中国为什么地震频发?
2020-05-12 12:27

中国为什么地震频发?

本文经微信公众号“星球科学评论”授权转载,作者:云舞空城,设计:陈随、陈志浩,编辑:谢禹涵。星球科学评论,星球研究所旗下品牌,科学、探索、好奇。题图来自:IC photo


中国,是一个饱受地震蹂躏的国度。


20世纪以来,全世界死亡人数前十位的大地震里,有三场发生在中国,它们分别是1920年甘肃海原(现划归宁夏)大地震,死亡27.3万人;1976年河北唐山大地震,死亡24.3万人;2008年四川汶川大地震,死亡及失踪8.7万余人。它们让中国成为20世纪以来因地震死亡人数最多的国度[1-4]


20世纪以来死亡人数最多的前十场地震 | 2004年印度尼西亚苏门答腊大地震的伤亡主要由海啸造成。制图@陈随/星球科学评论


有史料记载以来,单次死亡人数最多的地震也发生在中国。明嘉靖三十四年壬寅月(公历1556年1月),陕西华县(今陕西省渭南市华州区)发生特大地震,据《明史·本纪第十八·世宗二》记载,“山西、陕西、河南地大震,河、渭溢,死者八十三万有奇”,这个数字里虽然存在洪灾致死的数据,但就像2004年印度尼西亚苏门答腊地震也将海啸致死数据算入地震杀伤一样,这83万死亡人数同样可以算作地震造成的。


地震伤亡极其严重,是因为中国人口众多吗?这是一个重要的原因,但不是决定原因。事实上,中国也是一个地震频繁的国家,发生在我国陆地疆域内的地震数量,竟占据全球陆地地震总数的33%左右[1]。相比之下,中国陆地国土面积仅占全球陆地面积6.7%,当代人口数量仅占全球人口总量的17.9%。


是什么原因,让中国成为陆上地震十分频繁?简单说来,这是一场“大型板块追尾现场”,和“大型陆地解体现场”造成的结果,是挤出来的西部地震和拉出来的东部地震共同作用的结果。


每年的5月12日是中国防灾减灾日,这是一个为了纪念在汶川地震中死于非命的同胞而设立的日子。与此同时,2020年也正是20世纪全球单次杀伤人口最多的海原大地震发生后的第100年,选择2020年的防灾减灾日来对我们脚下这片土地增进一些了解,或许会是一个不错的方式。


“碎盘子”上的中国


回顾中学地理,当代世界可以粗略划分为六大板块,中国则位于亚欧板块的东部,向东靠近太平洋板块,西南与印度洋板块衔接。


板块与板块彼此衔接的地区,被称作“板块边界”,这里是岩石相互摩擦碰撞的场所,分布着海沟带、造山带、洋中脊这样地质运动十分活跃的地区,是火山和地震活动多发的地区。为什么中国地震多发?最浅显的答案,就是因为这片土地靠近太平洋—亚欧板块边界和亚欧—印度洋板块边界


但是这也不足以解释中国陆地地震频繁的原因——即便是提升板块划分精度,从6块变成15块以后,中国内陆腹地同样与那两条现代板块边界相距甚远。同样,它也不能解释北美洲东部、非洲东部、澳大利亚西部和亚洲东部其他地区地震多发、灾害深重的原因。


全球陆上地震灾害与现代板块边界的关系 | 由图可见,世界上有很多地震灾害风险较大的地区,和现代板块边界没有明显的关系,中国的陆上地震就是一个例子。制图@陈随&陈志浩/星球科学评论


我们需要在时间的长河里寻找答案:中国的广袤国土,并非从地球诞生之日就浑然一体,它是一个“拼起来的碎盘子”。所谓分久必合,合久必分,正是由于许多大小不一的古板块经过聚散离合,最终才从几十亿年“满天繁星”的小微板块,转化为现代的几大板块,例如大家耳熟能详的“泛古陆/盘古大陆”,也是由若干块较大的古代板块拼合而成。


板块是一个相对稳定的岩石圈块体,由密度较低的大陆地壳和密度较高的大洋地壳共同组成。在板块碰撞的过程里,绝大部分的大洋地壳会从俯冲带进入地球内部“回炉重铸”,但低密度的陆地却会拼合在一起,这些在板块拼合后遗留下来的陆地区域被称为陆块。


高度概括起来,中国的陆地区域主要由4大陆块、6大造山系和5个对接带构成。它们是若干个古代板块碰撞拼合的产物,正是这些古老的陆地单元之间龃龉不断,才让这片土地饱受地震之害[6-8]


