高中地球科學/地震的本質

地震是由於岩石中儲存的能量突然釋放而引起的突然地面運動。當岩石中的壓力累積到足以使岩石斷裂時，就會發生地震。地震的能量由地震波傳遞。每年有超過 150,000 次地震的強度足以讓人們感覺到，還有 900,000 次地震被地震儀記錄到。

課程目標

能夠識別地震震源及其震中。
識別地震帶，以及是什麼使某些地區容易發生地震。
比較不同型別地震波的特徵。
描述海嘯是如何由地震引起的，特別是以 2004 年的印度洋海嘯為例。

地震的原因

幾乎所有地震都發生在板塊邊界處。所有三種邊界型別——分離邊界、匯聚邊界和轉換邊界——都容易發生地震活動。板塊構造導致岩石圈板塊移動。可以想象，讓巨大的岩石圈板塊在一個球體上移動，並不平滑。當壓力積累時，它們首先會導致岩石發生彈性彎曲。如果壓力持續存在，能量就會繼續在岩石中積累。當壓力超過岩石的內部強度時，岩石就會斷裂。雖然它們恢復到原來的形狀，但壓力會導致岩石移動到新的位置。這種運動釋放了儲存在岩石中的能量，從而產生地震。在地震期間，岩石通常移動幾釐米，甚至可能移動幾米。這種對地震發生方式的描述被稱為彈性回跳理論（圖 7.25）。

**圖 7.25**：彈性回跳理論。壓力在斷層兩側積聚，導致岩石發生塑性變形（時間 2）。當壓力變得太大時，岩石恢復到原來的形狀，但它們會移動（時間 3）。這種運動釋放了產生地震的能量。

岩石斷裂的地方通常在地球表面以下。斷裂點稱為地震的震源。地震的震源可以很淺——小於 70 公里（45 英里），中等——70 到 300 公里（45 到 200 英里），或者很深——大於 300 公里（200 英里）。大約 75% 的地震的震源在地殼最上層 10 到 15 公里（6 到 9 英里）。淺層地震造成的破壞最大，因為震源靠近地球表面，那裡是人們居住的地方。

在地表正上方，震源的正上方是地震的震中（圖 7.26）。科學家和媒體報道的是地震的震中。例如，1906 年舊金山地震的震中位於離岸，距離金門公園以西 1.5-3 公里（1-2 英里）。

地震帶

有些地方容易發生地震，而有些地方不容易。幾乎 95% 的地震都發生在三種板塊邊界中的一個。科學家利用地震震中的位置來繪製板塊的邊界，因為地震經常發生在板塊邊界處（圖 7.27）。

地球上地震最多的地區是太平洋周圍的地區。大約 80% 的地震都發生在這個地區。這個地區被稱為太平洋火環，因為那裡也發生著大多數火山噴發。太平洋被匯聚邊界和轉換邊界包圍（圖 7.28）。

**圖 7.29**：聖安德烈亞斯斷層穿過加利福尼亞州西部。它是西北向移動的太平洋板塊和東南向移動的北美板塊之間的轉換邊界。

大約 15% 的地震發生在地中海-亞細亞帶。在這裡，匯聚邊界正在縮小地中海，導致喜馬拉雅山脈不斷增長。其餘 5% 的地震散佈在其他板塊邊界周圍，其中一些發生在板塊內部，遠離板塊邊界。

三種類型的板塊邊界都會發生地震。轉換邊界會發生巨大而致命的地震。由於岩石圈板塊相互滑動，但沒有向上或向下移動，因此轉換斷層的地震是淺源地震。北美最臭名昭著的地震斷層是穿過加利福尼亞的聖安德烈亞斯斷層。這條長達 1,300 公里（800 英里）的斷層是西北向移動的太平洋板塊和東南向移動的北美板塊之間的轉換邊界。聖安德烈亞斯斷層是右旋走滑斷層（圖 7.29）。

歷史上聖安德烈亞斯斷層上最大的一次地震發生在 1906 年舊金山（圖 7.30）。這次地震的震級可能達到 7.8 級，這是一個非常大的地震。這次地震和隨後的火災仍然是加州歷史上最昂貴的自然災害。估計有 3,000 人死亡，大約 28,000 座建築物被毀，其中大部分是在火災中被毀的。

1989 年，洛馬普里埃塔地震襲擊了加利福尼亞州聖克魯斯附近。這場 7.1 級地震造成 63 人死亡，3,756 人受傷，超過 12,000 人無家可歸。財產損失估計約為 60 億美元。1994 年，一次發生在盲逆斷層上的地震襲擊了加利福尼亞州洛杉磯附近的諾斯里奇地區。它在矩震級尺度上記錄為 6.7 級。72 人死亡，12,000 人受傷，損失估計為 125 億美元。

