汶川大地震斷裂、破裂過(guò)程、成災(zāi)機(jī)理
陳運(yùn)泰
汶川大地震是繼1976年唐山發(fā)生7.6級(jí)大地震以來(lái)，在我國(guó)大地上發(fā)生的災(zāi)情最為嚴(yán)重，傷亡最為巨大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響最為重大的一次地震。地震以來(lái)，圍繞著這次地震發(fā)生的原因，圍繞這這次地震為什么會(huì)給我們?cè)斐扇绱酥卮蟮臑?zāi)害，社會(huì)各界人士提出了許多問(wèn)題。
汶川地震發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶。根據(jù)我們現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)來(lái)看，這次地震與印度板塊和歐亞大陸板塊在我國(guó)的青藏高原喜馬拉雅山地區(qū)的碰撞、擠壓有關(guān)系。
根據(jù)“板塊大地構(gòu)造”理論，全球范圍內(nèi)地震主要分布在環(huán)太平洋地震帶、歐亞地震帶以及大洋中脊地震帶上。其中，中源和深源地震主要分布在環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶上。
為什么全球的地震會(huì)呈這樣形式分布呢？
這需要先從地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說(shuō)起。地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由地殼、地幔、地核組成。地幔分為上地幔和下地幔，地核分為內(nèi)核和外核。地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分法主要由它們內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分來(lái)分的，如果按照地球內(nèi)部物質(zhì)力學(xué)性質(zhì)來(lái)分，地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為巖石層、軟流層、中間層。巖石層相當(dāng)于地殼和上地幔的最上部。巖石層是什么樣的情況呢？巖石層就是從地面一直到地下80到100多公里，甚至有的地方到了150-200公里深度的巖石。這個(gè)層里面地震波的速度是比較低的，地震波在里面?zhèn)鞑サ臅r(shí)候衰減比較慢，在地質(zhì)年代10萬(wàn)至1億年左右的載荷下不發(fā)生塑性形變。但是軟流層處在高溫高壓下，巖石層漂浮在軟流層上，軟流層比較軟，溫度接近于熔點(diǎn)。這個(gè)層里面地震波的速度比較低，衰減也比較快。
軟流層下面就是中間層，按照巖石的力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，最上面是巖石層，再下面是軟流層，再下面是中間層。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)研究的結(jié)果告訴我們，地球最上面的巖石層并是不一個(gè)完整的整體，也就是說(shuō)不是石板一塊，是被一系列的活動(dòng)構(gòu)造如海嶺、海溝、島弧、平移大斷層和山系所割裂，形成若干個(gè)巖石層板塊。板塊有八個(gè)，大家熟悉的歐亞板塊、印度板塊、澳洲板塊、非洲板塊、太平洋板塊、北美板塊、南美板塊、南極洲板塊。在大板塊中間鑲嵌著一些小的板塊，菲律賓海板塊、奧斯托海板塊等等。一共有14個(gè)小的板塊。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的要點(diǎn)并不僅僅在于地球在表面上只分成若干個(gè)大大小小的板塊，最重要的一點(diǎn)是板塊處在不斷的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、相互作用當(dāng)中。板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況怎樣？在板塊邊界的地方，一個(gè)板塊相對(duì)于另一個(gè)板塊運(yùn)動(dòng)，比如說(shuō)太平洋板塊相對(duì)于歐亞板塊朝北偏向西運(yùn)動(dòng)，這里面兩個(gè)板塊互相分開(kāi)。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)告訴我們，板塊是處在不斷運(yùn)動(dòng)和變化當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)的速率有多大呢？在各個(gè)地方是不一樣的，大概每年幾個(gè)厘米運(yùn)動(dòng)。這是什么概念呢？我們?nèi)说闹讣酌總�(gè)星期要長(zhǎng)一毫米，一年不剪指甲，它要長(zhǎng)50-60毫米，也就是5-6厘米，板塊運(yùn)動(dòng)的速率也就相當(dāng)于人指甲生長(zhǎng)的速率，從一年看這個(gè)速率是不高的。如果這個(gè)生長(zhǎng)持續(xù)了好幾千年甚至幾萬(wàn)年那效果是十分可觀的。
