北京時間3月11日13點46分左右，日本東北地區(qū)宮城縣北部發(fā)生里氏8.9級特大地震，東京有強烈震感，而且由于地震引發(fā)了海嘯。當(dāng)?shù)仉娨暜嬅骘@示，日本巖手港漂浮著數(shù)十輛汽車，距離震中最近的日本宮本縣已宣布出現(xiàn)“嚴(yán)重傷亡”。據(jù)路透社消息稱，日本首都東京震感強烈，已有數(shù)人在地震中受傷。
地震是自然界最可怕的現(xiàn)象之一。我們通常覺得腳下的地面“堅如磐石”，而且絕對穩(wěn)定。但地震，特別是大地震會在頃刻間粉碎這種想法。
就在不久以前，科學(xué)家們對于地震的成因還只是一些沒有確實根據(jù)的猜測。時至今日，盡管有關(guān)地震的謎團還沒有全部解開，但科學(xué)家們對地震已經(jīng)有了更清楚的了解。
1989年發(fā)生在舊金山地區(qū)的7.1級地震，毀壞了加利福尼亞州奧克蘭市880號州際公路的一個路段。
上個世紀(jì)，地震研究取得了巨大進展：科學(xué)家們找到了引發(fā)地震的力，并研究出可以確定震級和震源的技術(shù)。下一項挑戰(zhàn)就是尋找可以預(yù)測地震的方法，以免地震將人類打個措手不及。
在本文中，我們將了解引發(fā)地震的起因，并探索為何地震會給我們帶來如此嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。
地震
地震是一種可以在地殼中傳播的震動。從技術(shù)角度講，街道上隆隆而過的重型卡車就引發(fā)了一場迷你型地震。你可以在卡車經(jīng)過時感到房子的震動，但我們傾向于認為地震是影響大片區(qū)域（如整個城市）的事件。引發(fā)地震的原因有很多：
火山爆發(fā) 流星碰撞 地下爆炸（如，地下核試驗） 坍塌的建筑（如礦井坍塌）
但大多數(shù)自然發(fā)生的地震是地球板塊運動引起的，我們將在下一部分中進行說明。
我們只能偶爾通過新聞聽到一些有關(guān)地震的消息，實際上地球上每天都會發(fā)生地震。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的統(tǒng)計，每年大約會有3百多萬次地震。那算起來相當(dāng)于每天發(fā)生8千次，或每11秒一次地震！
在1994年加利福尼亞北嶺地震中造成的住宅損失。
在這3百萬次地震中，多數(shù)都是極為微小的地震。根據(jù)概率，許多較強的地震發(fā)生在無人居住的地帶，人們根本感覺不到。只有那些發(fā)生在人口高度密集地帶的大地震才會引起我們的注意。
多年來，地震已經(jīng)導(dǎo)致了大量的財產(chǎn)損失，并奪去了很多人的生命。僅上一世紀(jì)，所發(fā)生的地震災(zāi)難就超過了150多萬次。通常，并不是地震本身奪走人的生命，而是地震引起的人造建筑的毀壞以及隨之而來的其他自然災(zāi)害（比如海嘯、雪崩以及塌方）造成人員傷亡。
1964年阿拉斯加州威廉王子海灣發(fā)生9.2級地震，毀壞許多居民住宅。
滑動的地球板塊
隨著板塊構(gòu)造學(xué)說的發(fā)展，地震學(xué)——研究地震的學(xué)科——終于在二十世紀(jì)中期出現(xiàn)了最大的科學(xué)突破?？茖W(xué)家們使用板塊構(gòu)造論的觀點解釋地球上的大量奇特現(xiàn)象，比如大陸隨時間推移所發(fā)生的明顯運動，某些地域的火山活動以及海底存在的巨大海嶺。
基本原理是這樣的，地球的外層地殼是由眾多板塊構(gòu)成的，這些板塊可以在潤滑的地幔層上滑動。在這些由土壤和巖石組成的巨大板塊的邊界，可以發(fā)生三種不同情況：
板塊可以分離——如果兩個板塊相互分離，滾燙熔化的巖石將從巖石圈下方的地幔層流出。巖漿從表面（多數(shù)是在海底）涌出，這稱為熔巖。當(dāng)熔巖冷卻后，會變硬形成一種新的地殼層材料，填滿縫隙。這稱為分離板塊邊界。
板塊可以相互推動——如果兩個板塊相向移動，通常一個板塊會移到另一個底部。處于下方的板塊會沉降到更低的地幔層，該板塊會在地幔層熔化。在兩個板塊相交的一些邊界，如果兩個板塊都不處在可以移動到另一板塊下方的位置，那么它們會相互擠壓從而形成山脈。相互擠壓的板塊之間的邊界稱為聚合板塊邊界。
