5.地震在哪及为何发生?

地震并不是在全球各地都发生。通过在地图上绘制震中的分布,地震学家发现大多数地震对应于板块边界,发生在地震带上。这些地震带内的地震称为板块边界地震。在远离板块边界的地方发生的地震称为板块内地震。

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大多数地震发生在沿着板块边界的地震带上,点的颜色表示到震源的深度

5.1板块边界的地震

板块的相对运动导致断层上的滑动。板块相对于相邻板块的移动速度为1~15厘米/年。在几十年到几百年的时间里,沿着板块边界形成的巨大压力导致了断层的突然滑动。在一个给定的板块边界上发生的断层类型取决于越过该边界的板块的相对运动。

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正断层是在地壳伸展过程中形成的,上盘向下移动;逆断层在地壳缩短过程中形成,上盘向上移动

5.1.1离散边缘的地震活动

在一个离散的边界(洋中脊),两个板块形成并分开。离散边界由转换断层连接的洋脊段组成。因此,发育两种断层:沿着脊段,拉伸产生正断层,沿着转换断层形成走形活动。这些断层上有浅源地震。

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正断层和转换断层活动区域发育地震,不活动的断裂带不发育地震

5.1.2大陆上的转换边界地震活动

世界上大部分的转换断层连接着大洋中脊的部分。但是有一些,如California San Andreas fault,New Zealand Alpine fault和Turkey Anatolian faults都是穿过大陆地壳的。大陆转换断层上的大地震具有很大的破坏性,因为它们的震源较浅。这意味着它们产生的地震波在到达地面时仍然可以携带大量的能量。此外,因为它们在陆地上,它们可能位于人口中心附近。

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San Andreas断层系统包含很多次级断层,1906年地震后的San Francisco;1989年Loma Prieta地震后的San Francisco

5.1.3汇聚边界的地震活动

汇聚边界是发生不同深度地震的复杂区域。最危险的地震沿相对较浅的逆冲断层发生,这些逆冲断层划定了上冲板块底部和俯冲板块顶部之间的边界。由于这些地震的震源很浅,弹性回弹产生的地震能量大部分到达地表。破坏性汇聚边界地震的显著例子包括有记录的最大地震:1960年智利发生Mw 9.5级地震,1964年阿拉斯加Good Friday发生的Mw9.2级地震,2004年苏门答腊的Mw9.3级地震,2011日本Tōhoku的Mw9.0级地震。

与离散或转换边界不同,汇聚边界也发生中源和深源地震。这类地震的震源在地球横截面上定义了一个地震活动性的斜坡带,称为Wadati-Benioff带(以最早发现它的地震学家的名字命名),其深度为660公里。该区域的地震发生在俯冲的岩石圈内。

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日本及其附近的震中和震源深度图显示了汇聚边界的复杂程度

5.2陆壳上的地震

并非大陆上所有的地震都与板块边界有关。在这里,我们列举几个陆内发生地震的地质环境。

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大陆岩石圈发生地震的环境

5.2.1大陆裂谷

大陆裂谷地壳的拉伸产生了正断层,在这些断层上的滑动就产生了地震。现今活跃的裂谷包括东非大裂谷、盆地和山脉省以及新墨西哥大裂谷。浅震源地震在这些地方发生,其中一些会造成重大破坏。

5.2.2大陆碰撞区

2015年,尼泊尔山区发生了一次大地震。加德满都矗立了数百年的纪念碑倒塌,在整个偏远乡村,山体滑坡掩埋了社区和道路。地震在尼泊尔和喜马拉雅山脉的其他地方相当频繁,因为由于印度和亚洲的碰撞,山脉正在活跃地扩大,而这种碰撞造成的挤压导致了逆冲断层的滑动。

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2015年尼泊尔地震摧毁了许多建筑

5.2.3板内地震

地球上产生的地震能量有95%来自板块边界、碰撞或与裂缝有关的地震。其余发生在板块内部的地震称为板块内地震。几乎所有板块内地震的震源位于深度小于25公里的地方。当脆弱的断层带(其中一些是在10亿年前形成的)由于对大陆施加的压力而发生滑动时,这种地震就可能发生。

