天然地震类型和分布-地球物理通论

大地震能在很短的时间内就给人类造成巨大的灾害，对它的观测、研究一直是科学研究的重要内容之一。虽然每个地震出现的时间、地点、强度具有一定的随机性，但大量地震在发生的时间、地区、强度和频度等方面，都有一定的特点。经过长期的观测研究，可以把地震活动的特征和特点简单归纳为如下几方面。

1.2.1 简单的地震模型

地震一般都伴有明显的断层活动，特别是大的浅震，在地表可以看到绵延数百千米甚至超过1000km的断层。因此，一般认为天然大地震的直接发震机制是一种机械力的作用，震源场主要是某种机械力场，孕震区比震源区大得多。一旦发生地震，受到地震波及、只发生震动而未破裂的范围比震源区也大得多。简单的地震模型可简化为点源，描述点源发生的时间、空间和强度的参数称为地震的基本参数（图1．11）。震源在地球表面的投影点称为震中；震中沿地表到观测台站的距离称为震中距Δ，常常采用长度单位（km）或地（圆）心张角（°）。地震的基本参数是发震时刻T0、震中经纬度λ和φ，震源深度h和震级M。此外，地震发生时地面上受破坏最严重的地区称为极震区，发生于震源并在地球介质传播的弹性波称为地震波。地震波波阵面的法线方向的连线称为地震射线。

图1.11 震源与震中

地震按震中距的不同，分成地方震、近震和远震。震中距小于100km的地震称为地方震。震中距大于100km，小于1000km的地震称为近震。震中距大于1000km的地震称为远震。从台站记录的地震图分析，远场地震波频谱具有共同的特征，周期一般在10－2～103s，细节各有差异。

地震按震源深度的深浅，分成浅源地震（震源深度小于60km的地震）、中源地震（震源深度在60～300km的地震）和深源地震（震源深度大于300km的地震）。目前已记录到的最深地震的深源地震约700km。有时将中源和深源地震统称为深震。

地震按强度（震级）的强弱分成弱震（震级M≤3的地震），有感地震（3＜M≤4．5的地震），中强震（4．5＜M＜6的地震）和强震（M≥6的地震）。M≥8的地震称为巨大地震。记录到的天然地震其强度悬殊，截至目前，震级从－3到9级，折算成辐射的弹性波能量，其差别可以达到17个数量级。另外，地震强度存在极限，所有观测到的古今强震震级均小于9．2级。

地震按形成原因也简单地分成构造地震、火山地震和陷落地震三类。构造地震系指地下岩层错动而破裂所造成的地震。大多数破坏性地震，诸如1906年旧金山地震、1988年的亚美尼亚地震、1992年加利福尼亚兰德斯地震和2008年5月12日中国四川的汶川地震，都是因断层受应力作用，能量大量积累，当超过岩石的强度时岩石突然破裂而发生的，属于构造地震。全球90％以上的天然地震都是构造地震。有感范围可以达到几十甚至几百平方千米。火山作用，如喷发、气体爆炸等引起的地震称为火山地震。常发生在火山喷发之前，与岩浆向火山口方向上升和熔浆中气体压力的骤减有关。火山地震占全球发生地震的7％。而地层陷落，如喀斯特地形、矿坑塌陷等引起的地震称为陷落地震，也包括由人类工程活动引发的所谓技术性地震，这主要是建造水库和向钻孔中注水所致。陷落地震占总数的3％。除了上述三种地震成因外，还有人工地震、诱发地震等。

1.2.2 震级 频度关系

地震经常发生，每年全球地震的总数约100万次。相当于每分钟发生两次地震，其中较强的地震每年有数千次，超过8级的地震全球平均每年发生1～2次。随着震级的减小，地震数目呈指数式增加。地震频度是指定地区、指定时期内所发生的、震级为（M±ΔM）的地震次数。它是古登堡 里克特（Gutenberg-Richter）引进的、定量描述地震活动特性的参数。古登堡（B．Gutenberg）和里克特（C．F．Richter）对南加州和全球地震进行了统计研究，得出

lgN（M）＝a－bM 　（1．32）

式中，N（M）为地震频度（单位时间内发生地震的次数）。

乌普萨拉（Uppsala）地震研究所利用1918—1964年的地震资料统计得出全球地震频度关系：

lgN＝10．40－1．15M

式中，N为每10年、震级在M～M＋0．5的地震次数的平均值。也可以换一种统计方式得出：

lgN＝8．73－1．15M

式中，N为每年、震级间隔ΔM＝0．1，即震级在M±0．05的地震次数。

图1.12 震级 频度关系

日本的宇津德治对1965—1974年日本附近发生的地震资料进行统计分析，给出关系：

lg N（M）＝7．78－1．15M

其中　N（M）＝

可见，对于指定地区（包括全球）均有类似公式，只是a、b的值因地区和时段而不同。a和b分别反映所统计时段和区域内地震活动的水平和大、小地震数目的比例。b小，大震相对多；b大，小震相对多。全球统计的地震频度与释放能量如表1．1所示，震级 频度关系如图1．12所示。