板塊相互滑動——在其他邊界中，板塊僅僅是朝不同方向滑動，比如一個板塊向北移動，而另一板塊向南移動。當(dāng)板塊不能在這些轉(zhuǎn)換邊界處直接進行相互滑動時，它們將被緊緊擠壓到一起。在邊界處會形成很大張力。
在這些板塊相交的地方，你會發(fā)現(xiàn)許多斷層，即兩塊巖石向相反的方向移動時在地殼中形成的裂縫。沿斷層帶發(fā)生的地震比地球上任何其他地方發(fā)生的地震要多得多。
斷層
在1976年危地馬拉的埃爾普羅格雷素地震中，由于橫向平移斷層移動而彎曲的一行行莊稼。
產(chǎn)生斷層的最初震動，以及沿已經(jīng)形成的斷層產(chǎn)生的突如其來的劇烈變動稱為主要震源。多數(shù)地震發(fā)生在板塊邊界，因為這是板塊運動張力最強的部分。地震會形成斷層帶，即相互交織的斷層組。在斷層帶，由一個斷層釋放的動能可以增大周邊斷層的壓力（潛在能量），導(dǎo)致發(fā)生其他地震。這就是短時間內(nèi)一個區(qū)域可能發(fā)生多次地震的原因之一。
根據(jù)斷層面（即巖石的裂縫和兩塊巖石運動過程中產(chǎn)生的裂縫）位置的不同特征，科學(xué)家將斷層分為四種類型：
在正斷層中（查看下面的動畫），斷層面幾乎是垂直的。上盤（位于平面上方的巖石塊）推動下盤（位于平面下方的巖石塊），使之向下移動。反過來，下盤推動上盤使之向上移動。由于分離板塊邊界的拉力，地殼被分成兩半，從而產(chǎn)生斷層。
逆斷層中的斷層面也幾乎垂直，但上盤向上移動，而下盤向下移動。這種類型的斷層是由于板塊擠壓形成的。 沖斷層與逆斷層的移動方式相同，但斷層帶幾乎是水平的。在這類同樣是由擠壓形成的斷層中，上盤的巖石實際被向上推移至下盤的頂部。這是在聚合板塊邊界中產(chǎn)生的斷層類型。
在平移斷層中，巖石塊沿相反的水平方向移動。正如轉(zhuǎn)換板塊邊界中所述，地殼塊相互滑動時形成這些斷層。
在所有類型的斷層中，不同的巖石塊緊密地相互擠壓，在移動過程中形成很大摩擦力。如果這種摩擦足夠大，這兩塊巖石將咬合，因為摩擦力使它們無法相互滑動。在這種情況下，來自板塊的力量繼續(xù)推動巖石，從而增大施加在斷層上的壓力。
如果這種壓力大到可以克服摩擦力，巖石塊將突然向前運動。換句話說，當(dāng)構(gòu)造作用力推動“咬合”巖石塊移動時，積聚了潛在的能量。在這些板塊最終移動時，這些積聚起來的能量變成了動能。一些斷層的變動在地球表面形成了明顯變化，但也有一些巖石的變動發(fā)生在地表以下的巖石中，因此無法形成地表斷裂。
1976年危地馬拉地震形成的變形火車軌道
地震也常常發(fā)生在板塊中央。事實上，美國有記載的一系列強力地震就發(fā)生在北美大陸板塊的中央。1811年和1812年這些地震襲擊了幾個州，其震源位于密蘇里州。在二十世紀(jì)七十年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了該地震的可能來源：一條深藏于多層巖石層下面的斷層帶，它已經(jīng)存在了6億年之久。
震波
當(dāng)?shù)貧ぶ邪l(fā)生突然斷裂或變動時，能量會以地震波的形式進行傳播，就好像在被攪動的水體中，能量以水波的形式逐漸擴散。在每次地震中，都存在幾種不同類型的地震波。
1964年阿拉斯加地震中，由震動造成的建筑物損壞
體波在地下傳播，而地面波則在地表傳播。因為地面波（有時稱為長波或簡單稱為L波）會導(dǎo)致最激烈的震動，所以是造成大多數(shù)地震災(zāi)害的原因。地面波源于傳播到地面的體波。
主要有兩種類型的體波。
縱波，也稱為P波或壓縮波，速度大約為每秒鐘1.6至8公里，具體取決于它們通過的物質(zhì)。這個速度大于其他波的速度，因此P波最先到達表面位置。它們可以穿過固體、液體和氣體，所以能完全穿透地球的球體。當(dāng)縱波穿過巖石時，會來回移動細小的巖石顆粒，將它們分開隨即再推回到一起，方向與波行進的方向一致。這些波到達地表時，通常會引發(fā)巨響。
橫波，也稱為S波或剪切波，它們的到達時間要比縱波略遲。當(dāng)這些波移動時，會向外推動巖石顆粒，推動的方向垂直于波的前進方向。這就造成了地震的第一階段搖動。與縱波不同，橫波不是直接穿過地球。它們只能穿透固體物質(zhì)，因此會在地核中的液體層停止。
