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EARTH EXPLAINED · 课程指南

世界大赛地震

洛马普列塔,1989年:为什么最严重的破坏发生在距断层60英里的地方

视频 9:00级别 6–12年级 · 大学地质学入门课程标准 MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1, HS-ETS1-3
语言 中文

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为什么一场震中位于圣克鲁斯附近山区的地震,最致命的破坏却发生在约60英里外的旧金山和奥克兰?

1989年10月17日下午5:04,就在世界大赛第3场比赛开始前几分钟,一场6.9级地震使圣安德烈亚斯断层系统中埋藏在圣克鲁斯山脉下方的一段发生破裂。本课借这次地震说明:相互滑动的板块边界如何积蓄应变并突然释放(即源于1906年地震的弹性回跳理论);1988年的一份预测如何特别指出了后来破裂的那一段;以及为什么最严重的破坏发生在远离断层的地方——那里松软的淤泥和人工填土放大了震动,并使松散的地面几乎变成液体。课程最后介绍该地区此后做出的改变,从高速公路抗震加固到手机上的地震警报,以及USGS的估计:2014年至2043年间,旧金山湾区发生至少一次6.7级或以上地震的概率为72%。

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另有 16 种语言的字幕

学习目标 学完本课后,学生能够:

  1. 把圣安德烈亚斯断层系统描述为太平洋板块擦过北美洲板块向西北滑动的边界,并说出湾区的主要断层。
  2. 以1906年地震后测得的地面错动为证据,解释弹性回跳理论。
  3. 区分地震预测(forecast,某一时间段内的概率)与地震预报(prediction,具体的日期、地点和震级),并正确解读1988年和2014年的湾区预测。
  4. 解释松软土壤和人工填土如何放大地震波、液化如何破坏建筑物,并用这些概念解释为什么破坏集中在玛丽娜区和海湾沿岸。
  5. 描述赛普拉斯街高架桥和海湾大桥的损毁情况,并评价随后的工程应对措施:对旧结构进行抗震加固,以及替换海湾大桥的东段。
  6. 解释地震预警如何运作,为什么它能让一些地方提前几十秒收到警报,以及为什么离断层最近的地方可能完全收不到预警。
  7. 评估海沃德断层目前的危险,并解释在一个30年内发生大地震概率为72%的地区,为什么练习“趴下、掩护、抓牢”(Drop, Cover and Hold On)是合理的。

观看之前

关键词汇 ★ 供高年级学生使用的拓展术语

断层
地壳中的断裂面,两侧的岩石沿着它相对移动。断层上的运动可以缓慢而稳定,也可以在地震中突然发生。
构造板块
地球外壳中巨大而坚硬的块体之一。在加利福尼亚,太平洋板块以每年约2英寸(5厘米)的速度擦过北美洲板块向西北移动。
圣安德烈亚斯断层系统
在加利福尼亚承担太平洋板块与北美洲板块之间大部分相对运动的一组断层。在旧金山湾周围,它包括圣安德烈亚斯断层、海沃德断层和卡拉维拉斯断层。
转换边界★
两个板块彼此侧向滑过的板块边界,板块在这里既不产生也不消亡。圣安德烈亚斯断层系统是陆地上最著名的例子。
弹性回跳
H. F. 里德于1910年提出的地震成因解释:随着板块移动,被锁住的断层两侧的岩石缓慢弯曲并积蓄应变,直到断层滑动、岩石突然弹回。它至今仍是地震周期的基本模型。
震级
衡量地震大小的量度。矩震级每增加一个整级,释放的能量约增加到原来的32倍。
震源与震中★
震源(又称焦点)是地下破裂开始的位置;震中是震源正上方的地表位置。洛马普列塔地震的震源深约11英里(17公里)。
地震预测
对某一地区在一定时间内发生某种规模地震的概率所作的表述,例如“30年内30%”。它不是对日期的预报。
人工填土
人们把沙、土和碎屑倾倒或抽填到水中或低洼地而造出的土地。旧金山湾的大部分岸线,包括玛丽娜区,都建在填土上。
液化
松散、饱水的沙在震动中失去强度,表现得像液体一样。建在上面的建筑物会下沉或倾斜,沙和水向上喷涌,形成喷砂冒水。
场地放大效应
地震波从坚硬岩石进入松软土层时震动增强的现象:波速减慢,振幅增大。1989年,海湾周围松软地面的震动比附近岩石强两到四倍。
断层蠕滑
断层在没有地震的情况下缓慢而稳定地滑动。海沃德断层的部分区段每年蠕滑几毫米,使横跨断层的路缘石和墙体弯曲。
地震预警
一种系统:传感器在地震附近探测到最先到达、速度更快的地震波,并发出警报,警报可在最强烈的震动到来前几秒钟送达。加利福尼亚的系统建立在USGS的ShakeAlert网络之上。
P波与S波★
在地球内部传播的两种地震波。P波(初波)速度更快,通常较弱;S波(次波)到达较晚,造成的破坏大得多。
无钢筋砌体★
没有钢筋加固的老式砖石建筑。这类建筑,例如圣克鲁斯太平洋花园商业街上的建筑,在强烈震动中最容易倒塌。
抗震加固
加固既有结构使其能够承受地震,例如用钢套包裹混凝土柱、把桥跨连接在一起。

章节目录 选择一个时间点,从那里开始播放

0:00下午5:04

1989年10月17日:超过60,000名球迷聚集在烛台公园,观看旧金山巨人队与奥克兰运动家队之间的世界大赛第3场比赛;下午5:04,球场开始晃动,现场直播中断,只剩下雪花噪点。

