着时间的流逝，目前地震活动区的地震活动将逐渐平静下来，而作为补偿，东京湾可能再度发生地震活动，并可能发生一次强震。这样，一个震源距东京一定距离的地震将产生局部变动和部分破坏。” 这个卓越的预报不正确之处仅在于低估了地震的强度，实际上，该强震在以后很短的时间内果然发生，大森房吉所提出的地区遭到破坏。 大森房吉作出判断后约一年，人们记忆中最灾难性的地震之一发生在相模湾，东京都就位于通向该海湾的盆地中。这个地震按受害最大的地区而命名为“ 关 东地震 ”（图1.10），发生于1923年9月1日约中午时间，当时东京的街道挤满了人。东京大学的今村教授在地震发生时坐在大学地震研究所的地上：
图1.10日本受1923年关东地震影响最严重的地区 “开始时，运动相当慢和微弱，所以我没有把它看作是如此大震的前震。像往常一样，我开始估计初动的持续时间；不久震动加大，3或4秒后我感到震动确实很强，7或8秒过后房屋摇晃到特别大的程度，但我考虑这些运动还不是主要部分……运动强度继续很快地增加，又过了4或5秒钟后我觉得它已达到顶峰。这段时间中房瓦从房顶上散落，声音很大，我怀疑建筑是否能经受得住。” 在城市商业区软土充填地区摇动大大增强了，上城区由于建在坚固土壤上，地面摇动减轻不少。50%以上的砖建筑物和10%的城市里加固的混凝土建筑物遭到毁坏。另一方面16座高层钢格架的建筑未受损。其他建筑受不同程度的毁坏，其中包括由美国建筑师法兰克·劳埃得·赖特建设的帝国旅馆。 赖特的帝国旅馆 赖特设计了250个房间的帝国旅馆，作为向外国人展示的地方。当他居住在在东京建造的华丽大厦时，他感到许多地震并作了记录：“当我设计建筑时，震颤的恐惧一直没有离开我。”他知道他的帝国旅馆所处位置在地震时将遇到特别危险，因为在20米的软泥土上覆盖2.5米顶盖土壤，不是坚固的地基。为了应付这个威胁，他引进了若干创新，包括沿基础墙每隔2英尺建一短混凝土桩，其上支持宽底低地基。赖特相信他的设计将使旅馆在下伏的泥土上漂浮，就像战舰在海上漂浮一样。帝国旅馆不是加固砖墙，而是建了双层墙，在外边两层砖中间浇灌钢筋混凝土。赖特设计的第一层墙特别坚固并很厚；高层的墙逐渐减薄并且尽量少开窗子。没有采用日本人典型的建筑房瓦，因为它们在地震时曾砸死无数人。赖特设置了轻型手工制的绿铜房顶，他还首先注意到建筑物中的机械系统，诸如重锤和电线，这些在地震中可能成为灾害的祸根。为了减轻这种危险，他把旅馆的管道和电线埋在沟里或悬挂，离开建筑，以至任何地震可能将其折曲或搞乱，但不会搞破管子、折断电线。他还想到旅馆前面那映有倒影的美丽池塘，可以作为救火时的蓄水池。它在1923年关东地震后的火灾威胁到帝国旅馆时果真大显神威。 1923年地震破坏了5 000座建筑，但帝国旅馆在受到地震冲击后仍然屹立着，不过建筑物中的破坏和断裂相当严重。现在才知道位于软土壤上的大建筑应该由深埋的柱支撑，而不应该像赖特用的那种短桩柱。用这种短桩柱使得帝国旅馆慢慢地沉入泥和表层土壤，地震时放大了地面运动。然而，赖特采用的许多其他措施被认可，直到现今在地震区理所当然地被采纳。
框图1.1帝国旅馆的构造断面 显示由地基础柱支持着中央支柱使地板平衡以防倒塌
