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地震科學的幾個發展趨勢(1)

綜合介紹了地震科學的幾個發展趨勢,包括:從板塊理論向板塊邊界帶研究的過渡,從深部結構研究向淺層地殼結構研究過渡,從觀測向模擬研究過渡,從地震危險性向地震危害性研究的過渡。
    關鍵字 地震科學;地震學研究;發展趨勢
    地震學作為一門以觀測和測量資料為基礎的學科,隨著社會需求的變化和學科的發展,隨著地震信號的捕獲、採集、記錄、傳輸、解析逐一實現數字化,傳統地震學的研究領域正在發生著變化。觀其近期發展,以下幾個發展趨勢值得注意。
    l 從板塊理論向板塊邊界帶研究的過渡
    在1915年魏格納(Alfred Lothar Wegener,1880~1930)正式發表著名的《大陸和海洋的形成》(the Origins Of Continents and Oceans)之後,以地槽學說為代表的垂直論,與以大陸漂移學說為代表的水平論就構造運動方式進行了長達40年的爭論。1962年赫斯(Harry Hess,1906~1969)發表《海洋盆地歷史》(History of Ocean Basins),用地幔對流機制來解釋海底的地形標誌,他捨棄了早期大陸漂移模型中大陸排開洋底物質進行運動的方式,而認為大陸是被動地受到地殼下部對流作用的推動,好像被放置在一條活動傳送帶上運動。1963年,瓦因(F.Vine)和馬修斯(D.Matthews)發表了一篇關於磁異常成因的論文,把海底擴張的思想與海底地磁的新資料圓滿地結合在一起,奠定了板塊構造學說的基礎。
    板塊學說較好地解釋了板塊邊緣地震,依據板塊學說所提出的地震空區、特徵地震和重複週期等概念為板緣地震的預測提供了指導,也成為國際上現有地震預測理論的基礎。在尋求對大陸內部地震成因的合適理論時,將板塊理論移植到大陸上來是很自然的事情,於是,在解釋大陸內部地震活動時提出了活動地塊的假說,這一假說已成為國家重點基礎研究科技發展規劃項目"大陸強震機理和預測"的核心思想,它實際上是板塊理論在研究大陸地震機理方面的應用。
    然而,簡單地將板塊理論應用於大陸卻遇到了困難。近年來,板塊學說在大陸的發展主要表現在2個科學問題的爭論上:1地球表面的運動是不是都集中發生在板塊的邊界?2板塊的邊界是不是狹窄的?地震活動的分佈、大規模的地表形變觀測,尤其是GPS觀測結果表明,板塊邊界變形帶是相當寬的,向大陸內部延深可達數千公里,如阿爾卑斯-喜馬拉雅帶和南北美洲西部的雁行山脈。這些板塊邊界變形帶佔據了整個地球面積的15%,覆蓋了幾乎全部的構造運動和非氣象災害,如地震和火山活動。
    從剛性板塊簡單地沿斷面錯動,狹窄的變形帶上容易發生地震,到板塊邊界具有寬大的變形帶,區域構造應力場複雜作用下發生地震,是地震學中在地震機理認識方面的一紀初計劃進行多個大型觀測工程,其中以計劃實施15年的"地球透鏡計劃"(EarthScope,www.earthscope.org)最具代表性。該計劃以"發展地震科學,促進地震科學在減輕地震災害、能源資源勘探和保證國家安全等方面的應用,確保美國在地震科學方面的領先地位"為宗旨,計劃實施了4個大型觀測計劃,即以利用流動地震台陣勾畫美國大陸高精度地下結構為主要目標的"美國台陣"項目(USArry),以利用GPS和應變儀台陣勾畫美國西海岸形變場為主要目標的"板塊邊界觀測"項目(PBO),以利用遙感技術獲取大尺度區域分米至厘米級連續應變為主要目標的"遠紅外多孔徑雷達"項目(InSAR)及以利用鑽孔數據獲取聖安德烈斯斷層構造變形資料為主要目標的"聖安德烈斯斷層深部觀測"項目(SAFOD)。其中,PBO計劃是EarthScope的重要組成部分,主要目的是觀測寬大板塊邊界帶的變形特徵,以探索在區域構造應力場背景上斷層帶如何運動並可能產生地震的機理。同樣,在研究大陸地震分佈時,除了活動地塊外,還提出了活動邊界帶的概念。在世界大陸的許多地方,是活動地塊大,還是活動邊界帶大?活動地塊和活動邊界帶的概念的提出,不僅將地震分佈中規律性和隨機性結合在一起,而且是從板塊理論向板塊邊界帶研究過渡的體現。
    2 從深部結構研究向淺層地殼結構研究過渡
    近年來,一些建設在沉積層上的地震台站觀測顯示,來自不同方向的地震波具有不同的接收函數。這引起了地震學界對淺層,尤其是沉積層波速特徵的重新認識。1993年澳大利亞開始進行的"袋鼠計劃"(The SKIPPY Project,wwwres.anu.edu.au)經過幾年野外工作後,肯尼特(B.L.N.Kennett)等發現,不同方位角的接收函數顯示的S波速度具有明顯的離散性。這還僅僅是一個位於沉積層較薄地區的地震台站的例子。
    實驗室測量得到的極淺層沉積物的P波速度僅為0.6~1.8km/s,S波速度為0.3~0.6km/s,波速比為2~3,甚至達到6,與一般岩石中波速比1.7左右相差甚遠。儘管沉積層厚度在波傳播路徑中比例不大,但是波在沉積層的走時對波的整體走時影響卻很大。現已發現,國際上早期著名的深部探測結果,如PANDA等計劃的結果,由於沒有考慮淺部沉積層的影響,其結果都需要重新考慮。這一事實震動了整個學術界。在美國沉積層較厚的洛杉磯盆地中進行的"洛杉磯區域地震試驗"(LARSE)也觀測到1.75km/s的地震波[1-2],而通常用以處理地震定位和反演地殼速度結構的波速為6.0km/s左右。
    對淺層地震波速變化特徵的描述需要詳細瞭解沉積層厚度、橫向變化,甚至季節性變化特徵。利用淺層沉積層速度對已有地殼速度模型進行修正,也逐步成為地殼三維速度模型研究方面的重要領域。淺層速度結構,即1km深度範圍內地殼速度模型的細化日益成為提高三維地殼速度反演精度的瓶頸。
    在我國的華北和美國的中部,一些地震台站下方的沉積層厚度接近1km。例如,在"首都圈防震減災示範區"工程新建成並已經正式投入運行的107個數字地震台中,有58個台站使用井下短週期擺,基本上認為是布設在基巖上;另外還有49個台站使用寬頻和甚寬頻擺,布設在有沉積層的地表。淺層速度的大幅衰減可能直接影響到地震觀測台站記錄資料的解釋結果。如果在1km左右淺層沉積結構方面的研究有所突破,那麼以往一些利用建立在沉積層上的地震台站記錄得到的速度結構都有可能被重新計算和分析,淺層沉積結構的研究正日益成為地震學研究的亮點。
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