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地震對(duì)于建筑物破壞

地震是地球動(dòng)力作用的表現(xiàn)，它是地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)失去平衡，應(yīng)力突然釋放并產(chǎn)生巨大能量的災(zāi)變事件。2025年1月7日發(fā)生在西藏日喀則定日縣Ms6.8級(jí)地震造成了巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。隨后寧夏銀川、河北滄州、山西臨汾等地也發(fā)生了中小型地震。翻開歷史記錄，我們發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)幾乎貫穿了整個(gè)人類文明的發(fā)展史。那么在人類文明史之前，在人類出現(xiàn)之前的地球上會(huì)發(fā)生地震嗎？如果發(fā)生了地震，有沒有留下蛛絲馬跡呢？要解答上述兩個(gè)問題還要從地震的成因和破壞機(jī)理入手，將地震活動(dòng)及其留下的遺跡建立聯(lián)系。這就像偵探在犯罪現(xiàn)場(chǎng)尋找指紋、鞋印、血跡等一樣。

地震的成因和破壞機(jī)理

地震即地表的震動(dòng)，就像水中的波浪一樣，其形成需要力的驅(qū)動(dòng)，需要能量。地球表面由不同的板塊構(gòu)成，各個(gè)板塊在地幔對(duì)流的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而給地表傳遞了能量，也給巖石施加了巨大的力，地質(zhì)學(xué)上稱為應(yīng)力。巖石看起來是堅(jiān)硬的物體，但從微觀上看它是礦物的集合體。礦物內(nèi)部的化學(xué)鍵和礦物顆粒之間的膠結(jié)作用會(huì)在一定程度上抵抗外界作用力的影響。但是當(dāng)應(yīng)力超過巖石所能承受的最大強(qiáng)度時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生變形。

地震的模型

巖石的變形有些是以緩慢的方式進(jìn)行，在變形過程中巖石會(huì)發(fā)生彎曲和物質(zhì)流動(dòng)（地質(zhì)學(xué)上稱為流變）。但有些變形會(huì)以突然爆發(fā)的形式快速完成，表現(xiàn)為巖石突然破裂和位移，同時(shí)釋放出巨大能量，并以震動(dòng)波的形式傳遞到地表，這就是地震?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，地震與斷層活動(dòng)關(guān)系密切，日喀則地震就是由申扎-定結(jié)斷裂系中登么錯(cuò)斷裂的斷層活動(dòng)所致。

地震并非單獨(dú)出現(xiàn)，而是呈現(xiàn)成組的特征。最大的那次被稱為主震，主震之前的稱為前震，主震之后的稱為余震。主震代表斷層破裂的主過程，前震代表應(yīng)力上升期，斷層表面脆弱部分的小位移，余震則代表斷層中最牢固部分的破裂以及斷層附近巖石中的裂縫發(fā)生的破裂。余震可能持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，余震一般都較小，但是有些余震和主震一樣能導(dǎo)致房屋倒塌。我們不妨做個(gè)實(shí)驗(yàn)：用手掰斷一塊木板，首先是木板發(fā)生彎折，之后木板發(fā)出破裂的聲音，一些纖維開始斷裂，這就好比前震；隨即木板嘎嘣一聲斷裂，這就好比主震；最后還有一些殘余的相連纖維斷開，這就好比余震。在木板從變形到完全斷開，最大震動(dòng)就發(fā)生在嘎嘣一聲斷裂時(shí)。

當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)地表后，會(huì)使地面劇烈顛簸和搖晃，對(duì)建筑物、橋梁、大壩和其他構(gòu)筑物施加應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過其強(qiáng)度，就會(huì)使其發(fā)生破裂和倒塌。一般情況下，高層建筑的承重梁柱或者墻體會(huì)倒塌，在上覆樓層的重力作用下，整座樓會(huì)層層垮塌。當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ刂乇碚饎?dòng)，建筑物會(huì)前后搖晃相互撞擊。地表震動(dòng)還會(huì)使天然氣管道破裂，或者打翻有明火的燈具或爐灶，引發(fā)火災(zāi)；在山區(qū)還會(huì)誘發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；在地下水位較淺、松散沉積物大面積分布的地區(qū)，導(dǎo)致液化、地面沉降等次生災(zāi)害，從而加重了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

地震留下的沉積記錄示意圖

松散沉積物——地震事件的記錄儀

地震對(duì)于地表構(gòu)筑物的破壞程度不僅取決于震級(jí)大小和距震中的距離，其所在的地質(zhì)環(huán)境也是一個(gè)關(guān)鍵因素。如果地表以松散沉積物為主，災(zāi)害類型可能會(huì)以砂土液化和地面沉降為主，深切的河谷區(qū)或山區(qū)則以崩塌、滑塌等為主。這次日喀則定日地震，震中周邊區(qū)域的地貌類型為盆地、河流沖積平原，土壤偏松軟，放大了地震破壞效應(yīng)，砂土液化災(zāi)害嚴(yán)重。這是由于飽和的松散堆積物在強(qiáng)震動(dòng)作用下，破壞沉積物顆粒間的相互支撐力，從而增加了孔隙流體壓力，導(dǎo)致剪切應(yīng)力降低或者完全消失，強(qiáng)度降低。但也正是這個(gè)特點(diǎn)，遠(yuǎn)古地質(zhì)過程和災(zāi)變事件，可以在松散堆積物上留下痕跡，如恐龍行走可以留下足跡，波浪翻滾可以留下波痕，大雨和冰雹傾瀉亦可以留下痕跡。歷史上那些沒被文字記錄的地震，或者在人類文明史前發(fā)生的地震也能在松散沉積物上留下蛛絲馬跡。

