[科普中国]-地震学

绪论

研究固体地球的震动和有关现象的一门科学，固体地球物理学的一个重要分支。它不仅研究天然地震，也研究某些人为的或自然因素所造成的（如地下爆炸、岩浆冲击、岩洞塌陷等）地的震动。这门科学首先是人类企图逃避或抗御地震灾害而发展起来的。早期的工作着重于地震破坏的描述和地震的地理分布，到了20世纪才发现由地震所发出的地震波动却是揭露地下情况最有效的工具。在地震波的利用方面，地震学已经发展到相当成熟的阶段。现代地震学不仅服务于地震灾害的防御，而且在经济建设和国防建设中也是一门极重要的应用科学。

地震学内容地震灾害研究地震灾害对于人类社会来说，实在是太可怕了，人类对地震的研究始于对它的恐惧。人们研究地震灾害通过以下几个方面进行。

地震调查

直接对地震区域各种地震现象进行调查、分析、研究和评估。这是了解掌握地震发生全过程必不可少的重要环节，特别是震中及极震区的调查。调查是综合性的，目的有判断地震的性质、成因，为了防震、抗震或地震的预报。

地震区划

按一定标准划出各个地震活动带的活动情况和危险程度。地震区划方法各异、通常以地震的地理分布、次数和强度为依据、即以统计的方法划分地震带。还可以用地震地质的方法，也就是根据地震地质条件结合统计结果，进行地震的地区划分。也有根据地震能量和频度分布情况来划分的。

地震预报

地震学研究的一个极为重要的目标就是尽可能准确的预报地震。为地震预报提供依据的方法和手段很多，有的是寻找与地震内在因素有关的现象和数据，如地形变、地应力、能量积累、断层移动、大地构造因素等等；有的是寻找与地震发生的外部因素有关的现象和数据，如气象条件、天文情况等等；有的则是依据地震前的许多前兆现象来预报。

地震控制（不可能）

这还是地震学研究的一个相当遥远的目标。用各种方法，改变地震发生的地点，改变发震的时间，改变地震释放能量的过程，化大为小，化整为零，减少地震的破坏和损失。

地震物理

地震的发生过程基本上是一种物理过程。可以作为一种物理现象来研究，有以下几个方面：

a．地震波理论

研究地震波在地球表面和内部的传播过程，传播规律，能量的传递过程。

b．地震机制

c．地震现象的固体物理学

由地震发生过程中得到的全球性的各种数据,推断地球内部物质的物理性质，如温度、压力、密度、刚性、弹性模量随深度大小的变化规律,以及在特殊条件下地球深处高温高压下固体介质的各种特性和变化规律。

d．地震信息

地球的地壳、大洋、地壳内的地幔、地核都能传递地震信息，研究地震信息在地球本身传递的规律,有助于研究地球内部及地壳的构造。

地震学的应用利用地震学的基本原理探测地下

资源，找油、找气、找矿物，这就是地震勘探。还可以利用地震资料研究地球内部的构造及地壳构造。地震也给出地质活动的信息，有助于地质学的研究。研究地震发生的地质条件，由地质条件及地质活动的情报对地震作出估计和准确的预报是地震地质的重要目标。地下核爆炸与地震产生的冲击模式是不一样的，用测震学的方法可以探测到核爆炸，尤其是地下核爆炸。地震学的方法还用来研究矿山的塌陷、地球的脉动等等。

研究意义在过去的500年里，700多万人死于地震，还有数百万人眼巴巴地看着自己的生活来源和地方经济被摧毁。灾难性地震对于日益增长的世界人口来说已成为头等重要的问题之一，驱动着科学家和工程师们去研究它。然而，地震已被证明它不仅是破坏之源，而且也是地质知识之源。对地震波的分析，为地质学家提供了详细的、常常是独一无二的有关地球的信息。研究地震的性质和探索地球的组成及动力学过程两者同时并进。

地震学，即对地震的科学研究，与化学、物理学或地质学相比较，它是一个年轻的学科；然而仅在100年里它在解释地震成因、地震波的性质、地震强度的显著变化以及整个地球的地震活动明显的分区特征等方面取得了显著进步。