0:39近在身边的断层

加利福尼亚位于太平洋板块以每年约2英寸(5厘米)的速度擦过北美洲板块向西北滑动的边界上,这种运动主要发生在圣安德烈亚斯断层系统沿线;该系统在海湾周围分成圣安德烈亚斯断层、海沃德断层和卡拉维拉斯断层。这些断层在其大部分区段上会锁住几十年甚至几个世纪,然后一下子释放积蓄的应变。

1:201906年

1906年4月18日的7.9级地震使圣安德烈亚斯断层破裂了约296英里(477公里);随后发生大火,约28,000栋建筑被毁,超过3,000人死亡。最大约21英尺(6.4米)的错动使H. F. 里德提出了弹性回跳理论,而后来成为玛丽娜区的那片填筑岸线,则为1989年的灾难埋下了伏笔。

2:38预测

1988年,Working Group on California Earthquake Probabilities(加利福尼亚地震概率工作组)估计,圣安德烈亚斯断层的圣克鲁斯山脉南段在30年内发生6.5至7级地震的概率为30%。而地震就在第二年到来了。

3:08十五秒

一次6.9级的破裂始于圣克鲁斯山脉地下约11英里(17公里)处、洛马普列塔峰附近;最强烈的震动持续了约15秒,破裂始终没有到达地表。圣克鲁斯的老砖楼倒塌,玛丽娜区的填土发生液化,海湾大桥上层桥面的一部分坠落,而奥克兰的双层赛普拉斯街高架桥倒塌,造成了大部分死亡。

5:19余波

伤亡与损失:63人死亡,3,757人受伤,超过18,000所住宅受损,约12,000人无家可归,损失约6,000,000,000美元。球场经受住了考验,世界大赛在十天后恢复。

5:45改变了什么

旧金山于1991年拆除了受损的内河码头高速公路,重新开放了滨水区;海湾大桥东段被一座按抵御大地震标准设计的新桥取代(2013年通车);加利福尼亚各地的旧桥梁和高速公路都进行了抗震加固;在地震30周年的2019年,该州开始向手机发送地震预警。

6:44下一次地震

海沃德断层正好从东湾各城市的下方穿过,每年蠕滑几毫米,上一次破裂是1868年的一场6.8级地震。USGS估计,2014年至2043年间湾区发生至少一次6.7级或以上地震的概率为72%,这就是为什么每年10月都有数百万人练习“趴下、掩护、抓牢”(Drop, Cover and Hold On)。本集最后总结了需要记住的三件事。

常见误解 供教师参考

误解离地震震中越近,破坏就一定越严重。

证据表明距离固然重要,但地面条件同样重要。1989年,最致命的破坏发生在距断层约60英里的奥克兰和旧金山,那里是松软的海湾淤泥和人工填土,它们放大了震动,有些地方还发生了液化。震中附近建在坚实地面上、经过工程设计的建筑总体表现良好。

误解科学家预报了洛马普列塔地震。

证据表明他们作出的是预测(forecast),这是两回事。1988年的Working Group估计,圣克鲁斯山脉南段在30年内发生6.5至7级地震的概率为30%:这是一个概率,而不是一个日期。目前还没有人能预报地震发生的具体日子;而且1989年的破裂本身就不寻常:它发生在一个向山脉下方陡倾的断层面上,向上逆冲的滑动(逆断层滑动)几乎与水平滑动一样多。

误解像海沃德断层这样蠕滑的断层是安全的,因为它会温和地释放应变。

证据表明海沃德断层的蠕滑主要局限在最上面的几英里。在约3英里(5公里)以下,断层是锁住的,正在积蓄应变,它曾在1868年产生一次6.8级地震。USGS估计,2014年至2043年间,海沃德–罗杰斯溪断层系统发生6.7级或以上地震的概率为33%。

误解地震预警能在地震开始之前预报地震。

证据表明预警探测的是已经开始的地震。震源附近的传感器捕捉到速度更快的P波,电子警报便能抢在速度较慢、具有破坏性的地震波之前到达。远离震源的地方可以提前许多秒收到预警;离震源最近的地方可能根本收不到。

误解7.9级地震只比6.9级地震大一点点。

证据表明震级每增加一个整级,能量约增加到原来的32倍,因此1906年地震释放的能量大约是洛马普列塔地震的32倍,而且它破裂的断层长度约为后者的十倍。

讨论问题

  1. 震中位于圣克鲁斯山脉,但许多最具破坏性的损毁却发生在约60英里之外。请根据本集内容解释原因。这对于一座城市应如何决定优先加固哪些建筑有什么启示?
  2. 1988年的预测认为,圣克鲁斯山脉段在30年内发生大地震的概率为30%,而地震在第二年就发生了。这次预测算成功吗?如果到2018年都没有发生地震,又意味着什么?
  3. 玛丽娜区发生地基失效的土地,大部分是人们填平一处小海湾造出来的。谁应该负责了解房屋所在地面的情况,并告知购房者?你所在的地区有没有建在填土上的地方?
  4. 1989年后,旧金山选择拆除内河码头高速公路而不是修复它,而海湾大桥东段则耗资数十亿美元进行了替换。比较这两项决定:你认为在每项决定中,哪些标准(成本、安全、交通、城市的面貌与生活)最为重要?
  5. 赛普拉斯街高架桥上的交通比平时清淡,因为许多人提早回家观看世界大赛。这说明地震发生的时间会如何影响伤亡?如果地震发生在工作日上午8点或星期日凌晨3点,伤亡可能会有什么不同?
  6. 地震预警可能让你在强烈震动到来前完全没有时间,也可能有大约20秒的时间。列一份清单:你自己、你的学校、列车驾驶员和一家医院,在有五秒钟和有二十秒钟时,分别可以做些什么有用的事?

