二 断层与地震

（一）地震成因

现代人对地震的了解要归功于H. F. Reid。他对1906年摧毁了旧金山的大地震进行了深入研究。Reid认为，地震是弹性应变的产物。在地震发生的间隙里，地壳缓慢变形（见图3-3a、图3-3b），直至一次地震在几秒钟或几分钟内释放出历经几十年甚至几百年而累积的应力。随着地震的发生，断层两侧的岩石相对快速滑动（见图3-3c）。地震后立即产生的结果是断层两侧的地壳将会立即恢复至其初始形状。地震过程中地壳的快速变形会引发震动，在离震中较近的地方可能足以造成建筑物的损毁。震动亦有可能引起山体滑坡，尤其是在山区。

（二）地震规模

地震的规模通常以震级表示，我们将沿用这一术语（地震矩是对震级的一种表述。这一术语通常出现在地震学文献当中，术语表中已对其进行简要说明）。

对陆地地区近200次地震的观测结果显示，地震震级与地震过程中断层长度破裂之间有相关关系（Wells & Coppersmith, 1994）（见图3-4）。例如，6级左右的地震通常发生在几公里至十几公里长的断层上，7级地震通常发生在几十公里长的断层上，而8级地震则可能造成100公里以上的断层破裂。掌握这一关系对了解渭河流域的地震灾害是极为重要的。

地震通常沿着一个断层中的某一个（有时是两个或者更多）断层段发生。这里所说的“段”是指断层在地表显示相对较直的一个部分。一段与另一段之间的界限可以从断层方向的变化来划分，也可以从断层位置的偏移来判断。如果我们知道断层中某一段的长度，就能合理地推断出在这段断层上可能发生的地震的大概规模。不巧的是，断层段是在地震之后，而不是之前，才能够更好地得到识别。为此，我们需要大量的古地震学研究来推测某一断层在过去发生了多大规模的地震，但即使是这样，得出的结论也通常是模棱两可的。然而，至少有两点结论是确凿无疑的：较短的断层不可能产生大地震；不应假定一段较长的活动断层在未来不会导致大地震（Jiang et al., 2000）。

（三）地震地点

地震的地点取决于其震源，震源确定了地震过程中首次出现的震动的经度、纬度和深度。自1960年以来，5级或5级以上的地震都是由国际和国家级地震研究机构按常规确定的。虽然有现代化的地震测定网络，地震地点的测定误差还是在10公里或以上。1960年以前，测定误差很容易接近100公里。

大多数破坏性地震会导致几十公里长的断层破裂，因此确定断层的位置比确定震源的位置更加重要。中国地震局已组织编纂了中国的《地震历史编目》（1900年以前）（Institute of Geophysics State Seismology Bureau,1983）。地震地点的确定取决于地震破坏强度的记录（参见图3-6）。

（四）地震预报

一般来说，“地震预报”是指在地震发生以前准确通知其发生地点、震级和发生时间的作为。只有准确通知了这三个指标，预报才有意义。准确通知其中任意两个指标，而没有第三个指标都是没有意义的。

显而易见，确定地震地点是很重要的，因为大地震造成的破坏会在地震断层周围的范围内随着距离的增加而减弱。

地震的规模决定着震动的烈度。因此确定一次地震的震级是6级、7级、8级或更高是非常重要的。大地震罕见，小地震常见，所以一个正确但无意义的预报的例子便是“明天某省将会发生地震”。这种预报在哪一天读起来可能都是正确的，但所“预报”地震的震级可能是极小的，并不会造成任何危害。

另外一个明显的前提是，如果地震预报是为了挽救生命，那么就必须能够确保易受灾地区的人们有足够的时间撤离并转移至更加安全的地点。这种预报也必须是准确的并且不能太早，以确保人们不会对预报失去信心并返回易受灾地区：预报的对象可以是几小时或几天后的地震，但不能是几个月之后。