地震学是探测地球内部的最有效的深部探测器。通过地震波可以探测出地球内部岩石密度和刚度变化小到10%的变化。这些新研究进展大多依靠层析成像方法，这一方法原来在医疗中常用，要采用大记忆、高速计算机去探求遥测图像。

研究进展地震学的研究起源于人类抵御地震灾的需要。早期的地震学主要从地质学的角度研究记载地震的宏观现象和地震的地理分布。

地震学发展据《竹书记年》记载：“夏帝发七年（公元前1831年）泰山震”。《通鉴外记》又载：“周文王立国八年（公元前1177年），岁六月，文王寝疾五日，而地动东西南北不出国郊”。中国也是最早发明地震仪器的国家。《后汉书选》中载，河南人张衡“阳嘉元年（公元132年）复造侯风地动仪。以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，旁形八道，施关发机，外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，均隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方向，知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发而地不觉动，京师学者，咸怪其无征。后数日，驿至，果地震陇西，于是均服其妙。自此以后，乃令史官记地震所从方起。”张衡的这架世界上最早的地震仪在当时的首都洛阳第一次记录了甘肃的地震。

地震记载尤其是明清时代地方志流行，关于地震的记载极为丰富，有很多研究地震的重要史料。但是长期的封建统治，对科学技术的轻视，使地震学没有得到发展，有关地震的记载，仅仅是对自然灾害的记述，没有进一步的研究、分析和总结。与此相反，国外的地震学研究却有长足的进步。

地震学发展20世纪初由于地震波的记录和分析，使地震学从宏观描述向数理科学的方向发展，扩展了研究领域，出现了一些分支学科，并有了多方面的应用。

虽然地震学仅在上一世纪才被公认为是一独立研究领域，然而人们推测地震的成因已有上千年历史。当对这些自然事件早期的迷信让位于较科学的分析时，无情的大地震序列激发了人们对地动原因的缜密思考，直到本世纪早期科学家们才获得了对强烈地动直接来源的现代理解。

地震成因研究第二次世界大战以后，几乎地震学的各个方面都有显著进步。由美国科学家瑞德（Reid）研究1906年旧金山地震奠基的地震成因研究，得到了扩展和加深。我们具备一个关于整个地球变形的理论，它可以解释为什么大地震发生于日本和加利福尼亚等一些地方，而加拿大或法国的辽阔原野则没有大地震。这个地质理论也能解释山脉、火山和大洋中深海沟的形成，并说明它们在地球表面的特定分布。这种对地球上相互联系的格架理论认识的形成，很大程度上是与地震学研究分不开的。

地震预测关于地震发生的机理，有震源机制的研究和震源物理的研究。地震预测也是现代地震学研究的一个课题，探索预测地震的途径也需要深入研究地震成因。20世纪地震波的研究已经取得大量的成果。最重要的成果是利用地震波探查地球内部构造，取得了基本的认识。第二次世界大战后，地震波被用来监测地下核爆炸。在地震波的记录和观测中，还取得了地球自由振荡的资料，证实了理论研究的结果。用地震波勘探地下矿藏，则是地震学在经济建设中的重要应用。在抗御地震灾方面 ，工程地震学已经形成比较完善的学科体系，在工程抗震中发挥重要的作用。

利用地震波分析，首先必须了解地震波动的性质。穿过地球岩石传播的地震波具有相当的复杂性，是常见的声波、无线电波或光波所没有的。然而正是地震波携带着沿途的地质和构造变化的信息。地震学家越来越熟练地从日益灵敏的地震仪记录的地震波图像中提取这种信息。

科学家已决定在世纪之交建立一个全球地震仪器网，虽然大多数人没有意识到其后果甚至它的存在，但这一观测计划具有的科学历史意义比人们熟悉的一些科学大事毫不逊色。这个地震观测的全球性网络，在近几十年里日益加强，现已成为重大科学成就之一。从这些观测记录中，科学家们已能推测某些地震的成因和地震波传播时通过地球的途径，还能区别天然地震和地下核试验引发的地震。

地震作为自然灾害有可怕的后果，日益严重地威胁着人类居住的安全。寄希望于减轻这些地震造成的危险，预报将要袭击人类居住区和震撼重要建筑物的地震的强度是受到人们极大关注的问题。