還有許多其他斷層從聖安德烈亞斯斷層分支出去，這些斷層與主斷層一起每年產生大約 10,000 次地震（圖 7.31）。雖然大多數地震甚至無法被附近的人感覺到，但偶爾也會發生大地震。在舊金山灣區，海沃斷層是 1868 年 7.0 級地震的發生地。

**圖 7.31**：舊金山灣區的聖安德烈亞斯斷層帶。聖安德烈亞斯斷層被看到穿過舊金山和馬林縣，位於雷耶斯角以東。海沃斷層位於東灣，穿過伯克利。地圖上還顯示了許多其他小型斷層。

匯聚邊界也會產生巨大而致命的地震。地震標誌著俯衝岩石圈在穿過地幔時運動。地震可能是淺源地震、中源地震或深源地震。匯聚邊界在整個太平洋盆地產生地震。

菲律賓板塊和太平洋板塊俯衝到日本下方，形成了一系列火山，每年發生大約 1,500 次地震。1923 年的大關東地震估計造成 140,000 人死亡，其中許多是在隨後的火災中喪生的。在橫濱，90% 的房屋被損壞或毀壞，東京 60% 的人口無家可歸。1995 年的大阪神（神戶）地震造成 6,434 人死亡（圖 7.32）。

俯衝也發生在太平洋火環的一部分，即太平洋西北部的喀斯喀特山脈。胡安·德·富卡板塊正在俯衝到北美板塊下方，形成了一系列火山，一直延伸到加利福尼亞州北部。喀斯喀特火山很活躍，包括聖海倫斯山，該火山在 1980 年發生了一次大規模噴發。拉森山、沙斯塔山和加利福尼亞州東北部的醫學湖火山是喀斯喀特山脈中最南部的三座火山。

然而，卡斯卡迪亞俯衝帶是世界上最安靜的俯衝帶之一，地震相對較少。儘管它們並不常發生，但發生時威力巨大。胡安·德·富卡上一次大地震發生在 1700 年，震級估計在 8.7 到 9.2 之間。該地區的地球史表明，這裡大約每 300 到 600 年就會發生一次大地震。由於該地區上次地震已經過去了 300 多年，因此太平洋西北部面臨著可能隨時發生的大地震的風險。

大陸板塊碰撞產生的逆衝斷層和褶皺會產生巨大的地震。例如，喜馬拉雅山脈及其周圍地區是許多地震的發生地。2001 年印度古吉拉特地震造成約 20,000 人死亡，還有更多人受傷或無家可歸。

地震也發生在板塊分離邊界。在洋中脊，這些地震往往很小，因為板塊很年輕且很熱。由於新板塊很薄，地震很淺。由於海洋中的分離板塊邊界通常遠離陸地，因此對人們的生活影響很小。在陸地上，大陸發生斷裂的地方，地震更大、更強。

大約 5% 的地震發生在一個板塊內部，也就是說，遠離板塊邊界。1812 年，密蘇里州新馬德里附近發生了一次 7.5 級地震，這是一次大型板內地震。地震在約 50,000 平方英里的範圍內強烈感覺到，並改變了密西西比河的走向。由於當時居住在這裡的人很少，只有 20 人喪生。然而，今天這裡住著更多的人，而新馬德里地震帶仍在活躍（圖 7.33）。類似的地震今天無疑會造成很多人死亡，並造成大量財產損失。板內地震是由板塊運動作用於岩石圈固體板塊產生的應力引起的。

**圖 7.33**：新馬德里地震帶的位置位於北美板塊內部，遠離最近的板塊邊界。該圖顯示，自 1974 年以來，該地區發生了約 4,000 次地震。

地震波

能量透過波傳播。每個波都有一個稱為波峰的高點和一個稱為波谷的低點。波從中心線到波峰的高度稱為振幅。波峰到波峰（或波谷到波谷）之間的距離稱為波長（圖 7.34）。

來自地震（以及爆炸）的能量以稱為地震波的波的形式傳播。其他型別的波傳播其他型別的能量；例如，聲波傳播孩子的笑聲和其他聲音。對地震波的研究稱為地震學。地震學家利用地震波來了解地震以及地球內部。

地震波從源頭向各個方向傳播。地震波主要有兩種型別。體波從地震的震源穿過地球的固體部分，穿過地球內部到達地表。表面波只沿著地面傳播。不同型別的地震波在不同材料中的傳播速度不同。所有地震波都穿過岩石，但並非所有地震波都穿過液體或氣體。在地震中，體波引起突然的震動。表面波引起滾動運動。表面波在地震中造成的大部分破壞。

體波

體波有兩種型別——初波（P 波）和次波（S 波）。這些波穿過地球內部。P 波速度最快，約為每秒 6 到 7 公里（約 4 英里）。它們被稱為初波，因為它們是第一個到達地震儀的波。S 波速度較慢，因此是第二個到達地震儀的波。體波的傳播速度取決於它們穿過的材料型別。

