高中地球科學/測量和預測地震
地震圖告訴地震學家地震的強度和距離。至少需要三張地震圖來計算震中的位置。在過去的一個世紀裡，科學家們已經開發了幾種測量地震強度的方法。目前公認的方法是矩震級標度，它測量地震釋放的總能量。目前，地震學家還沒有找到可靠的預測地震的方法。
- 列出不同型別的震波，它們的特性，並描述地震學家如何利用它們來了解地震和地球內部。
- 描述如何找到地震震中。
- 描述不同的地震震級標度以及矩震級數值的含義。
- 描述地震是如何預測的，以及為什麼地震預測領域收效甚微。
地震儀是一種記錄地震波的機器。過去，所有地震儀都是地震記錄儀，因為它們會產生接收到的地震波的圖表式表示。紙質記錄稱為地震圖。現代地震儀使用電子運動檢測器記錄地面運動。然後資料以數字形式儲存在計算機上。
地震記錄儀有一個懸掛在固定框架上的筆，而紙卷則在其下方旋轉。筆加重，使其懸空而不與地面連線。鼓與地面連線。當地球在發生地震時搖晃時，筆保持靜止，但鼓在其下方移動。這產生了構成地震圖的波浪線（圖 7.39）。
地震圖包含有關地震強度、持續時間和距離的資訊。地震圖中產生的波浪線清楚地顯示了P波和S波的不同到達時間（圖 7.40）。與頁面上的文字一樣，地震圖記錄從左到右。首先，有一條平線，表示沒有地面震動。地震圖首先記錄的波是P波，因為它們速度最快。S波接下來到達，通常比P波更大。面波緊隨S波之後到達。如果地震的震源較淺，則面波將是記錄到的最大波。
如果地震圖記錄了P波和麵波，但沒有記錄S波，則地震儀位於與地震震源相對的地球另一側。科學家知道地球外核是液態的，因為S波無法穿過液態。液態外核在地震震源的地球另一側形成一個S波陰影區，那裡沒有S波到達。波的振幅（高度）可用於確定地震的震級。震級的計算方法將在後面的章節中討論。
單個地震圖可以告訴地震學家地震有多遠，但它不能提供足夠的資訊來確定確切的震中。為此，地震學家需要至少三張地震圖。確定到地震震中的距離取決於不同地震波以不同速度傳播的事實。P波總是先到達地震儀，但S波在P波之後到達所需的時間表示到震中的距離。如果震中靠近地震儀，則P波、S波和麵波將依次快速到達。如果震中較遠，則S波的滯後時間將更長。換句話說，地震的P波和S波到達時間間隔越長，震中距離地震儀就越遠。
經過多年的研究，地質學家瞭解了不同型別的波在各種地球材料中傳播的速度。根據第一個P波和第一個S波到達時間的差異，地震學家確定震中與地震儀之間的距離。一旦知道到震中的距離，科學家就可以識別所有距該距離的點。假設他們知道地震震中距離堪薩斯城50公里。當標記所有距堪薩斯城該距離的點時，這些標記會形成一個圓圈。這個圓圈可以用圓規畫出。
為了確定地震震中，地震學家必須擁有來自至少三個地震儀的資料。以正確距離從第二個地震儀到震中畫出的圓圈將與第一個圓圈相交於兩點。顯示從第三個地震儀到震中的距離的第三個圓圈將與另外兩個圓圈相交於一點。這一點就是地震震中（圖 7.41）。雖然這種方法在幾十年來對確定震中非常有用，但該技術已被數字計算所取代。
人們一直試圖量化地震的大小和造成的破壞。在20世紀初，地震只能用附近居民的感覺和對附近建築物的破壞來描述。這被稱為麥加利地震烈度，由義大利地震學家朱塞佩·麥加利於1902年制定。麥加利地震烈度有時與下面描述的更現代的地震烈度標度一起使用。
表7.1顯示了12個麥加利地震烈度等級的簡要描述
| 編號 | 描述 |
|---|---|
| I | 除在特別有利的條件下極少數人外，無人感覺到。 |
