一串地震波“诞生”的故事

大家好，我是你们熟悉的地震波列（嘿嘿，先混个自来熟）中很特殊的一位（为什么特殊，稍后你们便会知道）。关于我的独特，在各类教科书上有着形形色色的记载和分析，不过由于有的朋友们可能不太喜欢那一串又一串长得很奇怪的数学公式，导致他们老是把我们想的很阔怕。因此，为了在更广泛的群体中消除这种因误会而带来的恐惧，我决定来和你们摆摆“龙门阵”，简单聊一下我们诞生的故事。

1

我来的快，去的也快

今天其实没什么特殊的，只不过是自人类历史上第一台地震观测仪器，张衡地动仪，诞生的第N天，只不过是第一台真正具有现代意义的伍德-安德森地震仪诞生后的第n天。但是，今天又有点特殊，因为每一天都有我们的诞生，而且，每天都不太一样（地球上每年发生约500万次地震，其中有感地震大约15万次，按一年365天计算，平均到每一天也有13000多次）。如果你们要问我们多大了，10的3次方岁？太年轻，10的9次方岁？太老。事实上，我们也不记得自己到底有多大年纪，如果硬要问的话，我们一致认为可能是比地球的年纪稍小一点，与固态地壳的形成时期大致同岁。可以毫不夸张的说，自大地开始运动的那一刻（是的，确实是在动的，大约每年几厘米的速度）起，发生于地球之上的方式各异的布朗式的无规则碰撞创造了各式各样的我们（此处应有掌声）。

图1 我帅气的模样之一（没错，我有很多帅气的模样）

自我诞生以来，每一次的生命尽管短暂（短则几秒，多也不超过几分钟），但由于人类把我们比做“照亮地球深处的手电筒”，短暂的生命也在不断的发光发热，为帮助你们了解我的“家乡”带来一份又一份来自地球深处的珍贵情报（我不是间谍，我只是地球内部信息和能量的“搬运工”）。地球深部（目前已知的最深深度是720公里，即1934年6月29日发生于今印度尼西亚苏拉威西岛的6.9级地震）或者浅部（浅可小于5公里，例如2010年1月31日发生于中国四川省遂宁市与重庆市潼南交界处的5级地震就孕育在0.5～3.5公里深的某个位置，是不是离你们很近）的某条断裂的突然错动（这也叫“位错”）（有时候是长期而且缓慢的蠕滑，是的你没听错，长可以数年计，短也以小时计，够慢吧！这也叫慢地震，它产生的就是我的另外一族兄弟了，性格略微怪癖而且独特，等有空了再和你们聊聊它们的神秘那点事）造就了我，还有我的无数兄弟们。我们每一位都有两个标签：“频率”和“相位”，由于两个标签组合的唯一性，我和你们每个人一样也是于千万中独一无二的存在。

自我从地下产生，我就和我的兄弟们混杂在一起奔向地表（很快的哦，超过2km/s），渴望见到你们。同时，在传播过程中，我们因为和无数的地下介质“穿越而过”，更确切的说是它们靠自身的振动帮助我们不断地传向远方，而在此同时，我们身上也印下了它们留下来的独特印迹。在我们到达地表被你们布置的地震仪接收后，你们透过我们在地震仪留下的那一串串潇洒的走位（类似于图1）还可以逆向分析我们来时走过的路径，从而知道我们是怎么来的，以及我们经过的介质的大致物理属性（例如密度，深度，还有波速）。还记得地球内部可以分成地壳、地幔和地核吗？那便是我们带来的秘密之一。在这里你们会怀疑，我们的终点难道不是地震仪吗？不，你们错了，我们的终点岂能是地震仪，因为我们既然选择了远方，就必须得风雨兼程，然后在某一大块刚体（就是那种很硬的不会发生变形的石头）内部化作无穷小一般的存在。

