漫谈地震与地震观测

  古人通过“夜观天象”发现“先兆”,用来预言重大历史事件将要发生。地震学家通过观测“地象”,希望掌握地球内部活动的规律,地震台站正是获取地球内部“情报”的前沿哨所。“上天容易入地难”,必须借助于专业仪器才能探测到来自地球深部的信号,地震台站装备各种地球物理仪器,具备灵敏的“侦查”手段,常年监测地球内部的“一举一动”,为地球科学家提供第一手的观测资料。
  何谓“地象”?这里指地球自身的各种物理现象和过程,如地震、地球磁(电)场、重力(简称为“重磁震电”)等。作为“前沿哨所”,地震台站在侦测震情方面总是“先人一步”而且“明察秋毫”。由太阳活动引起的磁暴现象最先在这里被发现,轻微的地震和重力变化只有这里能检测到,地形变测量结果显示地表每天上下起伏的量最大可达30厘米,就像人呼吸时胸腹部的起伏一样。地球的“呼吸”主要是由于受到月球引力的大小变化而引起的,类似于海洋的潮汐现象,被称为“固体潮”。深层地下流体的水位,甚至水温的细微变化,都可以反映地球的“呼吸”,并有希望从中找到大地震的前兆信号。
  “震情”是最大的敌情,地震台时刻监视震情动向。地震是地下能量的释放过程,当地下累积的能量超出岩层的承受极限时,岩层从薄弱地带(如活动断裂)突然发生急速破裂并相对错动,猛烈地释放出巨大的能量,就像原子弹爆炸一样,能量以地震波的形式向四周辐射,最终引发地面运动。看似平静的地面下,“震魔”一直在招兵买马,积蓄力量,它将“震”能量四处潜伏,伺机发动一场对人类的战争。人类则以大地为屏障,层层设防,以不同的密度层和异常密度体界面为防线,采用“十面埋伏”的阵法,将“震魔”牢牢困在地下深处。

 

断层错动引发地震示意图(修改自网络图片)

  “震魔”岂能善罢甘休,而是蓄势待发,一旦“发威”,“震”能量四面冲击,派出“震小鬼”(地震波)为作战单元向八方突围。“震小鬼”是“隐形的”地震射线,是射出的“能量之箭”,却无实体箭身,能量通过介质中相邻质点的振动“接力”向前突击。根据质点振动方向与能量传播方向的不同关系,“震小鬼”依照其突击“技能”可分类为:压缩的P波,剪切的S波和滚动的面波。P波(纵波)的推进如“降龙十八掌”的“掌势”般沿直线冲锋,速度最快,约为6~12千米/秒(与介质密度有关,密度越大,波速越快);S波(横波)如抖动的绳子般“斗折蛇行”向前突击,波速约为P波速度的一半;面波只沿着地表浅层推进,传播方式复杂多样,其中一种是瑞利波,它的传播如海浪浪头般翻卷着前进,面波的传播速度比P波和S波都慢,但振幅却是最大,破坏力最大。
  “震小鬼”如离弦之箭向外突围,有的突破一道防线奔向下一道防线(波的折射),有的则受到阻击改变方向寻找新的突破口(波的反射);“震小鬼”一路受到阻击能量不断衰减,有的最终能量耗尽被歼灭在地下,有的则突破所有防线到达地表,造成大地震动。对于小的地震,“震小鬼”或被成功拦截,或虽到达地面却已成强弩之末;然而,当强震爆发时,断层瞬间错动,如同一刀刺穿所有的防线,将“震小鬼”突击送达地表,大地为之震颤。
  一批“震小鬼”从震源同时出发,以不同速度经过不同的射线路径到达地表某一观测点时将形成“先来后到”的地震波形序列,而震源的活动包含一系列的“颤动”,每一次“颤动”发射出一批地震波,所以观测仪器最终记录到的波列将十分复杂。我们架设的“捕震器”(地震仪)俘获了从不同路线“闯关”出来的一批“震小鬼”(波的叠加序列),四面八方的“捕震器”都有“斩获”,通过“刑侦技术”综合各方“情报”,复原不同“小鬼”的闯关路线,最终确定“震魔”的总攻发起时间(发震时刻)、基地位置(震源、震中位置)和总兵力(震级大小)。
  通过追查“震小鬼”的“闯关”路线,地震学家搞清楚了地球内部的同心球层结构,就像一个煮熟的鸡蛋,从外到里依次为地壳(蛋壳)、地幔(蛋白)和地核(蛋黄)3个主要圈层,地核又分为外核和内核。一般来说,从地面往下物质的密度逐级增大,地震“射线”在其中的传播速度(波速)也相应增大,这些圈层的分界面是主要的密度界面,是阻击“震小鬼”的主要防线。另外,由于横向的不均匀性,沿水平方向存在很多不同尺度的异常密度体,也成为阻挡“震小鬼”前进的堡垒。“震小鬼”必须“闯关”这道道防线和座座堡垒才能到达地面。地震波(“震小鬼”)在各种密度层(体)界面均会发生反射和折射,经过多次反射和折射形成非常复杂多样的射线路径。
  地震学家是人类抗击“震魔”的排头尖兵。地球上每天发生大大小小的地震成千上万次,全球上万台地震仪每天24小时不停息的监测和记录地震信号,地震学家的硬盘里保存着海量的地震数据,脑子里装满了各种理论模型和复杂公式,对数据的演算和处理需要动用大型服务器和工作站日夜不停的“跑程序”。地震学家需要从这“无言”的数据海洋中捞出“金针”,去刺探地球内部“黑箱”的机密:从大尺度构造,到精细结构。
  现代地震学发展已经有100多年历史,无数地震人将毕生精力和聪明才智投入了抗击“震魔”的战役中,取得了卓有成效的战绩。地震学家已经探明了地球内部的主体结构,摸清了“震小鬼”的主要射线路径和行军速度,并能够在敌方偷袭后做出快速反应。无奈敌人太过强大,并且敌暗我明,敌人主动进攻,我方被动防守,敌人潜伏在地下深处,伺机偷袭,行踪诡秘几无规律可循,我方至今还未能掌握其活动规律。虽然擒魔之路艰难凶险,我们从未放弃努力,也不敢有丝毫懈怠,希望有朝一日能提前掌握“震魔”下一次发作的准确时间、地点和震级,这是全社会的期望和长远目标,必须依靠全人类的长期努力才可能实现。