P 波是縱波。它們使材料在與波傳播方向相同的向前和向後移動。這種運動類似於彈簧的壓縮和伸展。在 P 波通過後，材料恢復到其原始大小和形狀。因此，P 波不是最具破壞性的地震波。P 波可以穿過固體、液體和氣體。

S 波是橫波，上下移動。它們的振動垂直於波傳播的方向。在岩石中，這種運動會產生剪下應力。S 波的速度約為 P 波的一半，約為每秒 3.5 公里（2 英里）。S 波只能穿過固體，因為液體和氣體沒有剪下強度。

表面波

表面波沿著地面從地震的震中向外傳播。表面波是所有地震波中最慢的，速度為每秒 2.5 公里（1.5 英里）。表面波有兩種型別。勒夫波像蛇一樣左右移動。瑞利波像海浪一樣滾動（圖 7.35）。這些波導致物體落下和升起，同時來回搖擺。這些運動在地震中造成對剛性結構的破壞。

海嘯

地震會引發致命的海洋波浪，稱為海嘯，儘管海嘯可能是由任何對海水造成的衝擊引起的，包括隕石撞擊、滑坡或核爆炸。當海水被海底地震的強烈衝擊所取代時，地震能量會形成一組波浪。這些波浪在海中傳播，完全沒有被注意到，因為它們的振幅很低，波長很長。當這些波浪到達海岸時，它們可能會長到巨大的高度，造成巨大的破壞和人員傷亡。幸運的是，很少有海底地震會引發海嘯。

2004 年 12 月 26 日的Boxing Day海嘯是迄今為止最致命的海嘯。這次海嘯是由 2004 年印度洋地震引起的，也稱為大蘇門答臘-安達曼地震（圖 7.36）。這次地震的震級為 9.2 級，是有史以來第二大地震。到達地球表面的能量是廣島原子彈釋放能量的 1,502 倍，但估計釋放的總能量是廣島原子彈的 5.5 億倍。

印度洋地震發生在印度尼西亞蘇門答臘島以南 160 公里（100 英里）處。在這個地區，印度板塊正在俯衝到緬甸板塊之下。地震斷層沿線的滑動量令人難以置信，達到了 15 米（50 英尺），大約三分之二為水平方向，三分之一為垂直方向。斷裂長度約為 1,600 公里（1,000 英里）。斷裂持續了長達 10 分鐘，是迄今為止目睹的最長持續時間。

地殼的極端運動使數萬億噸水位移。水位移發生在斷裂的整個長度上。這意味著海嘯波沿很長一段距離形成，增加了殺手波浪傳播的區域。形成了幾場海嘯，每場海嘯的波峰之間大約有 30 分鐘的時間間隔。

水從斷裂處以極快的速度穿過印度洋。與典型海嘯一樣，這些海浪在開闊水域中並不明顯。衛星測量出海水錶面的波浪高度僅為 50 釐米（20 英寸）。第一波浪在約 15 分鐘內襲擊了蘇門答臘島北部地區。最嚴重的時候，這些海浪的高度約為 10 米（33 英尺）。在 1.5 到 2 個小時內，海浪襲擊了斯里蘭卡和印度東海岸。泰國在地震發生後兩個小時遭到襲擊。索馬利亞在地震發生後七個小時遭到襲擊。隨著距離地震的增加，海浪的規模減小，因此斯里蘭卡、泰國和索馬利亞的海浪相對較小，高度約為 4 米（13 英尺）。

與其他海浪一樣，海嘯也有波峰和波谷。海嘯襲擊海灘時人們看到的是什麼，取決於波峰或波谷先到達。在一些地方，海嘯的波谷首先到達海灘。當這種情況發生時，海水會退回大海，海灘外圍的海底就會暴露出來。在這種情況下，好奇心往往會致命，因為那些去海灘看這種奇觀的人在海嘯波峰到達時被淹死。

一個令人驚歎的故事是 10 歲的英國女孩蒂莉·史密斯的故事，她和她的父母一起去泰國邁考海灘度假。在大約兩週前的海嘯發生之前，蒂莉在學校裡學習了海嘯。她知道海水退去和海面上的泡沫表明海嘯正在來臨。當海嘯波的波谷襲擊海灘時，她向她的父母指出了這些特徵。他們告訴其他遊客和他們酒店的工作人員，海灘被疏散了。邁考海灘上沒有人死亡，蒂莉被認為救了將近 100 人。

在其他海灘上，人們沒有那麼幸運。總的來說，海嘯襲擊了 8 個國家，印度尼西亞、斯里蘭卡、印度和泰國受災最嚴重（圖 7.37）。約 230,000 人喪生，甚至在距離地震震中近 8,000 公里（5,000 英里）的南非也出現了人員傷亡。超過 120 萬人失去家園，更多的人失去生計。例如，漁民失去了漁船，商人失去了餐館和商店。許多海洋動物被衝到內陸，包括海豚、海龜和鯊魚。

