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汶川地震的成因、破裂过程及成灾机理

2009-03-30      来源:河南减灾科普网     
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汶川地震的成因、破裂过程及成灾机理
    (陈云泰院士)


     这次地震到底发生在哪条断层上,也就是汶川地震的成因断层。汶川地震发生在龙门山地震,主要是因为茂县、汶川的地震,以及映秀、北川的断裂是中间的这一条,以及宏县到万县的断裂,这三条断裂究竟哪一条参与了这次地震的发震呢,这是我们在这里要回答的问题。为了回答这个问题,我们利用全球地震台网记录的资料,对这次地震的震源机制和破裂过程做了系统的分析。这些工作是在地震发生之后4小时得到的结果,这4个小时包括了3.5小时下载资料的时间,真正用来分析和处理得到的结果只用了半小时时间,这是分布在全球地震数字台网记录的地震复杂情况。根据分析,地震是从北东到南西方向分布的断层,地震断层是朝着北西方向倾斜,形象的看这个断层从北东延伸到南西方向,它是一个逆断层错动。在地质学里,通常把地震的断层分成几个类型,其中一个类型就是所谓的逆断层,是指发生错动的时候,如果上排相对下排朝上运动,就叫做逆断层,如果是向下动就叫震断层,另外一种是断层面两面的岩体是沿着水平方向错动。我们看到的汶川地震就是西北的上盘相对于东南的下盘向上运动。断层向西北倾斜,这次地震余震的分布告诉我们,余震正好沿着我们定出来的一个轨迹分布,如果从地下西南往东北看的话,余震也是分布在一个30公里深的地震,跟这三条断层都有联系。所以我们说,汶川地震是一个非常复杂的地震断裂,它的发生虽然主要跟中间的映秀、北川断裂错动有关,但是在断裂东边宏县、万县的断裂,以及西边茂县的断裂都参与了这次活动。

    这次地震发生的时候,断层的错动也是非常复杂的,震源机制也是由南而北逐渐的变化。这次的地震的破裂过程也是非常复杂,所以下面跟大家简要的介绍地震的破裂过程。这次地震,我们利用仪器测到的震源的位置来看,也就是大家熟悉的都江堰映秀的下方,在地表以下15公里,现在大家熟知的震源位置或者震中位置是这次地震最先发生破裂的地方,整个地震破裂面从东北到西南影响了300多公里长,最大的地方到达8.9米,就是发生在映秀的下方,错动一直贯穿到地面上来最长达到7.9米。错动从映秀开始,但是朝着东北方向传播或者说拓展,也朝着西南方向拓展。但是朝着东北方向拓展的时间长,面积也大,所以表面上让我们感觉到地震是从震源开始朝东北方向拓展。

    随着地震的发生,经过6秒、7秒、8秒,破裂的地方逐渐的由映秀下面15公里处向东北、西南方向拓展,到48秒时破裂已经达到了远处,90秒之后这个的破裂过程就完成了。汶川地震破裂面涉及到了300多公里长,而且主要的地段是在东北方向,破裂是朝着东北方向拓展的,最后在长达300多公里长的断层上发生了大破裂。这个破裂是非常复杂的,(图)展示破裂沿着东北方向破的时候历时90秒,朝西南方向破的时候历时60多秒,破裂速度很不均匀,有时候快,有时候慢。而且破裂释放的应力也是很大的,根据我们的计算,破裂释放的应力最大达到65个兆帕,平均为18兆帕。为什么汶川地震会造成这么大的灾害呢?先来看资料中得到的最新结果和经过现场的地震调查得到的两个极震区有什么样的关系。

    现场结果告诉我们,烈度的分布即地面振动的激烈程度有两个区,一个区在汶川、映秀、都江堰,一个在北川和平武。这两个区我们观测到是最大的滑动量,在汶川、映秀、都江堰这一代是6.45,在北川、平武是5.75。资料看出来计算的结果是6.7,这两个区无论在分布和大小都跟现场的调查结果非常的一致。在汶川-映秀-都江堰现场看,通过虹口看是有逆冲带有滑动的断层,整个的错动量达到了6.5米。在汶川-映秀的西南边,我们看到地震的断层导致错乱公路的情况。因为地震发生在西南的山区,地势非常的陡峭,引起了滑坡而且持续不断,滑坡使得公路堵塞,给救灾造成了极大的困难。看东北边的北川、平武,地表滑坡和破裂的情况跟资料得到的结果是一样的,地面东北相对于东南向上运动,推起了4.3米长。在地震的极区,在北川的老城区,断层通过的地方所有的房子都被摧毁,所以这次地震再一次引出一个非常重要的教训,建筑要避开断层带,凡是断层带通过的地方可以说是无坚不摧,无物不倒,任何的建筑甚至是钢筋水泥的建筑都要被破坏。

    汶川地震为什么会造成这么大的灾难呢?

