关于地震，你想知道的大部分问题
关于地震，你想知道的大部分问题
地震成因和基本概念
要说清楚地震，我们首先需要明确关于地震的一些重要名词：地震主要分为构造地震，诱发地震，火山地震和陷落地震。除了构造地震之外的三种地震往往震级较小，造成的破坏也极少，频率也较低（构造地震占所有地震的90%以上），这几种地震的原因都可以顾名思义，这里不必赘述。不同原因的地震可以从地震台的数据看出来，如中国的地震台同时也在监测朝鲜的地下核试验，那边的一次地震是不是核试验以及核试验的当量都可以从测定数据计算出来。
我们说到的地震绝大多数属于构造地震，构造地震的成因今天公认的是弹性回跳学说，这是美国科学家里德在1911年基于1906年的旧金山大地震时产生的水平移动现象提出的理论。想象一下地壳是液态的熔岩之上漂浮的破碎的蛋壳，由于熔岩无时不刻不在流动，而岩石是坚硬的，随着时间的推移岩石也在不断得积累弹性势能。直到某一时刻，岩石积累的弹性应变超过了它自己可以承受的极限，它像一块饼干一样裂开，反弹到之前的位置，这个过程产生猛烈的颤动并顺着岩石传导到其他地方，这就是地震波。
说到这里，我们可以解释一下地震最常见也是最重要的概念了：破裂发生的那一刻，我们称为发震时间。岩石破裂的开始点称为震源，震源在地面上的垂直投影就是震中，震源到地面的垂直距离就是震源深度。破裂所释放出的能量称为震级，或者叫地震规模，地震在某一地区的破坏程度称为地震烈度。关于地震的震级和烈度会在后面更加详细的介绍。
从上面这些概念，可以得出一些可能反直觉的结论，这是因为我们对这些概念的误解：震源是岩石破裂的开始点，但岩石的破裂不可能只是一个点，再加上地震波传导路径上的各处岩石密度可能有差别，作为震源在地面上的垂直投影的震中不一定是震感和破坏最严重的地方，或者至少不只是这里最严重。我们在新闻中听到的”某某地发生地震”往往是说地震的震中落在某地辖区之内，但是实际上一个地的辖区可能很大，而震中在市中心的概率很小，甚至有可能在某两市的交界处，而最近的人口稠密区在邻市。这些认识这对我们后面要说到的话题十分重要。
这也会引发一些有意思的现象：新闻播报震中之前很多地区的人感觉到地震之后都会认为是自己所在地发生了地震，所以发生大地震的时候微博热搜会出现多个城市地震的话题。在古代也是这样，我们现在已经习惯了每次地震发生在震中，但历史上发生影响范围广的地震会记载为多地发生地震。
震级和烈度，详解震级
如果听说发生了地震，我想大家的第一反应除了震中在哪儿之外，就是几级。我们大多数人的印象里面，地震的震级越高，造成的损失也越严重。但是下面有几个简单的事实：本世纪中国大陆最大的地震是2001年11月14日在昆仑山口发生的8.1级地震，这次地震没有造成人员伤亡，最大的损失是当地通信中断和前去帮助当地科考队员的救援人员中有两位发生了较严重的高原反应。而我们都知道的2008年四川大地震中，中国东部都只有轻微的震感，没有很大损失。
你们大概会说：这不是废话吗？昆仑山口才有几个人？中国东部离四川的震中多远？这里大家应该立刻就能明白，会影响地震造成的破坏大小的条件，除了震级之外还有与震中距离，正式的说法叫震中距——虽然前面讲到距离震中越远影响就越小这一点不绝对成立，但大多数情况下都差不多。除此之外影响地震对某一点的破坏力的另一个重要因素是震源深度，这很好理解。假设其他条件不变，震源越浅，对震中附近的破坏会越大，而震源越深，地震影响的范围就会越广。
那么有没有一个东西量化的表示地震对某一点的破坏呢？当然是有的，这就是地震烈度。国际上最常用的地震烈度是麦加利地震烈度体系，是从1到12的12度表，中国大陆的地震烈度表也基于这个。比较特殊的是在日本和台湾使用的是震度从0到7的10度表，菲律宾是1-10的10度表。烈度会在后面详细讲述。由于媒体报道的侧重，在中国和很多其他国家，人们听到几级地震的理解是震级，而在日本和台湾他们第一反应会认为是烈度，或者叫他们所称的震度。