只有少數科學家認為印度洋會發生大規模海嘯，因此沒有建立預警系統。海嘯在太平洋更為常見，因為太平洋盆地周圍有大量俯衝帶，太平洋周圍的社群自 1948 年以來一直在執行海嘯預警系統（圖 7.38）。作為 2004 年海嘯的結果，印度洋預警系統於 2006 年 6 月投入執行。

預警系統作用有限。它們根據地震在海洋盆地內的位置發出警報。不幸的是，離地震非常近的社群無法及時收到警報，無法向內陸或山區遷移，因為海嘯來襲速度太快。然而，在遠離地震的大海嘯中，疏散低窪地區可以挽救許多人的生命。

課程總結

在地震期間，地面震動，釋放了儲存在岩石中的能量。幾乎所有地震都發生在板塊構造邊界，所有型別的板塊邊界都存在地震。
太平洋盆地和地中海-亞洲帶是兩個最有可能發生地震的地理區域。造成最大破壞的地震波是表面波，它們只沿著地面傳播。
體波穿過地球，比表面波更早到達地震儀。海嘯是致命的海浪，可能由海底地震引起。

複習題

什麼是地震的震源？什麼是震中？
為什麼大多數地震發生在板塊邊界？
運用彈性回跳理論，描述引發地震的原因。
利用板塊構造理論描述為什麼太平洋周圍的地震比地球上其他任何地方都多。
由於板內地震不靠近板塊邊界，請概述你認為可能導致它們的原因。
最大的地震會導致最多的死亡和最多的財產損失嗎？
加州以聖安地列斯斷層帶沿線的地震而聞名，但還有另一種型別的板塊邊界會發生大型地震。它是什麼型別的板塊邊界，地震可能發生在哪裡？
根據你對板塊構造和彈性回跳理論的瞭解，描述太平洋西北部，包括加州北部的喀斯喀特山脈正在發生什麼。未來可能發生什麼？包括地震和海嘯。
當兩個大陸岩石圈板塊發生碰撞時，會發現什麼型別的斷層？解釋這在斷層和兩側岩石的圖解中會是什麼樣子。
體波的特點是什麼？兩種型別是什麼？
P 波可以穿過哪些材料，速度有多快？描述 P 波的運動。
S 波可以穿過哪些材料，速度有多快？描述 S 波的運動。
表面波與體波有什麼不同？一般來說，哪種型別的波在地震中破壞性更大？
2004 年，泰國的蒂莉·史密斯在海灘上注意到什麼，導致周圍的成年人在巨型海嘯襲擊前撤離海灘？這些跡象是如何證明海嘯的？

詞彙

振幅: 從中心線到波峰頂點（或波谷底部）的波高。
體波: 一種穿過行星內部傳播的地震波。兩種型別是縱波和橫波。
波峰: 波浪的最高點。
地震: 岩石中儲存的能量釋放導致的地面震動。
彈性回跳理論: 地震是如何產生的理論。彈性回跳理論指出，應力會導致岩石的應變積累，直到岩石不再能彈性彎曲並斷裂，從而引發地震。
震中: 地球表面上位於地震震源上方的點。
震源: 地震期間岩石破裂的點。
勒夫波: 這些表面波具有側向運動，很像蛇的蜿蜒運動。
縱波（P 波）: P 波是體波，因為它們是最快的，所以它們是第一個到達地震儀的波。P 波是縱波，可以穿過固體、液體和氣體。
瑞利波: 這些表面波具有滾動運動。
橫波（S 波）: S 波是體波，它們是第二個到達地震儀的波。S 波是橫波，只能穿過固體。
地震波: 地震波傳遞地震期間釋放的能量。兩種主要型別是體波和表面波。
地震學: 地震波的研究，包括地震和地球內部。
表面波: 表面波是沿著地面傳播的地震波。兩種型別是勒夫波和瑞利波。地震發生後，表面波造成最大破壞。
波谷: 波浪的最低點。
海嘯: 一組致命的波浪，通常由海底地震或其他衝擊引起，在此過程中大量海水被置換。海嘯在海灘上高高湧起，可以深入內陸，造成死亡和破壞。
波長: 兩個波浪之間波峰到波峰或波谷到波谷的距離。

需要考慮的要點

加州舊金山灣區海沃斷層上一次發生大地震是在 1868 年。利用彈性回跳理論描述今天海沃斷層可能正在發生的事情，以及未來可能發生的事情。
為什麼加州如此容易發生地震？
海嘯如何破壞加州海岸？地震會在哪裡發生？這種海嘯如何預測？

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