为什么会发生大地震？ 以四个世界著名的大地震为例

作者：高弘　台湾中央研究院地球科学研究所
 
发生於一九七六年七月二十七日的唐山大地震，完全摧毁了这个城市，光是死亡人数就至少高达六十五万五千人（注：原文如此，作者为台湾人，与中国公布的２４万死亡人数相差甚远——雕塑佛），全城的建筑物几乎无一幸免。 发生于一九七六年七月二十七日的唐山大地震，完全摧毁了这个城市，光是死亡人数就至少高达六十五万五千人，全城的建筑物几乎无一幸免。 

生活在台湾地区的民众大概早就对发生地震这件事见怪不怪了。这可是有科学观测数据来加以佐证的话喔！就拿一九九五到一九九八这四年为例，中央气象局地震测报中心平均每年在台湾附近都测到规模大小不一的地震约一万五千多次，其中规模 5 以上的地震共九十九次，平均每个月发生两次！即使是规模大於 6 以上的地震也高达十一次之多。因此，虽然我们还称不上是时时刻刻活在「天摇地动」中，但我们脚下的大地不时地发出咆哮却是一件不争的事实。 

一九九九年九月二十一日的凌晨，是这一代生活在台湾的人们永难磨灭的惊恐回忆！在台湾的中部发生了自现代地震观测网建立以来最大规模的一次地震，这次地震的震央在台湾中部山区小镇集集附近，因此被称为「九二一集集大地震」。气象局最初利用区域地震网的观测资料订出这个地震的规模为 7.3，事后地震学家再利用全球地震网的资料将这个地震的规模订为 7.6。九二一集集大地震的发生，固然造成生命财產的庞大损失，重创中台湾的各项经济及交通建设，但在某种程度上，也唤起了民众对地球科学的认识与重视。地震过后，大家除了忙於救灾重建外，一个心中非常疑惑且很想知道答案的问题是：为甚么会在台湾中部发生大地震？到底发生大地震的条件是什么？ 

其实即使是规模 7 以上的地震，在世界上也不算是多么稀罕的事。根据美国地质调查所（U.S. Geological Survey）的全球地震资料，在一九七七至一九九九这二十三年间，地球上共发生了超过二百次规模大於 7 的地震！其中，仅一九九五年一年内就发生了十八次，可见地球内部是多么地活跃。 

然而真正令人可畏的不是地震的规模大小，而是地震所造成的破坏与死伤。从过去的经验中，我们知道地震引起的破坏与死伤并不一定与规模的大小成正比，反而和人类本身的生活型态息息相关，尤其是近代大都会的形成，造成人口大量集中、各种建筑物及设施密布於城市带。因此，一个发生於人口密集都会区附近的中规模地震，往往会比发生於人烟稀少的大规模地震造成更大的灾难。无论如何，地震的生成毕竟有其一定的条件与过程，我们若是能掌握地震发生的根本原理，那么在都市发展的规划过程中便可加入地震防灾的考量，在某种程度上达到预先防止地震灾难的效果。 

本文纯粹从自然科学的角度探讨大地震发生的原因。首先简单介绍地震究竟是个什么样的物理现象？它的发生有那些条件？它的动力来源为何？然后以几个世界著名的大地震为例，特别针对它们发生的地质构造背景加以解释，从大地应力分布及板块运动分析来看它们个别不同的发震型态。最后从现代地震学及地体构造学的发展趋势出发，勾勒出未来可能的地震研究课题及方向。 

地震的成因与条件 

地震是一种自然现象，有其生成的原因，当然也有一定的生成条件。其实要发生地震必须满足许多条件，而且缺一不可，其中最重要的几个控制因素为：物质的力学性质、温度与压力状态，以及适当的应力来源。在此，我先分别就生成地震的条件与过程加以说明。 

首先谈物质的力学性质，地球的物质当然以岩石为主，不同的岩石表现出不同的力学性质，总括说来，可分为「脆性」及「塑性」两种。脆性物质在受到应力时，最初是以弹性的方式变形，也就是说一旦应力消失，物体会恢復原来的形状。但是当受到的应力强度逐渐增加，最后超过物质本身的强度时，物体就会破裂，藉此释放累积的应力。塑性物质在受到应力时，则是以连续变形的方式来释放，并没有累积、破裂的过程。 

在古老的传说中，人类总是赋与地震一种神祕的色彩，其实地震现象就是地球的物质在受到应力状态下的一种脆性破裂行为。这个现在看来再简单不过的推论，却一直到大约一个世纪前才逐渐被人类了解。西元一九○六年旧金山大地震过后，地球科学家根据地震前后的地表变形，提出了划时代的「回弹学说」。当一个断层系统受到外加剪应力时，沿断层面的摩擦力会阻止断层面错动，因此所有的变形起初都以弹性的方式表现。一旦剪应力超过断层面的最大摩擦力，断层面就会发生瞬间错动，这就是地震。这个学说最大的贡献是从地质构造（断层）及大地应力的角度去解释地震现象，从而开啟了往后对地震的科学研究。 