震级，或者说地震规模，是度量地震释放的能量大小的数值。我们最常听说的是里氏震级，里氏震级是1935由美国科学家查尔斯 里克特以天文学中的星等为灵感提出的，又称为近震震级，它通过距离震中一定距离所观测到的地震波的幅度与周期，并考虑到从震源到观测点的地震波衰减，通过对数计算出震源处地震的大小。这里使用对数标度地震强度的方法在后来一直被沿用，各种震级计算方法也尽量使所算出的数值接近里氏震级，这也使得在新闻播报中和我们的日常口语中经常用”里氏震级”来代表震级。
实际上，严格的来说这样的说法并不准确：由于里氏震级或者说近震震级有一个明显的缺陷：在7级以上的地震中会出现饱和现象，直白的说就是在此数值之上有更大的地震，但测量出来最高只有7.0级左右。所以说里氏震级很快就基本被淘汰了，今天所说的”里氏震级”大概率并不是里氏震级。我国规定对一般公众发布的地震震级使用面波震级。
面波震级是1945年由德国科学家宾诺 古登堡提出的，同年他还提出的体波震级。面波震级使用地震产生的地面波计算，比较容易测定，并且在8.5级左右达到饱和，这已经适用于绝大多数的地震——目前发生过的最大地震是9.5级。短周期体波震级在6.2级以后出现饱和现象，比较不准确，但可以在最快的P波到达时第一时间算出，适合用来速报。
上面这些方法使得我们所接触的绝大多数地震都可以被度量了，但是这些方法都有一个问题：这些震级都通过地震台测量到的地震波推算出地震的大小，但并没有涉及地震的物理成因，也就是岩石断裂产生的位移。1977年美国加州理工学院的金森博雄教授制定了矩震级的度量：通过数个地震台测出地震的断层面积和位移量，再根据这些数据算出震级，经过几次改进之后的矩阵级不会饱和，在科研上也被认为是最准确的震级。
除此之外，由于震级是在测量能量，那么为什么不能直接通过能量计算震级呢？于是有了能量震级，能量震级可以用于没有地震矩的非构造地震，比如陨石撞击引起的地震，同时也更加适合预估地震所造成的破坏。另外还有地幔波震级，海啸震级，持续时间震级等，这些震级都是通过不同方法测出的不同数据计算出一个数值来表示地震的大小。
目前中国地震台网规定2分钟进行自动速报，自动报由计算机根据台网数据计算得出后自动发布。正式报由计算机辅助人工计算后发布。实际上在地震台网密集的区域，自动报常常在地震后几十秒就已经发出。
烈度，烈度速报
前面说道，烈度是度量地震在某一处造成的破坏的数值，经常用麦加利地震烈度体系来描述。这是一个用罗马数字1-12表示的12度表，造成的震感或者破坏从弱到强，实际上我们说的房屋抗震性能就是指这个地震烈度。一个常见的对话是甲说”我很害怕发生大地震，因为我家住在高楼，地震来了根本来不及跑”，乙说”不用担心，现在的高楼大多能抗八级地震”。这种说法是有很大问题的，所谓的”抗八级地震”实际上指的是在当地烈度为8时建筑的主体结构不会被破坏的标准，而地震震级为八级的地震震中的烈度可能在9到11度。当然这也不代表房子一定会塌，如2008年汶川地震中震中汶川县映秀镇烈度为11度，当地的建筑大多数不设防，毁坏十分严重，但仅有的两座抗8度的楼房都没有倒塌。
和我们现在更加关注震级不同的是，人类对地震的度量是从烈度开始的，首先使用一些感官标准，如门窗作响，悬挂物晃动，家具移动和翻倒，地面和墙面出现裂缝，人体直观感觉等等来划分。到后来引入了地表加速度来计算，在1923年形成了麦加利地震烈度表。 目前麦加利地震烈度体系的有通行于美国，韩国和港澳等的 修订麦加利地震烈度表，在俄罗斯等前苏联国家和以色列，印度在使用的 梅德韦杰夫-施蓬霍伊尔-卡尔尼克 地震烈度表，欧洲地震委员会的 欧洲宏观地震烈度表，和中科院地球物理所的 中国地震烈度表。这些都使用罗马数字1-12度表示的12度表，对于相似的破坏给出的数值也相近。使用地表加速度或三向合力和持续时间计算出的烈度一般会有小数，但在播报和烈度图上一般只使用四舍五入的整数值。
