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北京时间2008年5月12日下午2点28分2秒，汶川大地震爆发。在随后的100秒内，西起康定，东至略阳，形成了一条长约500公里的 破裂带，释放出约6.3*10e16焦耳的能量。这相当于在破裂带上，将1000多颗投掷在广岛的原子弹，在100秒内陆续引爆！生命的脆弱和无助震撼人 心。 汶川特大地震，在震后100秒内，究竟发生了怎样的物理过程，这些过程对震区又有怎样的影响？ 下边的视频演示了汶川主震的地下岩体破裂过程。红色直线表明破裂面在地表的出露位置，整个假定的断层与地表大约成40度埋于地下，长620公里，宽60公里，颜色对应于错动的距离。 一般情况下，面波震级Ms=6级地震，震源破裂持续5~10秒。而对于这次汶川地震，面波震级Ms=8.0，震源破裂过程持续了100秒左右，其中主要能量释放集中在前70。在详细考察这一复杂过程前，我们不妨先来看看这场灾难前所埋下的伏笔。 1. 序幕 受印度板块的推挤，年青的青藏高原向东隆起扩张，被古老坚实的四川盆地所阻挡。在青藏高原的东缘，四川盆地的西部，两个板块角力的结果导致青藏高原 逐渐将四川盆地压在身下，形成北起广元，南至天全，长约500公里，宽约30公里的龙门山构造带。龙门山构造带中有几条主干的断裂活动带（图1、图2）， 它们是这次汶川地震的直接成因。  图1：龙门山断裂带  图2：龙门山断裂带，断层以逆冲为主，右旋为辅。 关于断层的形成，一般如此解释：两个板块的相对运动会在一个面内积聚起强大的应力，超过这个面附近的介质强度时，开始沿这个面破裂，形成断层。之后，断层 面的两个块体继续运动，由于断层面上下盘之间存在强大的摩擦力，在这个面还会继续积累新的应力，直到新的应力超过摩擦力之后，就会触发沿断层面的进一步破 裂。如此周而复始。 限于手头资料，虽无法考证龙门山断裂带的形成时间，但考察这条断层上的地震并不困难。根据历史地震目录，这条断层上的上一次的应力释放是在1657 年4月 21日，为一次震级为6.2级的中强震。三个半世纪以来，青藏高原每年以数厘米的速率继续向东推挤，四川盆地仍然坚守不动，在两大块体交接的龙门山断层 上，岩体间已积累了强大的应力，如同一个超级巨大的弹药库，只等一颗火星，它便轰然爆发。 2. 点燃导火索(0-15秒)(图3)  图3:汶川震源破裂过程0-15秒 北京时间2008年5月12日下午2点28分2秒，川西的孩子们也正专心学习，放飞梦想的时刻。在距都江堰市25公里，距汶川县城58公里，距成都 市75 公里的映秀镇附近（东经103.27，北纬31.08N），地下10公里左右的岩体终于不堪几百年来的扭曲而产生的重负，发生突然的断裂和错动，汶川特大 地震的导火索被点燃！ 2s后，破裂激发的地震波开始到达地表，震中上方映秀镇的人们开始感觉到突然的抬升，房屋开始摇晃，玻璃窗开始破裂。反应快的人们开始冲出房屋逃 生，但不 幸的是，能逃生的时间太短。在他们感受到晃动之后不到1s（震后3s），破裂沿着断层冲出地面，大地开始剧烈摇晃，疯狂地撕扯着地面所有的建筑。霎时间， 房屋坍塌，山体抖落，砖块水泥和滚滚巨石将无数生灵掩埋。 然而，这仅仅是大灾难的开始…… 地下岩石的错动在周围岩体上积聚了强大的应力，导致了后续的破裂，并由此以3km/s左右的速度传播开来。由于种种原因，震中西南的岩体破裂程度较轻，但在震中东北的岩体却承受不住，一发不可阻挡地破裂开来。 