簡介
960年5月22日發生在智利的8.9級地震是世界上有儀器記錄的最大地震。我國地震工作者成功地預報了1975年2月4日發生在遼寧海城的73級地震，被世界科技界稱為“地震科學史上的奇蹟”。
歷史紀錄
廣東歷史上最大地震為1918年2月13日南澳7.3級地震。
新中國成立以來對廣東影響較大的地震有：1962年廣東河源新豐江6.1級地震、1969年廣東陽江6.4級地震、1994年台灣海峽7.3級地震、1994年和1995年北部灣6.1和6.2級地震、1999年台灣中部7.7級地震。
早期的地震記錄
地球在整個地質時期都經受過地震，文字記載可追溯到過去的幾千年。在中國，學者們曾從很早以前的歷代王
朝文獻、文學作品及其他來源得到地震證據。最早的可追溯到公元前1831年的山東省地震，該記載僅提到“泰山震”，
但從公元前780 年起中國北部的地震記載就已經相當完整了。
這些歷史記載如此之詳細，以致現代研究者根據它們可了解當時破壞的分布情況，從而得出地震的大小。例如，
1679年9 月2 日的三河地震，是北京附近的最大地震，在121 個州府縣誌中都有記載。當現代的研究者們把建築物
破壞、地裂縫和近震源的其他地質現象以及從遠處傳來的地面搖動的報告與現今地震進行比較時，他們得出結論，
認為該地震大小與1906年美國舊金山地震相似。
儘管中國學者們對地震有詳細記載，但是他們對災難性地動的原因並未達到真知。占主導的想法是把地震與其
他自然災難聯繫起來，諸如洪水、乾旱和瘟疫等，並從超自然的關係中尋求原因。
在古代世界很多地震區人民對地震都有宗教性的解釋。對古代地震的許多引喻可在《聖經》和當時其他宗教著
述中見到。一些顯著的事件，諸如傑里科城牆的倒塌和紅海的開裂，曾被那些不迷信超自然事件的人解釋為是地震
的結果。澤長賴亞（Zechariah ）的書中甚至有一節對地震成因——岩石錯動的卓越描述：“橄欖山將從中間劈開，
一半向東，另一半向西，那裡將出現一個大谷；山的一半將向北移，另一半向南移動。”
這一段文章所提示的岩石滑動和地震之間的物理聯繫直至20世紀末才被人們理解，但是很早以前古希臘人已經
對地震成因的物理學理解邁出了第一步。
1.2 早期希臘的概念
地中海及其周邊國家的地震活動性是很高的，對地震作出自然解釋的首次嘗試就發生在那裡。早在希臘科學發
展的早期，其實踐者已開始考慮用地震的物理原因取代民間傳說和神話提示的神學原因。最早的希臘科學著作作者
之一是薩勒斯（公元前580 年），他以對磁性的討論而出名。他的故鄉在的米勒特島，在那裡，海的破壞力給他很
深的印象，他相信地球是漂在海洋上的，水的運動造成地震。相反，約於公元前526 年逝世的安乃克西門內斯（Anaximenes）
認為地球的岩石是震動的原因。當岩體在地球內部落下時，它們將碰撞其他岩石，產生震動。另外一個學派的
安那克隆高拉斯（Anaxagoras）（公元前428 年）認為火，
至少是一些地震的部分原因。
然而這些大膽的希臘解釋中沒有一個是地震成因的全面原理。第一個這樣的論述是由希臘學者亞里士多德（Aristotle）
（公元前384 ～322 年）發起的。其論著的重要性在於：他不是從宗教或占星術中尋找解釋，諸如地震是由行
星或彗星聯合而產生的，相反，他注重當時的務實背景。他討論地震的成因，首先與常見的大氣事件類比，諸如雷
和閃電；其次與從地球升起的蒸汽和火山活動相聯繫（圖1.2 ）。像他的許多同時代人一樣，亞里士多德確信地球
