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土耳其地震的产生,不是由于地层的弯曲断裂导致,而是由于地层内断裂带的相互错动。需要等确定了今年欧亚地震带的地震能量比,才能从经验的角度预测是否会影响到中国。

出品 | 科普中国

作者 | 地星引力

监制 | 中国科普博览

2023年2月6日,土耳其境和叙利亚边界附近连续一天内发生2次7.5级以上的大地震震惊了世人。截至2月8日,土耳其强震已致土耳其和叙利亚两国超7700人遇难,这再一次让人们把视线放到了地震上。

地震是如何形成的?

在讲这个问题前,我们需要先了解一点点关于地震形成的理论。

绝大部分地震的发生,都是来自地下岩层的突然错动。我们可以这样想象,地下的岩层就好像是一大把筷子,这些筷子正在被某种巨大的力量挤压(这种力量来源下面会说),在平时,筷子们处于不断被挤压的状态,因此不断弯曲。

大家的常识告诉我们,筷子的弯曲是有极限的,岩石也是。在受力以及弯曲超过极限之后,无论是筷子还是岩石都会断裂。大家回家就可以掰断一根筷子试试。

无论是筷子,还是岩石,在断裂的一瞬间都会传来很大的震动,这个震动的能量实际上就是筷子或岩石弯曲时候储存下来的能量,当它们断裂的一瞬间,这些能量突然释放,弯曲的筷子或岩石也就恢复了平直的状态,这就是地震理论中的弹性回跳理论,这也是一个被广为接受的地震形成理论之一。

弹性回跳理论示意图:1是正常状态,2是受力后发生弯曲,3是断裂后两侧岩层回跳到正常不受力状态丨图片来源:wikipedia

当这些能量被岩层传递到地表的时候就会造成地表的强烈震动,这就是地震的来源。

我们在前文说到了,要弯曲岩层,那么岩层需要受到极大的力量,这个力量来自哪里呢?来自板块运动!

板块运动实际上是在地球内核热量驱动下发生的,众所周知,地球分为地核、地幔和地壳三部分,我们极度简化这个模型后(实际上非常复杂,简化只是为了帮助大家理解),可以认为地核是一个极高温度的炽热球体(某些区域的温度可能达到6000℃,与太阳表面相当),地幔则是一个类似橡皮泥的可塑性状态,而地壳则是坚硬的薄壳。

在地核加热下,地幔会产生热对流——热的密度减低上涌,涌到表面的变冷下沉,如此反复——漂浮在地幔上的地壳就在地幔的对流运动下发生运动,这就是板块运动的机制。当然,要是还不理解,大家可以吃个火锅,火炉就是地核,火锅汤就是地幔,白菜帮子就是地壳,只要火炉不停,火锅里面的白菜帮子将会一直运动。

板块运动的基本原理示意图:地核加热地幔,地幔热对流从而驱动漂在地幔上的地壳运动丨图片来源:concord.org CCBY-SA3.0

而我们现在已经知道,地球的地壳实际上并不是一个完整的整体,实际上是由14个大的板块以及若干个次一级的板块构成的,在地心热量的驱动下,它们就会相互碰撞——自然,我们凭直觉就能知道,在板块边界相互碰撞的地方,压力是最大的,而这也正好与我们观察到的现象一致:在板块边界处,也正好是地震和火山最频繁的地点,其中最常见的一种板块边界就是断裂带。

地壳并不是一个整体,而是由14个大板块及更多次级板块构成丨图片来源:pixabay,经作者修改

土耳其为什么如此大震频发?

有了上面的知识基础,我们可能猜都能猜到土耳其一天内发生两次大地震的原因了——它位于板块边界。具体来说,土耳其大体上位于安纳托利亚板块之上,4个板块包裹着这里,所以这里实际上被4个板块边界所包围。

土耳其位于安纳托利亚板块之上,被其他4个板块包围丨图片来源:作者自制

在其北边,是巨大的欧亚板块,在其南边是非洲板块,东南边是阿拉伯板块,西边是爱琴海板块。其中,东南边的阿拉伯板块非常不安分,时刻向北挤压安纳托利亚板块,但是由于安纳托利亚板块北部被巨大的欧亚板块死死顶住,它难以向北移动,只能向西滑脱,根据目前的检测,这一板块目前每年向西移动2厘米左右。 