就我们当前掌握的知识，准确预报地震的上述三个指标（时间、地点和震级）仍然是不可能的。但在现阶段的知识水平下，还是可以根据对灾害分布情况的了解做出较为合理的判断。

（五）地震灾害

地震灾害这一术语用来描述任何与地震相关的、可能造成伤亡的物理现象。这些现象通常是地表震动、地面塌陷或地震液化，可能造成楼房和其他建筑物的倒塌。一种重要的地震次生灾害是地表震动导致的山体滑坡。

全球地震导致的死亡人数中有75%是死于房屋倒塌，而海啸和山体滑坡并列为第二大死因（Daniell et al., 2011）。海啸危及不到渭河流域，但该流域由山体滑坡导致次生灾害的风险要比全球的平均值高许多，这有两个原因：（1）该流域由许多陡峭的山脉环绕（见图3-1）;（2）黄土是当地典型的地质条件，其本身具有湿陷性以及发育大量的垂直节理特点，当发生地面震动，极易坍塌或者引发滑坡。

（六）地表震动

地表震动的强度通常用烈度来衡量，该物理量将地表震动强度与其对人类、建筑物和自然环境造成的影响联系起来。了解以下三个烈度等级对于理解接下来的讨论是非常重要的。

·Ⅶ（7）级烈度对破旧建筑结构会造成相当大的破坏。该级烈度对了解陕西省过去的地震史有着重要参考意义。黄土的不稳定性会损坏修筑在黄土之上的房屋。

·Ⅷ（8）级烈度对破旧建筑结构会造成巨大的破坏，并对普通建筑造成相当大的破坏。

·X（10）级烈度会摧毁大多数砖混合框架结构建筑物，并在震区导致山体滑坡。

地震在一个特定区域造成的地表震动强度取决于一系列因素，其中最重要的因素是震级和该区域与震源的距离。另外一系列重要因素可以划归为“场地效应”，这些因素与当地当时的地质条件以及地震波与这些地质条件的相互作用相关。“场地效应”包括但不限于以下方面。

·不同的岩石种类：在一定规模的地震中，更松软的岩石将会产生更大的震动。

·液化：接近地表的沉积物中水含量的差异及其颗粒的物理性质决定了它们能否在某一强度的震动下液化。

·地表下地质结构的变化导致的反射使地表震动更加剧烈。

·地表倾斜程度。

我们通过1556年华县大地震地表震动情况图（原廷宏和冯希杰，2010）对以上几个方面内容进行了具体说明（见图3-5）。该地震震级在8级左右，震中区最大地震烈度超过了XⅠ（11）级。烈度为X（10）级的区域超过100公里，烈度为Ⅷ（8）级的区域覆盖大部分渭河流域。注意等震线沿着与渭河流域平行的方向延伸。这种情况在沉积物丰富的大流域是常见的，因为在地震过程中，沉积物之间的相互作用及其本身的松软性会放大地震波。

（七）山体滑坡

地震引起的山体滑坡对渭河流域周围的山区来说是一个重大的威胁。山体滑坡易发生在震动强烈以及山体坡度超过20°的地方。引发山体滑坡的最低烈度无法确定（与表面坡度和地质均有关）。在2008年发生的汶川大地震中，烈度Ⅶ（7）级及以上的地区都发生了山体滑坡。山体滑坡发生的密度会随着山坡斜度和震动强度的增加而增加。在大地震的震源附近，山体滑坡可能危及50%以上的地表面积。

山体滑坡造成的河流阻断是常见现象，尤其是在河谷狭窄、落差大（大于1千米）的地方。绝大多数阻断的河流会在蓄水一周之内决堤，所以这一灾害在地震之后的数日到数周之内最具威胁性。

地震之后的山体滑坡造成的危害和经济破坏会持续数十年甚至几百年。山体滑坡会极大地增加河流中的沉积物。在数十年至数百年中，细颗粒沉积物（淤泥和黏土）的数量将会增加；而粗颗粒沉积物增加的时间长度无法确定，可能还要更长。

我们应该意识到这些结果对水坝、运河和洪水水位的重大影响。大型（以米计量）的沉积物将会覆盖流域边缘的部分扇形地区。预计这样的沉积运动将会持续数十年到数百年，并很可能在流域边缘造成河道的改变。