2

我在“碰撞和挤压”中诞生

自大陆漂移学说被魏格纳先生于1912年发现以来，迄今已有100多年的历史，期间人们又对大陆漂移学说不断的修正，大陆漂移学说已成为今天的板块构造理论的一部分。因为有大陆漂移，所以有板块之间的碰撞，而大陆板块之间的碰撞又导致板块内部比较“软”的部分裂成N多块，例如中国的华南块体、华北块体、川滇菱形块体等（图2）。请注意红色的部分，那是中国的科学家们为了全方位推进地震科学的发展而建立的全世界最大的“天然实验室”：中国地震科学实验场（China Seismic Experimental Site, 简称CSES），等以后有机会了，再和你们摆摆我眼里的实验场。

言归正传，那么我来自哪里呢？我来自这些块体的边界碰撞带。你们可以想象一块很大很厚的“饼干”（是的没错，对于板块运动的驱动力而言，这些看上去很硬（有多硬呢，你们能想象到的任何人类建筑在它们面前都如豆腐一般的存在）的巨型板块就像饼干一样的“易碎”），假如你把这块“饼干”放在桌上并且从两边同时用足够的力挤压“饼干”，设想“饼干”内部不是均匀的，持续用力几秒后（对于地球来说，这几秒则相当于百年甚至千年尺度），“饼干”会在你无法预测的位置裂开。当然，裂开的位置和深度还会取决你用力的大小和方向。而我诞生的地方，便是“饼干”发生断裂的位置。人们把最先开始断裂的位置称作地震成核点，那里也是我和我的兄弟们开始最先开始冲刺的地方。

图2 中国大陆上的活动地块分布

其实，我们中的每一位冲刺的起始点（即地震波最开始出发的位置，也叫地震破裂的起始点）可能都是不一样的，只因为每一条断裂都是不一样的，长短不一（长可达2400多公里，例如在中国境内延伸约2000公里的郯庐断裂带，短只有几厘米甚至几毫米），深浅不同，类似于图3所示中国大陆上的断裂那样。不知道大家是否还记得2010年4月发生的玉树7.1级地震，图4是中国地震局地震现场应急工作队在震后发现的一处地表破裂。你们看，在一大块土地上存在着各式各样的破裂。

图3 中国大陆上的活动断层分布（邓起东，2003）

图4 2010年玉树7.1级地震后造成的一处地表破裂（http://www.cgs.gov.cn/ddztt/ddyw/qhys/mtsy/201603/t20160309_292833.html）

现在，想象你们站在一块刚刚干透的水泥路上，在刚开始的时候，水泥路上几乎无任何裂纹，而随着温度的升高和人来人往车来车去的压实，时间一长，水泥路上就会开始显现出裂纹甚至裂缝（如图5），它们没有任何可以遵循的规律，也没有任何可以统一归纳的特点，因为它们本身展现的就是“无序”的随机分布过程，而这背后的原因是，组成水泥地的物质是各向异性的（简单的说就是每一处的物理属性都会有不同）。同理，地壳和地表覆盖层本身也具有各向异性，由于各向异性下的介质的物理属性的极大不同，在受力后便会产生趋于“混乱”的破裂分布，有的长，有的短，有的宽，有的窄（嘿嘿，有意思吧）。

图5 水泥地上的地表裂缝（图片来自于网络）

3

我的“胎记”和怪兄弟

在这里我想尤其提到一位我很喜欢的地震学家，哈斯克尔先生（图6）。他老人家的哈斯克尔模型于我的最大意义，便在于让我第一次认识了为什么我和我的兄弟们不是同时产生的。因为无论是在饼干发生破裂的少于1秒的时间里，还是在地震发生的几秒钟或几分钟时间里，从成核点开始的破裂都具有先后顺序（毕竟我们还是有规律可循的）。对于我来说，我可能是从成核点开始冲刺，对于我的多数兄弟们来说，每一个破裂发生的位置都会是不同的他们开始冲刺的地方。其次，哈斯克尔模型让我知道了我的源头在我身上留下的记号，这对我来说很重要，它告诉了我为什么我会像人类一样的，在诞生的时候会有相貌上的不同，有高有矮有胖有瘦，地震学家们还给这种“胎记”取了一个很不好听的名字：方向性效应。