安纳托利亚板块在阿拉伯板块的挤压下向西运动的示意图:图中的黄线、粉线以及黑线均为该板块的边界,其中黄线为北安纳托利亚断裂,粉线为东安纳托利亚断裂丨图片来源:wikipedia

安纳托利亚板块的这种运动,造成了在其板块边界处(其实也基本上都是大型断裂带)的密集地震。在过去数千年中,这里发生过多次足以毁灭城市的大地震。仅仅是1900年到现在的120多年间,这一区域发生的7级以上地震就不少于10次,6级以上地震茫茫多。

1900年以来,安纳托利亚板块附近发生的各级地震,可以看到它们基本都与板块边界一致丨图片来源:wikipedia

具体到本次地震,由于地震刚刚发生,目前对这两次大地震之间的关系其实并不清楚,有些科学家将其看作是一次主震一次余震,有些科学家将其看作是两次单独的地震。

不过这并不影响我们了解这两次地震发生的原理——它与我们上文所说的筷子的例子原理一致但略有不同——

这里地震的产生,不是由于地层的弯曲断裂,而是由于地层内断裂带的相互错动。板块边界地层存在的断裂带,平时像是拼图那样咬合在一起,但是在巨大的驱动力之下,拼图的咬合处突然断开,释放的力量全部释放,地层可能会相互错动一大段。

 

震级为7.8级的第一次地震的地震烈度图,可以看到其中烈度为9级(Ⅸ)的区域基本上沿着一条直线,这就是该断层的走向线丨图片来源:wikipedia 

震级为7.5级地震的烈度图,可以看到其最大烈度走向与第一次并不同丨图片来源:wikipedia

根据这两次地震及其此后的小震,我们就能看出这些地震具有明显的线性分布特征,基本上与板块边界的断裂走向一致丨图片来源:wikipedia

根据美国地质调查局的估计,第一次发生的震级为7.8的地震,其发生时,断裂带的破裂长度可能有190千米;而根据沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的估计,其破裂长度可能超过了300千米。

若按此推算,再考虑到其地震深度仅有20千米,那么这次地震的破坏力可能与2008年汶川地震的破坏力相当(2008年汶川地震破裂长度超过300千米,且震源深度也小于20千米)。而这次地震中,该国南部重镇加济安泰普与震中距离不过20千米左右,这里有大约200万的常住居民,因此其损失很可能极其巨大。

加济安泰普夜景丨图片来源:wikipedia

土耳其地震会对中国地震带上的地区带来联动影响吗?

这其实是一个非常难以回答的问题,其主要原因是地震起源于地下,岩层的破裂,而我们无法看透岩层,了解地下不同深度的岩性、结构、构造以及其受到的应力状态,因此我们目前的地震预测工作非常薄弱,自然无法向天气预报那样做出超前预报,以及对某些极端天气的未来影响范围做出判断。

不过尽管如此,还是有很多地震学家在研究这些内容。其中一个方法就是通过规律统计的方法,有科学家统计了欧亚地震带上地震活动增强对中国大陆地区7级以上地震的影响,其结果表明:如果欧亚地震带上,全年地震释放的能量超过全球地震释放能量的50%,其后3年内中国大陆就有比较大的可能性发生7级以上地震;若是欧亚地震带上地震能量比超过50%,且欧亚地震带上发生过8级地震,那么中国可能在3年内发生多次7级以上,甚至8级的地震。这一结果经过了显著性检验,显著性水平为10%,也就是说正确可能性为90%。

欧亚地震带横贯欧亚,土耳其就是其中的一部分  图片来源:陈学忠,李艳娥,王恒信。欧亚地震带地震活动增强与中国大陆地区7级以上地震发生的关系分析[J]。地震,2020,34(1):34-40。

欧亚地震带的能量比随时间变化,可以看到其在2008年之前能量比约为90%  图片来源:陈学忠,李艳娥,王恒信。欧亚地震带地震活动增强与中国大陆地区7级以上地震发生的关系分析[J]。地震,2020,34(1):34-40。

但是,我们依然要看到,这只是一个经验性的统计,我们对板块运动的许多研究内容都是欠缺的,比如板块运动之间的相互影响程度、碰撞过后能量的传导方式等等,这些才是决定一个地方会有多大应力,已经会不会发生大地震的因素。所以,从这篇论文来看,我们需要确定今年欧亚地震带的地震能量比,才能从经验的角度预测是否会影响到中国。从长期来看,我们需要对地下深处有更多了解,才有可能预测地震,以及地震后的一系列影响。

 

出品:科普中国

 

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