5．4 地震

    地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能量于瞬间释放时所引起的地球快速颤动，从而引发大小不等、形式多样的地震活动。按震源深度，地震一般可分为三类，即浅源地震，中源地震和深源地震。破坏性巨大的浅源地震往往发生于板块内部，特别是发生在陆壳板块的内部，被认为是各种断层突发性活动的产物。中国境内发生的地震多属于前者。而后两种多被认为主要只与板块作用过程有关，尤其是与板块边缘的俯冲、碰撞过程密不可分（图3－17）。

    岩石圈板块的运动有两种类型，一种是陆-陆碰撞，即碰撞发生于两个大陆板块之间；另一种是洋-陆俯冲，即在大陆板块和大洋板块之间进行。在陆-陆碰撞的情况下，地震主要沿着碰撞板块的缝合带边缘分布，发生于碰撞形成的断层带内（图3-17a）。由此引发的地震多为浅源地震，也有少量的中源地震发生。在洋-陆俯冲的情况下，洋壳板块沿着海沟带往大陆板块下部俯冲，并一直下插到地幔深处。在俯冲板块的不同部位，应力分布的状态是不相同的：俯冲板块的后缘处于相对拉张的构造环境，中、前部则受到强烈的挤压。在这种情况下，全部三种震源深度的地震都有可能发生（图3-17b）。

    此外，无论是陆-陆碰撞还是洋-陆俯冲，在陆壳板块的内部，都会因为构造应力的局部集中而产生板块内地震，这类地震一般多为浅源型。

    由断层活动诱发地震发生的具体过程，可以用断层的弹性回跳模型来解释。Reid在本世纪初（1911）提出：

    1）引起构造地震的岩石破裂是，由于周围地壳的相对位移产生了大于岩石强度的弹性应变的结果；

    2）断层的相对位移一般是在一个比较长的时期内逐渐达到其最大值的；

    3）地震时发生的唯一物质运动是，破裂面两边的物质向没有弹性应变的地方突然发生弹性回跳。这种移动随着离破裂面的距离增大而逐渐变小，延伸距离可以达到几到十几千米；

    4）地震引起的大地振动源于断层破裂面。破裂的初始表面很小，但一旦断层发生滑动，破裂面将迅速地变得很大；

    5）地震时释放的能量在岩石破裂前是以弹性应变能的形式储存在岩石中的。

    总之，由于断层在孕育过程中积累了大量的能，一旦断层发生整体断裂和滑移，被积累的能量就因为断层的运动和变形而迅速释放，从而导致地震。但后来的研究发现，地震并非在整个断层的所有段落上都是同时发生的。因此有人提出了断层闭锁段（the locked section）的概念（Byerlee，1970），认为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段，它（们）在断层开始作整体变形和运移时，只发生剪切应变而不发生宏观滑移，即处于闭锁状态（图3-18）。

    从图3-18中，可以看到，断层闭锁段大致上呈一椭圆形区域，其范围随着断层的活动演化而变化。在开始阶段，由于断层在整体上还没有发生宏观滑移，断层闭锁段的范围也不明显（图3-18a）；此后，随着断层整体滑移量的增加，断层闭锁段的椭圆形区域也随之增大（图3-18b）。但当断层内剪切应力的积聚超过了闭锁段的强度极限后，断层闭锁段即因其自身发生了宏观尺度的快速滑移而消失（图 3-18c）。由于除断层闭锁段外的其他部位在断层运动的全过程中，都是大致做相对均匀的滑移的，故在这些段落，剪切应力也随着断层的滑移而做相对匀速的释放。这样就难以在短期内积聚大量的应力而导致骤发性地震。但是在断层活动的多数时间内，闭锁段并不随同滑移，因此其剪切应变和应力的增长就显著地高于断层的其他部位。而一旦闭锁段被剪断，它又势必于瞬间产生突然的位置回跳，以调整与断层其他部分的空间关系，并因此快速地释放出其积累的弹性应变能。这样一来，以断层闭锁段为中心的地震就成为必然。

    按照这种修正的断层弹性回跳假说，研究得最详细的例子是北美圣安德列斯断层。距今150×106年以来，圣安德列斯断层在整体上一直保持左行剪切的趋势。断层两盘在这期间已相对滑移了约560km，具有大约每年5cm的平均滑移速率。关于断层活动的记录表明，只是在1906年圣弗兰西斯科地震、1994年加利福尼亚地震等几次强震期间，断层闭锁段有明显活动加强的迹象外，在其间的80年左右的时间内，两个断层闭锁段并未随着断层的整体滑移而活动。这成为上述修正模式的有力证据。

    对地震而言，著名的古登堡-里希特（Gutenberg-Richter）公式和大森公式都揭示出在地震频度、震级等参量之间，存在着统计分形分布的规律，因此地震还可能是一种自组织临界现象。培克（Bak）等也进一步指出，大小地震产生于同样的机械过程，Gutenberg-Richter定律正是地震被锁定于永久的自组织临界态的证据（见第十三章）。这种解释为研究地震的机制和预报问题提供了新的思路和判据。但要真正做到准确地预报地震，在相当长时期内仍将是一件任重而道远的事。