测验 选择一个答案,系统会自动判断

1.哪一项描述最符合旧金山湾区下方的板块边界?

2.H. F. 里德根据1906年地震后测得的地面错动得出了什么结论?

3.1989年遭受严重破坏的那部分玛丽娜区,地下是什么?

4.1988年,Working Group on California Earthquake Probabilities对圣安德烈亚斯断层的圣克鲁斯山脉南段作出了什么判断?

5.1989年地震期间,玛丽娜区的建筑物为什么会下沉和倾斜?

6.为什么距震中约60英里的旧金山和奥克兰部分地区,比更近的岩石场地震得更厉害?

7.哪一组数字与USGS对洛马普列塔地震的总结相符?

8.地震预警系统怎样才能在强烈震动到达之前提醒人们?

9.为什么许多科学家认为海沃德断层是湾区最危险的断层?

10.USGS对2014年至2043年的预测实际上说了什么?

书面作答

1. 用弹性回跳的概念解释:每年只移动约2英寸(5厘米)的板块,怎么能产生突然的地震?请在回答中使用1906年的证据。

好的答案应包括

板块在稳定地移动,但它们之间的断层被摩擦力锁住,因此两侧的岩石不是滑动而是弯曲,在几十年甚至几个世纪里积蓄应变。当应力超过断层的强度时,断层突然滑动,弯曲的岩石弹回。1906年,横跨圣安德烈亚斯断层的道路和围栏错开了最多约21英尺(6.4米),这相当于一个多世纪的板块运动在不到一分钟内释放出来。里德利用这些测量数据,在1910年提出了这一理论。

2. 玛丽娜区距震中约60英里,但区内有七栋建筑倒塌,至少三人死亡。请结合这片土地的历史和地面对震动的响应原理解释原因。

好的答案应包括

玛丽娜区受损的部分建在一处被填平的小海湾上:为1915年Panama-Pacific International Exposition(巴拿马–太平洋万国博览会)抽填进来的松散沙子,加上可能含有部分1906年瓦砾的更早填土。在松软、饱水的沉积物中,地震波减速并变大,因此这里的震动被放大,远远超过附近梅森堡岩石上的震动。随后,震动使松散的沙子液化:它失去强度,建筑物下沉和倾斜,喷砂冒水涌出,侧向扩展扯断了燃气管和水管。一场大火随之发生,而由于供水总管已经损坏,一艘消防船不得不从海湾抽水。底层为薄弱、开敞车库的建筑尤其容易受损。

3. 一位朋友说:“科学家预报了洛马普列塔地震,现在他们又说下一场大地震会在2043年前到来。”请解释这句话的前后两半各错在哪里。

好的答案应包括

两句话说的都不是预报。1988年,科学家估计圣克鲁斯山脉南段在30年内发生6.5至7级地震的概率为30%;地震在第二年就发生了,但这并不是对日期的预测。USGS对2014年至2043年的预测是:在这30年里,湾区某处发生至少一次6.7级或以上地震的概率为72%。这意味着发生大地震的可能性大于不发生,但并不确定;它可能发生在该地区的任何一条断层上,也可能在任何一天到来,所以现在就做好准备很重要。

深入探究 大学及高中进阶

洛马普列塔地震有多大?

矩震级由地震矩M₀ = μ·A·D定义:岩石的刚性(μ)乘以发生滑动的断层面积(A),再乘以平均滑动量(D)。Hanks和Kanamori(1979)规定Mw = (2/3)(log₁₀M₀ − 9.1),其中M₀以牛顿·米为单位,因此M₀ = 101.5 Mw + 9.1。震级每增加一个整级,辐射能量约增加到原来的101.5 ≈ 32倍。USGS Circular 1045报告称,1989年的破裂涉及约190平方英里(约490 km²)地下断层面上的滑动,大地测量显示约有6英尺的右旋走滑和4英尺的逆冲滑动。

问题(a) 1906年地震(M7.9)释放的能量是洛马普列塔地震(M6.9)的多少倍?洛马普列塔地震与1868年海沃德断层地震(M6.8)相比如何?(b) 计算一次Mw 6.9地震的地震矩。(c) 取μ = 3.0 × 1010 Pa,估算平均滑动量,并与大地测量的估计值进行比较。

详细解答

(a) 101.5 × 1.0 ≈ 32倍。洛马普列塔地震释放的能量是1868年地震的101.5 × 0.1 ≈ 1.4倍,因此两者规模相近,但海沃德断层正好从东湾各城市的下方穿过。(b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m。(c) A ≈ 4.9 × 108 m²,因此D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1.9 m,约6英尺。大地测量得到的滑动矢量为√(6² + 4²) ≈ 7.2英尺(2.2米):两者相差约15%以内,考虑到μ和破裂面积的不确定性,这样的吻合程度已经很好。

湾区断层的应变收支

在整个旧金山湾区,两个板块每年相对移动约1.6英寸(4厘米)(USGS Fact Sheet 2016-3020)。USGS估计,错动约20英尺的1906年型地震大约每200年复发一次。在海沃德断层上,经过定年的河流沉积物给出的长期滑动速率约为每年8毫米(0.3英寸)(Lienkaemper和Borchardt,1996)。该断层在地表的蠕滑速率约为每年4至5毫米,但蠕滑主要局限在最上面3英里(5公里)以内;在此以下,断层是锁住的。历史测量资料显示,1868年地震的水平滑动量约为6英尺(2米)(USGS Fact Sheet 2008-3019)。

问题(a) 每200年滑动20英尺,意味着圣安德烈亚斯断层北段的平均滑动速率是多少?它占区域板块运动的多大比例?其余部分去了哪里?(b) 从1868年到2026年,海沃德断层被锁住的部分累积了多少滑动亏损?与1868年的滑动量相比如何?(c) 为什么地表蠕滑并不能消除海沃德断层的危险?