兩種體波都能沿著地球傳播，并能從地震點在地球背面的對應(yīng)點上檢測到。在任何時刻，都有若干條非常微弱的地震波在地球中移動。
地面波類似于水波，會在地球表面上下移動。這種波動通常會導(dǎo)致最嚴(yán)重的破壞，因為波的運動會毀壞人造建筑的低級。地面波是所有波中移動速度最慢的，所以最劇烈的振蕩通常是在地震快結(jié)束時到來。
查明震源
1906年發(fā)生的舊金山地震中，一堵在平移斷層上的圍墻。
在上一部分中，我們了解到有三種不同類型的地震波，這些波以不同的速度行進?？v波和橫波根據(jù)所穿過物質(zhì)的成份不同，精確速度也隨之變化，但這兩種波之間的速度比在任何地震中都保持相對恒定?？v波通常比橫波快1.7倍。
利用這個速度比，科學(xué)家們可以計算地球表面上任意點和震源（即生成震動的斷裂點）之間的距離。他們使用指示不同波的地震儀來實現(xiàn)這一目的。若要查明地震儀和震源之間的距離，科學(xué)家們還需要知道震動到達的時間。有了這些信息，他們只要記錄兩種波到達的時間差，然后核對一個特殊表格，就可以根據(jù)延時長短，推算出震波經(jīng)過的距離。
如果你從三個或者更多個點來收集延時信息，那么就可以通過三邊測量法計算出震源位置?；旧希灰诿颗_地震儀所在位置周圍畫一個虛構(gòu)的球，以測量點為球心，以測量點到震源的測量距離（我們稱之為X）為半徑。圓的表面包括距離地震儀X公里的所有點。那么，震源一定是在該球上的某個位置。如果根據(jù)兩個不同的地震儀畫出兩個球，你就會在它們的相交處得到一個二維圓周。由于震源必須沿著兩個球的表面，因此所有可能的震源點都位于這兩個球相交而形成的圓上。第三個球只與此圓相交兩次，指出兩個可能的震源點。因為每個球的圓心都在地表，所以其中一個點將位于空中，剩下的那個點就是震源位置。
評估震級和烈度
每次新聞中播報大地震消息，你可能都會聽說里氏震級指數(shù)。你可能還聽說過麥加利震級指數(shù)，雖然人們不常說起此種震級。這兩種震級評估從兩種角度說明了地震的力量。
在委內(nèi)瑞拉加拉加斯發(fā)生的里氏6.6級地震所造成的破壞。1967年發(fā)生的地震，導(dǎo)致240人喪生，并造成5千萬美元的財產(chǎn)損失。
里氏震級用來評估地震的震級，即地震所釋放出能量的大小。震級是通過地震儀搜集到的信息計算出來的。里氏震級為對數(shù)，即以整數(shù)的十倍增加。在這種情況下，增加的是波幅。也就是說，6級地震中的波幅比5級地震中的波幅大10倍，而9級地震的波幅比7級地震的波幅增加了100倍。所釋放能量在這兩個數(shù)值間增加了31.7倍。
當(dāng)前使用里氏震級記錄的最大一次地震是9.5級，不過在地球的歷史上肯定還有更強烈的地震。大多數(shù)有記錄的地震都低于里氏3級。這些人類通常感覺不到的震動，稱為微震。一般說來，里氏4級以下的地震都不會造成太大破壞。大地震主要是指7級或7級以上的地震。
1964年在阿拉斯加州安克雷奇市發(fā)生的威廉王子海灣地震，對一所學(xué)校造成的破壞。在這場記錄為里氏9.2級的地震中，有131人喪生，并造成5.38億美元的財產(chǎn)損失。
里氏評估只是為你提供了地震所造成實際影響的大致概念。正如我們所見，地震的破壞力根據(jù)某一區(qū)域的地表成份，以及人造建筑的設(shè)計和位置不同而有所變化。破壞的程度按照麥加利震級進行評估。麥加利評估是以羅馬數(shù)字給出，很大程度上建立在主觀詮釋的基礎(chǔ)上。一場僅有部分人能感覺到震動，并且沒有嚴(yán)重財產(chǎn)損失的低強度地震，被評估為II級。只有導(dǎo)致建筑摧毀、地面斷裂，或引發(fā)其它自然災(zāi)難（如塌方或海嘯）的地震，才應(yīng)用最高的XII級。
1964年日本新瀉市發(fā)生的7.4級地震所帶來的破壞。
地震發(fā)生后，科學(xué)家們將不同地震臺的數(shù)據(jù)進行比較，很快就可以確定里氏震級。另一方面，在調(diào)查人員與大量目擊者交談，從而查清地震中發(fā)生的情況后，才能確定麥加利震級。他們在了解破壞范圍之后，就會運用麥加利標(biāo)準(zhǔn)來做出適當(dāng)?shù)脑u估。