地震可以造成地表破裂，還可以改造飽含水松散沉積物的形態(tài)，形成特殊的沉積構(gòu)造。這些沉積構(gòu)造經(jīng)過固結(jié)成巖，構(gòu)造隆升后或侵蝕切割后重新出露地表，就可以把古地震的證據(jù)直觀展現(xiàn)在人們面前。那么如何去識(shí)別那些遺留下來的地震記錄呢？

古地震在地層中的記錄

我們不妨設(shè)想這樣一個(gè)情景：一天你到蛋糕店訂做了一個(gè)奶油蛋糕。蛋糕松軟的奶油層上覆蓋了一層水果，包括草莓、葡萄干等。接下來你騎著自行車取回蛋糕，但是回去的路坑洼不平，放在車后座上（或車筐里）的蛋糕顛簸了一路。當(dāng)你回到家打開蛋糕時(shí)發(fā)現(xiàn)蛋糕被顛壞了——奶油層被顛得變了形，一些附在上面的草莓陷入奶油中，有些奶油還飛濺到水果層之上，甚至到了蛋糕盒頂上。這時(shí)你看到的被顛壞的蛋糕就類似于古地震在松散沉積物上留下的痕跡。那么，在野外我們能觀察到哪些痕跡呢？

地震（特別是里氏震級(jí)在4.5級(jí)以上的）常導(dǎo)致飽含水未固結(jié)的沉積物產(chǎn)生液化和（或）流化作用，從而形成不同類型的軟沉積物變形構(gòu)造，主要包括以下幾種：

四川茂縣沙灣晚第四紀(jì)湖相沉積中地震成因的負(fù)載、球枕構(gòu)造

上覆顆粒較粗，密度大的物質(zhì)沉入下伏密度低的、顆粒較細(xì)紋泥中，形成簡(jiǎn)單負(fù)載構(gòu)造。這種沉積構(gòu)造的形成就好比經(jīng)過顛簸的奶油蛋糕，一些覆在奶油上的草莓會(huì)陷入奶油中。隨著變形構(gòu)造的繼續(xù)發(fā)展，下伏細(xì)顆粒物質(zhì)開始向上擠入，發(fā)生垂向位移形成懸垂負(fù)載、擠入的火焰構(gòu)造。這就好比因?yàn)轭嶔牡案饽逃蛯语w濺出來的奶油。

四川茂縣沙灣晚第四紀(jì)湖相沉積中地震成因的火焰構(gòu)造

下伏的地層在受到上覆地層的超覆壓力下，發(fā)生水平剪應(yīng)力，使得細(xì)顆粒的紋泥發(fā)生卷曲或褶皺變形。這就好比蛋糕因受顛簸而發(fā)生變形的奶油層。

云南德欽縣阿東古堰塞湖沉積中地震成因的褶皺變形

隨著液化及流化的進(jìn)一步作用，粗顆粒物質(zhì)完全掉入下伏低密度層中形成脫落負(fù)載構(gòu)造、假結(jié)核、球-枕構(gòu)造、液化脈等，并最終形成枕狀層。

四川理塘縣理塘盆地河湖相沉積中地震成因的假結(jié)核構(gòu)造

四川理塘縣理塘盆地河湖相沉積中地震成因的褶皺和液化構(gòu)造

除了上述沉積構(gòu)造外，我們的研究還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)現(xiàn)象——對(duì)公元181～2010年間法國(guó)、土耳其、新西蘭、智利等32次地震統(tǒng)計(jì)研究顯示，在強(qiáng)震影響的山區(qū)還可能促發(fā)大量的滑坡、粉塵等碎屑物質(zhì)，并被風(fēng)力或者流水搬運(yùn)到湖泊中并快速沉積，并堆積到變形層上部形成水平砂層，稱為事件層。這種沉積層的特點(diǎn)是地震越強(qiáng)烈，厚度越大，并且沉積物顆粒物呈現(xiàn)下粗上細(xì)的分異狀態(tài)。

或許你會(huì)問：研究曾經(jīng)發(fā)生的地震，對(duì)現(xiàn)實(shí)有何意義呢？其實(shí)科學(xué)研究的本質(zhì)就是基于大量事實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)客觀規(guī)律進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)和分析預(yù)測(cè)。通過分析古地震留下的遺跡（如斷錯(cuò)地貌、地層錯(cuò)斷、沉積物擾動(dòng)等），可揭示某一地區(qū)地震發(fā)生的頻率、強(qiáng)度和復(fù)發(fā)周期，為預(yù)測(cè)未來地震風(fēng)險(xiǎn)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外根據(jù)古地震痕跡可反推板塊運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期規(guī)律，解釋山脈、盆地等地貌的形成過程，為地球科學(xué)基礎(chǔ)研究提供新的方法和思路。

曾經(jīng)的地動(dòng)山搖、山崩地陷的地質(zhì)活動(dòng)并未完全化作歷史的塵埃隨風(fēng)飄散，相反它們也會(huì)“人過留名、雁過留聲”，并向我們傳遞出更多的地球科學(xué)密碼。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，這些古地震遺跡信息都可以成為這些新技術(shù)分析應(yīng)用的數(shù)據(jù)，助力人類未來防災(zāi)減災(zāi)工作。

來源：地球雜志

編輯：楊樂多

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