| II | 僅在休息時少數人感覺到，尤其是在建築物的高層。 |
| III | 在室內的人明顯感覺到，尤其是在建築物的高層。許多人不知道這是地震。停著的汽車可能會輕微搖晃。振動類似於卡車經過。估計持續時間。 |
| IV | 白天許多人在室內感覺到，少數人在室外感覺到。晚上，一些人被驚醒。餐具、窗戶、門受到干擾；牆壁發出爆裂聲。感覺像重型卡車撞擊建築物。停著的汽車明顯搖晃。 |
| V | 幾乎每個人都感覺到；許多人被驚醒。一些餐具、窗戶破損。不穩定的物體傾倒。擺鐘可能會停止。 |
| VI | 所有人都感覺到，許多人感到害怕。一些笨重的傢俱移動；少量石膏脫落。損壞輕微。 |
| VII | 設計和建造良好的建築物損壞可以忽略不計；建造良好的普通建築物損壞輕微至中度；建造不良或設計不良的建築物損壞嚴重；一些煙囪破損。 |
| VIII | 專門設計的建築物損壞輕微；普通堅固建築物損壞嚴重，部分倒塌。建造不良的建築物損壞嚴重。煙囪、工廠煙囪、柱子、紀念碑、牆壁倒塌。笨重的傢俱傾倒。 |
| IX | 專門設計的建築物損壞嚴重；設計良好的框架結構傾斜。損壞嚴重 堅固的建築物，部分倒塌。建築物從地基上移位。 |
| X | 一些建造良好的木結構被摧毀；大多數磚石結構和框架結構被摧毀，包括地基。鐵軌彎曲。 |
| XI | 幾乎沒有建築物仍然完好無損。橋樑被摧毀。鐵軌嚴重彎曲。 |
| XII | 破壞全面。視線和水平線扭曲。物體被拋向空中。 |
麥加利地震烈度標度存在許多問題。人們在遇到地震時感受到和看到的東西會受到他們距離地震震源的距離、他們下方岩石的型別、附近建築物的建造型別以及許多其他因素的影響。不同的觀察者也會以不同的方式感知體驗。例如，一個人可能會誇大其詞，而另一個人可能會淡化造成的損害。使用麥加利地震烈度標度，很難進行地震之間的比較。
為了解決這些問題，查爾斯·里克特於1935年制定了他的里氏震級標度。里氏震級標度測量地震中釋放的最大能量衝擊的震級。由於里氏標度是對數標度，因此最大波的振幅每增加一個整數就會增加10倍。例如，5級地震的最大地震波振幅是4級地震的10倍，是3級地震的100倍。震級增加一個整數大致對應於釋放能量增加30倍。里氏標度上兩個整數的差異等於釋放能量增加1000倍。
地震學家認識到里氏震級存在侷限性，因為它測量的是最大地震波的高度。一次劇烈的短時震動在里氏震級上的測量值會高於持續時間長、強度大的地震，即使後者釋放的能量更多。換句話說，釋放能量更大的地震比那些持續時間短但單次震動更大的地震更有可能造成更大的破壞。使用里氏震級，高震級不一定反映地震造成的破壞程度。
矩震級是目前測量地震震級的方法。這種方法測量地震釋放的總能量，因此更準確地反映了地震的強度。矩震級是根據斷層破裂的面積和地球沿斷層移動的距離計算出來的。與里氏震級一樣，矩震級也是對數的。震級增加一個整數意味著釋放的能量增加了30倍，而增加兩個整數則意味著釋放的能量增加了1000倍。里氏震級和矩震級通常給出非常相似的測量結果。
每年記錄的地震超過90萬次。其中15萬次強度足以讓人感覺到。每年大約有18次屬於大地震，里氏震級為7.0到7.9。平均每年發生一次震級為8到8.9的地震。請記住，許多地震發生在地殼深處和海洋中，不會對陸地造成太大或任何破壞。
震級在9級範圍內的地震很少見。美國地質調查局列出了歷史上矩震級達到9級的六次地震（見圖7.42和表7.2）。除了2004年的印度洋大地震外，其他地震都發生在環太平洋火山地震帶上。