框图1.2东京的250个房间的帝国旅馆早期的设计草图 旅馆在1915年启用，是由美国建筑家法兰克·劳埃德·赖特设计的， 它抗御地震“漂浮在泥土上尤如超级无畏战舰浮在海水上” 虽然震中在东京以外90千米，距横滨65千米，但在这些城市里的火灾，加上风助火势，使城市陷入一片火海。入夜之前东京250万居民中已有百万人无家可归。 东京死亡人数约68 000人，其中许多死于火灾。横滨建筑大部分被烧毁，死亡约33000人，小田原的5 500栋房屋基本上夷为平地，部分是火烧的。在古城镰仓，84%的房屋倒塌。高达10米的海啸巨浪使相模湾周围雪上加霜，进一步被破坏。强烈破坏地区的全部死亡人数几乎达10万人，受伤者人数也差不多约10万人。 日本科学家和工程师以及后来访问过该区的外国专家们对1923年地震的研究具有极大的重要性。在地震时，被任命为帝国地震研究委员会主席的大森房吉正在访问澳大利亚。在东京观察所代理他的是今村，一位具有非凡洞察力的地震学家。大森房吉返回东京后不久就于11月8日逝世了，指导地震研究的重担落到今村的肩上。地震研究委员会立即行动，成立负责破坏性地震的地震、地质和测量以及建筑、土木和工程等各方面的分委员会。各分委员会和政府部门的报告汇总成为5大卷调查报告，包含大地震所有方面的极有价值的信息。 对西方读者们不幸的是，这些极有价值的调查报告是用日文写的，因此它们对地震学和地震工程的影响就相对减少了。后来一些有价值的报告发表了英译本，因此在日本以外的读者逐渐地也可以得到许多科学情报。 这些报告中，记录的大量地震观察中令人惊奇的现象之一是相模湾深度的特殊变化。一个280平方英里的地区下沉了，有一处深达210米，其他地区上升高达250米。在房总半岛和相模湾及东京湾西边观察到许多断裂，这些断裂延续许多千米，显示高达2米的垂向为主的错动。估计地震震级与1906年旧金山地震类似。地震破坏和建筑物倒塌促使了改进抗震设计的深入研究。 今天日本地震学研究竭其全力的重点是研究在本州东海岸发生另一个大地震的可能性，如果这样一个地震发生，它将再次影响人口密度最大的城市——东京及向南到大阪的周围地区。这种关切绝非杞人忧天，日本大多数地区的确笼罩在强震威胁的阴影之下。 第二次世界大战以后，几乎地震学的各个方面都有显著进步。由美国科学家瑞德（Reid）研究1906年旧金山地震奠基的地震成因研究，得到了扩展和加深。我们现在具备一个关于整个地球变形的理论，它可以解释为什么大地震发生于日本和加利福尼亚等一些地方，而加拿大或法国的辽阔原野则没有大地震。这个地质理论也能解释山脉、火山和大洋中深海沟的形成，并说明它们在地球表面的特定分布。这种对地球上相互联系的格架理论认识的形成，很大程度上是与地震学研究分不开的。 我们还将谈到地震如何成为探测地球内部构造和动力学的关键手段之一。确实，我们可以公正地宣称，地震学是探测地球内部的最有效的深部探测器。近年来，通过地震波可以探测出地球内部岩石密度和刚度变化小到10%的变化。这些新研究进展大多依靠层析成像方法，这一方法原来在医疗中常用，要采用大记忆、高速计算机去探求遥测图像。 利用地震波分析，首先必须了解地震波动的性质。穿过地球岩石传播的地震波具有相当的复杂性，是常见的声波、无线电波或光波所没有的。然而正是地震波携带着沿途的地质和构造变化的信息。地震学家越来越熟练地从日益灵敏的地震仪记录的地震波图像中提取这种信息。 科学家已决定在世纪之交建立一个全球地震仪器网，虽然大多数人没有意识到其后果甚至它的存在，但这一观测计划具有的科学历史意义比人们熟悉的一些科学大事毫不逊色。这个地震观测的全球性网络，在近几十年里日益加强，现已成为重大科学成就之一。从这些观测记录中，科学家们已能推测某些地震的成因和地震波传播时通过地球的途径，还能区别天然地震和地下核试验引发的地震。 地震作为自然灾害有可怕的后果，日益严重地威胁着人类居住的安全。寄希望于减轻这些地震造成的危险，预报将要袭击人类居住区和震撼重要建筑物的地震的强度是受到人们极大关注的问题。 |