接近地表的岩石大都表现脆性行为，而位於较深处的岩石则反而以塑性的方式释放大地应力，这其中的差别就引导我们到第二个控制地震生成的重要因子，那就是岩石所在位置的温度与压力条件。当物质受热或受压时，会改变分子的排列型态，就像冰加热后会变成水一样，这种改变进一步变更物质的力学行为，也直接决定了物质是否能承受剪应力，亦即地震是否能发生。 

地震要发生当然要先產生变形，而变形源自於应力的增加，因此，另一个非常重要的因素就是要有适当的应力来源。大自然中存在著各种应力来源，但是有什么力量大到足以震撼大地，引起地动天摇呢？答案就是「板块运动」。 

发生地震的主要动力来源：板块运动 

为什么有板块？我们知道，地球的表面温度平均在摄氏零度至三十度之间，地球的主要组成物质在这个温度范围内的力学性质是以脆性为主，因此形成所谓的「岩石圈」。另一方面，在较深处的温度增高，压力也增大，地球的主要组成物质则以塑性行为为主，形成所谓的「软流圈」。我们可以想像岩石圈就是一个鸡蛋的蛋壳，而软流圈就是其下的蛋清。若是这个鸡蛋的蛋壳有裂纹，那么每片蛋壳就是一个板块。 

但是为什么表面会有裂纹呢？这是因为地球内部的温度较高，外部温度较低，这种内外温度的差异促使地球内部的物质產生对流现象，也就是说，极高温度的地球内部物质由深处向地表涌出，而近地表较冷的物质也会沉降回地球内部，类似一壶煮沸的热水。至於这些物质涌出或沉降的地方就是裂纹所在，也就是所谓的「板块边界」。板块边界大致分为三种型态，基本上，地球内部的高温物质从「伸张型边界」涌出，通常称之为「中洋脊」。反之，「聚合型边界」则是地表较冷的物质重新返回地球深部的地方，最常见的例子为「隐没带」。若是板块相互之间没有伸张或聚合，而是一左一右的错动，这种边界称为「转型边界」。所谓的板块运动学说，简单而言，就是认为地球内部物质由中洋脊涌出，冷却后形成新的岩石，这些岩石被缓慢的带向隐没带，最后随著隐没板块又返回地球深部，像是一个超大形的输送带。这种由热而產生的运动便是造成地震的主要动力来源。 

地震的发生型态 

绝大部分的地震肇因於断层的错动，而断层的错动有三种最基本的型态，分别为正断层、逆断层、及走滑断层（又称平移断层）。 

正断层：正断层是由於地层受到水平伸张力而產生，断层的上盘（也就是断层面之上的物质）沿断层面向下滑动，因此岩层的总长度在地震后会变长。在板块的伸张型边界（如中洋脊）最容易发生正断层地震。 

逆断层：顾名思义，逆断层则是断层的上盘沿断层面向上滑动，这大都是因为岩层受到水平压缩力而產生。逆断层地震发生过后，岩层的总长度会变短，但岩层的位置会升高。在聚合型边界可以观察到许多逆断层地震。 

走滑断层（又称平移断层）：若是沿著断层走向產生错动，则称为走滑断层。这种错动方式是因为压缩力与伸张力均为水平方向，且相互垂直（例如压缩力为东西向而伸张力为南北向，那么断层面则可能为东北－西南向或西北－东南向）。当然在板块的转型边界最容易观察到走滑断层地震。 

虽然正断层、逆断层、及走滑断层分别会在伸张型、聚合型、及转型边界观察到，但并不表示它们只会发生在那些地方。举例来说，在隐没带附近是可以观察到各种不同型态的地震，经过地球科学家多年来的研究，我们现在逐渐了解，这是由於不同的地区受到不同的区域应力，再加上区域地质构造的变化所造成。这些都是我们在企图洞悉地震发生原因方面的具体进步。 

四个世界著名的大地震 

我们现在从地体构造学的角度来看几个世界著名大地震的发生原因，并进而说明它们的背景及动力来源。它们分别是一九○六年旧金山大地震、一九六四年阿拉斯加大地震、一九七六年唐山大地震、及一九九九年集集大地震。 

一九○六年旧金山大地震：规模 8.3 的旧金山大地震，发生於一九○六年四月十八日，因剧烈摇晃间接引发的大火延烧了三天，使得旧金山市几乎全毁。旧金山大地震在地震研究史上留下了辉煌的纪录！将地震现象解释为沿地质断层构造上之瞬间错动的「回弹学说」，就是根据这个地震的研究而提出的。 