內有一“中心火”，雖然希臘思想家對其原因存在異議。亞里士多德原理認為地下洞穴將像暴風雨雲造成閃電一樣
產生火。這股火將快速上升，如遇阻，將強烈爆發穿過圍岩，引起震動和聲響。後來對這一理論的修正認為，地下
火將燒掉地球外部的支護，跟著發生的洞頂坍塌將導致像地震一樣的震動。亞里士多德把地震和大氣事件聯繫起來
以及它的火和煙氣引起地下地震的觀點雖然不正確，但直至18世紀曾廣泛地被接受。
圖1.2 人們對地球內部的早期想像
1678年左右科齊爾（Kircher ）認為地球是有許多裂隙的固體球，岩漿和爆發性氣體通過管道涌到地表火山口
圖1.3 赫爾曼。高爾（Herman Galt ）的木刻畫
該畫描繪1556年在君士坦丁堡看到的一顆彗星，被說成是預示兩個地震的異兆
對於地面震動的物理解釋中重要的一步是，亞里士多德根據它們對建築物的震動主要是垂向的還是橫向的，以
及是否伴有氣體逸漏，把地震劃分為不同的類型。在亞里士多德所著的《氣象學》中，他解釋了多種不同類型的自
然現象，如“下層土鬆散的地方搖動劇烈，因為它們吸引大量的風”。
塞尼卡（Seneca）（公元前4 年至公元65年）在其著作《自然界的問題》中提出他自己的地震成因解釋，其原
理與他前輩的原理相反。他的著作部分地受到義大利公元63年大地震的啟示。塞尼卡推測震動是空氣尋路鑽入地下
通道的結果。當空氣受壓縮時，產生強風暴，當它們破土而出抵達地面時造成廣泛的破壞。
所有希臘人的解釋都缺少產生地震所需要的能量的機械力的理論概念。希臘科學研究的優點在於實踐者們有好
奇心，它引導他們去研究地震分類和成因推測。其弱點是缺乏實驗和套用儀器對自然現象作定量的觀察。
1.3 現代的啟蒙
通過木板印刷的有關藝術家們印象和日記、書信及旅行日誌中的記載，給我們提供了許多建築物毀壞的記錄。
但是幾個世紀過去了，對地質構造運動和地震的關係的理解是緩慢的。由於地質學嚴重缺乏物理學原理的解釋
而閉塞停頓。18世紀在伊薩克。牛頓爵士有關波和力學著述的強烈影響下，一個新的時代開始了。牛頓的《數學原
理》終於提出了能夠統一解釋地球上所有的運動，包括地震運動的公式。他的運動定律提供了解釋地震波所需要的
物理學原理，他的重力作用原理為理解造成地球形狀的地質作用力提供了基礎。他有關地球潮汐的極有見地的議論
：“海的漲潮和落潮是由太陽和月亮的（引力的）作用引起的”，清楚地表明他的工作促成的巨大進展。
然而，古代把地震歸因於超自然原因的迷信很難逝去。甚至到1750年一位作者在倫敦皇家學會的哲學匯報中提
出“向那些對地震作自然解釋而被冒犯的人”道歉。
1 8 世紀中期在牛頓力學影響下的科學家和工程師開始發表研究報告，把地震和穿過地球岩石的波聯繫起來。
這些研究報告很重視地震的地質效應，包括山崩、地面運動、海平面變化和建築物毀壞。例如有人像希臘人一
樣注意到軟地基上的建築物比硬地基上的破壞厲害。有興趣的人們開始保存並定期公布地震事件，1840年馮霍夫
（Von Hoff）首次發表全世界的地震目錄。
甚至當歐洲進入理性時代，科學探索迅速發展的時候，地震仍然往往被歸之為超自然原因或仍沿用很早以前希
臘學者們所假設的原因。這種對古老原理的依附可以在下面例子中看得很清楚。1750年倫敦被地震搖動了幾次，因
而被文人們稱為“地震之年”。2 月8 日人們因窗戶作響，家具搖晃跑到街上去了。一個月後一個更強烈的震動，