印度板塊相對(duì)于歐亞板塊是由南向北偏東的方向運(yùn)動(dòng)，印度板塊在7100萬(wàn)年以前遠(yuǎn)遠(yuǎn)在現(xiàn)在位置的前面，但是經(jīng)過(guò)了7100萬(wàn)年以指甲生長(zhǎng)的速度，印度板塊現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)到我們熟知的地方。板塊運(yùn)動(dòng)的速率雖然是很低的，但是它的影響是非常大的。到底是什么力量驅(qū)使板塊運(yùn)動(dòng)和變化呢？趨勢(shì)板塊運(yùn)動(dòng)的機(jī)制就是因?yàn)樵趲r石層板塊的下面軟流層里的對(duì)流。地球內(nèi)部的、含有放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)衰變釋放大量的熱量，通常在大洋的脊部，在地幔下部，這些放射性物質(zhì)加熱的作用使物質(zhì)受熱上升，到大洋中脊的底部，這些物質(zhì)附著在巖石層板塊的端部形成新的板塊，上升的過(guò)程中改變運(yùn)動(dòng)方向，變成朝脊方向運(yùn)動(dòng)。到了海溝方面就順著板塊向下又下潛，就構(gòu)成了一個(gè)對(duì)流的循環(huán)。就好像在家里燒開(kāi)水或者用酒精燈燒水最后看到的沸騰的情況是一樣的。軟流層就像我們時(shí)常看到的傳送帶一樣，它要帶動(dòng)上面的巖石層向水平方向移動(dòng)，到了海溝這個(gè)地方兩個(gè)板塊遇到一起，一個(gè)板塊常常被另一個(gè)板塊撞到底下，形成了板塊俯沖的情況。到了軟流層的板塊，這個(gè)板塊相對(duì)軟流層比較冷，周邊是比較熱的軟流層，就像夏天把冰棍扔到溫水里一樣，俯沖到軟流層的板塊要被周邊熱的軟流層消融掉。整個(gè)過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，新的板塊在洋脊產(chǎn)生，老的板塊在海溝的地方消融，這個(gè)過(guò)程是按照什么樣的速度在進(jìn)行的呢？就是按照指甲生長(zhǎng)的速度每年變化幾個(gè)厘米，完全對(duì)流循環(huán)的過(guò)程大約需要幾億年。板塊表明了地球內(nèi)部是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的，變化的結(jié)構(gòu)告訴我們大洋的底部永遠(yuǎn)年輕，平均的年齡是以億年計(jì)算。板塊的邊界是地球的外面是最活躍的地方，因?yàn)槭艿搅税鍓K相互作用力的巨大影響，不但發(fā)生物理變化還發(fā)生化學(xué)變化，板塊邊界是歷史上發(fā)生根本性變化的地方。這些地方都是活動(dòng)構(gòu)造帶，比如說(shuō)海底的海溝、�；�、平移大斷層，還有山體。
是什么原因?qū)е碌卣鸬陌l(fā)生呢？簡(jiǎn)單一句話，板塊的相互作用就是地震發(fā)生的基本原因。如果兩個(gè)板塊相對(duì)地運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)雖然很緩慢，但是隨著在巖石內(nèi)部硬力的積累，到了一定程度，巖石或者硬力達(dá)到了巖石不可承受的強(qiáng)度就要發(fā)生斷裂，斷裂的表現(xiàn)就是地震。如果在巖石斷裂之前我們做一個(gè)試驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)生變形的破裂面兩面的巖石就要反彈或者回跳到以前的位置。這個(gè)現(xiàn)象從1957年蒙古戈壁阿爾泰的8級(jí)地震看到，地震使得大塊堅(jiān)硬的巖石發(fā)生了長(zhǎng)達(dá)好幾米的水平錯(cuò)動(dòng)。2001年11月15日，在我國(guó)昆侖山口的西邊發(fā)生了一次比汶川大地震還大的地震，是8.1級(jí)的地震，造成了地面450公里長(zhǎng)的地震斷裂帶。因?yàn)檫@次地震發(fā)生在人煙稀少的地方，沒(méi)有引起任何的人員傷亡，也沒(méi)有引起任何的經(jīng)濟(jì)損失。
汶川大地震的發(fā)生與印度板塊和歐亞板塊在青藏高原喜馬拉雅山發(fā)生的碰撞擠壓密切相關(guān)。在青藏高原和喜馬拉雅山這一帶，北面是歐亞板塊，南邊是印度板塊，這兩個(gè)大陸板塊碰撞的時(shí)候沒(méi)有發(fā)生某一個(gè)板塊把另一個(gè)板塊撞到軟流層里的情況，發(fā)生的碰撞是屬于大陸和大陸會(huì)聚的邊界，碰撞的結(jié)果使得地面隆起，就形成現(xiàn)在圖中看到的現(xiàn)在的青藏高原和喜馬拉雅山。這就是為什么我們國(guó)家的青藏高原和喜馬拉雅山地殼的厚度比世界上任何一個(gè)地方地殼都厚的原因，也是為什么會(huì)有青藏高原和喜馬拉雅山的原因，歸根到底就是印度板塊和歐亞板塊的碰撞。因?yàn)檫@個(gè)原因我們現(xiàn)在可以看到非常雄偉壯麗的珠穆朗瑪峰。
印度板塊向北的移動(dòng)并不是永遠(yuǎn)保持原來(lái)的樣子。印度板塊向歐亞板塊的移動(dòng)，因?yàn)樵谖覀儑?guó)家青藏高原的北面有昆侖山的斷裂，這些運(yùn)動(dòng)使印度板塊和青藏高原的碰撞不能一直繼續(xù)下去。運(yùn)動(dòng)在不斷地繼續(xù)，但是受到了昆侖山斷裂帶的阻攔，使得在這一帶地殼里的物質(zhì)沒(méi)有地方可去，唯一可去的地方就是朝著東或者東偏南的方向流動(dòng)。因此在龍門(mén)山斷裂帶的西面我們發(fā)現(xiàn)，甘孜的地塊和川滇的地塊朝著偏東、偏南的方向運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的速率有多大？松潘、甘孜的地塊朝偏南的方向運(yùn)動(dòng)，以每年18-20毫米的速率移動(dòng)，但是在東邊的華南地塊，每年的運(yùn)動(dòng)速率按照最新的測(cè)量結(jié)果是12-14毫米。龍門(mén)山斷裂帶西邊，從北西的方向向東南方向移動(dòng)，每年有18-20毫米的移動(dòng)，南邊的華南地塊每年只有12-14毫米的運(yùn)動(dòng)量。這個(gè)差別有多大呢，差值有4-8個(gè)毫米。因此應(yīng)變能就在龍門(mén)山斷裂帶就在每年以4-8毫米的速率積累，使得龍門(mén)山斷裂帶變成最具有地震危險(xiǎn)性的活動(dòng)構(gòu)造。