较为特殊的是日本使用的震度，1884年最早采用四个等级，1898年增补为七个等级，最高为6度。由于1948年的福井地震造成的破坏远远大于6度的情况，在1949年增设了震度7。阪神大地震之后由于震度5和6的地区过多，又将5和6分别拆分出弱和强，形成了今天的震度表，有0,1,2,3,4,5弱,5强,6弱,6强,7 共十个等级。从1996年4月开始气象厅发布的震度采用震度计观测得出。由于日本每次发生地震都会第一时间在电视上滚动播出各地震度并提示是否有海啸风险，所以日本民众对地震大小的概念一般是根据震度得出的。而且巧合的是，日本震度与震级数值给人的感官很相近：3级以下是小地震，4到6级是比较大的地震，7级就是很大的地震了，虽然没有震度8但是可以想象是比7更大的地震。这也让一些人更分不清这两个概念。实际上从烈度表开始使用以来，日本共发生过6次最大震度为7的地震，而震级7级以上的地震近十年就发生过六次。
在中国，港澳使用的是修订麦加利地震烈度，台湾使用的是参考日本震度制定的震度表，在2020年之后也使用了相同的十个等级。在中国大陆，目前使用的是2020年发布，2021年投入使用的十二度表。至今为止全世界仅有的两次最大12度的地震都发生在中国，但都是通过体感标准测定的，也就是说，有记录以来还没有发生过计测烈度为12的地震。
在2008年汶川地震中，地震的震中位于汶川县映秀镇，此处距离成都都江堰市仅24公里，而到汶川县城有50公里。由于地震断裂带呈西南-东北走向，地震产生的破裂范围超过200千米，距离映秀镇近130千米的绵阳北川县被重创。由于一开始测定的震中在汶川县辖区内，地震被命名为汶川大地震，这使得一开始大量的资源被投入到汶川县内，甚至救援人员的注意力不少用到了损失相对不严重但通讯和道路中断的汶川县城，而距离震中较远却损失相对较重的北川县被相对的有所忽视，这个教训使得中国从2009年起开始了国家烈度速报与预警的预研究工作，并计划在2023年底完成验收，届时将实现中国大部分人口密集地区实现秒级的地震预警和分钟级的烈度速报。
烈度速报是通过大量的台站实现的，在日本这样多地震而又富裕的国家，日本全国设立了1000多座地震台，大约每20公里就有一座。中国的国土面积比日本要大得多，无法做到这样高密度的地震台网——实际上仅仅四川一省的面积已经比日本还要大。所以除了中国地震台网的”全功能台站”之外，在大城市和重要的地震带周围设立了超过10000个专为预警和烈度速报设计的”简易台站”。在这样的一个世界最大规模的地震台网络下中国的烈度速报才得以实现。
地震预警
在高密度的地震台站网络之下，我们自然而然的想到了它的另一个用处：地震的纵波传播速度为5～7千米每秒，破坏力较大的横波3～4千米每秒，也就是说如果台网之内发生了地震，2～3秒内就可以被检测到，然后经过数秒的分析之后将发生地震的消息用电磁波以极快的速度发送到城市，此时破坏力较强的s波可能只传播了20～30千米，附近的城市可以获得数秒到数十秒的预警时间，这就是地震预警的原理。
地震预警系统的概念由美国地震学家库珀于1868年首次提出，他设想在美国洛杉矶以外100千米的霍利斯特地区架设地震观测台站，在地震发生时立即发电报到洛杉矶市政厅，值守人员收到地震发生的电报马上敲响市政厅内的警钟提示市民做好防护。由于技术所限，这个设想并没有实现。日本在1964年首次在国有铁道上使用预警系统，沿着铁路设置了一系列地震检测台站，在检测到地震发生的同时让列车减速停车防止脱轨。
