地震，在我們腳下實際上每天都在發(fā)生，只是由于震級太小我們無法感受得到。地震學可謂是一門古老的科學，從人類誕生之日起就在不斷和地震打交道，可是一直到今天人類都沒能真正摸清地震的脾氣。那么究竟何謂地震呢？從字面意思上講，地震就是指大地的震動。沒錯，一次地震發(fā)生后最直觀的感覺就是地面的持續(xù)運動，可是這些震動是如何產生的，又是如何傳播到地面上，是哪些因素造成了震動程度的強弱，有沒有什么方法可減弱地震動的程度？我們今天暫且放下這些問題，先從遠古說起，看看一看地震科學發(fā)展的前世今生。
作為一種自然現象，地震最大的特點就是其猝不及防的突發(fā)性以及巨大的破壞性，我國古人在很早就認識到了這一點，早在在2000多年前的《詩經·小雅·七月之交》中就有了關于地震的生動描述：“燁燁震電，不寧不令。百川沸騰，山冢崒崩。高岸為谷，深谷為陵。哀今之人，胡憯莫懲？！”，這首僅32字的小詩傳遞出了豐富的信息，首先是對震前現象震光的描述：燁燁震電，即耀眼的雷霆閃電，民間有諺語“地光閃，八成險”，7級以上大震前幾小時至幾天的極震區(qū)多有地光出現，呈現片狀或團狀的低空朦朧的閃光，除個別伴有燃氣外，均為低空大氣的放電。至于為何震前會有地光現象，現在普遍認為這源于石英受壓而引起的放電效應，當石英晶質體綿延幾公里時，震前上百巴(1bar=0.1Mpa)的應力變化足以造成百萬伏的觸發(fā)電壓，低空的放電發(fā)光便在情理之中。“不寧不令”是指大地不停震動，竟然一點預告都沒有，這體現了地震的突發(fā)性和持續(xù)性；“百川沸騰，山冢崒崩。高岸為谷，深谷為陵”描述了地震過程中產生的的各種地質現象：無數江河在沸騰，山峰碎裂崩塌，高聳的崖岸陷落為山谷，深邃的山谷隆升為丘陵。參照《中國地震烈度表》對地震烈度等級的劃分，這次地震的烈度應該達到了12度甚至更高，屬于一次強烈地震。詩的最后一句“哀今之人，胡憯莫懲”意思為：可憐今天的人，為何竟不知自?。。吭谖覈糯幸粋€重要的概念“天人合一”，古人會把自然界的現象同人類自身或者統治者的得失聯系起來，比如地震的發(fā)生，出現彗星或者日蝕，黃河改道等等，認為這是上天對人類的一種警示，因此詩的最后一句作者發(fā)出如此感慨也就不足為奇了。
在古希臘的神話中，海神普舍頓就是地震的神。南美流傳著支撐世界的巨人身子一動，引起地震的說法。古代日本認為，日本島下面住著大鯰魚，一旦鯰魚不高興了，只要將尾巴一掃，于是日本就要發(fā)生一次地震。古印度人認為，地球是由站在大海龜背上的幾頭大象背負的，大象動一動就引起了地震。除此之外，埃及和蒙古也有關于地下住著動物在作怪的傳說。而中國古代的主流觀點認為，地震是“陰陽失衡”所致，漢成帝時議郎杜欽對此有過詳細解釋，《漢書·杜欽傳》（卷60）記載，“臣聞日蝕、地震，陽微陰盛也。臣者，君之陰也；子者，父之陰也；妻者，夫之陰也。”，他認為地震發(fā)生與朝臣弄權、父子不倫，妻妾爭寵有關，因為他們代表“陰氣”。如果這些人犯上作亂，就會陰氣太重，壓住陽氣，造成天地間失去平衡，產生地震。如果以現代的觀點來看古代這些關于地震成因的論述，就會覺得古人們真是想象力豐富，但是在當時特定的社會條件下人們會自然而然得相信，當然，有些時候地震也會成為政治斗爭的一個手段，《明史·楊繼盛傳》（卷209），楊繼盛曾上書當時的嘉靖皇帝，即史上的明世宗朱厚熜，稱“今外賊惟俺答，內賊惟嚴嵩，未有內賊不去，而可除外賊者。去年春雷久不聲，占曰：大臣專政。冬日下有赤色，占曰：下有叛臣。又四方地震，日月交食。臣以為災皆嵩致，請以嵩十大罪為陛下陳之。”地震與嚴嵩當道并無干系，當時正直的朝臣想除掉嚴嵩，地震之說只是他們借機找的一個由頭。
