地震原理

地震的成因

1.1前言

在古代世界很多地震区人民对地震都有宗教性的解释。中国常以“天人感应”将地震

与社会的变动相联系，日本则认为地震是由地下一个状似鲶鱼的神灵所控制。对古代地震

的许多引喻可在《圣经》和当时其他宗教著述中见到。

然而，早在希腊科学发展的早期，其实践者已开始考虑用地震的物理原因取代民间传

说和神话提示的神学原因。公元前526年逝世的安乃克西门内斯（Anaximenes）认为地球

的岩石是震动的原因：当岩体在地球内部落下时，它们将碰撞其他岩石，产生震动。一些

自然现象，诸如杰里科城墙的倒塌和红海的开裂，曾被那些不迷信超自然事件的人解释为

地震的结果。泽卡利亚（Zechariah）的书中甚至有一段对地震成因的卓越描述：“橄榄山

将从中间劈开，一半向东，另一半向西，那里将出现一个大谷；山的一半将向北移，另一

半向南移动。”这一段文字叙及的岩石滑动和地震之间的物理联系直至20世纪末才被人

们理解，这表明古希腊人已经对地震成因的物理学理解迈出了第一步。第一个关于地震物

理原因的全面解释是由希腊学者亚里士多德（Aristotle）（公元前384～322年）提出的。

他不是从宗教或占星术中寻找地震成因的解释，而认为地下火将烧毁地下洞穴的支护，洞

顶坍塌将导致像地震一样的震动。

18世纪，受伊萨克·牛顿爵士有关波和力学著述的强烈影响，自然科学的新时代开始

了。在牛顿力学影响下的科学家和工程师开始发表研究报告，把地震和穿过地球岩石的波

联系起来。这些研究报告很重视山崩、地面运动、海平面变化等地震地质效应和建筑物毁

坏。里斯本地震是现代“地震学之父”之一的英国工程师米歇尔（Michell）（1724～1793年）

灵感的主要源泉。他试图用牛顿的力学原理讨论地震动，相信“地震是地表以下几英里岩

体移动引起的波动”。1899年印度地质调查所发表了一份描述1897年6月12日印度东北

部阿萨姆地震的报告，调查所所长奥尔德姆（Oldham）在报告中非常仔细地描述了地面

晃动，做出地面晃动速度的推断，并应用仪器记录了地面上升的数据。奥尔德姆掌握的证

据支持了岩石的大规模翘曲和断裂产生地震的假说。

理解地震成因的转折点来自对1906年4月18日震撼美国加利福尼亚的旧金山地震的

研究。地震调查委员会的报告指出，强烈的地面摇动是由圣安德烈斯大断层突然错动产生

的，该断裂从墨西哥边界一直延伸到旧金山以北达400多千米，断裂西侧的岩块向北错动

了好几英尺。

除上述断裂产生地震的学说之外，其他比较重要的地震成因假说还有岩浆冲击成因说

和相变成因说。岩浆冲击说在火山地区受到重视,因为那些地区的岩浆活动相当普遍。火

山地震就是岩浆冲击的结果。火山地震一般不大，涉及区域也不广。中国除台湾省外，大

陆上绝大部分地震都与火山无关。相变成因说认为当地下的温度和压力达到一定临界值

时，岩石所含矿物的结晶状态可能发生突然的变化，从而使岩石体积也发生变化，这样就

可以产生地震。自从板块大地构造学说提出后，地震的相变成因说已失去重要的依据。

现代关于地震成因的解释基于大陆漂移、板块运动和弹性回跳学说。

1.2.1大陆漂移说

大陆之间相互移动的猜测可追索到20世纪以前，早期的世界地图已清楚地表明非洲

和南美洲相对海岸线的“锯齿状拟合”。远在1801年，洪堡（Humboldt）及其同时代的科学