看歷史上的情況，跟這種情況形成強(qiáng)烈反差。龍門(mén)山斷裂帶在歷史上一直到發(fā)生這次地震之前，從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)七級(jí)以上大地震的記錄。盡管龍門(mén)山斷裂帶的地震活動(dòng)也是非�；钴S的，但是沒(méi)有發(fā)生大地震的記錄�？墒窃邶堥T(mén)山斷裂帶的附近，在西南的仙水河斷裂帶歷史上一直到近年都發(fā)生過(guò)7級(jí)以上的大地震。而且在龍門(mén)山斷裂帶的附近，歷史上也發(fā)生過(guò)若干次大的地震，比如說(shuō)1713年的7級(jí)地震，1933年的疊溪的7.5級(jí)地震，1976年8月16日、8月23日發(fā)生的兩次7.2級(jí)的地震。這些都是發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶的附近，而不是發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶上。
前些年我們用非常先進(jìn)的方法，對(duì)四川省、云南省以及我國(guó)中西部的地震做了精確的重新定位，結(jié)果告訴我們，龍門(mén)山斷裂帶雖然歷史上沒(méi)有發(fā)生過(guò)大規(guī)模地震，但是近幾年中小地震還是非常的活躍。從東往西看，龍門(mén)山斷裂帶地震從東北方向到西南方向長(zhǎng)達(dá)470公里，在近十幾年來(lái)地震活動(dòng)都十分活躍，而且震源分布大約在地下30公里的地方。我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到汶川地震發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶，而龍門(mén)山斷裂帶是具有非常危險(xiǎn)性的活動(dòng)構(gòu)造，這次地震就是發(fā)生在470公里長(zhǎng)上斷裂帶破裂的350公里處的大規(guī)模地震。
這次地震到底發(fā)生在哪條斷層上？（也就是汶川地震的成因斷層）。汶川地震發(fā)生在龍門(mén)山地震，主要是因?yàn)槊h、汶川的地震，以及映秀、北川的斷裂是中間的這一條，以及宏縣到萬(wàn)縣的斷裂，這三條斷裂究竟哪一條參與了這次地震的發(fā)震呢？這是我們?cè)谶@里要回答的問(wèn)題。
為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們利用全球地震臺(tái)網(wǎng)記錄的資料，對(duì)這次地震的震源機(jī)制和破裂過(guò)程做了系統(tǒng)的分析。根據(jù)分析，地震是從北東到南西方向分布的斷層，地震斷層是朝著北西方向傾斜，形象的看這個(gè)斷層從北東延伸到南西方向，它是一個(gè)逆斷層錯(cuò)動(dòng)。在地質(zhì)學(xué)里，通常把地震的斷層分成幾個(gè)類型，其中一個(gè)類型就是所謂的逆斷層，是指發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的時(shí)候，如果上排相對(duì)下排朝上運(yùn)動(dòng)，就叫做逆斷層，如果是向下動(dòng)就叫震斷層，另外一種是斷層面兩面的巖體是沿著水平方向錯(cuò)動(dòng)。我們看到的汶川地震就是西北的上盤(pán)相對(duì)于東南的下盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)。斷層向西北傾斜，這次地震余震的分布告訴我們，余震正好沿著我們定出來(lái)的一個(gè)軌跡分布，如果從地下西南往東北看的話，余震也是分布在一個(gè)30公里深的地震，跟這三條斷層都有聯(lián)系。所以我們說(shuō)，汶川地震是一個(gè)非常復(fù)雜的地震斷裂，它的發(fā)生雖然主要跟中間的映秀、北川斷裂錯(cuò)動(dòng)有關(guān)，但是在斷裂東邊宏縣、萬(wàn)縣的斷裂，以及西邊茂縣的斷裂都參與了這次活動(dòng)。
這次地震發(fā)生的時(shí)候，斷層的錯(cuò)動(dòng)也是非常復(fù)雜的，震源機(jī)制也是由南而北逐漸的變化。
此次地震的破裂過(guò)程非常復(fù)雜。利用儀器測(cè)到的震源的位置來(lái)看（震源位置是這次地震最先發(fā)生破裂的地方），在都江堰映秀的地表以下15公里。整個(gè)地震破裂面從東北到西南影響了300多公里長(zhǎng)，地震發(fā)生逆斷層錯(cuò)動(dòng)幅度最大達(dá)8.9米。錯(cuò)動(dòng)從映秀開(kāi)始朝著東北方向傳播或者說(shuō)拓展，也朝著西南方向拓展。但是朝著東北方向拓展的時(shí)間長(zhǎng)，面積也大，所以表面上讓我們感覺(jué)到地震是從震源開(kāi)始朝東北方向拓展。
隨著地震的發(fā)生，經(jīng)過(guò)6秒、7秒、8秒，破裂的地方逐漸的由映秀下面15公里處向東北、西南方向拓展，到48秒時(shí)破裂已經(jīng)達(dá)到了遠(yuǎn)處，90秒之后這個(gè)的破裂過(guò)程就完成了。汶川地震破裂面涉及到了300多公里長(zhǎng)，而且主要的地段是在東北方向，破裂是朝著東北方向拓展的，最后在長(zhǎng)達(dá)300多公里長(zhǎng)的斷層上發(fā)生了大破裂。這個(gè)破裂是非常復(fù)雜的，展示破裂沿著東北方向破的時(shí)候歷時(shí)90秒，朝西南方向破的時(shí)候歷時(shí)60多秒，破裂速度很不均勻，有時(shí)候快，有時(shí)候慢。而且破裂釋放的應(yīng)力也是很大的，根據(jù)我們的計(jì)算，破裂釋放的應(yīng)力最大達(dá)到65個(gè)兆帕，平均為18兆帕。
為什么汶川地震會(huì)造成這么大的災(zāi)害呢？先來(lái)看資料中得到的最新結(jié)果和經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地震調(diào)查得到的兩個(gè)極震區(qū)有什么樣的關(guān)系。