中國古代關于地震最著名的科學研究就是東漢張衡發(fā)明的地動儀，相信幾乎每個中國人都知道它。公元138年3月1日，這臺地動儀西方的龍嘴張開了，銅球“鐺”的一聲落到蛤蟆嘴里，測知洛陽以西發(fā)生地震。但由于洛陽沒有感到震動，所以很多人議論紛紛，說這臺儀器不準。幾天以后，信使飛馬來報，距離洛陽以西一千多里的隴西(甘肅東南部)發(fā)生了大地震，這才使朝廷內外“皆服其妙”。張衡的地動儀是我國對地震學的重大貢獻，很遺憾，在這之后的1700多年，人類對地震的研究幾乎沒有任何進步，直到19世紀隨著彈性力學的發(fā)展地震學才逐漸開始成為一門獨立學科。現代地震儀的發(fā)明研究始于19世紀最后幾年，而有關地震波機制的研究則始于20世紀初。地震科學的發(fā)展同其他學科尤其是數學物理學科是緊密相關的，有很多著名的地震學家都是數學家，隨著工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展，數學力學等學科也迎來了春天，直到19世紀末，現代地震學的理論基礎—彈性力學才得到完善。有很多人認為地震學和地質學類似，沒有堅實的數理基礎，這種認識是錯誤的，地震科學的確與地質學聯系緊密，但是另一方面，地震學有著嚴格的數學物理方法基礎，它是建立在彈性力學基礎上的一門學科，例如，在1885年瑞利通過求解半無限空間中的波動方程使得人類在還未用儀器觀測到面波（地震波的一種）的時候就已經知道這種波的存在（有意思的是，瑞利此人最為著名的工作是在化學方面，而且獲得過諾貝爾獎）。
回到地震學的發(fā)展史上來，自19世紀末開始隨著彈性力學的發(fā)展，波在介質中的傳播問題進一步得到解決。1906年4月18日發(fā)生在美國舊金山的大地震在地震學發(fā)展史上有著重要的影響，通過研究這次地震地表的位移和應變，Reid (1910)公式化的說明了他關于地震的彈性回跳理論，這個理論在今天仍是研究地震周期的基本參考。與此同時，地震波理論研究也取得進步，1914年古登堡（大牛終于登場了）通過分析記錄到的地震波形指出地核的存在，并精確給出了核幔邊界的深度，另外，他同另一位大牛美國地震學家里克特合作導出改進后的地震走時曲線，創(chuàng)立了著名的里氏震級，并確定了震級、能量、地震烈度和加速度之間的定量關系，他和里克特給出的地震頻度與震級之間的關系（Gutenberg-Richter關系）至今仍然被廣泛應用于地震安評工作。又過了10年，1924年，日本成為世界上第一個發(fā)布建筑物抗震標準的國家，三年后美國也發(fā)布了類似的抗震設防標準，這對于人類防范地震危險具有重要意義。而到了1936年，丹麥女物理學家Lehmann（地球物理學界有很多著名的女科學家）通過分析遠震地震波波形發(fā)現地核由外核和內核兩部分組成，并且外核是液體，內核為固體。與此同時，美國科學家通過分析歷史地震的最大震級、影響范圍、發(fā)震周期等，第一次繪制出了世界上首張“seismic probabilitymap”，用以預測未來地震發(fā)生的可能性大小。不要以為地震學天天只和地震打交道，實際上它有著廣泛的應用方面,現舉一例,冷戰(zhàn)開始后，美蘇在核競賽中一直試圖窺探對方核彈爆炸的真實當量，但是如何才能通過非間諜手段實線這個目的呢？