中国为什么地震频发?
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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。
512汶川地震漩口中学遗址 | 位于老映秀镇的地震遗址,时间永远定格在了2008年5月12日14时28分04秒。图源@VCG
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。
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。
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。
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。
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远眺东天山的夷平面 | 天山山脉具有很明显的“台阶”特征——不同位置的山体通常相似的海拔高度,彼此可以连成一条线,一级级增高。这是因为它在地质历史中曾经被夷平,然后又重新形成山脉。曾经的夷平面随着南北挤压而逐渐抬升到不同的高度。摄影师@常力
印度陆块及中国陆地各区域的每年相对运动示意图 | 箭头长度表示运动速率的不同,图中可见印度陆块对中国陆地的运动态势具有显著影响。图源@文献[14]
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]。
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。
03
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。
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。
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。
北京珐琅厂收藏的一款珐琅质张衡地动仪 | 地动仪的原理并不明确,是否能测出地震方位也不确定,人们只能根据一些史料复原其外观。图源@VCG
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。
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北京西山鹫峰地震台 | 雕塑人物为李善邦,是北京西山鹫峰地震台首任台长。如今,这个地震台仍在使用。图源@VCG
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]
极具时代特色的地震群测群防宣传海报 | 地震群测群防运动在我国地震预报的历史上占据十分重要的地位,至今仍发挥着重要的作用。社交媒体截图。
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。
自北向南航拍索顿湖 | 索顿湖位于圣安地列斯大地震南端,由于断层末端的破裂延伸,湖区里经常发生小微地震。图源@VCG
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]
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。
策划撰稿 | 云舞空城
视觉设计 | 陈随
地图设计 | 陈志浩
图片编辑 | 谢禹涵
内容审校 | 撸书猫
封面来源 | VCG
[1] 陈运泰. 地震浅说. 北京: 地震出版社, 2019
[2] 丁一汇, 朱定真, 等编. 中国自然灾害要览(上卷)[M]. 北京: 北京大学出版社, 2013.
[3] 刘百篪, 张俊玲, 吴建华,等. 1920年12月16日海原8.5级大地震的伤亡人口再评估[J]. 中国地震, 2003, 019(004):386-399.
[4] 张思源. 1920年海原大地震死亡人数考析[J]. 西夏研究, 2013(01):119-122.
[5] Scotese, C.R., 2020. Plate Tectonics, Paleogeography, & Ice Ages, (Dual hemisphere), YouTube Animation (https://youtu.be/bzvOMee9D1o)
[6] 潘桂棠, 陆松年, 肖庆辉, et al. 中国大地构造阶段划分和演化[J]. 地学前缘, 2016, 023(006):1-23.
[7] 潘桂棠, 郝国杰, 冯艳芳,等. 中国大地构造单元划分[J]. 中国地质, 2009, 036(001):1-28.
[8] 潘桂棠, 肖庆辉, 等著. 中国大地构造[M]. 北京: 地质出版社, 2017
[9] Scotese, C.R., 2016. Plate Tectonics, Paleogeography, and Ice Ages, (Modern World - 540Ma), YouTube Animation (https://youtu.be/g_iEWvtKcuQ)
[10] 李双林, 欧阳自远. 兴蒙造山带及邻区的构造格局与构造演化[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1998, 018(003):45-54.
[11] 徐学义, 李荣社, 陈隽璐, et al. 新疆北部古生代构造演化的几点认识[J]. 岩石学报, 2013, 30(6).
[12] 刘训. 中国西北盆山地区中—新生代古地理及地壳构造演化[J]. 古地理学报, 2004(04):65-75.
[13] 新浪新闻. 珠峰每年都在向长春移动:速度每年4.2厘米. 2020-05-08. (news.sina.com.cn/c/2020-05-08/doc-iirczymk0556667.shtml)
[14] Zheng G, Wang H, Wright T J, et al. Crustal deformation in the India‐Eurasia collision zone from 25 years of GPS measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(11): 9290-9312.
[15] 李海兵, 王宗秀, 付小方,等. 2008年5月12日汶川地震(Ms8.0)地表破裂带的分布特征[J]. 中国地质, 2008, 035(005):803-813.
[16] Xu K, Li G, Ning Z, et al. Field Excursion Introduction for IGCP 679 1st International Symposium: Progress in Cretaceous Geology in Shandong Province, China[J]. Open Journal of Geology, 2019, 9(10): 722-725.
[17] 石云, 廖欣, 张达, et al. 软流圈物质运动对鄂尔多斯块体周缘断陷盆地运动特征的影响[J]. 地球物理学报, 2017, 060(007):2614-2627.
[18] Zhao G, Cawood P A, Li S, et al. Amalgamation of the North China Craton: key issues and discussion[J]. Precambrian Research, 2012, 222: 55-76.
[19] Kusky T M, Windley B F, Wang L, et al. Flat slab subduction, trench suction, and craton destruction: comparison of the North China, Wyoming, and Brazilian cratons[J]. Tectonophysics, 2014, 630: 208-221.
[20] Zhu R X, Xu Y G, Zhu G, et al. Destruction of the North China craton[J]. Science China Earth Sciences, 2012, 55(10): 1565-1587.
[21] Zhu R X, Chen L, Wu F Y, et al. Timing, scale and mechanism of the destruction of the North China Craton[J]. Science China Earth Sciences, 2011, 54(6): 789-797.
[22] 岑敏, 董树文, 施炜,等. 大同盆地形成机制的构造研究[J]. 地质论评, 2015, 61(6):1235-1247.
[23] 李树德. 中国东部大同火山群发育的构造地貌背景[J]. 地理学报, 1988(03):45-52.
[24] Tian, X., Teng, J., Zhang, H., Zhang, Z., Zhang, Y., Yang, H., & Zhang, K. (2011). Structure of crust and upper mantle beneath the Ordos Block and the Yinshan Mountains revealed by receiver function analysis. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 184(3-4), 186–193. doi:10.1016/j.pepi.2010.11.007
[25] 高建国, 宋正海主编. 中国近现代减灾事业和灾害科技史. 济南: 山东教育出版社, 2006
[26] CalOES. Statement from the California Earthquake Prediction Evaluation Council. 2016-09-27. (http://www.oesnews.com/wp-content/uploads/2016/09/CEPEC-MEMORANDUM.pdf)
[27] Dorsey R J, Umhoefer P J. Influence of sediment input and plate-motion obliquity on basin development along an active oblique-divergent plate boundary: Gulf of California and Salton Trough[J]. Tectonics of Sedimentary Basins: Recent Advances, 2012: 209-225.
[28] Zheng G, Wang H, Wright T J, et al. Crustal deformation in the India‐Eurasia collision zone from 25 years of GPS measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(11): 9290-9312.
[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)