家们已经提出，大西洋两岸的海岸线和岩石都很相似。1912年德国气象学家魏格纳（We

gener）对大陆漂移做出了系统论述，魏格纳假定一个超级泛大陆于3亿年前破裂，其碎

块漂移出去形成现今的七大洲，同时提出了大陆的外形、古气候学、古生物学、地质学、

古地极迁移等大量证据。

例如，南美和非洲都能见到的具有类似蝾螈的骨骼构造的淡水爬行动物中龙，它不可

能游过大洋；大西洋两岸的古生代海相无脊椎动物化石组合很相似；南极洲三叠系中有许

多陆生爬行动物的化石在其它大陆上同样存在；二叠纪舌羊齿植物群（一个独特的植物组

合）的种子蕨化石，见于南方的各个大陆和印度。

在北大西洋两岸的两块大陆，有一条非常重大的古山系，被称为加里东山脉。如今在

大西洋东岸的挪威看到的是山系的西段，这条山系通过爱尔兰以后似乎淹没在大西洋下。

可是在加拿大的纽芬兰则有一个古山系仿佛从大西洋里爬上来，它和欧洲的加里东山脉有

许多相同之处。这个在北美出现的山系被称之为老阿巴拉契亚山脉。魏格纳认为北美的阿

巴拉契亚山脉曾一度和欧洲的加里东山脉相连。如果把大陆拼合在一起，就形成一条连续

的山系。在北大西洋两岸的两块大陆，有一条非常重大的古山系，被称为加里东山脉。如

今在大西洋东岸的挪威看到的是山系的西段，这条山系通过爱尔兰以后似乎淹没在大西洋

下。可是在加拿大的纽芬兰则有一个古山系仿佛从大西洋里爬上来，它和欧洲的加里东山

脉有许多相同之处。这个在北美出现的山系被称之为老阿巴拉契亚山脉。魏格纳认为北美

的阿巴拉契亚山脉曾一度和欧洲的加里东山脉相连。如果把大陆拼合在一起，就形成一条

连续的山系。

岩石中含有磁性矿物，在地球磁场的影响下，岩石形成时就受到磁化，从而保存了它们形

成时间和地点的地球磁场方向的古地磁记录。通过对岩石所记录的古磁场的倾向和倾角的

测量，可以计算岩石形成时地球磁极的位置。人们从各个大陆不同时代的地层里测出几千

个古磁极的位置，连接任一大陆不同时期的古磁极的线，就是那个大陆的视极移曲线。将

各大陆视极移曲线比较，调整的结果表明，在2亿年前的所有大陆曾是一块共同的大陆。

大陆漂移说能够解释许多地质学问题，但在约10年时间内没有受到地质学界的重

视。受当时地球内部构造和动力学知识的局限，大陆漂移及其动力学机制得不到物理学上

的支持，在几十年间遭到许多地质学家的强烈反对、始终是辩论的焦点。魏格纳最后因寻

找证据而去世,他的尸体在第二年才被发现。

20世纪60年代，随着抛弃洋底稳定不动的海底扩张学说提出，人们对大陆漂移的兴

趣又复萌了。大陆漂移的支持者们认真地提出了地球内部软弱带支承着刚性较大的地质

“筏”的概念。接近熔融状态的软流圈比岩石圈软，刚性岩石圈浮在这层粘性物质上，以百

万年的时间尺度缓慢地移动。这一解释不再像50年前那样因受到批评而沉默，在此基础

上发展了板块构造原理。

1.2.2板块构造原理

这一学说认为地球的岩石圈分裂成为若干巨大的板块，岩石圈板块在塑性软流圈之上

发生大规模水平运动；板块与板块之间或相互分离，或相互汇聚，或相互平移，引起了地

震、火山和构造运动。板块构造说囊括了大陆漂移、海底扩张、转换断层、大陆碰撞等概

念，为解释全球地质作用提供了颇有成效的格架。

1960至1962年期间，美国科学家赫斯（Hess）、迪茨（Dietz）在大陆漂移和地幔对

流说的基础上创立海底扩张说。1965年加拿大学者威尔逊(Wilson)建立转换断层概念，并

