一场地震，一次“震撼”的科学启蒙 ——记1906年7.8级旧金山大地震的地震学遗产（上）
1906年4月18日发生的7.8级旧金山大地震，造成的地表破裂长度约470公里，后续发生的火灾将整个旧金山和地区其他城市付之一炬，是美国历史上主要城市遭受最严重的自然灾害之一。这场地震在地震学科发展史上地位举足轻重，围绕这次地震开展的研究成果开启了地震学科研究发展的曙光时代，可以说是一次震撼学界的科学启蒙，震源物理研究中最重要的理论“弹性回跳假说”也是其众多成果之一。
上图是9100公里外德国哥廷根记录的1906年旧金山大地震的地震波形，它显示了 1906 年旧金山地震导致德国地面如何移动 图片来源：USGS网站
地震学是一门定量观测科学，与一些传统自然科学学科相比，它显然年轻的多，发展不过百余年的时间。自远古伊始，人们对于地震为何会发生有过种种猜测，不同文化都用丰富的想象力描摹奇幻的画面，从神话与迷信角度出发尝试解释这类大事件的发生原因。使用科学的眼光观察地震则要等到近现代，人们发明现代地震仪并开始用观测仪器记录地震不过是19世纪末的事情，而对地震波机制的研究则要更晚一些，要等到二十世纪初。不过对地震的成因，那时的研究人员一直不得其门而入，教科书将地震解释为“地球表皮不明原因的颤抖”。
我们现在站在前人的肩膀上，很多科学知识都可以轻松从教科书中获得。而科学探索之艰辛，学科大厦建立之不易经常被忽略。其实直到20世纪初这次大地震的发生，科学才给与人类解密的钥匙，人类有幸获得对强烈地动发生原因的现代理解。
现在翻开理论书籍，都会告诉你有关地震成因的假说最为广泛接受的版本是弹性回跳假说。假说有一个认识前提那就是岩石本身具有一定弹性，如果你无法想象岩石有弹性，那么我们小小狡猾地偷换一下概念，使用“韧性”这个词可能能够帮助你更好地理解。
先来想象这样一个场景，地球内部从不平静，每时每刻都在发生缓慢运动，在幽深的地下，有一处由于地质运动积蓄了很大的力量，巨大的力量使得地壳中的岩石发生弹性变形，直到积累的应力超过岩石的强度，岩石发生破裂，应力所储存的能量被释放，应力消失后变形的岩石就像被压的弹簧一样，向相反的方向整体回跳，恢复没有变形时的状态。以上的整个过程就是弹性回跳假说用以解释地震发生原因的模型。图示假设围栏横跨圣安地列斯断层，随着太平洋板块向西北移动 ，逐渐扭曲了围栏。地震之前，围栏呈“S”形；地震发生时，应力被释放，变形恢复， 但产生了偏移量。这个图件仅仅起示意作用， 实际上，这种偏移横跨数公里，并且只能通过精确的仪器看到。图片来源：USGS网站中国地震局地质研究所刘力强研究员曾概括弹性回跳模型包含３个基本要点：1）地震来自于断层的运动；２）断层运动导致其两侧的岩石弹性变形，积累巨大的能量，这个能量在地震中得以释放；３）在断层带的各个点上积累能量的过程是缓慢而不均匀的。岩石的弹性变形后产生的弹跳，其速度和产生的力量是惊人的，长期积蓄的力在瞬间释放，于是产生了地震。如果你依旧对这一概念有点模糊，我们可以想像一只铁皮发条玩具青蛙，我们不断给青蛙上紧发条，就像岩石受力后弹性变形而积蓄能量，到达某一临界点，松开手，发条要恢复未变形的状态，释放的能量驱动青蛙不断活动。这种能量缓慢积蓄又倏忽释放的假说模型，建立在对具体地震事件的野外数据观测之上，1905年4月18日，美国旧金山发生7.8级地震，地质学者里德（Reid）通过对大地震前后圣安德烈斯断层大地测量数据和USGS数据的分析，提出了弹性回跳假说来解释地震成因。站在时间轴上后面的坐标向前张望，我们很容易有一种“后见之明”的错觉，简单地把“如果A，然后B”的逻辑链条套用的到假说上来，有了如下印象：引发1906年旧金山大地震的地质活动状态相当标准且典型，从而启发人们产出能进教科书的理论假说——然而这样的简单归因是错误的。事实上，1906年旧金山大地震其颇富传奇性的科学产出，是一系列的偶然与必然因素交织促成，有无心插柳之功，也有苦心孤诣之果。这次地震可以说是对地震学界教育意义深远的灾难，这是科学家们第一次收集到如此之多的地震信息，启发了许多发现，并为后来的地震学者提供众多宝贵资料。理论提出需要数据支撑，构建弹性回跳理论离不开大地震前后对圣安德烈斯断层大地测量数据。这短短的一段话，我们需要三项准备，发现圣安德烈斯断层、震前断层大地测量数据、震前断层大地测量数据，三者缺一不可，能够凑齐也难得一个巧字，因为在地震发生前谁也不知道地震的发生与断层关系紧密，人们对于地震的认识实在太少了，对于地震成因几乎没有理论认识。圣安德烈斯断层于1895年由加州大学伯克利分校地质学教授安德鲁·劳森（Andrew Lawson）在北加州首次发现，但是当时只是发现了断层全貌的其中一段。在圣安德烈斯断层发现后的11年，1906年旧金山地震发生，劳森教授在勘察地震破坏情况后才意识到圣安德烈亚斯断层向南延伸到南加州，在墨西哥隐遁。红色实线代表圣安德烈斯断层，箭头显示北美板块（东南）和太平洋板块（西北）的相对运动 图片来源：来自网络1807年美国开始由专门机构主导开展大地测量工作，从事后的角度看， 1906年由于地震被安德烈斯断层“切割”过的地区，使用三角测量法有幸做过两组大地测量，1组在1851年~1865年这一时间段，1组在1874年~1892年这一时间段，为震后的大地测量数据提供了宝贵的对照资料。还是发现圣安德烈斯断层的劳森教授，震后他主持并领导了一个调查地震及其影响的委员会，并产出了《加州地震调查委员会报告》，但它通常被称为劳森报告。在地震发生后5周内，团队寻找各种细节来分析地震原因和影响，形成了17页的初步报告，并在两年内完成了2卷本的正式报告。红线代表1906年旧金山大地震造成的地表破裂长度，约470公里 图片来源：USGS网站团队成员整理了可观的损失调查资料：测绘断层线的位置（以英寸为尺度进行分析和勘探），查看建筑物的损坏方式、程度与断层所在距离、建筑材料结构之间的关系，绘制了非常详细的地图与测绘图，地面、建筑物破坏情况的照片……这些庞杂的细节在今日看来是标准流程，在当时是开创性的，从未有如此体量的地震调查，要知道仅仅报告的第1卷本就长达220页，可以想见调查团队研究的决心，劳森报告也成为了未来地震灾害影响考察的规范雏形。
豫公网安备 41110302000258号