详细解答

(a) 20英尺 ÷ 200年 = 每年0.1英尺,约每年1.2英寸(3厘米),大约是整个地区每年1.6英寸的四分之三;其余部分由该系统中的海沃德断层、罗杰斯溪断层、卡拉维拉斯断层及其他断层承担。(b) 158年 × 每年8毫米 ≈ 1.3米,约4英尺:已经相当于1868年约2米滑动量的很大一部分,这与USGS的观点一致,即该断层随时可能产生6.8至7.0级地震。(c) 蠕滑只释放地表附近的应变,而且即使在地表,蠕滑速率也低于长期速率;断层更深处被锁住的部分会继续积蓄应变,直到发生破裂。

为什么松软地面会发生共振

厚度为H的松软沉积层覆盖在坚硬得多的岩石之上时,会困住剪切波并发生共振。它的基本(四分之一波长)周期为T = 4H/Vs,其中Vs是该层的剪切波速度。在玛丽娜区,一个钻孔显示基岩之上约有80米(260英尺)厚的沉积物,主要是Vs约为300 m/s的较老海湾淤泥(Boatwright等,见USGS Professional Paper 1551-F)。余震记录显示,相对于梅森堡的岩石小丘,玛丽娜区在1赫兹附近将震动放大了7至10倍。一个常用的经验法则是:建筑物自身的固有周期约为每层0.1秒。

问题(a) 计算玛丽娜区沉积柱的基本周期和频率,并与观测到的峰值进行比较。(b) 在这样的场地上,哪些高度的建筑最容易因共振而受到威胁?(c) 在主震期间,USGS的记录显示,松软场地的放大倍数只有约2至4倍,远小于小余震中的放大倍数。请说明可能的原因。

详细解答

(a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1.07 s,频率约为0.94 Hz,与观测到的1 Hz附近的放大峰值相符。(b) 按照经验法则,大约8至12层的建筑(固有周期接近1秒)会与地面发生共振;低矮的木结构房屋周期较短,而在玛丽娜区,使它们倒塌的是液化和薄弱的底层,而不仅仅是共振。(c) 松软土壤在强烈震动中表现出非线性:它们会变软并耗散更多能量,从而降低放大倍数,并使共振移向更长的周期。因此,弱震动下的放大系数会高估破坏性地震中的放大程度,尽管松软地面上的震动仍然比岩石上强得多。

72%的预测对每一年意味着什么

如果一个地区的大地震在时间上随机发生,平均速率为每年λ次(泊松过程),那么t年内至少发生一次的概率为P = 1 − exp(−λt)。USGS的预测(UCERF3,Fact Sheet 2016-3020)给出了湾区2014年至2043年的概率:至少一次6.0级或以上地震为98%,6.7级或以上为72%,7.0级或以上为51%;就单条断层而言,海沃德断层或罗杰斯溪断层为33%,圣安德烈亚斯断层为22%,均指6.7级或以上地震。真实的预测还考虑了每条断层自上次地震以来经过的时间,因此泊松模型只是一种近似。

问题(a) 把72%换算成等效的年发生率、平均间隔和单一年份的概率。为什么“72% ÷ 30 = 每年2.4%”是错误的?(b) 对1988年的预测(30年内30%)做同样的计算。地震恰好在第二年发生的概率是多少?(c) 如果海沃德–罗杰斯溪断层和圣安德烈亚斯断层相互独立,那么两者中至少一条发生6.7级地震的概率是多少?72%中的其余部分来自哪里?

详细解答

(a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 每年0.042次,平均间隔约24年,单一年份的概率为1 − exp(−0.042) ≈ 4.1%。除以30的做法假定概率可以相加,但“至少一次”的概率是复合累积的:每年2.4%的概率在30年里只会得到1 − 0.976^30 ≈ 52%,而不是72%。(b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 每年0.012次,因此任何一年的概率约为1.2%:这次预测正确地识别出了那一段断层,但1989年这个时间点并不在预测之中。(c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48,即48%。其余部分来自卡拉维拉斯断层和其他主要断层,以及鲜为人知和尚未发现的断层(仅这些断层就占13%)。

能提前多少时间预警?

地震预警是让电子警报与地震波赛跑。取上地壳的典型速度:P波为6.0 km/s,S波为3.5 km/s。洛马普列塔地震的破裂始于约17公里(11英里)深处,其震中距圣克鲁斯约9英里(14.5公里),距旧金山60英里(97公里)。假设系统在破裂开始8秒后发出警报,这留出了P波到达附近几个台站以及进行处理的时间;向手机推送警报可能还要花更多时间。

问题(a) 计算从震源到旧金山玛丽娜区的直线距离,以及P波和S波到达那里的时间。在S波到达之前,玛丽娜区能有多少预警时间?(b) 对圣克鲁斯重复上述计算。(c) 估算地表“盲区”的半径,在盲区内S波会先于警报到达。为什么实际的预警时间可能更短?