造成这次大地震的元凶是绵延美国西部海岸的「圣安第列斯断层」（San Andreas Fault），这个断层系统是北美板块与太平洋板块的转型边界，也就是说，在这个断层的东面属於北美板块，而西面属於太平洋板块。圣安第列斯断层基本上是一个垂直断层，太平洋板块在此相对於北美板块向西北方平行於圣安第列斯断层运动，因此，在断层面上观察到的是右移的走滑错动。 

根据大地测量的结果，造成一九○六年旧金山大地震的断层破裂面达 430 公里长，沿断层面有 6 公尺的相对位移量。由於地处转型板块边界，因此，几乎没有任何垂直於断层线方向的错动，所有观察到的垂直相对位移量均小於 1 公尺。 

一九六四年阿拉斯加大地震：我们知道两个板块由於相互之间的挤压，会在聚合型边界形成隐没带，沿著隐没带，其中一个板块会隐没至另一个板块之下，而在隐没的过程中，隐没板块与上覆板块之间的交界面称为「板块界面」，根据统计，全球的地震活动约有七成是由於隐没板块与上覆板块在板块界面的挤压作用所造成。一九六四年阿拉斯加大地震就是这类地震的典型例子。 

这个地震发生於一九六四年三月二十七日，规模估计为 9.2。它破裂的板块界面长约 700 公里、宽约 180 公里，平均错动量高达 14 公尺，估计至少有二十万平方公里的地区受到这个地震的影响而產生变形。 

一九六四年阿拉斯加大地震是发生在阿留申隐没带的最东端，太平洋板块在此沿阿留申海沟向西北隐没至北美板块之下，但是为什么这个地震的规模会如此大呢？目前最广为接受的说法是，在板块界面上的剪应力（或是摩擦力）强度并不均匀，换言之，各个不同位置的板块界面能承受的摩擦力大小并不相同，而这个地区隐没带的板块界面有特别高的剪应力强度。因此，虽然隐没板块与上覆板块有相对位移，沿著板块界面却因为特别高的摩擦力而锁住，没有任何滑动，因而累积了特别大的相对位移量。等到累积的相对位移量超过板块界面上的剪应力强度，才引发瞬间错动而造成地震，如此所產生的地震自然也具有非常大的规模，不论破裂面、错动量、或是影响范围都相当惊人。 

一九七六年唐山大地震：唐山市位於中国华北、北京市东方 160 公里处，是一座工业城市。发生於一九七六年七月二十七日的唐山大地震，完全摧毁了这个城市，光是死亡人数至少高达六十五万五千人，全市的建筑物几乎无一倖免。这个地震造成的死伤人数是近代歷史上自然灾害中的最高纪录之一。 

一九七六年唐山大地震的规模为 7.8，震央就在唐山市，深度为 10 公里。唐山市在地理位置上，其实是远离任何板块边界，因此这个地震是个典型的「板块内部地震」。要了解为什么会发生这个地震，必须先了解整个中国华北的地体构造分布：中国华北是一个复杂的盆地构造，盆地的伸张方向大致为南北向，通常在这种伸张型的盆地构造中，大多数的地震是由正断层所引起，而且错动的伸张轴与盆地的伸张方向一致，但是地震学家后来发现唐山地震并不符合正断层的型态，而是一个走滑断层。这个相互牴触的观测结果一直困扰著地球科学家，直到一九八七年那别列克（John Nabelek ）、陈望平与叶洪提出新的解释。 

他们认为整个中国华北是一个大尺度的雁形走滑构造系统，而华北盆地是位於两个相邻的右移走滑主断层之间，在两个主断层上的相互错动造成了这个盆地的开张。也正因为华北盆地并不是一个单纯的伸张型盆地，而是由复杂的断层系统交互作用而逐渐形成，故在盆地内可观察到多样的断层型态。 

唐山大地震的一个重要科学意涵，就是证明了在板块边界所產生的应力可以向板块内部传递甚远，并足以在板块内部的断层构造累积相当程度的变形而產生大地震。 

一九九九年集集大地震：台湾位居菲律宾海板块与欧亚板块交界，在台湾之东为琉球隐没带，菲律宾海板块在此向北隐没於欧亚板块之下，在台湾之南为吕宋隐没带，欧亚板块（严格来说，应该是南中国海部分的欧亚板块）沿此向东隐没於菲律宾海板块之下。在这两个隐没带之间，菲律宾海板块以每年约 7 公分的速度朝西北方相对於欧亚板块运动，这个相对运动使得北吕宋岛弧朝欧亚板块的大陆边缘挤压，这就是一般所称的「弧陆碰撞」，也就是台湾造山的主要地体构造背景（至於台湾地体构造背景之详尽的说明，请参考本刊由邓属予教授所撰之「天摇地动──台湾版」一文）。 