| 地點 | 年份 | 震級 |
|---|---|---|
| 智利 | 1960 | 9.5 |
| 阿拉斯加威廉王子灣 | 1964 | 9.2 |
| 印度洋大地震 | 2004 | 9.1 |
| 堪察加半島，阿拉斯加 | 1952 | 9.0 |
| 非洲，秘魯（現智利） | 1868 | 9.0 |
| 卡斯卡迪亞俯衝帶 | 1700 | 9.0 |
為了有價值，地震預測必須準確。一個好的預測會預測地震的日期、地點和震級。預測需要準確，以便當局能夠說服人們撤離。不必要的疏散將非常昂貴，並將降低當局在以後可能需要疏散該地區的信譽。不幸的是，這樣的準確預測在很長一段時間內不太可能普遍出現。
最容易預測的是地震發生的地點（圖7.43）。因為幾乎所有地震都發生在板塊邊界，而且地震往往發生在以前發生過地震的地方，所以科學家知道哪些地方可能發生地震。此資訊對社群很有用，因為那些易發生地震的社群可以為地震做好準備。例如，這些社群可以實施建築規範，使建築物能夠抗震。在沒有風險的地區可以避免額外的工程和費用。
預測地震發生的時間要困難得多。科學家可以透過檢視該地區地震的歷史和地質記錄來獲得大致瞭解。如果斷層上的應力隨時間以相同的速率累積，那麼地震應該以規則的間隔發生。雖然這是事實，但這些預測存在很大的誤差範圍。使用這種方法，科學家甚至無法準確到幾年之內，疏散也不切實際。
地震學家還利用地震空白區理論進行長期地震預測。在這個理論中，科學家假設，平均而言，斷層同一側的所有岩石都以相同的速率移動。例如，他們說加利福尼亞州聖安德烈亞斯斷層北美板塊一側的岩石隨時間推移移動速度相同。雖然這可能是真的，但斷層沿線地震的頻率和震級並不相同：北部和南部地區地震更多，但中部地區相對不活躍。
地震學家試圖利用地震空白區理論預測地震空白區的地震。在加利福尼亞州帕克菲爾德附近，地震定期發生：大約每22年發生一次6.0級或以上的地震。利用這些資訊，地震學家預測1993年該地區將發生6級或以上地震。在20世紀80年代中期，美國地質調查局的地震學家在聖安德烈亞斯斷層的帕克菲爾德段設定了大量儀器，以監測預計發生的地震。雖然他們預測該斷層段將發生地震是正確的，但在預測地震時間方面卻相差甚遠。直到2004年，即11年後，帕克菲爾德才發生了一次6.0級地震。
科學家已經認識到一些指標，使他們能夠認識到可能發生大地震。大地震之前通常會發生一些小的震動，稱為前震，這些震動發生在主震前幾秒到幾周。然而，許多地震之前並沒有前震，而一系列小地震也不一定會導致大地震。
大地震之前通常還會伴隨著地面的傾斜，這是由岩石中應力的積累引起的。地震學家測量地面傾斜並利用這些變化來預測即將發生的地震。雖然這項技術在某種程度上取得了成功，但它也被用於預測從未發生過地震的事件，並且未能預測一些確實發生過的地震。井水位在發生地震前會因水進入或流出裂縫而發生波動。這些資訊也可以用作可能但不可靠的大地震預測指標。
最成功的地震預測發生在1975年2月4日。在中國地震學家的建議下，官員疏散了遼寧省許多居民。儘管該地區不易發生地震，但地震學家做出了預測，因為該地區幾天內發生了大約400次小前震。疏散當晚發生了一次7.3級地震，只有數百人喪生。估計有15萬人獲救。然而，一年多後，中國地震學家未能預測唐山地震，造成超過25萬人死亡。一個月後，中國官員疏散了廣東省的居民以應對一場從未發生過地震。