液化在某些區(qū)域，嚴(yán)重的地震破壞是土壤液化的結(jié)果。在適當(dāng)條件下，地震的猛烈震動會使松散擠壓在一起的沉積物和土壤像液體一樣流動。當(dāng)建筑物或房屋建造在這種類型的沉積物上，液化將會使建筑物更加容易倒塌。建造在松散地面物質(zhì)上的高度發(fā)達地區(qū)，即使在發(fā)生相對輕微的地震時也會遭遇嚴(yán)重破壞。液化還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的泥流，最近在中美洲發(fā)生的類似地震奪取了許多人的生命。實際上，在這種情況下，泥流才是最重要的破壞力，將奪走成百上千人的生命。
災(zāi)后處理
我們現(xiàn)在對地震的了解要比50年以前多得多，但是我們對它仍然束手無策。地震是由強大的基礎(chǔ)地質(zhì)運動造成，人類完全無法控制。而且這些運動相當(dāng)難以預(yù)測，因此現(xiàn)在無法確切告訴人們什么時間會發(fā)生地震。第一道被檢測到的地震波會通知我們，更強大的震動就要到來，但是這充其量不過提前幾分鐘為我們提供了警告。
1964年在阿拉斯加州安克雷奇市發(fā)生的威廉
王子海灣地震，對市區(qū)造成的破壞情況。
根據(jù)地球板塊的移動和斷層帶的位置，科學(xué)家們可以判定哪里可能會發(fā)生大地震。通過查看某一地區(qū)的地震史，并沿斷層帶檢測何處壓力正在逐漸增強，科學(xué)家們還能做出大體推測，某一地區(qū)何時可能會發(fā)生地震。這些預(yù)報非常含糊，但數(shù)十年來一貫如此?？茖W(xué)家們對余震的預(yù)測比較成功，這些是在初震之后再度發(fā)生的地震。這些預(yù)報是在對余震進行廣泛研究的基礎(chǔ)上做出的。沿一個斷層發(fā)生的地震，有可能引發(fā)與該斷層連接的其他斷層發(fā)生地震，地震學(xué)家可以對此做出比較準(zhǔn)確的推測。
另一個研究領(lǐng)域是巖石物質(zhì)和地震中磁荷和電荷之間的關(guān)系。一些科學(xué)家已經(jīng)做出假設(shè)：恰恰在地震發(fā)生前，這些電磁場會在某個方面發(fā)生改變。地震學(xué)家還在研究氣體滲出和地面傾斜，這些都是地震的預(yù)警信號。但在極大程度上，他們不能用這些預(yù)報可靠地預(yù)測地震。
那么，對于地震我們可以做些什么？在過去的50年中，主要的進步體現(xiàn)在準(zhǔn)備工作上，尤其是在建筑工程這一部分。1973年，一套用于建筑結(jié)構(gòu)的國際標(biāo)準(zhǔn)《統(tǒng)一建筑規(guī)范》，增添了對抗震波力的建筑規(guī)范。其中包括加強支撐材料以及設(shè)計建筑物，從而使它們?nèi)犴g到足以吸收震動，而不會造成倒塌或損壞。設(shè)計這種可以承受沖擊的建筑物非常重要，特別是在地震多發(fā)區(qū)。若想進一步了解科學(xué)家們?nèi)绾瓮ㄟ^新方法，來保護建筑物免受地震影響，
1989年加利福尼亞洛馬-普雷塔地震中斷裂的橋柱。
準(zhǔn)備工作的另一個要素是教育公眾。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和其他政府部門已經(jīng)制作了若干宣傳冊，說明與地震有關(guān)的程序，并就如何對可能的地震進行室內(nèi)準(zhǔn)備，以及發(fā)生地震時該采取哪些措施提供了指導(dǎo)。要了解應(yīng)進行哪些準(zhǔn)備工作，請查看紅十字會提供的在線指導(dǎo)。
1906年發(fā)生的舊金山大火就是強烈地震引發(fā)的。地震帶來的震動和災(zāi)難性大火摧毀了大半個城市，造成25萬人無家可歸。
將來，對預(yù)報和準(zhǔn)備工作的改進應(yīng)進一步最大程度地降低與地震有關(guān)的生命和財產(chǎn)損失。但是，要想為每次可能發(fā)生的地震做好準(zhǔn)備，還需要很長時間。就跟惡劣天氣和疾病相同，地震也是一種不可抗力，由形成地球的強大自然作用促成。我們能做的就是，加強對地震征兆的了解，并制定出更好的處理方法