详细解答

(a) R = √(97² + 18²) ≈ 98.7 km。P波在98.7 ÷ 6.0 ≈ 16.4 s后到达,S波在98.7 ÷ 3.5 ≈ 28.2 s后到达,因此在第8秒发出的警报可以提供约20秒的预警时间。(b) R = √(14.5² + 18²) ≈ 23.1 km;S波约在6.6 s后到达,早于警报,因此圣克鲁斯将得不到任何预警。(c) 在8 s内,S波传播28 km;在地表,这相当于距震中√(28² − 18²) ≈ 21 km(约13英里)的范围。实际的预警时间可能更短,因为破裂沿断层向两个方向各扩展了约20 km,所以强烈的地震波也来自离许多城镇更近的断层部分,而且警报送达手机也需要时间。像这里这样较深的震源反而有帮助,因为它推迟了S波到达地表的时间。

课程标准对应

Next Generation Science Standards(NGSS,美国)

MS-ESS2-2

基于证据构建解释,说明地球科学过程如何在不同的时间和空间尺度上改变了地球表面。

本集内容:缓慢的板块运动以应变的形式积蓄,并在几秒钟内释放;1906年的错动;海沃德断层的蠕滑在几十年间使路缘石弯曲。

MS-ESS3-2

分析和解释自然灾害数据,以预测未来的灾难性事件,并为开发减轻其影响的技术提供依据。

本集内容:1988年和2014年的地震预测、高速公路抗震加固、海湾大桥新桥段以及地震预警。

HS-ESS2-1

建立模型,说明地球内部和地表过程如何在不同的空间和时间尺度上运作,形成大陆和洋底的地貌特征。

本集内容:转换板块边界和弹性回跳周期的模型;1989年的斜向滑动抬升了圣克鲁斯山脉的部分地区。

HS-ESS3-1

基于证据构建解释,说明自然资源的可获得性、自然灾害的发生以及气候变化如何影响人类活动。

本集内容:在填土和海湾淤泥上建造房屋,1906年和1989年的伤亡与损失,重新开放的内河码头滨水区,以及湾区如今的防灾准备。

HS-PS4-1

使用数学表示来支持关于在各种介质中传播的波的频率、波长和速度之间关系的论点。

本集内容:地震波在松软地面中减速并增大、玛丽娜区沉积物的共振,以及地震预警中的P波和S波速度。

HS-ETS1-3

根据按优先顺序排列的标准和权衡,评估针对复杂现实问题的解决方案;这些标准和权衡要考虑一系列约束条件,包括成本、安全性、可靠性和美观,以及可能的社会、文化和环境影响。

本集内容:加固、替换还是拆除:赛普拉斯街高架桥、海湾大桥东段和内河码头高速公路。

Advanced Placement(AP,美国)

大学课程

普通地质学

转换板块边界;圣安德烈亚斯断层系统;弹性回跳与地震周期;断层蠕滑;斜向滑动

自然灾害

地震预测与概率;场地效应与液化;1906年和1989年的教训;地震预警;防灾准备

工程地震学与岩土工程

地震矩与震级;松软土壤的场地放大与共振;水力冲填土的液化;桥梁和高架桥的抗震加固

文字稿 中文旁白,与字幕一致

0:00下午5:04

1989年10月17日,旧金山。超过60,000名球迷挤满了烛台公园球场,观看旧金山巨人队与奥克兰运动家队之间的世界大赛第三场比赛。

0:13五点零四分,电视直播刚刚开始。随后,球场开始晃动,正向数百万观众播出的直播画面变得支离破碎,随即中断。

0:25这是洛马普列塔地震的故事。我们将了解引发这次地震的断层、地震之前出现过的警示,以及整个地区如何依据它的教训进行重建。

0:39近在身边的断层

加利福尼亚位于两个构造板块的交界处。太平洋板块正以每年约2英寸的速度,擦着北美洲板块向西北方向移动。

0:49这种运动很大一部分发生在圣安德烈亚斯断层沿线,这条断层贯穿加利福尼亚,绵延超过700英里。在旧金山湾周围,它分裂成一组断层,包括圣安德烈亚斯断层、海沃德断层和卡拉维拉斯断层。

1:05这些断层的大部分区段并不会平稳地滑动。它们相互锁住,周围的岩石弯曲变形长达几十年甚至几个世纪,然后积蓄的应变一下子全部释放出来。

1:201906年

1906年4月18日,旧金山以惨痛的代价认识到了这一点:一场7.9级地震将圣安德烈亚斯断层撕开了近300英里。

1:32断裂的燃气管道和供水总管使这场震动演变成一场持续燃烧了数天的大火。约28,000栋建筑被摧毁,超过3,000人死亡。

1:44在城市以北,横跨断层的道路和围栏被撕裂,并发生了横向错动。在奥利马镇附近,断层一侧的地面相对另一侧移动了约21英尺。

1:56一位名叫哈里·菲尔丁·里德的科学家研究了这些测量数据,并弄清了地震发生的原因。被锁住的断层两侧的岩石会缓慢弯曲并积蓄能量,直到断层突然滑动,岩石弹回原来的形状。他把这称为弹性回跳,地质学家至今仍用它来解释地震。

2:17这座城市迅速完成了重建,并在1915年举办了一届世界博览会来庆祝。为了腾出博览会场地,北岸的一处小海湾被填平,填料是从海湾中抽取的沙子,还夹杂着一些瓦砾。这片新造出的土地后来成为一个名叫玛丽娜区的街区。