預測已經發生的地震的地震波到達具有價值。地震儀可以在更具破壞性的S波和表面波到達前幾秒鐘檢測到P波。雖然幾秒鐘時間並不多，但一個協調的計算機系統可以利用這段時間關閉天然氣管道和高壓輸電線路，並在化工廠、核電站、公共交通系統、機場和道路上採取保護措施。
民間傳說稱，動物在地震前會表現出異常行為。大多數這些軼事是在地震發生後講述的，人們會回憶起震動開始之前的時間。記憶出了名的不可靠。然而，中國科學家積極研究動物在地震前後的行為，以瞭解軼事是否有依據。
一個有趣的例子是2004年“海嘯”中被殺死的動物數量出奇地少。有大量報道稱，這些動物有一種“第六感”預警了危險。例如，在斯里蘭卡的亞拉國家公園，大約有60名遊客和公園員工溺水身亡，但大型動物很少。人們看到三頭大象逃往高地。經過仔細檢查，配備跟蹤項圈的大象當天表現出正常的活動。如果動物確實能感知來自地震或海嘯的危險，科學家不知道它們能感知到什麼，但他們希望找出答案。
- 地震學家利用地震圖來確定地震的強度、距離和持續時間。
- 利用三個地震圖上P波和S波到達時間的差異可以計算震中。
- 地震的強度可以用多種方法確定。麥加利地震烈度表確定了地震造成的破壞和人們的感覺，里氏震級測量地震的最大振幅，而矩震級測量地震釋放的總能量。
- 儘管取得了一些成功，但地震學家在預測地震方面並沒有取得太大進展。
- 如果地震儀的所有部件都必須固定在地面上，那麼它如何測量地面震動？
- 在地震圖上，哪些波先到達，哪些波第二到達，哪些波第三到達，哪些波最後到達？
- 地震學家需要哪些資訊才能計算地震臺到地震震中的距離？
- 如果地震圖記錄了P波和表面波，但沒有記錄S波，那麼地震震中相對於地震儀位於何處？為什麼？
- 與里氏震級一樣，矩震級也是對數的。震級為7.2的地震與震級為8.2的地震釋放的能量差多少？震級為7.2的地震與震級為9.2的地震釋放的能量差多少？
- 為什麼需要至少三個地震儀才能確定地震震中？
- 雖然麥加利地震烈度表仍然用於測量地震震級，但為什麼它不是唯一使用的量表？與里氏震級和矩震級相比，它的不足之處在哪裡？
- 為什麼認為矩震級比里氏震級更適合測量地震震級？
- 里氏震級6級和7級釋放的能量差多少？矩震級6級和7級釋放的能量差多少？
- 地震學家如何利用地震前震來預測地震？為什麼前震並不總是有效的預測工具？
- 好的地震預測有什麼特點？為什麼需要這些特徵？
- 為什麼中國地震學家在預測1975年遼寧省地震方面如此成功？為什麼他們未能預測1976年的唐山地震並在一個月後不必要地疏散廣東省？
- 麥加利地震烈度表
- 該量表測量地震對地表的影響以及人類的感受。其測量範圍為I-XII。
- 矩震級
- 這是一個對數刻度，用於測量地震釋放的總能量。震級增加一個整數，表示釋放的能量增加30倍。震級增加兩個整數，表示釋放的能量增加1000倍。
- 里氏震級
- 里氏震級測量地震產生的最大震動。它是一個對數刻度。
- 地震圖
- 地震圖是由地震儀產生的地震活動的印刷記錄。
- 地震儀
- 一種較老式的地震儀，其中一個懸掛並加重的筆在隨地面移動的鼓上寫字。
- 地震計
- 地震計是一種測量地震波和其他地面運動的機器。
- 如果你住在地震多發地區，讀完本節後你對你的家有什麼感覺？由於地震不太可能被預測，你能做些什麼來最大程度地降低你和你家人的風險？如果你不住在地震多發地區，你需要什麼才能搬到那裡？此外，你居住的地方面臨哪些自然災害的風險？
- 你認為科學家將來可能用來預測地震的最有希望的一組線索是什麼？
- 關於可能發生地震位置的資訊對這些地震多發地區的社群有什麼好處？