这四大陆块分别是扬子陆块、塔里木陆块、华北陆块,还有位于藏南地区的印度陆块(局部)。尽管这些陆块本身也由若干个更小的微地块拼接而成,但由于拼接年代十分古老,人们更强调它们从6亿年前至今的整体运动。


中国大地构造分区(一级)示意图 | 中国的陆地区域可以分为16个大地构造单元。制图@陈随&陈志浩/星球科学评论


陆块与陆块之间,通常还会夹杂大小不一的微陆块、岛屿和火山岛链碎片,它们最终都会完全贴合到陆块上,最后一起发生变形,产生规模巨大的山脉,是为造山系


人们常说的喜马拉雅山脉,就是印度板块与亚欧板块相互碰撞、海洋关闭的造山系。这是距离我们最近的一次主要海洋关闭事件,昔日横跨南北半球的特提斯洋,如今已经关闭得仅剩苟延残喘的地中海。


特提斯洋关闭过程 | 特提斯洋是一个存在中生代的古代大洋,随着非洲-欧洲碰撞和印度-亚欧碰撞而消亡。底图@Christopher Scotese [9], 制图@星球研究所


如果这些造山系形成的年代过于古老,曾经的山脉就会经过长时间的风化而变得面目全非、踪迹难寻,仅仅剩下一些特定种类的岩石,记录着曾经属于海洋的历史。这时,人们便称其为对接带——仅仅剩下海洋消亡、陆块对接的痕迹,而已经没有当年造山系的雄伟。


在中国北方,象征着古亚洲洋消亡的西拉木伦对接带大致由大兴安岭南部和内蒙古高原东部的群山组成,如今的地貌是连绵的低山和丘陵,没有高耸如云的山峰。谁能想象,华北陆块和西伯利亚陆块东南部曾在此激烈冲撞,埋葬了一整片海洋。曾经高耸挺拔的群山,如今早已英雄迟暮[10]


对比地震风险较大的地区和造山系的关系可以发现,中国的陆上地震高发区具有明显的东西分区性,大致以贺兰山—龙门山—横断山为界,与我国一二级地势阶梯的分界线东段高度重合。


中国地震灾害风险分布图 | 大致以贺兰山-龙门山-横断山为界,中国地震风险较大的地区可以分为东西两块。图中色块表示地震动峰值加速度值,这个值表示地震引起地面晃动的最大加速度,能够体现潜在的地震灾害风险。制图@陈随&陈志浩/星球科学评论 


在界线两边,中国东西部地震高风险区的成因很不相同,对于人类生命财产的威胁也不一样。西部的地震高风险区连片性强,主要位于塔里木陆块南北两侧、青藏高原地区所在的诸多造山系和对接带内;东部的地震高风险区面积总体较小,相对孤立,位于华北陆块内部(台湾省位于现代亚欧板块与菲律宾板块碰撞的位置,属于地震活跃的现代板块边界,本文只讨论不在现代板块边界的“板内”地震,故未对台湾的地震进行讨论)。


如果用最凝练的语言分别概括,也许可以用“连环追尾”和“陆地解体”来加以形容。


“连环追尾”的中国西部——挤出来的地震


是什么造成中国西部地震多发?背后的黑手隐藏在世界之巅,珠穆朗玛峰。


距今6500万年以来,印度板块以迅雷不及掩耳之势撞进亚欧板块的怀抱,这次冲撞是如此猛烈,以至于整个东亚都在它的威力下颤抖起来。但在印度板块最终撞上来之前,这里就已经发生过一连串的板块碰撞,例如塔里木板块与哈萨克斯坦板块发生在约3.3亿年前(石炭纪早期)的碰撞[11]


这次碰撞形成了天山1.0版,可能有着与今日类似的模样。至少在距今2.5亿~2亿年的三叠纪,古天山还是一座规模宏伟的大山[12],但天山1.0版随后渐渐被风化,到了侏罗纪时,这里可能只剩下一些低缓的丘陵、河流与湖泊,呈现一片看似平原的夷平景观,全然没有如今巍巍大山的模样。


在塔里木陆块东南边,是隶属于青藏高原范畴的一系列造山系和对接带。它们由更多的微小次级地块构成,早在印度板块从南半球动身之前的一两亿年中,就先后撞上了亚欧板块,在高原上留下了各自的痕迹:古祁连山、古巴颜喀拉山、古冈底斯山等。再然后,印度板块来了,它从南半球飞奔了过来。