現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果告訴我們，烈度的分布即地面振動(dòng)的激烈程度有兩個(gè)區(qū)，一個(gè)區(qū)在汶川、映秀、都江堰，一個(gè)在北川和平武。這兩個(gè)區(qū)我們觀測(cè)到是最大的滑動(dòng)量，在汶川、映秀、都江堰這一代是6.45，在北川、平武是5.75。資料看出來(lái)計(jì)算的結(jié)果是6.7，這兩個(gè)區(qū)無(wú)論在分布和大小都跟現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果非常的一致。在汶川-映秀-都江堰現(xiàn)場(chǎng)看，通過(guò)虹口看是有逆沖帶有滑動(dòng)的斷層，整個(gè)的錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到了6.5米。在汶川-映秀的西南邊，我們看到地震的斷層導(dǎo)致錯(cuò)亂公路的情況。因?yàn)榈卣鸢l(fā)生在西南的山區(qū)，地勢(shì)非常的陡峭，引起了滑坡而且持續(xù)不斷，滑坡使得公路堵塞，給救災(zāi)造成了極大的困難�？礀|北邊的北川、平武，地表滑坡和破裂的情況跟資料得到的結(jié)果是一樣的，地面東北相對(duì)于東南向上運(yùn)動(dòng)，推起了4.3米長(zhǎng)。在地震的極區(qū)，在北川的老城區(qū)，斷層通過(guò)的地方所有的房子都被摧毀，所以這次地震再一次引出一個(gè)非常重要的教訓(xùn)，建筑要避開(kāi)斷層帶，凡是斷層帶通過(guò)的地方可以說(shuō)是無(wú)堅(jiān)不摧，無(wú)物不倒，任何的建筑甚至是鋼筋水泥的建筑都要被破壞。汶川地震為什么會(huì)造成這么大的災(zāi)難呢？
第一、地震大。地震震級(jí)很大，斷層長(zhǎng)300多公里，寬40多公里。而且斷層的錯(cuò)動(dòng)量平均是2.5米，最大到了8.9米。
第二、震源淺。通俗的說(shuō)，震源淺指的是震源深度只有15公里，但還不完全是這樣，因?yàn)榈卣鹌屏衙媸菑牡叵乱恢毖由斓降孛�，而且長(zhǎng)達(dá)300多公里，寬40多公里，整個(gè)斷層面一直從地下30多公里的地方延伸到地面，錯(cuò)亂了地面，這是這次地震會(huì)造成如此大損失的第二個(gè)原因。
第三、破裂的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而且破裂不規(guī)則，對(duì)地面造成的破壞大。
除此之外這次地震還有兩個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，斷層的不對(duì)稱性造成了上盤(pán)和下盤(pán)的破壞完全不一樣的情況。這次地震上盤(pán)指的是在斷層帶的西北面，下盤(pán)是東邊。
大家都知道，此地震雖然在成都、德陽(yáng)平原這一帶震源很強(qiáng)，但是相對(duì)于西邊破壞很輕，這就是所謂的斷層的上盤(pán)和下盤(pán)的效應(yīng)。我們通過(guò)計(jì)算也能夠得到這樣的結(jié)果，凡是在上盤(pán)的地方水平錯(cuò)動(dòng)就是在北川和映秀的地方，看垂直方面的運(yùn)動(dòng)也是一樣。
汶川地震的情況跟我們?cè)?999年臺(tái)灣9.21地震看到的情況也是一樣的，臺(tái)灣地震發(fā)生于菲律賓板塊和歐亞板塊相互碰撞。這個(gè)地震發(fā)生在臺(tái)灣的集集鎮(zhèn)，所以叫集集地震。這兩個(gè)地震都是逆斷層錯(cuò)動(dòng)，不過(guò)汶川地震發(fā)生在板塊內(nèi)部的地震，集集地震是發(fā)生在板塊之間的地震。在集集地震中，因?yàn)閿鄬渝e(cuò)動(dòng)造成了極大的破壞，使南端相對(duì)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，所以一夜之間一個(gè)蓄水廠的水全部落光，使得臺(tái)東地區(qū)的百姓，兩個(gè)禮拜吃水都發(fā)生了困難。
山體滑坡也造成許多人員的傷亡，一個(gè)村莊從五千多米的地方向斜滑了兩千多米，半山腰有24戶人家，山腳下還住了幾十名村民，他們?cè)谶@次大滑坡當(dāng)中遇難。汶川地震的發(fā)生大家都有一個(gè)深刻的印象，在陜西和甘肅的震感非常強(qiáng)，隨著余震向東北方向遷移，總體這個(gè)地震造成的東北方向的損失和震感都遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)西南方向。這是個(gè)什么原因呢？這就是所謂的地震多多普勒應(yīng)，如果站在月臺(tái)上看著火車開(kāi)過(guò)來(lái)，晚發(fā)車的信號(hào)和早發(fā)車的信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)，所以周期比較短，聲音音量比較大。如果在月臺(tái)上看火車遠(yuǎn)離我們而去，因?yàn)楹竺姘l(fā)出的信號(hào)和前面發(fā)出的信號(hào)在相隔比較長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)，所以我們聽(tīng)到的信號(hào)周期比較長(zhǎng)，頻率比較低，幅度也比較小。這個(gè)效應(yīng)在物理學(xué)當(dāng)中叫做多普勒效應(yīng)。地震引起的破壞中多普勒效應(yīng)有起作用，地震輻射的波有方向，有些地方比較強(qiáng)，有些地方比較弱，地震的縱波效應(yīng)在箭頭破裂方向的前方振動(dòng)加強(qiáng)，如果波的傳播速度靠近的話，所謂的地震碼波數(shù)越大的話效應(yīng)就越明顯。特別是地震的破壞主要是橫波引起，地震的多普勒效應(yīng)要比縱波強(qiáng)。因?yàn)榈卣鸬亩嗥绽招?yīng)，在破裂方向振動(dòng)大大加強(qiáng)，這就是為什么地震發(fā)生的時(shí)候處在震中東北方向震感、破壞要比西南方向強(qiáng)得多。
汶川大地震給我們?cè)斐闪撕艽蟮膿p失，再一次提醒我們，人類居住的地球是一個(gè)非�；钴S的地球，地球是我們?nèi)祟惞餐募覉@，它不但提供我們?nèi)祟愘囈陨娴沫h(huán)境和資源，也不斷的給我們制造一些麻煩，造成災(zāi)害。面對(duì)這樣一些災(zāi)害，我們要努力尋找預(yù)防和減輕災(zāi)害的辦法，我們要學(xué)會(huì)與災(zāi)害共處，努力的研究應(yīng)對(duì)災(zāi)害的辦法，科技工作者要為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展做出我們的貢獻(xiàn)。