使煙囪掉下，建築物倒塌，教堂鍾搖晃。這些事件促使學者向倫敦皇家學會提交50多篇文章。
這些論文之一，題為《地震成因的一些考慮》，其作者是哈爾斯（Hales ），他活躍於教會事務，並與在美洲
建立喬治亞殖民地的委託管理人有聯繫。1727年他發表了《植物統計》，是自牛頓的《光學》之後在歐洲發表最早
的科學著作，此著作成為“樹液在植物中流動”這一模型的奠基石。哈爾斯是一個勇敢和快樂的實驗者，他的生動
描述都是對牛頓的讚頌。他以自述方式描寫1750年3 月6 日的地震：
“我在倫敦的一層住室被震醒，很敏感地覺得床在起伏，地面必然也在起伏。在房子裡有含糊的突發噪音，最
終空氣里傳來像小炮一樣的大聲爆炸聲，從地震開始到結束有3 ～4 秒時間。”
哈爾斯關於倫敦地震原因的觀點與許多世紀以前經典哲學家所表述的觀點是相似的：“我們發現，在倫敦最近
的地震中，地震發生前空氣往往是平靜的，天上出現黑色硫磺雲，如果有風，這雲可能像霧一樣散開，而其擴散可
以阻止地震。因為地震可能是由於這種硫磺雲內爆發性閃電引起的。硫蒸氣平時慢慢地從地球內部上升出來，當涌
出量特別大時，可能造成長期乾熱的天氣。當硫磺雲和閃電兩者都近地表發生時，上升的硫磺氣可能著火，並引起
地光，首先在地表點燃，並非想像的在深處的爆炸是地震的直接原因。”
一個災難性地震於1755年11月1 日襲擊了伊比利亞半島，這一地震對地震科學研究起了關鍵性的促進作用。這
個地震在歐洲的許多地區都有感，當人們參加宗教儀式時注意到枝形吊燈搖晃。在葡萄牙和西班牙震感強烈，許多
其他歐洲國家次之。里斯本建築物倒伏嚴重，約6 萬人死亡，許多人是由於海嘯——一連串高度超出高潮水位達十
余米的大洋波浪致死的（圖1.4 ）。現代研究確認里斯本大地震的震源位於葡萄牙西南海底一個叫東大西洋隆起的
巨大構造上。
圖1.4 1755年裡斯本大地震和海嘯災害的繪畫
倖存者對里斯本地震的效應有以下描述：首先城市強烈震顫，高高的房頂“像麥浪在微風中波動”。接著是較
強的晃動，許多大建築物的門面瀑布似的落到街道上，留下荒蕪的碎石成為被墜落瓦礫擊死者的墳墓。
“在一些地方躺著車輛，其主人、馬和騎士幾乎全被壓死；這裡是母親抱著嬰兒，那裡是盛裝的婦女、紳士和
工人；有些人的背或腿壓斷，另一些人被大石頭壓住胸部；有的幾乎完全埋在廢墟里。”
水幾次沖向塔固斯河並急衝進城，淹死毫無準備的百姓，淹沒了城市的低洼部分。隨後教堂和私人住宅起火，
許多起分散的火災逐漸匯成一個特大火災，肆虐3 天，摧毀了里斯本的財富。
這個富足的都市，基督教藝術和文明之地的破壞，觸動了世紀的信念和樂觀的心態。許多有影響的作家提出這
種災難在自然界的位置問題。伏爾泰在其小說《公正》一書中寫下了他觀察里斯本地震後感慨的評論：“如果世界
上這個最好的城市尚且如此，那么其他城市又會變成什麼樣子呢？”
哲學家盧梭試圖尋找怎樣對付地震最有利。他構想，如果人們回歸自然，生活在空曠的地方，地震就不會傷害
他們了。
里斯本地震是最早的現代“地震學之父”之一的英國工程師米歇爾（John Michell）（1724～1793年）靈感的
主要源泉。在1760年，雖然他對地震成因還沒有得到正確的認識，但那時他寫的有關地震的研究報告中已試圖用牛
頓的力學原理討論地震動。他相信“地震是地表以下幾英里岩體移動引起的波動”。他還把地震波分為兩類：迅速
的震顫和接著而來的地面波狀起伏。這個描述與我們將在第2 章描述的確實發生的情況接近。