1956年，里克特和古登堡提出了通過核爆炸后記錄到的地震波波形計算地震波輻射能的方法，這一成果解決了計算核爆炸能量的問題，這為人類監(jiān)測核爆炸提供了技術基礎。另一方面，冷戰(zhàn)還意外催生了一項造福全人類的工程：The World Wide StandardizedSeismographic Network，全球標準化地震臺網，這項工程致力于在全球范圍內部署高質量地震儀用于記錄低背景噪聲的高質量地震波，借助該臺網，全球地震范圍內的地震記錄將更加精確更加及時。而實際上這個標準化臺網的真實目的是美蘇之間為了監(jiān)督禁止核試驗條約的需要而發(fā)展起來的。在今天，借助地震監(jiān)測技術，我們能夠監(jiān)測地球上任意位置發(fā)生的千噸級核爆炸，在許多地方，監(jiān)測的靈敏度甚至更高。
上世紀60年代地震學最重大的成果是“地震矩”概念的提出，這一成果奠定了現代地震學的基礎，概念的提出者安藝敬一被公認為現代理論與觀測地震學的奠基人，他與Paul G. Richards合作的著作《QuantitativeSeismology》被認為是地震學家的圣經。關于地震矩概念的一個重要應用就是矩震級（Mw）的提出，在矩震級提出以前震級都是通過體波或者面波的振幅來衡量，但是人們發(fā)現在震級較大時（7級以上），地震所釋放的能量雖然增大，震級卻不再增大（震級飽和現象），因此面對大地震時，采用這些震級標度會低估地震的能量，而矩震級則不會出現“飽和”這一現象，地震破裂面面積越大，位錯量越大，釋放的能量也就越多，相應的地震矩也就會更大，以1960年智利大地震為例，測定的矩震級Mw=9.5，而面波震級已經飽和，僅為8.5。目前，矩震級已成為世界上大多數地震臺網和地震觀測機構優(yōu)先推薦使用的震級標度。不過，由于世界各國有各自的震級研究歷史和計算公式，各國對外公布的震級標度還未統一。我國對外公布的震級大多是面波震級而不是矩震級。比如日本311大地震，中國公布的是面波震級8.6級，美國公布的是矩震級9.0級。矩震級只是地震矩概念應用的一個方面，同樣也推動著其他地震科學的發(fā)展，例如震源機制的求解等方面。目前，地震科學的發(fā)展非常全面，并且與其他學科的融合越來越緊密，隨著信息技術的發(fā)展地震科學也已經進入到數字化時代，地震記錄的分析解釋等方面的工作都將會有新進展。不要小看這些地震波，在我們看來是一堆亂麻，研究地球深部的專家看到的是地球深部的圈層結構以及地下介質的性質，勘探地球物理學家看到的則是地下無盡的寶藏，軍事地球物理學家看到的則是武器威力的大小，工程地球物理學家看到的則是地震對建筑物的影響?？傊?，科技是在不斷進步的，推動著人類的不斷進步，地震學發(fā)展到現在是無數科學家智慧的推動。當代地震學的分工越來越細，在我個人看來當代地震學依然面臨兩大挑戰(zhàn)：一是如何搞清楚地震發(fā)生的力學機制進而能夠對未來地震做出預測。如果能做到這一點，我們就能對地震高危險區(qū)做出各種預防措施，減少人員和財產損失。二是如何用數值的方法準確模擬震源破裂過程？如果能做到這一點我們就可以在局部區(qū)域模擬該地區(qū)地震有可能產生的強地面運動，有針對性的采取不同等級的預防措施，減少防護成本。
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