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地震對于建筑物破壞

地震是地球動力作用的表現(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)生巨大能量的災變事件。2025年1月7日發(fā)生在西藏日喀則定日縣Ms6.8級地震造成了巨大人員傷亡和財產(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)地震活動幾乎貫穿了整個人類文明的發(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？要解答上述兩個問題還要從地震的成因和破壞機理入手，將地震活動及其留下的遺跡建立聯(lián)系。這就像偵探在犯罪現(xiàn)場尋找指紋、鞋印、血跡等一樣。

地震的成因和破壞機理

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

地震的模型

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

地震并非單獨出現(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致房屋倒塌。我們不妨做個實驗：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，最大震動就發(fā)生在嘎嘣一聲斷裂時。

當?shù)卣鸩ǖ竭_地表后，會使地面劇烈顛簸和搖晃，對建筑物、橋梁、大壩和其他構(gòu)筑物施加應(yīng)力，當應(yīng)力超過其強度，就會使其發(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倒塌，在上覆樓層的重力作用下，整座樓會層層垮塌。當?shù)卣鸩ㄑ刂乇碚饎?，建筑物會前后搖晃相互撞擊。地表震動還會使天然氣管道破裂，或者打翻有明火的燈具或爐灶，引發(fā)火災；在山區(qū)還會誘發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災害；在地下水位較淺、松散沉積物大面積分布的地區(qū)，導致液化、地面沉降等次生災害，從而加重了災害風險。

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

地震對于地表構(gòu)筑物的破壞程度不僅取決于震級大小和距震中的距離，其所在的地質(zhì)環(huán)境也是一個關(guān)鍵因素。如果地表以松散沉積物為主，災害類型可能會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)，砂土液化災害嚴重。這是由于飽和的松散堆積物在強震動作用下，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，導致剪切應(yīng)力降低或者完全消失，強度降低。但也正是這個特點，遠古地質(zhì)過程和災變事件，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)想這樣一個情景：一天你到蛋糕店訂做了一個奶油蛋糕。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。當你回到家打開蛋糕時發(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（特別是里氏震級在4.5級以上的）常導致飽含水未固結(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湖相沉積中地震成因的負載、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、顆粒較細紋泥中，形成簡單負載構(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陷入奶油中。隨著變形構(gòu)造的繼續(xù)發(fā)展，下伏細顆粒物質(zhì)開始向上擠入，發(fā)生垂向位移形成懸垂負載、擠入的火焰構(gòu)造。這就好比因為顛簸從蛋糕奶油層飛濺出來的奶油。

四川茂縣沙灣晚第四紀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)了另一個現(xiàn)象——對公元181～2010年間法國、土耳其、新西蘭、智利等32次地震統(tǒng)計研究顯示，在強震影響的山區(qū)還可能促發(fā)大量的滑坡、粉塵等碎屑物質(zhì)，并被風力或者流水搬運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。這種沉積層的特點是地震越強烈，厚度越大，并且沉積物顆粒物呈現(xiàn)下粗上細的分異狀態(tài)。

或許你會問：研究曾經(jīng)發(fā)生的地震，對現(xiàn)實有何意義呢？其實科學研究的本質(zhì)就是基于大量事實數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對客觀規(guī)律進一步深化認識和分析預測。通過分析古地震留下的遺跡（如斷錯地貌、地層錯斷、沉積物擾動等），可揭示某一地區(qū)地震發(fā)生的頻率、強度和復發(fā)周期，為預測未來地震風險提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外根據(jù)古地震痕跡可反推板塊運動的長期規(guī)律，解釋山脈、盆地等地貌的形成過程，為地球科學基礎(chǔ)研究提供新的方法和思路。

曾經(jīng)的地動山搖、山崩地陷的地質(zhì)活動并未完全化作歷史的塵埃隨風飄散，相反它們也會“人過留名、雁過留聲”，并向我們傳遞出更多的地球科學密碼。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)，助力人類未來防災減災工作。

來源：地球雜志

編輯：楊樂多

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