这是一场距离我们最近的大型板块碰撞。印度板块就像一辆高速行驶的重装卡车,一头冲进了构成中国西部的诸多微小地块里——一堆已经发生追尾碰撞的小汽车。能量从南向北、向东层层传递,让那些构成了陆块、造山系和对接带的许多小单元都变得活跃起来。


印度陆块至今仍具有30~50mm/年的北进速率[28]。这巨大的能量既使珠峰不断向着蓝天生长,也让珠峰以每年4.2厘米的速度向长春方向运动[13],更带动整个中国西部的各个岩石块体一起运动。


但是,岩石块体之间的断层提供了巨大的摩擦力,运动的势头转化为断层里积聚的能量,一旦能量足够巨大,便足以冲破摩擦力的束缚,一场大地震就在所难免。


数百甚至数万年来积累的运动趋势一旦突然爆发,会在瞬间产生数米到数十米不等的错动。在汶川地震后的勘察里,地表经常见到落差达到数米的陡坎,这便是将板块运动积累的能量通过断层快速运动释放后留下的地表破裂[15]


汶川大地震形成的映秀-北川地表破裂带特征 | A:映秀镇路面抬高3m;B:虹口乡八角庙的破裂面;C:深溪沟村的破裂面,抬高了约3.2m;D:高原村一带的地表破裂;E:擂鼓镇一带河床抬高约2.6m。图源@文献[15]


磅礴的力量在不同级别的地块单元之间横冲直撞,这才在辽阔的中国西部制造出范围巨大的地震多发带。幸运的是,西部地区虽然地震多发,但是那里人口密度不大,除了靠近东部边缘的一些地方,许多大西北深处的地震并未造成灾难性后果,对人类和社会经济的冲击一般较小。


2001年,青海昆仑山口发生8.1级地震,这是21世纪以来中国发生过的震级最大的地震。但这场地震的震中位于无人区,仅有两位参与青藏铁路建设的工人受轻伤,没有造成人员死亡。


然而,分布在华北陆块内部的地震带则是另一种情况。这里人口稠密,城镇林立,一旦地震则死伤惨重。历史上那些动辄数十万人死亡的灾难性地震常常位于这里,如关中大地震、海原大地震和唐山大地震。而让华北变得不安宁的力量,却与引起西部地震的原因不太一样。


“陆地解体”的中国东部——拉出来的地震


在中国东部地区的北方,若干条主要地震风险区在地图上排列成一个近似“四”字的形状。


中国地震灾害风险分布图 | 大致以贺兰山-龙门山-横断山为界,中国地震风险较大的地区可以分为东西两块。图中色块表示地震动峰值加速度值,这个值表示地震引起地面晃动的最大加速度,能够体现潜在的地震灾害风险。台湾省的地震位于现代板块边界,本文不做讨论。制图@陈随&陈志浩/星球科学评论 


除了位于现代板块边界的台湾省外,我国东部的主要地震带是郯庐大断裂。它是亚欧大陆东部一条非常重要的大断裂,南端起源于长江边的湖北省武穴市,向北一路延伸到俄罗斯境内,全长超过3500千米,国境内的长度就超过2400千米。在郯庐断裂带沿线,历史上发生过若干次大地震,对人们的威胁很大。


除此以外,华北地区的其他地震带分布在银川盆地、河套盆地、山西汾渭裂谷系、关中盆地和太行山沿线地区,围绕鄂尔多斯高原和黄土高原(下图鄂尔多斯地块)绕了一个圈,占据着中国北方的精华之地,历史上多次发生重大地震,对人们的生命财产安全造成重大威胁。


鄂尔多斯地块周围的断陷盆地群 | 围绕着鄂尔多斯高原,一圈中小型构造盆地贯连而生。图源@文献[17]


一般来说,年代特别古老的中大型陆块相对稳定,但如果存在来自地下深处的破坏力量时,即便古老的陆块也会失去稳定。


这正是中国北方的华北陆块正在面临的局面:东边太平洋板块向西俯冲至地幔深处,使一股股热流自下而上开始破坏这块有着20多亿年历史的古陆——人称“华北克拉通破坏”,这是当代中国地质学界十分关注的重大议题之一[18-21]


现代太平洋板块向亚欧板块俯冲的位置是马里亚纳海沟,目前距离中国十分遥远,但在距今并不久远的侏罗纪,俯冲带就在华北古陆的东部沿海。现如今,人们可以通过地球物理的手段,捕捉到这块“趴在”地下400~600km处的大一坨岩石的形象。