图6 哈斯克尔（音译自Haskell）和他提出的Haskell破裂模型

前面说到破裂是如何产生的，现在和你们简单聊聊破裂是如何停止的，就是破裂的终点。其实，无论是之前的厚而大的“饼干”，还是在那之后的无规则裂开的水泥路，你们都会发现，破裂的地方没有向前无限延伸。现在，设想你们挤压那块饼干的大手继续用力，你们会发现，饼干的裂开处会继续扩大，同时还可能会有新的裂纹产生。停止用力后，饼干就不会再继续裂开了。科学家们用“应力积累”和“应力释放”来描述这两个过程。应力积累，就是从你开始用力到饼干开始发生破裂前的这个过程，然后你停止用力，但是你施加的力具有了影响，即导致了饼干的裂开，准确的说，你施加的力得到了释放，释放的直接后果是，饼干裂开了，而裂开的尺度大小则既取决于你施加的力的大小和用力的时间，还取决于“饼干”内部的物理属性。

好了，最后趁着还有一点时间，我再和你们简单聊聊我那位怪癖的兄弟吧，它也是地震波，但是产生它的机制却叫做慢地震。简单的说，慢地震可以由频率和发生的位置分为四种类型，低频事件、甚低频事件、震颤以及慢滑移事件。对于它们来说，在滑移发生的时间里，每一秒都是冲刺的时间原点。地球处在时时刻刻的运动之中，有的可以被感知和记录，有的因为记录的信号太小太微弱而无法记录，需要你们研发更加精密（更加精密类似于更大号的放大镜）的地震仪才能捕捉到信号。其中可以感知或记录的是地震，慢地震便是无法被感知和记录的那一部分。在这里我要说的是，没有人知道慢地震到底是什么，我们也不知道，因为我们对自己的认知取决于人们在地震科学上的一个又一个进步。目前，人们正在努力的建立两次大地震之间的联系，而慢地震的存在，无疑为这一目标提供了一个可能的思路。

4

“达摩克利斯”之剑并不可怕

有人说，我们是地球的“脉动”，给地球把脉感知我们的存在时，可以听见来自地球深处的“声音”；有人说，我们是地球作为一个吉他被它自己弹奏发出的音乐，仔细聆听这音乐的每一个音符，可以推测甚至合成我们下一秒的振动方式是什么样子的（尽管不是完全的精确，但是已经可以做到大体的趋势一致了）。有人说，我们是罪恶的，因为我们给人类带来了灾难，每一次大地震发生的时候我们经过的地方都会受到不同程度的破坏。也有人说，我们是有功劳的，因为我们的到来，人们得以真正了解地球的结构。但是归结起来，我们其实并不可怕。因为有认知胜于未知，人们越是了解我们，越是可以利用好我们，以及降低我们给人类社会带来的伤害。尽管人们还无法了解我们的全部，但是却在不断努力的获得比前一秒更多的认知。我曾经是地球手中的“达摩克利斯之剑”，但是现在这把剑正在被人们努力改造，它能带来的影响也在因为人们的努力探索而不断减小。

好了，今天的故事暂时就先讲到这里。当然只是为了让更多的朋友们知道我们大概是怎么诞生的（是的，真正诞生的过程因为涉及到更多的细节而显得极其的复杂）。事实上，我的这段介绍简短而又粗糙，毕竟，我们有那么多秘密，怎么可能在这简短的篇幅全部说给你们听。在这些秘密中，有地震学家们知道的，例如我们的产生、传播和记录方式，也有地震学家们不知道但正在探索的，例如为什么会有我那暴躁的“高频”兄（其实也不是很高，10Hz就算高了）和温和的“低频”兄弟（其实也不是那么的低，1Hz也算低了）。好啦，关于我们的后续故事以及更加详细的点点滴滴，期待我后来的兄弟们会继续说予你们听。

作者：阿牛哥，博士研究生，中国地震局地球物理研究所在读。目前在意大利的里亚斯特大学（University of Trieste）访学中。要说看一个人有多冷静，就看在非冠疫情包围中他正在做什么，是的，他在搞科普创作。

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