米歇爾的一個重要結論是，地震波的速度能用地震波到達兩點之間的時間來實際測量。在審閱了見證人的報告
之後，他計算出里斯本地震的波速約為500 米/ 秒。即使米歇爾得到的數值未必準確，但他首次作出這類計算的貢
獻不可磨滅。
當歐洲殖民者散布到新大陸時，地震的全球分布特徵就被逐漸認識了。很清楚地了解地震發生地區分布相當廣
闊，並且一般離火山很遠。儘管亞里士多德的地震成因取決於火山的理論還在頑固地堅持著，觀察者們應該理解它
是站不住腳跟的了。
美洲新大陸的歐洲移民們在1663年2 月5 日首次遭受重大地震。這個地震發生在殖民歷史時期較早年代，因此
其記錄不確切。其中有些相當聳人聽聞，敘述山體塌下，森林滑入聖勞倫斯河。最好的報告來自法國牧師，特別是
其中幾年前穿過經歷了最大地質變化區域的那些人。
他們描述的在魁北克三條河附近發生的事件無疑是一次強烈地震，那裡大岩崩使河流形成一系列瀑布。沿聖勞
倫斯河發生滑坡，並使一些地段河水混濁達幾個月。
在新英格蘭對該地震強烈有感。在麻薩諸塞灣，房屋搖動，物體從架子上掉下來，煙囪震掉。如果同樣大小的
地震在後來年代裡發生，財產損失將更加嚴重。
當北美居民成熟，並且教育科研機構建立起來之後，相當數量的地震繼續發生，促進當地對地震的性質和成因
作科學推測。推測者之一是弗蘭克林（Franklin），他1748年離開了他的出版事業，將更多的時間獻身於科學，可
能是受到他的著名的風箏實驗證明在暴風雨中有電存在的啟示，弗蘭克林判斷電在引起地震中起重要作用。在這方
面他同意亞里士多德2000年前的原理。
1755年11月18日一系列地震襲擊了麻薩諸塞的開普安。有關敘述記載說主震伴隨巨大的吼聲而來，地動類似滾
滾的海浪，所以必須抓住東西以免跌倒，地震持續時間長達3 分鐘。這個地震從車薩皮德灣到安那普里斯河都有感。
開普安東邊200 海里的海中，船上水手被地震波襲擊時以為是船擱淺了。
在波士頓，牆壁和煙囪倒塌，地面似乎在起伏，“像海上的鏇渦”。石頭圍欄被掀倒，大建築物被毀壞。當時
典型的看法，認為地震是上帝對人類邪惡的不滿，人們應作道德上的反省。
相反，哈佛學院數學和自然哲學教授約翰。溫索普（John Winthrop Ⅳ）持理性觀點並通過他對這個地震的研
究，使自己在地震學歷史中獲得了一定的地位。當感到搖晃時他看著自己的表並判斷地震持續了3 分鐘。溫索普試
圖完成一項艱難任務，通過計算磚從他家煙囪上掉下來用多少時間來求得地震波的運動速度。任務雖困難，但他清
楚地描述了他在地震及其餘震中的感覺，“像是大地上的小波向前滾動”。
1.4 羅伯特。馬萊（Robert mallet ）和1857年義大利的大地震
羅伯特。馬萊（圖1.5 ）的野外研究為現代地震學奠定了堅實的基礎。1857年12月16日在義大利南部靠近那布
勒斯的地震為馬萊提供了充分研究地震的機會。在他訪問破壞地區的3 個月裡，馬萊建立了野外觀測地震學的基礎，
並載入以《觀測地震學第一原理》為標題的主要報告，其中可見下列引文：
“當觀測者首次進入那些被地震搖撼的城市時，他置身於極度混亂之中。漫步於雜亂的石塊和瓦礫之上……房
屋向各方向倒塌，似乎沒有控制規律。只有當找到一些控制點時，整個廢墟的整體景觀才能看到，然後可以對一棟
棟房屋，一條條街道進行耐心的研究，通過分析每一個細節，最終理解到這一外觀上的混亂實際上僅僅是表面現象。”