由于1985年墨西哥城大地震造成的严重损失，墨西哥从1987年开始建设墨西哥城地震预警系统，并在1995年首次向公众发布预警信息，这是世界上第一个投入使用的面向公众的地震预警系统。日本在2004年开始试验性运行紧急地震速报系统，这也是第一个全国性的地震预警系统。由于一开始测定的数据不够准确，一般在前期的速报中更注重速度，而在后面的速报中再修正准确性。
中国自2008年的大地震后也开始建设地震预警系统，实际上由成都高新减灾研究所和国家烈度速报与预警工程分别建设，双方看起来既有合作也有一定矛盾，总体来说在这些年来的努力下中国也建成了世界一流的地震预警系统。但是中国的地震预警也存在一些问题：可以接收预警信息的设备较少，警报缺乏辨识度，地震知识普及不足等等。
另外，美国，欧洲，土耳其等国家和地区都在建设自己的地震系统，成都高新减灾研究所也为尼泊尔和印度尼西亚建设了地震预警系统。
地震预警本身存在一个悖论：地震造成破坏最大的震中附近，得到预警的时间最少。距离震中较远的地区可以得到最长几分钟的预警，但是这个预警并没有多大意义。相比于提前几秒钟知道地面的摇动，有些事情更加有意义：即使并没有提前知晓，第一时间明白发生地震了可以缩短我们的反应时间，让我们更加冷静的应对。这就需要配合地震知识的科普和应急演练，毕竟在还有几秒的时候突然想起来应该学习地震逃生知识也是没有什么意义的。”倒计时加防空警报”的预警方式的辨识度也不足，在听到广播时很多人误以为是防空警报，2019年6月17日宜宾地震甚至有不少人误认为是618活动倒计时，这些对于防灾减灾显然是不利的，这些是我认为应该改进的地方。
地震序列和有关地震预报的问题
地震序列是相近时间内发生的一连串地震。主震-余震型地震是最常见的，占90%以上，在一次较大的主震之后再发生多次较小的地震，总体来说符合下面三个规律：随着时间的推移余震频率降低，余震规模衰减，最大余震与主震的震级差值在1.1级左右。
除此之外震群型地震由一系列震级相近不易分辨主震的地震构成。孤立型地震几乎没有余震。最受人关注的可能是前震-主震型地震，它由相对较小的前震开始，之后发生较大的主震，然后再按照正常余震序列衰减或变为震群型地震。于是我们想到，可不可以通过研究前震来预测主震的发生呢？
答案是比较悲观的，绝大多数的地震是主震-余震型的，即第一次地震就是最大的地震。即使发生了一次较小的地震，我们也几乎没有办法判断这是一次孤立的小地震还是某次大地震的前震，而且我们也无法找到前震和主震之间的时间关系，它可能是数小时，数天，数月甚至数年。
相比之下，其他的地震预测方法也相当的不靠谱。自古以来中外人民总结了很多关于气象和动物行为的预测方法，这些现象往往在地震发生之后人们的回忆中经常出现，更加加深了作为前兆的印象。然而如果你在生活中仔细观察，会发现很多现象是很常见的，如果因此预测地震将要发生的话，地震的阴云将永不散去。
作为一个地震预报信息，应该有较为准确的三要素：时间（至少能精确到一个月内），地点（某条地震带或城市附近），震级（大致给出破坏力的范围）。这样的预报才是有意义的，否则我们不可能为了一个不知道有没有破坏力的地震在一个月以上的时间里面疏散半个省的人口。按此标准来看，你会发现几乎所有自称准确的预报信息都是模糊的：按照全中国的地震频率，一个星期之内全国不发生地震的可能性微乎其微，并且有明显的地理差异，所以你只要预测西南方或者西北方要发生地震，一周几乎都会应验，如果没有就等两周。通过类似的方法几乎总能让人觉得预测准确，但又没有实际意义。