汶川地震發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶。根據(jù)我們現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)來(lái)看，這次地震與印度板塊和歐亞大陸板塊在我國(guó)的青藏高原喜馬拉雅山地區(qū)的碰撞、擠壓有關(guān)系。
根據(jù)“板塊大地構(gòu)造”理論，全球范圍內(nèi)地震主要分布在環(huán)太平洋地震帶、歐亞地震帶以及大洋中脊地震帶上。其中，中源和深源地震主要分布在環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶上。
為什么全球的地震會(huì)呈這樣形式分布呢？
這需要先從地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說(shuō)起。地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由地殼、地幔、地核組成。地幔分為上地幔和下地幔，地核分為內(nèi)核和外核。地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分法主要由它們內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)成分來(lái)分的，如果按照地球內(nèi)部物質(zhì)力學(xué)性質(zhì)來(lái)分，地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為巖石層、軟流層、中間層。巖石層相當(dāng)于地殼和上地幔的最上部。巖石層是什么樣的情況呢？巖石層就是從地面一直到地下80到100多公里，甚至有的地方到了150-200公里深度的巖石。這個(gè)層里面地震波的速度是比較低的，地震波在里面?zhèn)鞑サ臅r(shí)候衰減比較慢，在地質(zhì)年代10萬(wàn)至1億年左右的載荷下不發(fā)生塑性形變。但是軟流層處在高溫高壓下，巖石層漂浮在軟流層上，軟流層比較軟，溫度接近于熔點(diǎn)。這個(gè)層里面地震波的速度比較低，衰減也比較快。
軟流層下面就是中間層，按照巖石的力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，最上面是巖石層，再下面是軟流層，再下面是中間層。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)研究的結(jié)果告訴我們，地球最上面的巖石層并是不一個(gè)完整的整體，也就是說(shuō)不是石板一塊，是被一系列的活動(dòng)構(gòu)造如海嶺、海溝、島弧、平移大斷層和山系所割裂，形成若干個(gè)巖石層板塊。板塊有八個(gè)，大家熟悉的歐亞板塊、印度板塊、澳洲板塊、非洲板塊、太平洋板塊、北美板塊、南美板塊、南極洲板塊。在大板塊中間鑲嵌著一些小的板塊，菲律賓海板塊、奧斯托海板塊等等。一共有14個(gè)小的板塊。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的要點(diǎn)并不僅僅在于地球在表面上只分成若干個(gè)大大小小的板塊，最重要的一點(diǎn)是板塊處在不斷的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、相互作用當(dāng)中。板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況怎樣？在板塊邊界的地方，一個(gè)板塊相對(duì)于另一個(gè)板塊運(yùn)動(dòng)，比如說(shuō)太平洋板塊相對(duì)于歐亞板塊朝北偏向西運(yùn)動(dòng)，這里面兩個(gè)板塊互相分開(kāi)。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)告訴我們，板塊是處在不斷運(yùn)動(dòng)和變化當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)的速率有多大呢？在各個(gè)地方是不一樣的，大概每年幾個(gè)厘米運(yùn)動(dòng)。這是什么概念呢？我們?nèi)说闹讣酌總�(gè)星期要長(zhǎng)一毫米，一年不剪指甲，它要長(zhǎng)50-60毫米，也就是5-6厘米，板塊運(yùn)動(dòng)的速率也就相當(dāng)于人指甲生長(zhǎng)的速率，從一年看這個(gè)速率是不高的。如果這個(gè)生長(zhǎng)持續(xù)了好幾千年甚至幾萬(wàn)年那效果是十分可觀的。
印度板塊相對(duì)于歐亞板塊是由南向北偏東的方向運(yùn)動(dòng)，印度板塊在7100萬(wàn)年以前遠(yuǎn)遠(yuǎn)在現(xiàn)在位置的前面，但是經(jīng)過(guò)了7100萬(wàn)年以指甲生長(zhǎng)的速度，印度板塊現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)到我們熟知的地方。板塊運(yùn)動(dòng)的速率雖然是很低的，但是它的影響是非常大的。到底是什么力量驅(qū)使板塊運(yùn)動(dòng)和變化呢？趨勢(shì)板塊運(yùn)動(dòng)的機(jī)制就是因?yàn)樵趲r石層板塊的下面軟流層里的對(duì)流。地球內(nèi)部的、含有放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)衰變釋放大量的熱量，通常在大洋的脊部，在地幔下部，這些放射性物質(zhì)加熱的作用使物質(zhì)受熱上升，到大洋中脊的底部，這些物質(zhì)附著在巖石層板塊的端部形成新的板塊，上升的過(guò)程中改變運(yùn)動(dòng)方向，變成朝脊方向運(yùn)動(dòng)。