20世纪地震学从20世纪60年代中叶起，世界各国开始有计划地进行地震预报工作。经过30多年的努力，各国地震专家积累了大量的前兆震例资料，在地震的长、中期预测上取得了不少进展。也越来越认识到地震预测远比原先预料的困难得多，“发现了”原先没有发现的地震现象的复杂性。

20世纪60年代提出的地球板块构造说为研究地震成因提供了理论基础。地震学家解释说，板块的相互作用是地震的基本成因。当岩石层因构造运动变形时，能量以弹性应变能的形式贮存在岩石中，直至在某一点累积的形变超过了岩石所能承受的极限时就发生破裂，即产生地震断层。岩石破裂使贮存在岩石中的能量释放出来，其中的一部分引起大地震动。

根据板块构造理论，地震学家们又研究出全世界大多数地震分布在三个地震带上，其中全球80%的地震能量释放在环太平洋地震带内，15%在欧亚地震带内，5%在海岭地震带。

能否实现地震预测，一直是人类关心的焦点问题，是地球科学的宏伟研究目标。中国科学院院士、地球物理学家陈?指出，主要有两种地震预测方法，一种是理论性方法：根据一定的理论模型，推导各种可能的前兆及不同前兆之间的关系，然后通过各种实践的检验来修改模型。但这种方法还很难对地震预报给出实用性指导。

另一种方法是经验性方法，通过搜集地震震例，从地震发生前出现的异常现象中提取地震发生的前兆信息并加以综合，总结出经验性规律推广应用于未来的地震。我国曾经成功地预报了1975年2月4日发生在辽宁海城的7．3级地震，被誉为地震科学史上的奇迹，用的就是这种经验性方法。

从70年代中期以来，地震观测系统中大量采用了数字记录方式，从而使地震学的发展出现了一个新的飞跃。由于数字记录地震仪具有记录频带宽、分辨率高、动态范围大以及易于与计算机联机处理等优点，对于地震监测、研究以及防震减灾具有重要意义，世界各国竞相发展数字地震观测系统。迄今，全世界已有大约440个数字地震台，我国现共有11个数字地震台网，在地震科学研究中发挥了重要作用。

运用已获取的高质量的数字地震资料，地震学家们已经可以对地壳、地幔和地核的三维结构进行层析成像，由此揭示地球内部的非均匀性和各向异性。这对于阐明山脉和高原的隆升、沉积盆地的沉降、成矿规律等都具有重要意义。

从宽频带、大动态范围和数字化地震观测资料，地震学家可以对地震破裂的时－空进程成像，由此发现地震破裂不但在空间上是非均匀的，而且在时间上也是错综变化的；同时也观测到，地震的起始阶段对于紧接着发生的地震有着强烈的影响，这对于地震预测具有重要意义。

但是，由于人类至今对地震的震源环境所知不多，对地震前兆异常的机制不十分清楚，尚未建立依据充分、令人信服的地震成因理论或模型，从而也就不能建立有效的监测方法。

中国科学院院士、地球物理学家陈运泰对此指出，对于地震的发生及其预测，地震学家可谓知之甚多、不知之处亦甚多。我国对1995年7月12日云南孟连中缅边境7．3级地震取得了长、中、短、临预报成功；但对1996年2月3日云南丽江7．0级地震在有明确的中、短期预报的情况下，却未能做出临震预报。在美国，1989年10月17日加州北部洛马普列塔6．9级地震、1992年6月28日兰德斯7．2级地震和1994年1月17日北岭6．9级地震都有不在地震学家“安排好”的主断层上。在日本，等候多年的“东海大地震”还没有发生，而1995年1月17日在日本地震学家并未予以关注的兵库县南部却发生了7．2级地震。这些情况可以说是当前地震预测水平的真实写照。

地震学未来尽管实现地震预测有着诸多的困难，但地震学家们一直在为实现这个目标而努力着。陈院士指出，在科学上更深刻地认识地震的本质，是未来世纪地震科学的发展方向，在这方面，新的观测技术和新理论是发展的重点。

随着地震观测技术全面进入数字化时代，记录地震的频带和动态范围，地震记录的分析解释等方面的工作都将会有新进展。从空间角度对地球进行观测也将成为地震科学的一种新技术。全球通讯网络的发展与完善，使各国科学家可以迅速了解全球各地的地震资料和经验，加快震例积累，促进经验性预报的发展。应用非线性科学中的理论、概念和方法，将会使地震预测纯经验方法向动力预测方法发展。