2:38预测

到了1980年代,科学家们已经在估算圣安德烈亚斯断层的哪些部分最有可能下一次破裂。他们标出的其中一段位于旧金山以南的圣克鲁斯山脉南部。

2:511988年,一个全国性的地震专家小组估计,这一段在30年内发生大地震的概率为30%。

3:01而地震就在第二年到来了。

3:08十五秒

五点零四分,断层在圣克鲁斯山脉地下约11英里处、洛马普列塔峰附近破裂。这次地震的震级为6.9级。

3:19最强烈的震动只持续了约15秒,而且破裂始终没有到达地表。然而,它的地震波传遍了整个地区,在一些地方,地面本身还使震动变得更加剧烈。

3:33在震中附近,圣克鲁斯太平洋花园商业街上的老砖楼坍塌到街上,有三人在那里遇难。

3:41在约60英里外的玛丽娜区,震动使房屋下方松散潮湿的地面几乎变成了液体。建筑物下沉,有些倒塌了。

3:53实际上,当年为庆祝城市复兴而造出的土地,在博览会举办74年后反而助推了建筑物的倒塌。燃气管道断裂,一场大火燃起,玛丽娜区至少有三人死亡,七栋建筑倒塌。

4:08玛丽娜区并不是唯一面临危险的地方。在整个海湾周围,建筑和道路都建在松软的淤泥和填土上;在松软的地层中,地震波会减速并增强,就像碗里晃动的果冻一样。这些地方的震动比附近坚硬岩石上的震动强两到四倍。

4:27在海湾大桥上,上层桥面有一段50英尺长的部分断开,砸落在下层桥面上。一人遇难,大桥关闭了大约一个月。

4:37最严重的灾难发生在奥克兰。赛普拉斯街高架桥是一条双层高速公路,它的上层桥面坍塌在下层桥面上,压在了傍晚通勤的车辆上。那里有四十一人遇难。

4:51那天傍晚的交通比平时清淡,因为许多人提早回家观看世界大赛;专家认为,正是这一点使死亡人数没有变得更加惨重。

5:02救援人员在废墟中搜寻了好几天。地震发生近四天后,他们在坍塌的桥面下发现一名男子仍活着待在自己的车里。他在救援中幸存下来,但大约一个月后去世,使那里的死亡人数上升到42人。

5:19余波

总计有63人死亡,超过3,700人受伤。超过18,000所住宅受损,约12,000人无家可归,损失约6,000,000,000美元。

5:33在烛台公园,球场经受住了考验,球迷们安全地走了出来。世界大赛在十天后恢复,运动家队随后以全胜横扫了这届世界大赛。

5:45改变了什么

这次地震也改变了旧金山的面貌。受损的内河码头高速公路是一道沿滨水区延伸的混凝土高墙,它在1991年被拆除,城市的滨水区重新面向海湾敞开。

5:58海湾大桥的东半段被完全替换。新桥段按照能够抵御大地震的标准建造,于2013年通车,耗资约6,400,000,000美元。

6:11在整个加利福尼亚,工程师们重新处理了那些在现代建筑规范出台之前建造的高速公路和桥梁,用钢材包裹旧的混凝土桥柱,并把各段桥跨连接在一起。

6:23科学家们还建立了一个名为ShakeAlert的地震预警系统,它能探测到最先到达、速度更快的地震波,并在强烈震动到来之前发出警报。2019年,在洛马普列塔地震三十周年之际,加利福尼亚开始向手机发送这些警报。

6:44下一次地震

板块仍未停止运动。许多科学家认为,海沃德断层是该地区最危险的断层。它正好从海湾东侧的城市下方穿过,上一次破裂是在1868年。

6:57你其实可以亲眼看到海沃德断层在移动。它的部分区段一直在持续缓慢蠕动,每年约五分之一英寸。在海沃德市中心,横跨断层的旧路缘石在几十年间一点一点地被横向扭弯。

7:12它的上一次大地震发生在1868年,几乎摧毁或严重损坏了海沃德的每一栋建筑,造成约30人死亡。在1906年之前,人们所说的“旧金山大地震”指的就是这次地震。

7:27美国地质调查局估计,2014年至2043年间,湾区发生至少一次6.7级或以上地震的概率为72%。

7:40正因如此,每年10月,在洛马普列塔地震周年纪念日前后,数百万人都会参加“Great ShakeOut”地震演练。演练有三个简单的步骤:双手双膝着地趴下;遮挡住头部和颈部,如果附近有结实的桌子,就躲到桌子下面;然后紧紧抓牢,直到震动停止。

7:59那么,有三件事需要记住。第一,洛马普列塔地震是发生在圣安德烈亚斯断层系统上的一次6.9级地震,其最强烈的震动只持续了约15秒。第二,许多最严重的破坏发生在远离断层的地方,例如玛丽娜区和赛普拉斯高速公路。在那些地方,松软的淤泥和填土使震动增强了两到四倍。第三,湾区的地震并没有结束:2014年至2043年间,那里再次发生6.7级或以上地震的概率为72%。

8:36洛马普列塔地震并不是那场“大地震”,但它是一次提醒。海湾下方的板块每年仍移动约1.6英寸,而断层正在积蓄这种应变。感谢收看Earth Explained。订阅以收看下一个故事,并在EarthWatch24-7上随时观看地球直播。

