北京時間2008年5月12日下午2點28分2秒，汶川大地震爆發(fā)。在隨后的100秒內(nèi)，西起康定，東至略陽，形成了一條長約500公里的 破裂帶，釋放出約6.3*10e16焦耳的能量。這相當于在破裂帶上，將1000多顆投擲在廣島的原子彈，在100秒內(nèi)陸續(xù)引爆！生命的脆弱和無助震撼人 心。
汶川特大地震，在震后100秒內(nèi)，究竟發(fā)生了怎樣的物理過程，這些過程對震區(qū)又有怎樣的影響？
下邊的視頻演示了汶川主震的地下巖體破裂過程。紅色直線表明破裂面在地表的出露位置，整個假定的斷層與地表大約成40度埋于地下，長620公里，寬60公里，顏色對應于錯動的距離。
一般情況下，面波震級Ms=6級地震，震源破裂持續(xù)5~10秒。而對于這次汶川地震，面波震級Ms=8.0，震源破裂過程持續(xù)了100秒左右，其中主要能量釋放集中在前70。在詳細考察這一復雜過程前，我們不妨先來看看這場災難前所埋下的伏筆。
1. 序幕
受印度板塊的推擠，年青的青藏高原向東隆起擴張，被古老堅實的四川盆地所阻擋。在青藏高原的東緣，四川盆地的西部，兩個板塊角力的結(jié)果導致青藏高原 逐漸將四川盆地壓在身下，形成北起廣元，南至天全，長約500公里，寬約30公里的龍門山構(gòu)造帶。龍門山構(gòu)造帶中有幾條主干的斷裂活動帶（圖1、圖2）， 它們是這次汶川地震的直接成因。
圖1：龍門山斷裂帶
圖2：龍門山斷裂帶，斷層以逆沖為主，右旋為輔。
關(guān)于斷層的形成，一般如此解釋：兩個板塊的相對運動會在一個面內(nèi)積聚起強大的應力，超過這個面附近的介質(zhì)強度時，開始沿這個面破裂，形成斷層。之后，斷層 面的兩個塊體繼續(xù)運動，由于斷層面上下盤之間存在強大的摩擦力，在這個面還會繼續(xù)積累新的應力，直到新的應力超過摩擦力之后，就會觸發(fā)沿斷層面的進一步破 裂。如此周而復始。
限于手頭資料，雖無法考證龍門山斷裂帶的形成時間，但考察這條斷層上的地震并不困難。根據(jù)歷史地震目錄，這條斷層上的上一次的應力釋放是在1657 年4月 21日，為一次震級為6.2級的中強震。三個半世紀以來，青藏高原每年以數(shù)厘米的速率繼續(xù)向東推擠，四川盆地仍然堅守不動，在兩大塊體交接的龍門山斷層 上，巖體間已積累了強大的應力，如同一個超級巨大的彈藥庫，只等一顆火星，它便轟然爆發(fā)。
2. 點燃導火索(0-15秒)(圖3)
圖3:汶川震源破裂過程0-15秒
北京時間2008年5月12日下午2點28分2秒，川西的孩子們也正專心學習，放飛夢想的時刻。在距都江堰市25公里，距汶川縣城58公里，距成都 市75 公里的映秀鎮(zhèn)附近（東經(jīng)103.27，北緯31.08N），地下10公里左右的巖體終于不堪幾百年來的扭曲而產(chǎn)生的重負，發(fā)生突然的斷裂和錯動，汶川特大 地震的導火索被點燃！
2s后，破裂激發(fā)的地震波開始到達地表，震中上方映秀鎮(zhèn)的人們開始感覺到突然的抬升，房屋開始搖晃，玻璃窗開始破裂。反應快的人們開始沖出房屋逃 生，但不 幸的是，能逃生的時間太短。在他們感受到晃動之后不到1s（震后3s），破裂沿著斷層沖出地面，大地開始劇烈搖晃，瘋狂地撕扯著地面所有的建筑。霎時間， 房屋坍塌，山體抖落，磚塊水泥和滾滾巨石將無數(shù)生靈掩埋。
然而，這僅僅是大災難的開始……
地下巖石的錯動在周圍巖體上積聚了強大的應力，導致了后續(xù)的破裂，并由此以3km/s左右的速度傳播開來。由于種種原因，震中西南的巖體破裂程度較輕，但在震中東北的巖體卻承受不住，一發(fā)不可阻擋地破裂開來。
震后15秒，隨著地震波的傳播，汶川縣城，茂縣縣城，都江堰甚至成都開始有感。而安縣，江油，北川等地，地震波還未抵達，當?shù)氐娜藗儯岳^續(xù)著往常一樣的平靜祥和的生活。但是破裂的死神，正張牙舞爪地向他們撲了過去。