圖1.5 地震學奠基者之一——1854年的愛爾蘭工程師羅伯特。馬萊（1810～1881年）
馬萊推動了上世紀中葉開始發展的工程、地質和力學等學科的相互滲透。他的目標是套用物理和工程學原理去
探尋地震真正的地質性質以取代迷信。他不僅對達到這一目的作出了很大貢獻，而且在其創新性工作的成果中創造
了許多描述地震的基礎術語，在本書中我們仍將沿用。
羅伯特。馬萊是新一代地震學者的首位理想人選。他是一位愛爾蘭工程師，因火車站、橋樑和其他主要建築的
優秀設計而知名。他對地震研究的畢生努力是由1830年義大利地震中石柱被扭曲而開始的，他試圖解決這一工程問
題。
馬萊建立一個綜合性圖書館，蒐集有關地震的書、剪報和雜誌，並作出了第一個現代地震目錄，超過6 800 條，
給出地震的位置和影響。從他的目錄作出了第一張可靠的標繪著地震預測效應的圖件。
馬萊還以首次實施人工地震而知名。他在地下引爆炮彈，然後通過觀察置放在遠處的容器中的水銀表面記錄波
動。用一隻跑表記錄爆炸和水銀表面波動之間經過的時間。從這些觀察中，他推斷出地震波在不同物質中傳播速度
不同。人們首次清楚地理解地震波受其通過的不同類型岩石的物理性質的影響。他計算出通過砂質土地的波速為280
米/ 秒，通過花崗岩的波速是600 米/ 秒（事實上這個數值太小了）。
他相信這個地震像尼阿波里坦地震一樣是火山爆發產生的，他注意到火山與發生地震的地區很近。儘管這種認
為地震起源於火山噴發的想法，現在被證明是錯誤的，但馬萊構想地震波從一點，即從震源開始的思想是正確的。
進而，他提出地震波在岩石里類似聲波在空氣中傳播（我們將從第2 章中看到這至少是整個故事的一半），然
後他得到結論，如果真是如此，地面的初動將顯示規則的方向，即都從初始點向外，這樣，高處墜落物體的方向或
傾倒方向應指向或背向震源，從建築物裂縫的方向也可推斷波前傳播方向。馬萊通過把這些方向投影回到一個交匯
點，試圖計算出震源的位置。
我們現在知道，地震發生存在不同類型的波，馬萊用墜落物體和建築物中裂縫去估計地震震源位置是不實際的，
特別是建築物內裂縫主要與建築結構有關。但不管怎樣，馬萊是第一個試圖通過觀測來確定地震位置的先驅，他發
明和套用該方法估計尼阿波里坦地震震源深度為10千米。直到50多年以後，隨著現代地震儀的出現，震源深度才得
以以不同精度加以估算。即使至今，在許多情況下仍有困難。
1.5 兩個關鍵地震
馬萊在地震方面的工作，正值地質工作整體也在蓬勃發展時期，許多國家開始建立專門機構，通過地質構造填
圖、化石分類和礦物分析去研究地球。對地震知識作出了很多貢獻的兩個機構是美國地質調查所（建立於1879年）
和印度地質調查所（1857年成立）。每一家都發表過所在地區地震的傑出報告，這是他們的許多地震學成就中
的一項。
美國地質調查所對地震進行的早期研究之一是，一位有經驗的地質學家富勒（Fuller）於1912年發表的對100
年前，即1811～1812年初沿密西西比河發生的3 次特殊地震的調查結果。1811年12月16日一系列地震開始震撼南密
蘇里州南部的新馬德里地區，持續達1 年時間。第一次大地震發生於12月16日，第二次在1812年1 月23日，而最強
烈的地震發生在1812年2 月7 日。1811年12月16日至1812年3 月16日之間發生了1 870 次震動，其中有8 次強震，
在320 千米外的路易斯維爾有感。這一地震系列是不尋常的，因為通常情況下主震（可能有小的前震）之後跟著是