首先指出，连绵不绝的活动带将地球表层划分为若干刚性板块。1968年，科学家赛克斯

（Sykes）等进一步阐述了地震与板块活动之间的联系，并将这一新兴理论称作“新全球

构造”。目前常用的术语“板块构造”，是法国科学家勒皮雄（LePichon）、美国科学家麦

肯齐(McKenzin)和摩根(Morgan)在1969年提出的。70年代以来，板块学说逐步渗透到地

球科学的许多领域。

板块是由地震带所分割的岩石圈单元，因横向尺度比厚度大得多而得名。狭长而连续

的地震带勾划出了板块的轮廓，是板块划分的首要标志。全球岩石圈可划分为六大板块：

欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印度板块（或称印度洋板块、澳大利亚板块）、南极洲

板块和太平洋板块。有人将美洲板块分为北美板块和南美板块，则全球有7大板块（图

1.2.2-1）。根据地震带的分布及其他标志,人们进一步划出纳斯卡板块、科科斯板块、加勒

比板块、菲律宾海板块等次一级板块。板块的划分并不遵循海陆界线（海岸线），也不一

定与大陆地壳、大洋地壳之间的分界有关。大多数板块包括大陆和洋底两部分。太平洋板

块是唯一基本上由洋底岩石圈构成的大板块。

海底扩张是板块运动的核心，板块从大洋中脊轴部向两侧不断扩张推移。就板块的相

对运动方向而言，海沟和活动造山带是板块的前缘，大洋中脊则是板块的后缘。脊轴是软

流圈物质上涌,岩石圈板块生长的地方,其热流值很高，岩石圈极薄（厚仅数公里），水深较

浅（平均在2500米左右）。随着板块向两侧扩张，热流值与地温梯度降低，岩石圈逐渐增

厚，密度升高，洋底冷缩下沉。大洋边缘的古老洋底岩石圈的厚度约100公里,水深可达

6000米左右。洋底水深是洋底年龄的函数。新生的洋底岩石圈下沉最快，下沉作用随时

间呈指数衰减。这解释了以下事实：大洋中脊斜坡在靠近脊顶处坡度较陡，远离脊顶坡度

逐渐减缓；快速扩张的洋脊边坡较缓（如东太平洋海隆），慢速扩张的洋脊边坡较陡（如

大西洋中脊）。

若大陆与洋底组成同一板块,这时陆-洋过渡带构成稳定（或被动）大陆边缘；若大洋

板块在洋缘俯冲潜入地幔，则形成活动(或主动)大陆边缘。周缘广泛发育被动大陆边缘的

大洋逐渐扩张展宽，周缘广泛发育活动大陆边缘的大洋则收缩关闭。在面积不变的地球上，

一些大洋的张开必然伴随着另一些大洋的关闭。因此，大洋的开合与大陆漂移都是板块分

离和汇聚的结果。

引起板块运动的机制是当前尚未解决的难题，许多学者提出不同的看法，主要有：①

主动驱动机制,认为下插板块因温度较低和相变导致密度增大,可以把

整个板块拉向俯冲带；或设想上侵于大洋中脊轴部的地幔物质能把两侧板块推出去；

板块还可以沿中脊侧翼倾斜的软流圈顶面顺坡滑移。在这些机制中，板块与下伏软流圈相

互脱离，板块的移动是主动的，而不是由软流圈地幔流所带动；板块的持续运动导致地幔

中产生反方向的补偿回流（图5）。主动驱动机制的弱点是，岩石圈必须先通过别种机制

破裂成板块，它难以解释联合古陆的破裂，也难以解释大洋中脊和俯冲带开始是如何形成

的。②不少学者主张板块由地幔对流所驱动，可称被动驱动机制。但是，还缺乏地幔对流

的直接证据，也不了解对流的确切性质、涉及范围和具体形式。

板块构造说以极其简洁的形式（最基本的就是板块的生长、漂移、俯冲和碰撞），深