到了海溝方面就順著板塊向下又下潛，就構(gòu)成了一個(gè)對(duì)流的循環(huán)。就好像在家里燒開(kāi)水或者用酒精燈燒水最后看到的沸騰的情況是一樣的。軟流層就像我們時(shí)常看到的傳送帶一樣，它要帶動(dòng)上面的巖石層向水平方向移動(dòng)，到了海溝這個(gè)地方兩個(gè)板塊遇到一起，一個(gè)板塊常常被另一個(gè)板塊撞到底下，形成了板塊俯沖的情況。到了軟流層的板塊，這個(gè)板塊相對(duì)軟流層比較冷，周邊是比較熱的軟流層，就像夏天把冰棍扔到溫水里一樣，俯沖到軟流層的板塊要被周邊熱的軟流層消融掉。整個(gè)過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，新的板塊在洋脊產(chǎn)生，老的板塊在海溝的地方消融，這個(gè)過(guò)程是按照什么樣的速度在進(jìn)行的呢？就是按照指甲生長(zhǎng)的速度每年變化幾個(gè)厘米，完全對(duì)流循環(huán)的過(guò)程大約需要幾億年。板塊表明了地球內(nèi)部是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的，變化的結(jié)構(gòu)告訴我們大洋的底部永遠(yuǎn)年輕，平均的年齡是以億年計(jì)算。板塊的邊界是地球的外面是最活躍的地方，因?yàn)槭艿搅税鍓K相互作用力的巨大影響，不但發(fā)生物理變化還發(fā)生化學(xué)變化，板塊邊界是歷史上發(fā)生根本性變化的地方。這些地方都是活動(dòng)構(gòu)造帶，比如說(shuō)海底的海溝、�；�、平移大斷層，還有山體。
是什么原因?qū)е碌卣鸬陌l(fā)生呢？簡(jiǎn)單一句話，板塊的相互作用就是地震發(fā)生的基本原因。如果兩個(gè)板塊相對(duì)地運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)雖然很緩慢，但是隨著在巖石內(nèi)部硬力的積累，到了一定程度，巖石或者硬力達(dá)到了巖石不可承受的強(qiáng)度就要發(fā)生斷裂，斷裂的表現(xiàn)就是地震。如果在巖石斷裂之前我們做一個(gè)試驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)生變形的破裂面兩面的巖石就要反彈或者回跳到以前的位置。這個(gè)現(xiàn)象從1957年蒙古戈壁阿爾泰的8級(jí)地震看到，地震使得大塊堅(jiān)硬的巖石發(fā)生了長(zhǎng)達(dá)好幾米的水平錯(cuò)動(dòng)。2001年11月15日，在我國(guó)昆侖山口的西邊發(fā)生了一次比汶川大地震還大的地震，是8.1級(jí)的地震，造成了地面450公里長(zhǎng)的地震斷裂帶。因?yàn)檫@次地震發(fā)生在人煙稀少的地方，沒(méi)有引起任何的人員傷亡，也沒(méi)有引起任何的經(jīng)濟(jì)損失。
汶川大地震的發(fā)生與印度板塊和歐亞板塊在青藏高原喜馬拉雅山發(fā)生的碰撞擠壓密切相關(guān)。在青藏高原和喜馬拉雅山這一帶，北面是歐亞板塊，南邊是印度板塊，這兩個(gè)大陸板塊碰撞的時(shí)候沒(méi)有發(fā)生某一個(gè)板塊把另一個(gè)板塊撞到軟流層里的情況，發(fā)生的碰撞是屬于大陸和大陸會(huì)聚的邊界，碰撞的結(jié)果使得地面隆起，就形成現(xiàn)在圖中看到的現(xiàn)在的青藏高原和喜馬拉雅山。這就是為什么我們國(guó)家的青藏高原和喜馬拉雅山地殼的厚度比世界上任何一個(gè)地方地殼都厚的原因，也是為什么會(huì)有青藏高原和喜馬拉雅山的原因，歸根到底就是印度板塊和歐亞板塊的碰撞。因?yàn)檫@個(gè)原因我們現(xiàn)在可以看到非常雄偉壯麗的珠穆朗瑪峰。
印度板塊向北的移動(dòng)并不是永遠(yuǎn)保持原來(lái)的樣子。印度板塊向歐亞板塊的移動(dòng)，因?yàn)樵谖覀儑?guó)家青藏高原的北面有昆侖山的斷裂，這些運(yùn)動(dòng)使印度板塊和青藏高原的碰撞不能一直繼續(xù)下去。運(yùn)動(dòng)在不斷地繼續(xù)，但是受到了昆侖山斷裂帶的阻攔，使得在這一帶地殼里的物質(zhì)沒(méi)有地方可去，唯一可去的地方就是朝著東或者東偏南的方向流動(dòng)。因此在龍門(mén)山斷裂帶的西面我們發(fā)現(xiàn)，甘孜的地塊和川滇的地塊朝著偏東、偏南的方向運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的速率有多大？松潘、甘孜的地塊朝偏南的方向運(yùn)動(dòng)，以每年18-20毫米的速率移動(dòng)，但是在東邊的華南地塊，每年的運(yùn)動(dòng)速率按照最新的測(cè)量結(jié)果是12-14毫米。龍門(mén)山斷裂帶西邊，從北西的方向向東南方向移動(dòng)，每年有18-20毫米的移動(dòng)，南邊的華南地塊每年只有12-14毫米的運(yùn)動(dòng)量。這個(gè)差別有多大呢，差值有4-8個(gè)毫米。因此應(yīng)變能就在龍門(mén)山斷裂帶就在每年以4-8毫米的速率積累，使得龍門(mén)山斷裂帶變成最具有地震危險(xiǎn)性的活動(dòng)構(gòu)造。
看歷史上的情況，跟這種情況形成強(qiáng)烈反差。龍門(mén)山斷裂帶在歷史上一直到發(fā)生這次地震之前，從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)七級(jí)以上大地震的記錄。盡管龍門(mén)山斷裂帶的地震活動(dòng)也是非�；钴S的，但是沒(méi)有發(fā)生大地震的記錄�？墒窃邶堥T(mén)山斷裂帶的附近，在西南的仙水河斷裂帶歷史上一直到近年都發(fā)生過(guò)7級(jí)以上的大地震。而且在龍門(mén)山斷裂帶的附近，歷史上也發(fā)生過(guò)若干次大的地震，比如說(shuō)1713年的7級(jí)地震，1933年的疊溪的7.5級(jí)地震，1976年8月16日、8月23日發(fā)生的兩次7.2級(jí)的地震。這些都是發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶的附近，而不是發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶上。