震后15秒，随着地震波的传播，汶川县城，茂县县城，都江堰甚至成都开始有感。而安县，江油，北川等地，地震波还未抵达，当地的人们，仍继续着往常一样的平静祥和的生活。但是破裂的死神，正张牙舞爪地向他们扑了过去。 3. 主要过程（15-45秒）（图4）  图4:汶川震源破裂过程15-45秒 破裂继续延伸，到25s左右，北川等地有感，但此时破裂还未抵达，它们在震中东北遭遇阻挡，转悠了一会，甚至返回过震中并企图向西南发展，但没能得 逞。经 过一段时间内的来回倒腾，到震后45s，形成了长约120公里的破裂区域(图4)。把几百年来当地板块运动积累的大部分能量的在短短30s时间内释放在了 这个区域。在这个区域附近的汶川，茂县，都江堰市，绵竹县造成了惨重破坏。 根据龙门山附近断裂的逆冲性质，断层错动以上盘为主，下盘为辅。也就是断层附近的地表运动，红线以西的地区将强于红线以东的地区。所以汶川、茂县所 受的地 面运动将强于都江堰和绵竹县。根据断层错动量判断，最大错动基本都位于断裂出露地表的位置（红线），因此，靠近地表出露的映秀镇，受到严重毁坏也就不难理解了。 4. 北川!北川!（45-70秒）  图5:汶川震源破裂过程45-70秒 噩梦远未就此结束，北川在有感之后不到20s，破裂抵达，在北川县城地下又进行了一次集中释放，主要区域接近100公里。这次事件直接导致另一场人间惨剧在北川县上演，两个主要因素使得北川面临比极震区更为强烈的破坏！！ 首先是地震波的多普勒效应（图6），使破裂一开始释放的能量，集中冲击位于破裂传播方向上的北川县。我们用小学数学粗糙估算一下：北川位于震中东北 150 公里处，最先到达的P波速度为6km/s，破裂速度为3km/s，发震后约150/6=25秒，地震波到达北川；发震后150/3=50秒，破裂前锋到达 北川。也就是说，发震后50秒内产生的地震波，被压缩至50-25=25秒后，在北川释放，能量密度为不考虑多普勒效应时的2倍！  图6:破裂过程中的多普勒效应 其次,这次破裂的地表出露，几乎就直接经过了北川县城；而破裂出露的区域，也正是错动最为剧烈的区域。如果说汶川县的地震相当于在地下10公里处引爆了原子弹，那么北川县的地震，就相当于在北川人民的脚底板下，直接引爆了原子弹。 多普勒效应和位于破裂出露区，两大因素加在一起，使得北川县的破坏较极震区的汶川县要更加严重！ 在这一时间段内，破裂还从起始点陆续地向西南方向，扩展到了康定一带，不过释放的能量相对较小。 5. 70-100秒 地震的破裂过程已成强弩之末，破裂艰难地向东北延伸至青川一带，虽然破裂较微弱，但由于多普勒效应，地震波就在当地造成了破坏。至100s，汶川主震的破裂过程基本终止。 在随后的几个小时内，地震波将贯穿全球。邻近区域重庆，昆明，将依次感受到P波，S波和面波3次震动；较远地区如北京、上海，高层建筑受面波的影响，也将发生明显的低频晃动；整个地球将发生全球自由振荡，就像用手轻拍了一下的篮球，整个球体都震动起来。 通过对震后100秒，岩体破裂过程的详细考察，利用弹性理论，可大致估计出极震区地表的形变量。这些信息，都可为震后救灾提供宝贵的参考意见。 防震减灾、抗震救灾，对于科技工作者来说，是一项特殊的责无旁贷的任务。如何将科学知识转化为防灾救灾力量，则是一项社会的系统工程，需要多方面的积累和合作。汶川地震，总结经验的同时，更多地反思不足，才能真正地向前进步。 |
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