太平洋洋壳俯冲引发华北克拉通破坏 | 洋壳熔融释放的物质,和运动规律发生改变的地幔岩石,最上部地壳地层岩石产生破坏作用,使华北陆块不断减薄,并处在伸展状态。图源@文献[21]


这一大坨岩石在地下并不会安安静静地趴着,而是会不断地搞事情。它不仅会对地幔岩石的运动规律产生客观影响,高温高压的环境还会让海洋地壳不断熔融,释放出各种物质并汇聚成岩浆,然后一路上涌。最终的结果,就是会自下而上熔化、减薄地壳底部的岩石,在地表留下岩浆活动的痕迹,从而对地貌产生影响。


上升的热物质迫使地壳岩石向两侧伸展、拉分,地壳因此陷落,不断沉降,甚至蓄水成湖,在古华北的崇山峻岭间造出大盆地、大湖泊、大平原、这样的过程制造出许多矿产资源,既包括火山活动产生的金属矿产,也包括古代大湖里形成的丰富油气资源。


它们使大半个华北地区从侏罗纪开始处于拉伸、减薄的状态,还以一波波的火山活动点缀着这片土地——侏罗纪至白垩纪时,频繁的火山活动在华北各地爆发,现代北京昌平区十三陵水库南北两侧的山体,都是当年火山爆发留下的堆积物。


在现代,广袤无垠的华北大平原、富饶的关中大平原,以及山西境内的一连串小盆地与它带来的地壳减薄、拉张有关;而山西境内的火山,北京的温泉,西安的汤池则与它带来的深部岩浆活动有关;甚至连超长的郯庐断裂带,也和这一过程存在一定关联[22-23]


在鄂尔多斯高原西部边缘,这里处于青藏高原隆升区向华北地壳减薄区的过渡及转换地带,太平洋的影响余波未消,与来自青藏高原向东北运动的力量相互叠加,在地幔顶部也形成了复杂的运动,最终引起河套盆地和银川盆地的地壳陷落。干旱的高原和山地间出现了一连串的低洼地,黄河顺势流过,水创造出干旱区里的生命奇迹,造就了一个富饶的塞上江南[17, 24]


就这样,凭借来自东西两侧的力量,华北古陆成为中国陆地区域最为特殊的一个地震区。地下深处的热量正在自下而上侵蚀着华北大地的根基,在古老的山岭间创造出低洼的盆地,河流带来泥沙形成平原,创造出人们生存的家园。


但它们也带来祸端,频繁的断层活动至今未歇,仍然会周期性地制造出大地震,让这里的居民不敢掉以轻心。


华北地区孕育了古老的中华文明,这些大大小小的地震也在我们的历史里留下深深的烙印。生活在这样一片震动频繁的土地上,中国古人很早就开始记录地震现象,翻阅二十四史,关于地震的记录除了出现在不同年份里,往往还会被总结在五行志当中,例如前文提到的明嘉靖年的关中大地震,除了出现在《明史·本纪第十八·世宗二》之外,也出现在《明史·卷三十·志第六·五行三》当中。


历史上,中国古人也曾设计出类似张衡地动仪这样的设备,史料记载可以检测到远方地震的大致方向,但具体技艺早已失传。


然而,我们运用科学手段记录和描述地震,距今不过短短100年


防震减灾100年


晚清开始,中国的土地上才出现近代化的地震观测站,它们最早由不同的列强在各自占据的地盘上建立,其中一些台站的资料直到今天仍具有宝贵的文献价值。1897年,日本侵略者在台湾省台北市建立起第一个地震观测站,随后又陆续在台湾设置了超过15个地震台,建设一直持续到30年代中期,近代中国境内的第一个地震观测网就这样在台湾省出现[25]


在同一时期,德国、沙俄和日本也在中国大陆陆陆续续建立了一些台站,分别位于位于上海、青岛、大连和东北的若干城市,但没有形成连片的网络,也没有分布在中国地震多发地区,只有个别台站获得了较好资料。


民国时期,中国人自己建立的地震监测台站仅有3个,分别是1930年设立在北京西山的鹫峰地震台,1932年设立的南京北极阁地震台,和1943年设立在重庆北碚的地震台。


中国地质学家真正运用近现代地质学的方法在地震后进行灾区系统考察,恰好是100年前的甘肃海原(今划入宁夏)大地震发生以后,由翁文灏一行率领的科考队从1921年4月开始在西北地区踏勘考察了4个月,为科学认识地震和认识震后救灾积累了很好的经验。