前些年我們用非常先進(jìn)的方法，對(duì)四川省、云南省以及我國(guó)中西部的地震做了精確的重新定位，結(jié)果告訴我們，龍門(mén)山斷裂帶雖然歷史上沒(méi)有發(fā)生過(guò)大規(guī)模地震，但是近幾年中小地震還是非常的活躍。從東往西看，龍門(mén)山斷裂帶地震從東北方向到西南方向長(zhǎng)達(dá)470公里，在近十幾年來(lái)地震活動(dòng)都十分活躍，而且震源分布大約在地下30公里的地方。我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到汶川地震發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶，而龍門(mén)山斷裂帶是具有非常危險(xiǎn)性的活動(dòng)構(gòu)造，這次地震就是發(fā)生在470公里長(zhǎng)上斷裂帶破裂的350公里處的大規(guī)模地震。
這次地震到底發(fā)生在哪條斷層上？（也就是汶川地震的成因斷層）。汶川地震發(fā)生在龍門(mén)山地震，主要是因?yàn)槊h、汶川的地震，以及映秀、北川的斷裂是中間的這一條，以及宏縣到萬(wàn)縣的斷裂，這三條斷裂究竟哪一條參與了這次地震的發(fā)震呢？這是我們?cè)谶@里要回答的問(wèn)題。
為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們利用全球地震臺(tái)網(wǎng)記錄的資料，對(duì)這次地震的震源機(jī)制和破裂過(guò)程做了系統(tǒng)的分析。根據(jù)分析，地震是從北東到南西方向分布的斷層，地震斷層是朝著北西方向傾斜，形象的看這個(gè)斷層從北東延伸到南西方向，它是一個(gè)逆斷層錯(cuò)動(dòng)。在地質(zhì)學(xué)里，通常把地震的斷層分成幾個(gè)類型，其中一個(gè)類型就是所謂的逆斷層，是指發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的時(shí)候，如果上排相對(duì)下排朝上運(yùn)動(dòng)，就叫做逆斷層，如果是向下動(dòng)就叫震斷層，另外一種是斷層面兩面的巖體是沿著水平方向錯(cuò)動(dòng)。我們看到的汶川地震就是西北的上盤(pán)相對(duì)于東南的下盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)。斷層向西北傾斜，這次地震余震的分布告訴我們，余震正好沿著我們定出來(lái)的一個(gè)軌跡分布，如果從地下西南往東北看的話，余震也是分布在一個(gè)30公里深的地震，跟這三條斷層都有聯(lián)系。所以我們說(shuō)，汶川地震是一個(gè)非常復(fù)雜的地震斷裂，它的發(fā)生雖然主要跟中間的映秀、北川斷裂錯(cuò)動(dòng)有關(guān)，但是在斷裂東邊宏縣、萬(wàn)縣的斷裂，以及西邊茂縣的斷裂都參與了這次活動(dòng)。
這次地震發(fā)生的時(shí)候，斷層的錯(cuò)動(dòng)也是非常復(fù)雜的，震源機(jī)制也是由南而北逐漸的變化。
此次地震的破裂過(guò)程非常復(fù)雜。利用儀器測(cè)到的震源的位置來(lái)看（震源位置是這次地震最先發(fā)生破裂的地方），在都江堰映秀的地表以下15公里。整個(gè)地震破裂面從東北到西南影響了300多公里長(zhǎng)，地震發(fā)生逆斷層錯(cuò)動(dòng)幅度最大達(dá)8.9米。錯(cuò)動(dòng)從映秀開(kāi)始朝著東北方向傳播或者說(shuō)拓展，也朝著西南方向拓展。但是朝著東北方向拓展的時(shí)間長(zhǎng)，面積也大，所以表面上讓我們感覺(jué)到地震是從震源開(kāi)始朝東北方向拓展。
隨著地震的發(fā)生，經(jīng)過(guò)6秒、7秒、8秒，破裂的地方逐漸的由映秀下面15公里處向東北、西南方向拓展，到48秒時(shí)破裂已經(jīng)達(dá)到了遠(yuǎn)處，90秒之后這個(gè)的破裂過(guò)程就完成了。汶川地震破裂面涉及到了300多公里長(zhǎng)，而且主要的地段是在東北方向，破裂是朝著東北方向拓展的，最后在長(zhǎng)達(dá)300多公里長(zhǎng)的斷層上發(fā)生了大破裂。這個(gè)破裂是非常復(fù)雜的，展示破裂沿著東北方向破的時(shí)候歷時(shí)90秒，朝西南方向破的時(shí)候歷時(shí)60多秒，破裂速度很不均勻，有時(shí)候快，有時(shí)候慢。而且破裂釋放的應(yīng)力也是很大的，根據(jù)我們的計(jì)算，破裂釋放的應(yīng)力最大達(dá)到65個(gè)兆帕，平均為18兆帕。
為什么汶川地震會(huì)造成這么大的災(zāi)害呢？先來(lái)看資料中得到的最新結(jié)果和經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地震調(diào)查得到的兩個(gè)極震區(qū)有什么樣的關(guān)系。