板内地震不是均匀分布的。在北美,大多数发生在密苏里州东南部,田纳西州东部,东南部以及魁北克省南部。在1811年至1812年的冬天,密西西比河谷下的断层滑动造成了3次Mw7.0到7.4的地震,震撼了这个地区。地面的位移暂时扭转了密西西比河的流向,地面运动导致小屋倒塌。

6.地震时如何造成破坏的?6.1地面震动和位移

地震突然发生,可能持续几秒钟到几分钟。在一个给定的地点,地面震动的持续时间取决于滑动发生的时间以及该地点到震源的距离。第二个因素反映了一个事实,即不是所有的地震波都以相同的速度传播,所以它们不会同时到达。

不同的地震波引起不同的地面震动。在一个特定地点,震动的严重程度取决于:1)地震的震级,因为震级越大,释放的能量就越多;2)到震源的距离,因为地震波穿过地球时,地震能量会减少;3)地表以下材料的强度,因为地震波往往会在较弱的材料中引起更多的运动。

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在地震中,地面会同时以多种方式震动,导致表面结构移动

地震发生时,如果你在空旷的田野里,地面运动本身不会夺去你的生命。然而,如果在建筑里就没那么幸运了。当地震波通过时,道路、铁路线和管道发生弯曲或破裂。建筑物会摇摆,前后扭曲,上下摇晃,所以窗户可能会碎掉,屋顶可能会塌掉,建筑物外墙可能会倒塌到地上。大部分与地震有关的死伤都是由建筑物倒塌时掉落的碎片造成的。

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地震造成的损毁

6.2山体滑坡

地震会导致陡峭斜坡上的地面或底部有脆弱沉积物的地面垮塌,形成滑坡。

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1994年的北岭地震中,沿着加利福尼亚海岸的一个斜坡带着房屋的一部分倒塌了

6.3土壤液化

1964年,一场西7.5级地震袭击了日本Niigata:一座部分建在被湿沙覆盖土地上的城市。在地震过程中,一万五千座建筑物的地基下沉,造成墙壁和屋顶开裂。2011年,新西兰Christchurch发生了一场地震,引起了沙子的喷发,并在地面上形成了小的锥形土丘。当沙子从地下移到地表时,附近就形成了坑状的凹陷。有些坑大到足以吞没汽车。

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1964年日本地震,Niigata的这些公寓楼地基下的液化导致了倒塌;砂土层的液化导致地面开裂,砂土火山喷发

以上例子说明了土壤液化的过程。当震动使湿砂粒试图更紧密地聚集在一起时,湿砂中的液化就发生了。这种运动使水中的压力增大,足以把沙粒分开。结果,原本稳定的,承重的沙子变成了沙水泥浆,无法支撑重量。如果液化砂层与地面之间出现裂缝,上覆沉积物的重量所产生的压力就会把湿砂向上挤压,挤压到地面上,形成圆锥形的土丘,称为砂火山。沉积物层沉降成液化层也会破坏层理,导致地面上形成开放的裂缝和坑。

在一种被称为流粘土的特殊粘土中也发生了类似的现象:地面震动破坏颗粒之间的凝聚力,将原本凝胶状的固体物质转变成液体滑泥。这一现象发生在1964年耶稣受难日Alaska加南部的地震中。社区建立在一个小的上升的沉积物阶地上。露台的边缘有20米高高的悬崖,一直延伸到太平洋的一个海湾。当地面开始震动时,开发项目下面的地层快速液化了,上面的沉积层和房屋一起向大海倾斜,把整个景观变成一片混乱。

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滑动发生在软弱的快速粘土层上;附近的地方滑入了大海,XX’显示了图框的位置