一系列小的餘震，並逐漸隨時間而衰減。
據報導，從新馬德里往南至密西西比河沿岸一片3 萬～5 萬平方千米的地區都遭到破壞。遭破壞的地區包括田
納西州一部分和阿肯色州東北部。自然工作者約翰。奧都邦（John Audubon）報導過在肯塔基州“地面像湖水面一
樣波動起伏，地面的波動類似田野里被風吹動的麥浪。”最大的地震曾驚醒白宮裡的總統麥迪遜，波士頓教堂鐘聲
響起，辛辛那提煙囪倒塌。
地震後一個顯著特徵是形成“沉陷地”，一個約240 千米長，60千米寬的地區下沉1 ～3 米。密西西比河水沖
進沉陷地區，形成新的湖泊、沼澤和支流。田納西的里爾富特湖就是這時形成的（圖1.6 ）。它12千米長，3 千米
寬，至今仍然存在。觀測者報告說，波的幅度高達許多英尺，衝破土地，留下平行的裂縫。砂從地裂縫中噴出，地
面形成裂紋和噴砂口。水蒸氣和塵埃充滿空氣，使得天昏地暗。森林也慘遭浩劫，許多樹被折斷，許多樹由於地面
沉降被淹死，也有許多樹因根被錯斷而死。
無論在當時，還是在1912年富勒發表詳細研究結果的時候，人們都感到“為什麼在大陸內部會發生這樣巨大的
地震”始終是一個地質學的謎，因為大陸內部與大陸邊緣相比較，一般地震少得多。我們現在了解了，這類特殊地
震有其地質成因。我們可以估計兩個大震之間的時間間隔（約為幾千年，見第5 章）。經常有一些關於1811～1812
年新馬德里大震要復發的預報，可惜都沒有可靠根據。最近一次這類預報發生在1989年，新聞電視當時廣為宣傳。
雖然本區信息靈通的地震學家提出懷疑的見解，但這個外行的預報還是導致靠近假設的震中區的學校和其他機
構關閉。發出的關於幾天或幾個小時的預報過去了，甚至連微弱的地動也沒有發生。
圖1.6 密蘇里州新馬德里大地震中形成的里爾富特湖
1899年印度地質調查所發表了一份描述1897年6 月12日印度東北部阿薩姆地震的報告，這是人類有詳細記載以
來的最強地震之一的報告。這份著名地震報告大部分是印度地質調查所所長奧爾德姆（Oldham）寫的。後來他由於
論證地球內部含有一個大的中央液態核而知名（見第6 章）。奧爾德姆的報告在地震研究史中是一個里程碑，因為
他非常仔細地描述了廣大地區搖動強度，搖動中地面速度的推斷，及套用儀器記錄得到的地面上升數據。奧爾德姆
掌握了清楚的證據證實由於岩石的大規模翹曲和斷裂而產生地震的假說。
阿薩姆地震在450 萬平方千米的地區都有感，在2 3000平方千米區域內幾乎全部遭受破壞。死亡人數不到1 000
人，這是因為該地區人口密度不大，大建築物也很少。雖然死亡人數相對較少，但發生強烈搖動的證據相當清楚，
震動可能持續不到1 分鐘，有人曾被拋離地面。地球的垂直加速度如此強烈，以致從地面垂直拋起了大石塊，但在
地上留下坑穴的周邊幾乎沒破裂。砂質土壤表現得像流體一樣，據報告，建於其上的房屋下沉，只剩下房頂還依稀
可見。
奧爾德姆也講述了人們在強烈搖動的地區看到可見波動橫過地面，他估計這些波動有1 英尺高。奧爾德姆報告
說：“從南山嘴的西部和國民外科醫生居住區周圍1 英里距離到曼柯察路，土質為砂質，地表原來相當平整。地震
使地面變得像犁耕過似的，草皮被撕破，泥塊被拋向不同方向，有些被拋向坡上，有些滾到坡下，有許多地方草皮
完全被翻轉，以致露出草根。”
致命的滑坡把山坡上32千米距離內的樹木一掃而光，鬆散沉積物形成的地面的突然傾斜產生了許多大裂縫，大