资料来源

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  2. Plafker, G., & Galloway, J. (Eds.) (1989). Lessons Learned from the Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989. U.S. Geological Survey Circular 1045. pubs.usgs.gov/publication/cir1045用于:震源深度、破裂规模与滑动量、地下破裂、放大效应、玛丽娜区、赛普拉斯高架桥与海湾大桥
  3. O'Rourke, T. D., et al. (1992). The Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989: Marina District. U.S. Geological Survey Professional Paper 1551-F. pubs.usgs.gov/publication/pp1551F用于:玛丽娜区填土的历史、液化、倒塌的建筑、场地共振与放大效应
  4. Borcherdt, R. D., & Glassmoyer, G. (1992). On the characteristics of local geology and their influence on ground motions generated by the Loma Prieta earthquake in the San Francisco Bay region, California. Bulletin of the Seismological Society of America, 82(2), 603–641. doi.org/10.1785/BSSA0820020603用于:填土和海湾淤泥上震动的放大
  5. Housner, G. W., & Thiel, C. C., Jr. (1990). Competing against time: Report of the Governor's Board of Inquiry on the 1989 Loma Prieta earthquake. Earthquake Spectra, 6(4), 681–711. doi.org/10.1193/1.1585592用于:松软土壤的放大效应、赛普拉斯街高架桥和海湾大桥的损毁
  6. Working Group on California Earthquake Probabilities (1988). Probabilities of Large Earthquakes Occurring in California on the San Andreas Fault. U.S. Geological Survey Open-File Report 88-398. pubs.usgs.gov/publication/ofr88398用于:1988年的预测
  7. U.S. Geological Survey. The Great 1906 San Francisco Earthquake. Earthquake Hazards Program. earthquake.usgs.gov/earthquakes/events/1906calif/18april用于:1906年的破裂长度、伤亡人数和被毁建筑数量、里德的弹性回跳理论、复发周期
  8. Brocher, T. M., et al. (2008). The Hayward Fault: Is It Due for a Repeat of the Powerful 1868 Earthquake? U.S. Geological Survey Fact Sheet 2008-3019. pubs.usgs.gov/fs/2008/3019用于:1868年地震、海沃德断层的蠕滑、复发周期
  9. Lienkaemper, J. J., & Borchardt, G. (1996). Holocene slip rate of the Hayward fault at Union City, California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 101(B3), 6099–6108. doi.org/10.1029/95JB01378用于:海沃德断层的长期滑动速率
  10. Aagaard, B. T., et al. (2016). Earthquake Outlook for the San Francisco Bay Region 2014–2043. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2016-3020 (ver. 1.1). pubs.usgs.gov/publication/fs20163020用于:72%的预测、单条断层的概率、区域板块运动、“趴下、掩护、抓牢”(Drop, Cover and Hold On)
  11. Burkett, E., Given, D. D., & Jones, L. M. (2014). ShakeAlert: An Earthquake Early Warning System for the United States West Coast. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2014-3083. pubs.usgs.gov/publication/fs20143083用于:地震预警如何运作
  12. Berkeley News (2019, October 17). California rolls out first statewide earthquake early warning system. University of California, Berkeley. news.berkeley.edu/2019/10/17/california-rolls-out-first-statewide-earthquake-early-warning-system用于:在洛马普列塔地震30周年之际推出的手机警报(MyShake)
  13. Metropolitan Transportation Commission. San Francisco–Oakland Bay Bridge. www.baybridgeinfo.org用于:新的东段桥:通车时间与造价
  14. Hanks, T. C., & Kanamori, H. (1979). A moment magnitude scale. Journal of Geophysical Research, 84(B5), 2348–2350. doi.org/10.1029/JB084iB05p02348用于:矩震级与地震矩

本集图像:USGS、NOAA 和 NASA(公有领域),地图来自 NASA/USGS Landsat,经由 NASA GIBS 获取;动画由 EarthWatch 24-7 制作。完整版权信息: earthwatch247.com/credits.html.

引用本课

EarthWatch 24-7. (2026). 世界大赛地震: 洛马普列塔,1989年:为什么最严重的破坏发生在距断层60英里的地方 [视频课程]. Earth Explained: 地震 · 案例研究. https://earthwatch247.com/learn/loma-1989/zh/

答案

  1. C. 这是转换边界:两个板块以每年约2英寸(5厘米)的速度彼此侧向滑过,这种运动由圣安德烈亚斯断层、海沃德断层、卡拉维拉斯断层及相关断层共同分担。
  2. A. 这就是弹性回跳理论(1910年)。它的关键见解是:断层上的滑动引发地震,而不是反过来。
  3. D. USGS的研究追溯了这处小海湾的填筑过程,最后一步是为1915年Panama-Pacific International Exposition(巴拿马–太平洋万国博览会)铺设的水力冲填沙。松散潮湿的填沙正是最容易液化的那种地面。
  4. B. 这次预测给出的是概率,而不是对日期的预报。72%这一数字是USGS对整个湾区2014年至2043年的预测。
  5. A. 这就是液化。在距震中约60英里的整个街区,都出现了喷砂冒水和侧向扩展造成的裂缝;而破裂本身始终没有到达地表。
  6. C. 场地放大效应:Governor's Board of Inquiry(州长调查委员会)发现,海湾周围的松软地面对震动的放大程度超出了建筑规范的预期。
  7. B. 63人死亡,3,757人受伤,财产损失约6,000,000,000美元。第一个选项描述的是1906年的地震和大火。
  8. D. 警报几乎是瞬间传播的,而地震波每秒只传播几英里。地震必须已经开始。
  9. C. 它1868年的地震(6.8级)在该地区人口稀少时造成约30人死亡;如今有数百万人生活在断层沿线。
  10. A. 72%涵盖整个地区及其所有断层,为期30年。单条断层的数字较低:海沃德断层或罗杰斯溪断层为33%,圣安德烈亚斯断层为22%。