現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果告訴我們，烈度的分布即地面振動(dòng)的激烈程度有兩個(gè)區(qū)，一個(gè)區(qū)在汶川、映秀、都江堰，一個(gè)在北川和平武。這兩個(gè)區(qū)我們觀測(cè)到是最大的滑動(dòng)量，在汶川、映秀、都江堰這一代是6.45，在北川、平武是5.75。資料看出來(lái)計(jì)算的結(jié)果是6.7，這兩個(gè)區(qū)無(wú)論在分布和大小都跟現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果非常的一致。在汶川-映秀-都江堰現(xiàn)場(chǎng)看，通過(guò)虹口看是有逆沖帶有滑動(dòng)的斷層，整個(gè)的錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到了6.5米。在汶川-映秀的西南邊，我們看到地震的斷層導(dǎo)致錯(cuò)亂公路的情況。因?yàn)榈卣鸢l(fā)生在西南的山區(qū)，地勢(shì)非常的陡峭，引起了滑坡而且持續(xù)不斷，滑坡使得公路堵塞，給救災(zāi)造成了極大的困難�？礀|北邊的北川、平武，地表滑坡和破裂的情況跟資料得到的結(jié)果是一樣的，地面東北相對(duì)于東南向上運(yùn)動(dòng)，推起了4.3米長(zhǎng)。在地震的極區(qū)，在北川的老城區(qū)，斷層通過(guò)的地方所有的房子都被摧毀，所以這次地震再一次引出一個(gè)非常重要的教訓(xùn)，建筑要避開(kāi)斷層帶，凡是斷層帶通過(guò)的地方可以說(shuō)是無(wú)堅(jiān)不摧，無(wú)物不倒，任何的建筑甚至是鋼筋水泥的建筑都要被破壞。汶川地震為什么會(huì)造成這么大的災(zāi)難呢？
第一、地震大。地震震級(jí)很大，斷層長(zhǎng)300多公里，寬40多公里。而且斷層的錯(cuò)動(dòng)量平均是2.5米，最大到了8.9米。
第二、震源淺。通俗的說(shuō)，震源淺指的是震源深度只有15公里，但還不完全是這樣，因?yàn)榈卣鹌屏衙媸菑牡叵乱恢毖由斓降孛�，而且長(zhǎng)達(dá)300多公里，寬40多公里，整個(gè)斷層面一直從地下30多公里的地方延伸到地面，錯(cuò)亂了地面，這是這次地震會(huì)造成如此大損失的第二個(gè)原因。
第三、破裂的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而且破裂不規(guī)則，對(duì)地面造成的破壞大。
除此之外這次地震還有兩個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，斷層的不對(duì)稱性造成了上盤(pán)和下盤(pán)的破壞完全不一樣的情況。這次地震上盤(pán)指的是在斷層帶的西北面，下盤(pán)是東邊。
大家都知道，此地震雖然在成都、德陽(yáng)平原這一帶震源很強(qiáng)，但是相對(duì)于西邊破壞很輕，這就是所謂的斷層的上盤(pán)和下盤(pán)的效應(yīng)。我們通過(guò)計(jì)算也能夠得到這樣的結(jié)果，凡是在上盤(pán)的地方水平錯(cuò)動(dòng)就是在北川和映秀的地方，看垂直方面的運(yùn)動(dòng)也是一樣。
汶川地震的情況跟我們?cè)?999年臺(tái)灣9.21地震看到的情況也是一樣的，臺(tái)灣地震發(fā)生于菲律賓板塊和歐亞板塊相互碰撞。這個(gè)地震發(fā)生在臺(tái)灣的集集鎮(zhèn)，所以叫集集地震。這兩個(gè)地震都是逆斷層錯(cuò)動(dòng)，不過(guò)汶川地震發(fā)生在板塊內(nèi)部的地震，集集地震是發(fā)生在板塊之間的地震。在集集地震中，因?yàn)閿鄬渝e(cuò)動(dòng)造成了極大的破壞，使南端相對(duì)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，所以一夜之間一個(gè)蓄水廠的水全部落光，使得臺(tái)東地區(qū)的百姓，兩個(gè)禮拜吃水都發(fā)生了困難。
山體滑坡也造成許多人員的傷亡，一個(gè)村莊從五千多米的地方向斜滑了兩千多米，半山腰有24戶人家，山腳下還住了幾十名村民，他們?cè)谶@次大滑坡當(dāng)中遇難。汶川地震的發(fā)生大家都有一個(gè)深刻的印象，在陜西和甘肅的震感非常強(qiáng)，隨著余震向東北方向遷移，總體這個(gè)地震造成的東北方向的損失和震感都遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)西南方向。這是個(gè)什么原因呢？這就是所謂的地震多多普勒應(yīng)，如果站在月臺(tái)上看著火車開(kāi)過(guò)來(lái)，晚發(fā)車的信號(hào)和早發(fā)車的信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)，所以周期比較短，聲音音量比較大。如果在月臺(tái)上看火車遠(yuǎn)離我們而去，因?yàn)楹竺姘l(fā)出的信號(hào)和前面發(fā)出的信號(hào)在相隔比較長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)，所以我們聽(tīng)到的信號(hào)周期比較長(zhǎng)，頻率比較低，幅度也比較小。這個(gè)效應(yīng)在物理學(xué)當(dāng)中叫做多普勒效應(yīng)。地震引起的破壞中多普勒效應(yīng)有起作用，地震輻射的波有方向，有些地方比較強(qiáng)，有些地方比較弱，地震的縱波效應(yīng)在箭頭破裂方向的前方振動(dòng)加強(qiáng)，如果波的傳播速度靠近的話，所謂的地震碼波數(shù)越大的話效應(yīng)就越明顯。特別是地震的破壞主要是橫波引起，地震的多普勒效應(yīng)要比縱波強(qiáng)。因?yàn)榈卣鸬亩嗥绽招?yīng)，在破裂方向振動(dòng)大大加強(qiáng)，這就是為什么地震發(fā)生的時(shí)候處在震中東北方向震感、破壞要比西南方向強(qiáng)得多。
汶川大地震給我們?cè)斐闪撕艽蟮膿p失，再一次提醒我們，人類居住的地球是一個(gè)非�；钴S的地球，地球是我們?nèi)祟惞餐募覉@，它不但提供我們?nèi)祟愘囈陨娴沫h(huán)境和資源，也不斷的給我們制造一些麻煩，造成災(zāi)害。面對(duì)這樣一些災(zāi)害，我們要努力尋找預(yù)防和減輕災(zāi)害的辦法，我們要學(xué)會(huì)與災(zāi)害共處，努力的研究應(yīng)對(duì)災(zāi)害的辦法，科技工作者要為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展做出我們的貢獻(xiàn)。