片農田裡水和砂像噴泉一樣涌冒出來，嚴重影響了震後農民的耕作。一個特殊景觀是大斷裂向不同方向擴展。據報
道，最大的相對地面位移是沿齊莊斷裂垂直位錯10米，其東側相對西側上升。
奧爾德姆最初假設地震原因是，阿薩姆山沿一構造斷層向喜馬拉雅山脈的深層逆沖的過程中引起的。這一假說
也可解釋為在逆衝過程中岩石構造的強烈變形引起地震。這一假說的確可能是正確的，可是在他最後報告的結論中
卻放棄了這一假說，這是由於這一地區人跡罕至，當時地質填圖極有限，難以取得足夠的野外證據來肯定該假說。
然而，不久在西半球發生了一次大地震，那裡容易到達，並且該地區已經具備地質觀測條件。
1.6 1906年舊金山地震的貢獻
理解地震成因的轉折點來自對1906年4 月18日震撼中加利福尼亞的舊金山地震的研究。因為在這個地區沒有活
火山，所以地質學家對地震成因的認識沒有試圖轉向古希臘有關地下爆炸、火山激發的概念。此外，1906年地震的
震源位於已作過測量的地區，布有作為測量距離和高程所用的標誌。這些大地測量結果使有經驗的地質學家可以對
地面變形進行填圖。
為了研究地震建立了州地震調查委員會，由加利福尼亞大學的勞森（Lawson）教授任主席。由勞森召集的科學
家們比較了震前與震後的測量數據，並研究觀測到的地面變化。他們後來的報告包含的基本原理直至今日仍左右著
地震學（在第4 章將詳細討論這個原理）。該報告結論說，強烈的地面搖動是由於被勞森稱之為聖安德烈斯斷裂的
大斷層突然錯動產生的，它是基岩中的一條破裂帶，後來測量製圖時查明，它從墨西哥邊界一直延伸到舊金山以北。
斷裂中的岩石破碎了，斷裂西側的岩塊向北錯動了好幾英尺。該斷裂錯動延伸了400 多千米，從聖胡安包蒂斯
塔直到舊金山以北大約250 千米，這個巨大斷裂帶剛好從金門海峽西
邊經過。
該地震的有感範圍高達18萬平方千米，這表明該地震是如何巨大，有幸的是地震中死亡人數不多，雖然確切的
數字至今尚未確定。早期的報告說死亡人數大約為700 人，但最近重新估計的死亡人數比原來要高三四倍。
將來類似大小的地震會再次襲擊加利福尼亞的大城市地區，所以重溫1906年發生過的情況是極重要的。舊金山
當時是一個約有40萬人口的城市，房屋在一系列狂熱建造風潮中建築，包含老的和新的建築，它們許多是偷工減料、
未加固的或僅部分加固的磚築物。位於堅硬基礎和有牢固地基的良好的磚木結構建築相對破壞不大。不幸的是，許
多建築物位於市場街頭的碼頭地區，這一地區是在通向舊金山灣沼澤地區的泥質台地上堆積垃圾充填出來的。這些
建築都遭受了嚴重破壞。相反，當時市區的高層鋼結構在搖動中沒有發生結構性破壞。19層的斯普克爾斯大樓和當
時新建的16層“舊金山日報”大樓都安然無恙。
國家火災保險委員會於1905年發表了一份報告說，舊金山的火災是不可避免的：“鑒於地區面積之大，地形之
高，普遍未設防，建築物又高度易燃，幾乎完全沒有消防水龍設備……以及相對狹窄的街道，潛在災害是很嚴重的
……事實上舊金山違反了所有安全傳統和慣例，它如果不著火才是怪事。”
舊金山地震後隨之而來的大火災在以後的幾天裡燒掉城市的大部分地區（圖1.8 ），上述委員會的憂患就是可
以理解的了。
目擊者在震災之後即刻所見的敘述被記錄於國家地震調查委員會的報告中。例如在舊金山負責氣象局的亞歷山
大。麥克阿迪（Alexander McAdie）教授說：“我的習慣是睡覺時把懷表打開，筆記本翻開到當天的頁，鉛筆準備