中国曾经在地震预测上做出过很大的努力，在1975年的海城地震之前当地进行了短临预报，成功减少了伤亡。但是这次地震有明显的特殊性，在主震之前发生了数百次前震，并在主震前几小时出现了一个空窗期，在这个并不靠谱的”规律”下地震工作者发布了成功的短临预报，这可以说是独一无二，不可复制的。相较而言，地震之后几分钟内当地民众就通过平时的民兵训练自发组织成第一道救援力量，这可能是我们今天更应该学到的。
随后的1976年，松潘-平武地震之前的预测使大量川南人民疏散到成都，但是地震迟迟没有发生，引发了大量的不满，还好最后地震姗姗来迟挽回了一点面子。7月28日的唐山大地震彻底打碎了地震预测的希望，对于地震预测的关注也越来越少。实际上1995年7月12日云南孟连的7.3级地震也成功进行了短临预报，这是地震预报史上仅有的几次成功案例。
在今天，虽然表面上对地震预测的研究陷入了沉寂，但是科研人员的努力并没有减少。现在中国建设了国家地震前兆台网，通过各种技术手段对地磁，地下水，岩石形变，应力应变，重力，地电阻率，大地电场和动物异常行为等各种地震前兆现象进行研究，成都高新减灾所正在建设地下应力云图系统，近年各国也在使用深度学习等新的计算机技术研究地震的规律。我们可以知道的是，可以被称为”地震前兆”的异常几乎每天都在发生，但是我们暂时无法根据这些推断出和地震的关系。一位福建地震局的专家说，如果能有更多的观测站也许我们能做得更好，我想这些我们只能交给时间了。
地震带
理论上来说，地震带就是一种长期的地震预测，通过统计的方式画出一段较长的时间内经常发生地震的地区，并绘制成图。中国被夹在两个大的地震带中间：环太平洋地震带和南北地震带。
但是要注意的是，地震带只是最常发生地震的区域，”不在地震带上”并不代表一个地方就不会发生地震，只是发生的概率相对小。而且地震带也有大小：也许一个城市不再大的地震带上，但在小的地震带上，如果以地震断裂带来算的话，随便一个大城市的下面都是有数不清的小断裂带的。因此一个”不在地震带”上的城市完全有可能发生地震，甚至可能在不断发生小地震。
例如武汉就是这样的例子：一般我们认为武汉是不在地震带上的，但实际上武汉附近会以数年的间隔发生一到三级的小地震，2019年底孝感应城甚至发生了4.9级地震，很多人就怀疑”武汉不在地震带上”的说法是不是错了。严格一些的说，武汉附近确实有一些小地震带，但是也确实不在会发生很大地震的地震带上，发生大地震的概率极低。
海啸
海啸总是和海底的地震联系在一起，但是其实他们并不总是形影不离。地震的断层分为正断层，逆断层和走滑断层，你可能记不住，但是你明白有的地震中岩石是上下滑动的，这会把海水抬起引发海啸，有的地震岩石只是左右滑动，这就对海水影响不大。
与地震的规模不甚相称的是，中等大小如5到6级的地震很难引起海啸，较大的地震引起的海啸也不一定大。例如2017年福岛县附近海域的7.3级地震，实测海啸不到1米。引起很大的海啸的地震往往是海沟的巨大地震。例如2004年苏门答腊岛附近的印度洋大地震，矩震级9.1级，引发15到30米的海啸。2011年东日本大地震矩震级为9.1级，引发20米以上的海啸。
对于地震引发的海啸，由太平洋沿岸各国组成了太平洋海啸警报中心，利用各国的地震台数据和海洋情况信息计算出对海啸的预测。一般来说有很长海岸线的大国也会建立自己的海啸预警系统。海啸在深海中波长较长而高度并不高，传播时能量衰减也不大。往往进入浅海时才会变得高大而有破坏力，但能量也会迅速衰减。这导致日本附近的大地震引起的海啸到传播到南美洲的智利依然有破坏性，反之亦然。