书面作答

  1. 板块在稳定地移动,但它们之间的断层被摩擦力锁住,因此两侧的岩石不是滑动而是弯曲,在几十年甚至几个世纪里积蓄应变。当应力超过断层的强度时,断层突然滑动,弯曲的岩石弹回。1906年,横跨圣安德烈亚斯断层的道路和围栏错开了最多约21英尺(6.4米),这相当于一个多世纪的板块运动在不到一分钟内释放出来。里德利用这些测量数据,在1910年提出了这一理论。
  2. 玛丽娜区受损的部分建在一处被填平的小海湾上:为1915年Panama-Pacific International Exposition(巴拿马–太平洋万国博览会)抽填进来的松散沙子,加上可能含有部分1906年瓦砾的更早填土。在松软、饱水的沉积物中,地震波减速并变大,因此这里的震动被放大,远远超过附近梅森堡岩石上的震动。随后,震动使松散的沙子液化:它失去强度,建筑物下沉和倾斜,喷砂冒水涌出,侧向扩展扯断了燃气管和水管。一场大火随之发生,而由于供水总管已经损坏,一艘消防船不得不从海湾抽水。底层为薄弱、开敞车库的建筑尤其容易受损。
  3. 两句话说的都不是预报。1988年,科学家估计圣克鲁斯山脉南段在30年内发生6.5至7级地震的概率为30%;地震在第二年就发生了,但这并不是对日期的预测。USGS对2014年至2043年的预测是:在这30年里,湾区某处发生至少一次6.7级或以上地震的概率为72%。这意味着发生大地震的可能性大于不发生,但并不确定;它可能发生在该地区的任何一条断层上,也可能在任何一天到来,所以现在就做好准备很重要。

深入探究

  1. 洛马普列塔地震有多大?: (a) 101.5 × 1.0 ≈ 32倍。洛马普列塔地震释放的能量是1868年地震的101.5 × 0.1 ≈ 1.4倍,因此两者规模相近,但海沃德断层正好从东湾各城市的下方穿过。(b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m。(c) A ≈ 4.9 × 108 m²,因此D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1.9 m,约6英尺。大地测量得到的滑动矢量为√(6² + 4²) ≈ 7.2英尺(2.2米):两者相差约15%以内,考虑到μ和破裂面积的不确定性,这样的吻合程度已经很好。
  2. 湾区断层的应变收支: (a) 20英尺 ÷ 200年 = 每年0.1英尺,约每年1.2英寸(3厘米),大约是整个地区每年1.6英寸的四分之三;其余部分由该系统中的海沃德断层、罗杰斯溪断层、卡拉维拉斯断层及其他断层承担。(b) 158年 × 每年8毫米 ≈ 1.3米,约4英尺:已经相当于1868年约2米滑动量的很大一部分,这与USGS的观点一致,即该断层随时可能产生6.8至7.0级地震。(c) 蠕滑只释放地表附近的应变,而且即使在地表,蠕滑速率也低于长期速率;断层更深处被锁住的部分会继续积蓄应变,直到发生破裂。
  3. 为什么松软地面会发生共振: (a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1.07 s,频率约为0.94 Hz,与观测到的1 Hz附近的放大峰值相符。(b) 按照经验法则,大约8至12层的建筑(固有周期接近1秒)会与地面发生共振;低矮的木结构房屋周期较短,而在玛丽娜区,使它们倒塌的是液化和薄弱的底层,而不仅仅是共振。(c) 松软土壤在强烈震动中表现出非线性:它们会变软并耗散更多能量,从而降低放大倍数,并使共振移向更长的周期。因此,弱震动下的放大系数会高估破坏性地震中的放大程度,尽管松软地面上的震动仍然比岩石上强得多。
  4. 72%的预测对每一年意味着什么: (a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 每年0.042次,平均间隔约24年,单一年份的概率为1 − exp(−0.042) ≈ 4.1%。除以30的做法假定概率可以相加,但“至少一次”的概率是复合累积的:每年2.4%的概率在30年里只会得到1 − 0.976^30 ≈ 52%,而不是72%。(b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 每年0.012次,因此任何一年的概率约为1.2%:这次预测正确地识别出了那一段断层,但1989年这个时间点并不在预测之中。(c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48,即48%。其余部分来自卡拉维拉斯断层和其他主要断层,以及鲜为人知和尚未发现的断层(仅这些断层就占13%)。
  5. 能提前多少时间预警?: (a) R = √(97² + 18²) ≈ 98.7 km。P波在98.7 ÷ 6.0 ≈ 16.4 s后到达,S波在98.7 ÷ 3.5 ≈ 28.2 s后到达,因此在第8秒发出的警报可以提供约20秒的预警时间。(b) R = √(14.5² + 18²) ≈ 23.1 km;S波约在6.6 s后到达,早于警报,因此圣克鲁斯将得不到任何预警。(c) 在8 s内,S波传播28 km;在地表,这相当于距震中√(28² − 18²) ≈ 21 km(约13英里)的范围。实际的预警时间可能更短,因为破裂沿断层向两个方向各扩展了约20 km,所以强烈的地震波也来自离许多城镇更近的断层部分,而且警报送达手机也需要时间。像这里这样较深的震源反而有帮助,因为它推迟了S波到达地表的时间。