3. 主要過程（15-45秒）（圖4）
圖4:汶川震源破裂過程15-45秒
破裂繼續(xù)延伸，到25s左右，北川等地有感，但此時破裂還未抵達，它們在震中東北遭遇阻擋，轉(zhuǎn)悠了一會，甚至返回過震中并企圖向西南發(fā)展，但沒能得 逞。經(jīng) 過一段時間內(nèi)的來回倒騰，到震后45s，形成了長約120公里的破裂區(qū)域(圖4)。把幾百年來當?shù)匕鍓K運動積累的大部分能量的在短短30s時間內(nèi)釋放在了 這個區(qū)域。在這個區(qū)域附近的汶川，茂縣，都江堰市，綿竹縣造成了慘重破壞。
根據(jù)龍門山附近斷裂的逆沖性質(zhì)，斷層錯動以上盤為主，下盤為輔。也就是斷層附近的地表運動，紅線以西的地區(qū)將強于紅線以東的地區(qū)。所以汶川、茂縣所 受的地 面運動將強于都江堰和綿竹縣。根據(jù)斷層錯動量判斷，最大錯動基本都位于斷裂出露地表的位置（紅線），因此，靠近地表出露的映秀鎮(zhèn)，受到嚴重毀壞也就不難理解了。
4. 北川!北川!（45-70秒）
圖5:汶川震源破裂過程45-70秒
噩夢遠未就此結(jié)束，北川在有感之后不到20s，破裂抵達，在北川縣城地下又進行了一次集中釋放，主要區(qū)域接近100公里。這次事件直接導致另一場人間慘劇在北川縣上演，兩個主要因素使得北川面臨比極震區(qū)更為強烈的破壞！！
首先是地震波的多普勒效應（圖6），使破裂一開始釋放的能量，集中沖擊位于破裂傳播方向上的北川縣。我們用小學數(shù)學粗糙估算一下：北川位于震中東北 150 公里處，最先到達的P波速度為6km/s，破裂速度為3km/s，發(fā)震后約150/6=25秒，地震波到達北川；發(fā)震后150/3=50秒，破裂前鋒到達 北川。也就是說，發(fā)震后50秒內(nèi)產(chǎn)生的地震波，被壓縮至50-25=25秒后，在北川釋放，能量密度為不考慮多普勒效應時的2倍！
圖6:破裂過程中的多普勒效應
其次,這次破裂的地表出露，幾乎就直接經(jīng)過了北川縣城；而破裂出露的區(qū)域，也正是錯動最為劇烈的區(qū)域。如果說汶川縣的地震相當于在地下10公里處引爆了原子彈，那么北川縣的地震，就相當于在北川人民的腳底板下，直接引爆了原子彈。
多普勒效應和位于破裂出露區(qū)，兩大因素加在一起，使得北川縣的破壞較極震區(qū)的汶川縣要更加嚴重！
在這一時間段內(nèi)，破裂還從起始點陸續(xù)地向西南方向，擴展到了康定一帶，不過釋放的能量相對較小。
5. 70-100秒
地震的破裂過程已成強弩之末，破裂艱難地向東北延伸至青川一帶，雖然破裂較微弱，但由于多普勒效應，地震波就在當?shù)卦斐闪似茐摹Ｖ?00s，汶川主震的破裂過程基本終止。 在隨后的幾個小時內(nèi)，地震波將貫穿全球。鄰近區(qū)域重慶，昆明，將依次感受到P波，S波和面波3次震動；較遠地區(qū)如北京、上海，高層建筑受面波的影響，也將發(fā)生明顯的低頻晃動；整個地球?qū)l(fā)生全球自由振蕩，就像用手輕拍了一下的籃球，整個球體都震動起來。
通過對震后100秒，巖體破裂過程的詳細考察，利用彈性理論，可大致估計出極震區(qū)地表的形變量。這些信息，都可為震后救災提供寶貴的參考意見。
防震減災、抗震救災，對于科技工作者來說，是一項特殊的責無旁貸的任務。如何將科學知識轉(zhuǎn)化為防災救災力量，則是一項社會的系統(tǒng)工程，需要多方面的積累和合作。汶川地震，總結(jié)經(jīng)驗的同時，更多地反思不足，才能真正地向前進步。
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