在整个造山带的发育过程中，碰撞作用一直持续提供向西北挤压的动力来源，把原本强度较弱的大陆边缘物质向内推挤，促使变形的最前缘不断的向西迁徙，就像一个推土机向前推动鬆软的沙土，使得这些鬆软的沙土逐渐累高一样。实际上，地层被推挤后会產生一连串的逆冲断层，这些逆冲断层以几乎相同的角度向碰撞缝合带倾斜，排列在变形前缘的后方，而这些逆断层系统的综合结果，便是地层在水平方向的长度缩短及高度上的增加，也就是水平压缩及造山。 

在台湾中部、中央山脉西侧有三个南北向的大逆断层系统，最西边的是彰化断层，最东边的是双冬断层，而居中的是车笼埔断层。这三个逆断层系统都以低角度向东倾斜，深入地下至少数公里，但到目前为止，我们对它们的详细几何形状及分布仍不清楚。一九九九年的集集大地震发生於车笼埔断层系统，并引发了上万次的大小餘震。 

集集大地震序列提供地球科学家一次空前的机会，来研究地震与活断层之间的密切关係，相关的科学研究成果也陆续发表中。这次车笼埔断层的再次错动提醒我们一个铁的事实：台湾地区是一个非常活跃的造山带，而类似集集大地震这种规模的地震在未来仍有机会不断发生。因此，我们平日对防震教育及震灾防治等事前的準备工作绝不能有所鬆懈。 

地震能否预测 

既然大地震的发生不可避免，那么大家会问：为什么地震学家不能像预测颱风一样地事先预测地震的发生？这样不就可以大量降低因地震所造成的人员死伤及财產损失吗？这个问题其实很复杂，无法由三言两语解释清楚的。基本上，一个成功的地震预测应至少包含三个参数：何时？何地及多大的规模？自从板块运动学说在一九六○年代末期被广泛接受后，地震会在何地发生这个问题至少有个初步的答案。但是当我们把尺度放小，想要确切知道地震会在那个地点发生则有困难，这是因为地震发生在断层上，我们若是对一个地区断层系统的分布及特性知道得不够透彻，就不可能知道未来地震究竟会在那裡发生。因此，活断层的调查及断层错动歷史的分析，成为近年来日渐受到重视的课题。换言之，我们唯有致力於了解区域地体构造，才能回答下次大地震会在那裡发生这个问题。 

至於发生的地震规模会多大？这个问题目前只能有部分答案。当我们知道一个断层系统的几何分布范围，再透过板块运动学说，即可推测这个系统的长期变形速率，那么再经过地震学的理论计算，我们可以粗略估计出在这个断层系统上发生地震的规模。但是，因为我们并不知道下个地震会不会使整个断层面破裂，因此，目前我们只能估出发生於这个断层系统上地震的最大规模。实际的规模因为也受许多其它因素的控制，目前无法精确估计。 

最后是地震的发生时间？这又是一个尺度的问题，若是我们以板块运动的角度来看，地震的发生只是迟早的事。换言之，在一个活跃的地震带（如板块边界），大地震在相当时间内（如未来的五十年）一定会发生。但是，如果我们想要知道大地震会不会在明天，或是一星期内的某个断层系统发生？以目前对地震的了解是难以回答的。因为地震现象虽然是板块运动的结果，但是二者的时间尺度相差太大，大地震的发生以秒为计算单位，错动量在公尺这个数量级，但板块运动的速率每年只有几公分，因此，我们必须先详细了解这两种自然现象之间的交互作用，才能了解缓慢的板块运动变形如何累积，最后成为地震的错动。另外，我们对地震现象本身所代表的是那些物理或化学作用的了解有限，当然也限制了模拟地震现象的能力。这些工作都将是地球科学家未来致力的研究方向。 

在古代，人们对地震的印象总是停留在惊惧、徬徨无助、及否定的态度。随著地球科学研究的逐渐发展，我们现在知道地震的发生是一种自然现象，它们反应出地球内部变形的一小部分。我们赖以生存的地球由於内热外冷，因此在内部產生大规模的热对流作用，这个热对流作用造成新岩石圈，在中洋脊生成及老岩石圈在隐没带消失，也就是我们在地表所观察到的板块运动。 

换个方式来看，地球就像一具引擎，以对流方式不断地将它内部的热能转换成推动板块运动所需的动能。因此，只要地球内部仍属高温状态，热对流就会存在，而板块运动也会持续，当然大地震的发生也没有终止的一天。
 
 相关附件：《科学发展》2002年2月，350期，4 ~ 11页