除了地震之外，海底火山爆发，海底的山体滑坡，以及大块的物体掉入海中都会引起海啸。大海啸（Megatsunami）是一个表示100米以上的海啸的非正式名词，几乎都不是由地震引起的。如1958年美国阿拉斯加的利图亚湾发生矩阵级8.3级的大地震，地震导致3000万立方米的山体落入利图亚湾，引起了最高524米的大海啸。意大利1963年发生的瓦伊昂水坝事故，水坝蓄水后水库旁的山体发生了大规模滑坡，引起了262米高的大海啸。相比之下即使是巨大地震引起的海啸也要比这些要小不少。另外由于这些海啸不是地震引起的，所以无法像地震海啸一样通过地震数据直接计算预警信息，只能通过浮标来监测。
对于我国来说，由于东边的黄海和东海都相对较浅，并且受到琉球群岛的阻挡，太平洋方面的海啸很难对中国大陆的沿海造成破坏，所以说中国海啸灾害风险最大的地区主要是台湾省。对于中国大陆来说，危险最大的可能是菲律宾附近的海沟地震可能会引发南海的海啸。
Q&A
Q: 我认为我能预测地震，比如我曾经在北京看到西南方向有一片”地震云”，三天后云南果然发生了地震。
A: 所谓的”地震云”往往是透光高积云，有时候是其他让某人自己觉得形状特殊的云，但是如果关注气象的话会发现各种云都是很常见的，只是正好那个时候你关注了而已。如果你看到北京的西南方向有云，那云一定离北京不远，在河北一些人看来就是其他方向，并不能说明西南会发生什么。如果你平常不关注而这时关注云南，你就会以为这几天地震和你之前看到的征象有关，但实际上云南地震本身就比较频繁，特别是算上整个西南地区，几天内发生一次地震的概率并不低。
Q: 我听说过不模糊并且准确的地震预报。
A: 这种事情确实发生过，但是预测的人同时给出了数十条预测，在地震发生之前根本无法知道哪一条是对的，很难排除是乱猜的，并且也不可能依据这种预测做出什么对策。
Q: 既然你不能预测地震，你凭什么说别人的预测是错的？你能证明那个时候一定不会发生地震吗？
A: 我不能保证某一时刻一定不会发生地震，就像任何一个其他的时刻一样，但是民间爱好者的预测准确率几乎为零，还会有可能引起混乱，一旦以某种方式让人认为有一点准确度他们就会开始推销自己，没有任何理由放任他们传播。
Q: 以前在课本上学到张衡的地动仪可以预测地震，为什么现在不行了？
A: 张衡的地动仪实际上是一个验震器，在地震波到达的时候做出反应，让人知道地震发生了，并不能提前预测地震。记载上看起来好像可以预测是因为那个时候通讯不发达，地震之后几天当地派到首都报告灾情的快马才到达，所以说地动仪让首都的朝廷好像”提前”了几天知道。另外有人根据复原的模型不能指示地震方向来证明地动仪不存在，但是这只能说明复原的模型有问题，实际上现在已经没人知道张衡做的地动仪用的是什么原理。
Q: 我听说日本可以提前几十秒预测地震，是真的吗？
A: 日本采用的也是地震预警系统，在地震发生之后迅速发出警报，距离远的城市可能提前数十秒收到，但这不是预测。有意思的是中国的地震预警系统投入使用之后也有日本人以为中国可以提前几十秒预测地震。现实是，我们不仅不能提前几十秒预知地震发生，即使是在地震发生后的几秒内准确测出地震的大小都是一个难题。所以地震预警会先发出不太准确的警报，再通过后续的数据不断修正。
Q: 我听说日本专家预测南海海沟要发生大地震，而我可能要去那里，我需要担心吗？
A: 南海海沟地震的预测在日本某种意义上也算是常见的水话题，譬如对策会议每年内容大同小异，只要一天不发生他们就能继续讨论。现在很多对南海地震引起灾害的预测都是最坏情况的想象，如在半夜发生和东日本大地震一样的9.0级大地震，而实际上真发生的时候可能小得多。
Q: “小震不用跑，大震跑不了”这句话有问题吗？
A: 这句话好像是因为电影《唐山大地震》而广为人知，我认为这句话基本上是对的：对于现代楼房来说，如果能够把房子震塌，一般人也无法站立了，更不用说逃跑。但是很多人说这句话想表达”我们在地震时做什么都没用”，这是大错特错的，在地震发生的时候要远离阳台，关闭燃气，躲在坚硬的桌子下避免被砸伤，这些都是很重要的措施。