可以预见，随着数量空前的高质量地震数据的迅速积累、实时处理和广泛深入的研究，随着地震学研究与大地测量及其它地球物理观测研究的交叉渗透，人们对于地球内部的构造、运动和动力演化会取得更深入准确的认识。这一切必将会使对地震成因的研究取得重大进展，使前兆监测建立在坚实的理论和实验探测基础之上，从而最终实现对地震的科学预测。

地震预防专门研究地震对建筑物，人造结构的影响和破坏规律。为了寻求最科学最合理的抗震设计，在地震发生时不致于受到严重破坏，是地震作用条件下的结构动力学及结构材料力学问题。

地震预报地震学研究的一个极为重要的目标就是尽可能准确的预报地震。

地震控制地震物理

a．地震波理论

b．地震机制

研究地震的成因，震源附近地区应力和应变情况，地震发生的力学过程。

c．地震现象的固体物理学

d．地震信息

(2)．地震学的应用

地震的认识人们对地震的认识最早始于中国。东汉的张衡在公元 132年创制了世界上第一架地震仪──候风地动仪。从《后汉书》的简短记载中，可以清楚地看到，张衡设计候风地动仪的基本出发点是：地震是沿一定方向由远处传来的地面震动。这个概念直到18和19世纪才为英国人米歇尔(J. Michell)和马利特(R. Mallet)重新确认，并被认为是地震学发展的一个里程碑。现代地震学可以说是从 19世纪末或 20世纪初开始发展的。英国的瑞利(J.W.S.Rayleigh)、洛夫(A.E.H.Love)首先提出了两种弹性面波的理论，以后为地震观测所证实。德、俄、意、法、日等国的科学家也都对地震学的不同方面有所贡献。特别是1900年形成了以德国的E.维舍特为代表的格丁根学派，系统地发展了地震仪和地震波的理论，开创了地球内部的研究，并将地震方法应用于勘探矿床。从此地震学走上了现代应用科学的道路。

现代方法中国用现代科学方法来研究地震开始得较晚。1920年甘肃大地震之后10年，才在北京鹫峰和南京北极阁建立了两个地震台。中华人民共和国成立后，由于基本建设的需要，地震学得到长足的发展。为了提供建设场地的地震烈度，中国科学院在1953年成立了地震工作委员会，组织历史学家和地震工作者整理了中国3000多年的地震历史资料，于1956年出版了两卷《中国地震资料年表》。这是世界上最长的地震年表。同年，中国科学院地球物理研究所完成了第一幅中国地震区划图。此外，“天然地震的灾害及其防御”这个研究项目也列入了当时制定的全国12年科技远景规划中。从此，地震研究工作走上了稳步发展的阶段，但规模还不大。1966年 3月，河北邢台发生了灾害性的大地震（见中国著名大地震），损失巨大。为了统一地震工作的部署和加强领导，1971年成立了国家地震局，系统地开展地震的预测和预防工作。将地震研究工作提高到一个新的水平。

震灾的预测天然地震是在特定的地质条件下，地下发生的一种物理现象，它使地面震动,甚至造成破坏。这个现象不是孤立的,而是一个物理过程中能量突然大量释放的阶段。认识了这个过程就可选择适当的前兆来预测地震，但可惜这个认识还很模糊。地震的基本成因、发展过程、产生方式、表现特征也都认识得很不够。若要科学地预测地震，这些都是需要深入研究的。

预测地震，可以根据地震地质的情况或历史统计资料。这种方法是长期的并带有一定程度的不确定性。另一种方法是根据地震发生的前兆进行预测，这可以是短期的。如果能确认哪些现象是地震的前兆，就可以做出确定性的预测，不过这正是地震预测最关键性的困难，目前尚未能满意地解决，有待进一步的努力（见地震前兆）。

预防地震不仅是一个科技问题，而且还要考虑地震的社会影响（见《地震预报实施规约》）。在地震学的范畴内，这就是根据地震资料来采取防震措施或提出抗震设计。这项工作现正发展成为地震学的一个重要分支──工程地震学。