表1.1 全球统计的地震频度与释放能量

根据古登堡和里克特关于地震所释放能量的统计公式：

lgE＝12．24＋1．5M 　（1．33）

震级差一级，地震释放的能量差32倍左右。因此，每年释放的地震波能量取决于少数大震（表1．2）。

lgNE＝20．97＋0．29M 　（1．34）

表1.2 地震震级与释放的能量

古登堡和里克特估计，每年全球地震释放的能量最大约为1018J（1000万～1亿k W），相当于地球内以热的形式所释放能量的千分之一。

1.2.3 地震的时间分布

地震活动是时起时伏的，具有明显的轮回性，但又不是简单的重复（图1．13、图1．14）。研究表明，大多数区域的地震活动都可划分成几个活动期，而每个活动期又大致可以分为4个阶段：

图1.13 地震活动的轮回性——山西地震的时间序列

图1.14 几个地震带地震活动的轮回性与4个阶段

（1）应力积累阶段。这时只发生少量小震，或不发生地震，相对比较平静。

（2）孕震阶段。在继续积累应力的同时，地震开始活跃，震级逐渐增大，但整体仍比较微弱。

（3）能量大释放阶段。长期积累的应变能在短时间内大量释放出来，发生8～8．5级大震或发生多次7～7．5级大震，活动强烈，但持续时间相对较短。

（4）剩余能量释放阶段。是活动期的尾声，活动由强到弱，逐渐平静下来，过渡到下一个活动期。

根据地震活动在时间上的丛集性，还可以将其分为4种类型：前震-主震型、主震-余震型、震群型、多发型。前震-主震型的一般特征为，大地震前有较多而且明显的前震活动。主震-余震型则表现为，大地震发生后有一系列持续一定时间的余震，其活动性随着时间指数降低，可以用频度-时间关系表示为(www.xing528.com)

图1.15 余震的时间分布特征

式中，n（t）为单位时间内，震级超过某一数值的余震数（图1．15）；k，c，p为常数。震群型一般是时间上比较集中，又不好区分前震、主震、余震的系列地震。多发型则是时间上有一定间隔，强度又比较大的一系列地震活动。

1.2.4 地震的空间分布

1）全球地震带的分布

地震的空间分布存在明显的规律性。较小区域上成条带分布，称地震带。全球地震的空间分布（图1．16）可以划分为三个地震带：环太平洋地震带、欧亚地震带、海岭／洋脊地震带。

环太平洋地震带自太平洋东岸开始，沿着绵长高峻的安第斯山脉和落基山脉，经过阿拉斯加和阿留申群岛，再由太平洋西岸从堪察加半岛开始，向南经千岛群岛、日本群岛、琉球群岛、台湾岛、菲律宾群岛直至印度尼西亚所构成的大岛弧，然后由新几内亚岛往东连接南太平洋中的诸岛屿，包括了全球80％左右的浅震（h＜60km）和许多中、深震（60km≤h≤300km）。每年释放的地震能量大约占全球的77％。

欧亚地震带又称喜马拉雅 地中海地震带，从青藏高原向西，经帕米尔高原、伊朗高原、小亚细亚和高加索，到欧洲南部阿尔卑斯山系和地中海沿岸。其东西分支从青藏高原东部的横断山脉向南，经缅甸、印尼的苏门答腊岛成弧形分布，在新几内亚与环太平洋地震带交汇。欧亚地震带的条带性不鲜明，情况复杂。

图1.16 全球震中分布（1990—2000）

东非大裂谷附近和太平洋、大西洋的大洋中脊，也是地震较多的地带，称为海岭／洋脊地震带，比较狭窄，延展最长。但强度弱、震源浅，每年释放的地震能量仅占全球的6．1％。

2）我国地震带的分布

我国是个多地震的国家，按近代仪器记录资料可绘出我国震中分布图。主要的地震带有：

（1）天山地震带：主要指南、北天山，阿尔泰山一带地区。

（2）南北地震带：由滇南的元江往北经过西昌、松潘、海源、银川直到内蒙古嶝口。此带发震特点为南、北两端轮发中强地震，揭示了这一带地下构造的特殊性。

（3）华北地震带：指阴山、燕山一带，营口—郯城断裂带，汾渭河谷等地区。

（4）华南地震带：主要指东南沿海及海南岛北部等地区。

（5）西藏察隅带：沿西藏高原周围及边境一带。

（6）台湾地震带：包括台湾及其东部海域。该地区属于环太平洋地震带，地震出现频繁且强度大。

1.2.5 震源的时 空特点

地震震源除了在平面上存在一定的分布规律，随着深度也表现出一定的分布特征（图1．17）。深度有极限，最深不超过约720km；在约500km处地震活动明显较弱。

1954年，贝尼奥夫（H．Benioff）用古登堡 里克特的资料画出岛弧带地震震源的空间分布，它们的形状是不厚的斜层。贝尼奥夫将其解释成洋、陆之间的逆冲断层。这一发现即为著名的贝尼奥夫带（图1．18）。精确的定位表明震源在平行的两个层面上。有的地方厚度仅约20km，斜面长600～700km。