刻地解释了地震和火山分布,地磁和地热现象,岩浆与造山作用；它阐明了全球性大洋中脊

和裂谷系、环太平洋和地中海构造带的形成，也阐明了大陆漂移、洋壳起源、洋壳年青性、

洋盆的生成和演化等重大问题。地球科学第一次对全球地质作用有了一个比较完善的总的

理解。板块构造研究所阐明的地质构造背景和岩石圈活动规律，对于寻找金属矿、石油等

矿产资源，以及预测地震、火山等地质灾害，有一定指导意义。

板块构造说还存在一些有待解决的难题。除驱动机制这一最大难题外，现有的板块构

造模式不能有效地解释板块内部的地震、火山和构造活动，包括水平变形、隆起和陷落。

目前，板块构造说仍在不断修正和发展中。

1.2.3弹性回跳原理

弹性回跳认为地震的发生源自地壳中岩石的断裂错动。岩石本身具有弹性，在断裂发

生时已经发生弹性变形的岩石，在外力消失后便向相反的方向整体回跳，恢复到未变形前

的状态。这种弹跳可以产生惊人的速度和力量，把长期积蓄的能量于霎那间释放出来，造

成地震。

科学发现通常不是对某个事件的首次描述或提出某个假说，而以科学界确信发现了新

现象为标志。现今广为接受的地震断裂机制是对1906年圣安德烈斯地震令人信服的研究

而确立的。1906年以前对跨圣安德烈斯断裂的区域作了两组三角测量。美国工程师里德

（Reid）注意到，50年期间断裂两边相对移动了3.2米，西侧向北北东方向运动。当这

些测量数据与地震后测量的数据比较时，发现地震前后，平行于圣安德烈斯断裂都发生了

明显的水平剪切变形。

自里德的工作之后，地震学界普遍认为，天然地震是地球上部地质断裂发生突然错动

而产生的。这一错动滑移沿断面扩展，破裂传播的速度小于周围岩石中的地震剪切波波速，

岩石中存储的弹性应变能使断裂两侧岩石回跳到大致应变为零的位置。这样，至少在大多

数情况下，变形的区域越长、越宽，释放的能量就越多，构造地震的震级也将越大。

弹性回跳是构造地震发生的直接原因，岩石的弹性应变越大，地震破裂就越强，好似

钟表的发条卷得越紧，存储的能量就越大。断裂破裂时储存的能量迅速释放，部分转换为

图1.2.3-1弹性回跳热，部分以弹性波传播，这些波就构成地震。岩石的竖向应变也很常见。

在这种情况下，弹性回跳沿倾斜断面发生，引起地面竖向错动并形成断层崖。大地震造成

的断层崖可达好几米高，有时沿断裂走向延伸几十或几百千米。

实验室中的岩石力学试验也验证了地震前地球岩石中的应变变化。在这些实验中，将

饱和的岩石试样在高温下的流体介质中压缩。水缓慢地扩散并充填在岩石的裂缝和孔隙之

中。由于微裂隙的发展，沿断裂的高应变区的体积增加，这个膨胀过程进一步使断裂带弱

化。同时，在裂隙中的水降低了岩石的约束力，并使横过潜在断层面的摩擦力降低了，致

使岩石松动以致最终沿断裂面滑动。

断层主滑动面附近的裂缝发育过程也可解释地震的前震和余震。前震是断裂物质中应

变积累和发生微细破裂的结果，因物理条件不成熟，主断裂尚未发生。前震中的有限滑动

稍微改变了力的格局，终于导致更大的破裂造成主震。随主断裂岩块的错动及局部生热，

沿断裂的物理条件与主震以前发生变化，随后发生了小断裂造成余震。此后，该区的应变

能逐渐降低，像发条松动的钟表，在若干时间后停止运动。

弹性回跳能够较好地解释浅源地震的成因，但对于中、深源地震则不好解释。因为在

地下相当深的地方，岩石已具有塑性，不可能发生弹性回跳的现象。