地球内部研究由地震震源发出的地震波可以穿过地球的任何深度而又返回地面，从而带来地球内部的信息，特别是地球内部各个深度的地震波传播速度。而这个速度与该处介质的密度和弹性有关，所以地震观测是研究地球内部最基本的方法。观测内容包括地震波的波形变化和到达时间，以及大地震时地球自由振荡的频谱。根据地震观测结果可以独立地计算地球内部的结构，但同其他的地球物理数据配合时，还可以确定地球内部组成的物理性质和物理状态。

地震勘探这门技术的基本原理是利用地震波在不同岩层分界面上所产生的反射、折射或衍射来确定这些界面的几何关系，从而寻找地下的地质构造，特别是储油构造。由于所用的震源是人工控制的，对地震波传播的时间观测可以达到很高的精度。地震方法是石油勘探中必不可少的手段，发展很快；还利用地震波同油气的作用，向直接寻找油、气田迈进。

其他应用地震波可以用做传递信息的工具。第二次世界大战期间，曾试图利用地震波追踪海上风暴。在现代，唯一有效的监视地下核爆炸的方法就是侦察和辨别核爆炸所产生的地震波。在这个课题上，苏、美等国做了大量工作。十几万吨以上当量的地下核爆炸无论发生在多么遥远的地方，都可以用地震方法侦察。

中新网10月24日电 据外媒23日报道，欧洲地震委员会主席阿列克谢·扎维亚洛夫，意大利法院对地震预测评估有误的一批地震学专家作出6年有期徒刑的判决，将危及地震科学的发展。

欧洲地震委员会主席、施密特地球物理学研究所实验室主任扎维亚洛夫表示，“这是一个使地震预测倒退几十年的极其恶劣的先例”。

扎维亚洛夫指出，自20世纪80年代末起，地震学界掀起了关于可否预测地震的巨大争议。2009年国际地震学和地球内部物理学协会(IASPEI)通过一项关于该组织支持地震预测研究的决议，之后这场热议才告落。

扎维亚洛夫认为，“意大利法院的判决让我们倒退二、三十年，让我们再次重新开始”。

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昨日，意大利拉奎拉市法院判处该国风险预测及防范委员会的七名成员6年监禁，其中包括前意大利国家地球物理学及火山学研究中心主任，以及一名国家地震中心负责人。

意大利法院裁定这七名专家在2009年夺取309人生命的拉奎拉地震发生前5天发布不准确预测消息，犯有“过失杀人罪”。

扎维亚洛夫指出，地震专家个人不会做出预测，他们是提供关于地震发展情况的信息，而专家们在这方面掌握的知识还远远不够。

他表示，“这个判决开启了一个先例，而且今后处于地震敏感地带的任何一个国家的司法机构都将以此为例”。

中新社北京3月11日电 (记者 孙自法)中国科学院最新完成的《2012科学发展报告》指出，中国地震减灾中地震学面临“地震断层的破裂过程”、“近地表环境对地震灾害的影响”等7个巨大挑战，亟需建设一个现代化的地球物理观测系统和实施地震学教育拓展计划等两个地震学重大工程。

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另5项巨大挑战分别是“中国区域构造块体的相互作用与地震的关系”、“中国地表应变和应力的分布与地震的关系”、“青藏高原的内部结构、形变和隆升对地震灾害的影响”、“地球近地表随时间的变化与地震的关系”、“地球内部结构和动力过程与地震的关系”。

《2012科学发展报告》称，中国需要建立和实施的一个强有力地震学教育拓展计划应该包含3方面内容：一是建立一个权威机构和平台在地震来临时向公众提供地震发生的信息、地震相关现象的科学解释和目前地震科学的前沿研究成果；二是成立一个专门组织来制定和实施一个对社会公众、中小学生、大学生和一般科学团体进行长期地震科学教育和宣传的计划；三是针对中国内地大学只有少数开设地震学或固体地球物理学本科专业、缺乏地震学教育的现状，加强高校对地震学学科的重视和关注。

为更有效了解中国地震灾害以及加强中国今后的地震减灾工作，2010-2011年，中科院、国家自然科学基金委、中国地震局成立专项工作组，完成“中国地震减灾中地震学面临的巨大挑战”咨询研究报告，《2012科学发展报告》将其收录、发表。1