图1.17 震源深度分布

（a）深度间隔取25km；（b）深度间隔取100km （N为7级以上地震数目；M为最大震级；E为释放的总能量）

图1.18 日本东北部的贝尼奥夫带

对于主震 余震型地震活动，跟随主震先后发生的余震在空间往往扩展成片状，主震常在一端（图1．19）。强震往往发生在地震带上历史强震震中的空白区；而且，在强震发生前若干年，该处也往往是较小地震的空白区，在其周围较小地震则很活跃。1975年2月海城7．3级大震之前和同年4月溧阳5．5级地震之前都有这种现象。地震活动的这种特性称为“填空性”。前面所说的空白区称为“地震空区”。

图1.19 余震相对于主震的空间分布

图1.20 千岛群岛地区的震中迁移现象（括号中为地震的震级）

在一个地震带上，往往有在一处发生强震之后隔一定时间在另一处也发生强震的现象，而且历史上多次重复出现，这就是地震震中的“迁移性”（图1．20）。

1.2.6 地震活动性与板块构造

岩石圈板块构造理论解释了绝大多数地震、火山活动产生的原因和位置。

地球的岩石圈被一些活动着的构造带洋脊、海沟岛弧系和转换断层所分隔，被划分成欧亚板块、北美洲板块、南美洲板块、太平洋板块、非洲板块、印度 澳大利亚板块和南极洲板块七大板块和若干规模较小的板块。板块的划分与全球地震带的地理分布是一致的。

岩石圈位于固体地球的最外层，厚度100km左右。板块构造理论假设它具有刚性、不变形的性质。岩石圈之下是厚达数百公里的软流圈。软流圈物质因含有百分之几熔融物而具有可流动性质。地震层析研究发现，在下地幔物质中热的分布明显不均匀变化，推测也有物质的上升和下降运动。上述岩石圈板块正是在软流圈和更深部物质热运动（包括对流和地幔柱等形式）的推动下，发生彼此间的相对水平运动或隆起和沉降运动。地幔物质以岩浆的形式从洋脊处侵入和喷出，使这里形成新的洋底，较早形成的洋底则向洋脊的两侧移开去（每年约数厘米），这就是海底扩张。它已从20世纪60年代的假说发展成为被普遍接受的科学认识。在地球体积不变（板块构造理论的另一个假设）的前提下，不断增生和扩张的海底（大洋岩石圈）势必在地球表面的另一些地区消减，这就是主要分布在太平洋周边和中美洲地区的海沟带。大洋岩石圈在这些地区以俯冲带的形式沉入地幔（最深可达700km）。这样，岩石圈在洋脊处不断新生，两侧的岩石圈向相背离的方向运动，因此称洋脊为发散型板块边界；在海沟处一侧的大洋岩石圈俯冲于另一侧的岩石圈之下，两侧的岩石圈之间为相向的运动，因此称海沟带为汇聚型板块边界。另一类板块边界沿转换断层分布，其两侧的岩石圈相对平移运动，既无新岩石圈的形成，也无老岩石圈的消减，称之为转换型板块边界。全球地震活动带主要分布在上述三类板块边界，也就是由岩石圈板块沿三类板块边界的相对运动所决定。

岛弧地震带的地震，震源深、强度大、条带宽，规律性明显，这是由于岩石圈俯冲的结果。观测表明，沿着海沟内侧向岛弧下插约45°的俯冲面（即贝尼奥夫带）多发生浅、中和深源地震；多数贝尼奥夫带上，中、深源地震都发生在一个很窄的带内，呈相距不超过20km的平行带状分布。在岛弧地区，地震发生的强度最大，最大震级可达9．2级。

分布在东太平洋隆起与在大西洋底的地震系列，是沿着洋脊和横切它的转换断层发生的浅震。发生在海岭地震带的地震，震源深度浅、强度弱、条带窄；转换断层处的地震，震源浅、条带窄，但强度与海岭处的地震相比要大。由震源机制解可以看出，发生在海岭处的地震均为张裂性质的；岛弧处则为挤压俯冲；转换断层上表现为走滑剪切。沿着海岭地震带，张裂、剪切型的震源机制交替出现（图1．21）。

图1.21 沿着海岭张裂、剪切型震源机制交替出现

大陆内部的地震有两类。一类以从地中海地区向东，经过欧亚大陆中部，延至印度尼西亚诸岛的地震带为代表。这个地震带较洋脊或海沟岛弧带的地震带宽度大得多。它虽然不处在活动的板块边界，但与晚新生代以来非洲与欧洲、阿拉伯印度与亚洲大陆的碰撞缝合带的持续相对挤压的活动有关。另一类是真正分布在大陆板块内的地震，如东非裂谷的地震可能与来自很深处的上升地幔柱有关；又如我国的华北地区，因被许多深断裂切割，在板块边界力的推动下，发生板块内的构造活动和地震。

地震活动带还与火山活动区相一致。多数中源地震发生在火山构造之下，但火山并非构造地震的直接起因，两者可能同属深层构造活动的不同表现，而地壳的弧形构造则与地震的发生直接相关联。