考察海原大地震时的翁文灏和谢家荣 | 翁文灏(左)是中国近代著名的地质学家,对近代中国的地矿勘探、地震研究和地质教育事业均作出突出贡献。图源@文献[29]


在那个动荡的年代,中国地质工作者们也在地震机理、地震预报、工程防震等领域提出了许多宝贵认识。然而受到战乱影响,民国时代的中国地震研究事业始终进展缓慢。


新的变化出现在1949年以后,新中国十分重视地震灾害的研究、预报和减灾。1956年,地震预报课题写入了国家十二年科学技术发展规划,成为国家级重点科研项目。特别是在1966年的河北邢台大地震后,极具时代特色的地震群测群防运动也如火如荼地开展起来,根植于专业人士和人民群众之间。


这一时期的巅峰,是对海城地震和青龙地震提前一两天做出了短临预报,成功拯救了数十万居民。但同样的方法,却在更多其他地震中遭遇低谷和挫折,未能做出有效的短临预报。


从70年代至今,一方面是中国地震研究界不断与世界同行学习交流,共同发展,在地震机理和地震中长期预报上取得了各种各样的成果,另一方面,却也是全球地质学界在地震短临预报上不断受挫。以至于时至今日,“地震是否能够有效地、可重复地做出准确预报”仍然需要打一个大大的问号。


2016年9月中下旬,美国加利福尼亚州圣安地列斯大断层东南部的索顿湖地区连续发生150多起小震,大多数小于2级,最大达到4.3级。人们担心这些频繁小震可能会诱发圣安地列斯断层发生大震,而这条巨型断裂带已经有超过300年没有发生大震了,目前正处于“地震空窗期”,积聚着巨大的能量,大地震随时可能出现。


9月27日,科学家们发布了当地将在一周内具有0.03%~1%的概率发生7.0级及以上地震的短临预报[26],但这场地震并未如期而至,并且到现在也没有在索顿湖周边发生7级及以上的地震。这说明,即便是“精确到小数点后两位”的地震概率预报,也尚不足以令人信服。


这是一个客观存在的科技瓶颈。


美墨边境索顿湖地区的断裂分布简图 | 索顿湖恰好位于圣安地列斯断层向南延伸的位置。图源@文献[27]


如何准确做出有效的地震短临预报,人们仍然还有漫长的道路需要求索,中外皆然。我们要承认科学的时代局限性,但也应对未来抱有希望。


因为饱受地震困扰的人们,从来没有停止过探索的脚步。


各种新方法正不断从实验室中走出,进入试验的环节。2018年2月,中国发射张衡一号电磁监测试验卫星,开创了从太空研究地震的新局面。人们希望通过它来捕捉中国6级地震、全球7级地震发生前后,高空电离层和地磁场可能出现的细微变化,并希望以此对地震前兆研究和地震预报做出一些新的贡献。


在地震预报之外,人们也更多地将目光投向震后快速报警和建筑抗震研究。毕竟,地球的规律难以参透,人力难以为之,但是人们还可以在这两个偏应用和工程的领域继续发力。


一是建设密集的监测站收集地震数据,用互联网和通信技术在震后及时将警报传递给周围的人,可以利用地震波传递的时间差,拯救更多生命。


二是制定更科学的建筑抗震规范,将房子建得更结实,让更多的建筑屹立在下一场地震结束以后,从而拯救更多生命。


无论如何,我们和地震将会继续共生下去。


无论是西部地区“挤出来”的地震”,还是东部地区“拉出来”的地震,它们都会在远超人类感知的时间尺度上继续周而复始地发生下去。激烈的地质演化历史,让中国这片大地变得多灾多难,但同时也造就了十四亿中国人多姿多彩的家园。


这就是我们生于斯长于斯的土地,我们别无选择。


但是在未来,我们可以运用好科学和工程的力量,与这片土地更和谐地相处下去。


相信总有一天,我们一定会在下一场大地震到来的时候,拯救更多的芸芸众生。


谨以此文,向历年来在地震中死于非命的同胞致哀。


也以此文,向奋斗在地震预报、防震减灾一线的科技工作者、工程建设者们致敬。


本文参考文献:

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[29] 中卫市广播电视台. 此文以示纪念海原大地震100周年. 2019-05-11. 腾讯新闻. (https://xw.qq.com/cmsid/20190511A0JRVP00)


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