6.4火灾

地震时的摇晃会使有明火的灯、炉子或蜡烛倾倒,并可能导致电线断裂或电线倒塌,产生火花。结果,已经变成废墟的地区,甚至是受损不太严重的地区,都可能被大火吞噬。一旦火势开始蔓延,可能会变成无法扑灭的大火,特别是在满是废墟的街道阻塞了消防设备和破裂的管道使消防栓无法使用的情况下。例如,1906年,旧金山的大部分破坏是由于地面停止晃动后发生的火灾造成的。1923年,当一场大地震袭击东京时,炉灶里的煤点燃了由木材和纸张构成的建筑。大火迅速蔓延,使城市上空的空气变暖。随着热空气上升,冷空气从燃烧区域外涌入,产生了时速超过160公里的阵风。风助长了火焰,产生了大火风暴,烧毁了城市。

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2011年日本Tōhoku地震后,破裂的天然气罐喷出的火焰喷泉

6.5海啸

印度洋东海岸蔚蓝的海水和棕榈树环绕的岛屿间隐藏着巽他海沟,这是地球上地震最活跃的板块边界之一。2004年12月26日上午8时前,一条长达1300公里宽100公里的逆冲断层,沿着俯冲边界形成,上冲板块向西倾斜了15米,把海底向上推了几十厘米。从这个滑移产生的弹性反弹触发了Sumatra Mw9.3级地震,海床的上升推高了上面的海洋表面。因为上升的海底面积太大,所以被移动的海水的体积巨大。重力使上升的水向下崩塌并向外扩散。水团的隆起和崩塌产生了几股大浪,以800公里每小时的速度向外传播,几乎相当于一架喷气式飞机的速度。

地质学家使用术语海啸来描述海底位移引起的波浪。位移可能是由于地震,火山爆发,或者海底滑坡引发。海啸是一个日文单词,字面意思是港口波浪,这个名字很贴切,因为海啸对港口城镇的破坏性特别大。

海啸与我们熟悉的由风引起的风暴有很大的不同。大风引起的巨浪在公海上可以达到10到30米的高度,但它们包含的水量相对较小。相比之下,虽然在海啸形成的地方,海平面最多只上升了几十厘米,但由此产生的海浪可能有几十到几百公里宽,涉及的水量很大。海啸比风暴潮宽100到1000倍,所以风暴波和海啸会产生非常不同的后果。

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在一堆水的初始隆起后,重力使波浪向外扩散。海啸的速度几乎和喷气式飞机一样快;风暴和海啸的区别:风暴波可能很高,但因为它们不是很宽,所以包含的水相对较少。在公海上,海啸的高度不是很高,但当它接近陆地时,后面的海浪会追上来,海浪会越来越高,每个波都很宽。

当海浪接近海岸时,海浪底部和海底之间的摩擦会使海浪底部变慢,所以海浪的后部会赶上前部,增加的水会使海浪升高。在靠近海滩的地方,浪尖可能会落在浪前,形成一个碎浪。在由风驱动的海浪中,当海浪冲到海滩上时,碎浪可能会很高的,但是因为海浪中没有太多的水,所以水流会停在海滩。然而,在海啸来临时,摩擦减缓了海浪并增加了它在海岸附近的高度,波浪在穿过海滩后并没有耗尽水分。

如果沿海地势较低,海啸就会继续向内陆移动,最终淹没大片地区。最大的海啸能达到30米的高度,并能淹没离海岸几公里远的陆地。请记住,我们通过起因和宽度定义海啸,而非高度。一些海啸只有几十厘米到一米高,甚至可能没有人注意到。

6.6疾病

一旦地震和火灾停止,疾病仍可能威胁地震灾区的生命。地面移动破坏了水和下水道管道,从而破坏了清洁水供应,使公众暴露于病原体之下。地面破裂和山体滑坡可能切断交通线路,使食品和药品无法送达灾区。这类问题的严重程度可能超出了应急服务的能力,因此通常需要几个月到几年的时间才能使受灾地区的日常生活恢复正常。

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