    第一、地震大。地震震级很大,断层长300多公里,宽40多公里。而且断层的错动量平均是2.5米,最大到了8.9米。

    第二、震源浅。通俗的说,震源浅指的是震源深度只有15公里,但还不完全是这样,因为地震破裂面是从地下一直延伸到地面,而且长达300多公里,宽40多公里,整个断层面一直从地下30多公里的地方延伸到地面,错乱了地面,这是这次地震会造成如此大损失的第二个原因。

    第三、破裂的持续时间长,而且破裂不规则,对地面造成的破坏大。

    除此之外这次地震还有两个独特的特点,断层的不对称性造成了上盘和下盘的破坏完全不一样的情况。这次地震上盘指的是在断层带的西北面,下盘是东边。大家都知道,此地震虽然在成都、德阳平原这一带震源很强,但是相对于西边破坏很轻,这就是所谓的断层的上盘和下盘的效应。我们通过计算也能够得到这样的结果,凡是在上盘的地方水平错动就是在北川和映秀的地方,看垂直方面的运动也是一样。

 

    汶川地震的情况跟我们在1999年台湾9.21地震看到的情况也是一样的,台湾地震发生于菲律宾板块和欧亚板块相互碰撞。这个地震发生在台湾的集集镇,所以叫集集地震。这两个地震都是逆断层错动,不过汶川地震发生在板块内部的地震,集集地震是发生在板块之间的地震。在集集地震中,因为断层错动造成了极大的破坏,使南端相对于北端上升了9米多,南端也上升了2米多,所以落差有7米多,所以一夜之间一个蓄水厂的水全部落光,使得台东地区的百姓,两个礼拜吃水都发生了困难。

    山体滑坡也造成许多人员的伤亡,一个村庄从五千多米的地方向斜滑了两千多米,半山腰有24户人家,山脚下还住了几十名村民,他们在这次大滑坡当中遇难。图中有红颜色和白颜色的地方,红颜色是房子,白的是被震出去的墙体,再近一点看是顺着滑坡的小房子,忠实记录了当时发生地震的时刻。在小房子住着一个妇女和两个孩子,他们从山上滑到山下一千多米高的地方,这位女士和两个孩子毫发无损,也算是灾难中不幸中的大幸。汶川地震的发生大家都有一个深刻的印象,在陕西和甘肃的震感非常强,随着余震向东北方向迁移,总体这个地震造成的东北方向的损失和震感都远远的超过西南方向。这是个什么原因呢?这就是所谓的地震多多普勒应,如果站在月台上看着火车开过来,晚发车的信号和早发车的信号在短时间内到达,所以周期比较短,声音音量比较大。如果在月台上看火车远离我们而去,因为后面发出的信号和前面发出的信号在相隔比较长的时间到达,所以我们听到的信号周期比较长,频率比较低,幅度也比较小。这个效应在物理学当中叫做多普勒效应。地震引起的破坏中多普勒效应有起作用,地震辐射的波有方向,有些地方比较强,有些地方比较弱,地震的纵波效应在箭头破裂方向的前方振动加强,如果波的传播速度靠近的话,所谓的地震码波数越大的话效应就越明显。特别是地震的破坏主要是横波引起,地震的多普勒效应要比纵波强。因为地震的多普勒效应,在破裂方向振动大大加强,这就是为什么地震发生的时候处在震中东北方向震感、破坏要比西南方向强得多。

    汶川大地震给我们造成了很大的损失,再一次提醒我们,人类居住的地球是一个非常活跃的地球,地球是我们人类共同的家园,它不但提供我们人类赖以生存的环境和资源,也不断的给我们制造一些麻烦,造成灾害。面对这样一些灾害,我们要努力寻找预防和减轻灾害的办法,我们要学会与灾害共处,努力的研究应对灾害的办法,科技工作者要为经济建设和社会发展做出我们的贡献。

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