好，還有一支手電筒。它們按順序擺放——手電筒、懷表、書和鉛筆。”他繼續說：“我經歷的強烈搖晃持續了40
秒鐘。醒了之後我記得把分針撥到先前震動最強烈時的部位。”加利福尼亞大學的天文學教授劉施納（Leuschner）
後來說，在舊金山海灣對面的伯克利，“地震包括兩部分：第一部分持續了40秒，這是我一邊把小孩抱出房子，
一邊計數估計的。”有興趣的讀者將會在國家地震調查委員會報告中發現許多前人寫下的地震時的迷人記述，還可
以學習到當類似的大震發生時預計會發生什麼。
圖1.7 1906年舊金山地震烈度等值線圖
標出地震時同等破壞強度的區域，按修正的麥卡利地震烈度表，高烈度區的黑色線條相當於舊金山斷裂的破裂
段
調查委員會的地質學家和工程師們為系統地收集信息作出了巨大努力，試圖理解地震動的性質和建築物破壞的
原因。一個特別有意思的發現是，破壞並不是沿聖安德烈斯斷裂震源向外均勻地散布。破壞集中於幾個城市，北起
聖羅莎，南至聖何塞，它們都建設於沖積河谷和盆地中，它們的鬆軟土壤增強了振動。加利福尼亞的大谷地的大部
分搖動的強度較低，但也有顯著例外處，例如在洛斯巴諾斯城內就遭到中等破壞。
伯克利大多數磚煙囪遭破壞後倒塌，幾座磚建築的上部牆壁被震倒，或發生裂縫破壞。城市的一些地區似乎沒
有遭受破壞，與鄰區顯著的煙囪倒塌形成明顯的對照。例如加利福尼亞大學校園裡的建築物沒有遭受嚴重破壞，沒
有一座煙囪倒塌，雖然有些發生裂縫。伯克利校園的地震低烈度與灣區南部史丹福大學校園的高烈度呈鮮明對比，
後者以其未加固的磚石建築而知名，固然該校園比伯克利距聖安德烈斯斷裂近得多，但不同的結構和建築類型無疑
在決定破壞程度上也起了很大作用（圖1.9 ）。
在州的首府薩克拉門托，地搖動不很厲害。一位居民瓊斯（Jones ）先生報告說：“我被地震驚醒，起床和我
妻子核實發生了什麼。”在距震中相當遠處，取得了有關破壞性波能傳播多遠距離這一關鍵問題的信息。住在聖巴
巴拉以南400 千米的道奇（Dodge ）先生報告說：“我被房子裡的沙沙聲從半睡狀態喚醒。當時我們沒有人意識到
那是一次地震。我在床上沒有察覺到搖動。”聖巴巴拉的另一居民霍克（Hooker）先生察覺到一個弱震動，然後是
一個強震動，“強震動引起窗和門格格作響，窗簾里外搖動。”在第7 章我們將論述搖動強度變化的根本地質原因，
在第9 章講述它對抗震建築的作用。
1906年地震的重要教益之一是：雖然它發生在沒有建立抗震建築條例的時代，但大多數建築倖免地震破壞，而
舊金山的破壞大多來自火災。於是工程師們在震後認識到在地震區什麼樣的建築設計類型可以防震。
（a ）
圖1.8 1906年舊金山地震後火災蔓延前後薩克拉門托的情景
（a ）4 月18日星期三舊金山地震後火勢擴展以前的俯視
薩克拉門托大街；（b ）火災之後的鄰近市場街
圖1.9 1906年地震以後史丹福大學未加固的磚石建築垮塌情景
該處距破裂的聖安德烈斯斷裂約8 千米
還有一些積極和基礎性的成果。其一是在震區詳細填繪的地震烈度圖，這對評估舊金山灣區現今的地震災害提
供了基本資料。另一有益成果是誕生了美國地震學會，它的成立為了達到以下目標：
（1 ）促進地震學研究，對地震及有關現象的科學研究。
（2 ）用所有可行手段促進公眾震時安全。
（3 ）讓工程師、建築師、建築承包商、保險業人員和財產所有者，採取現實的經濟的抗震防災措施，保護公
眾，使其減輕地震和地震火災的損失。
（4 ）通過適當的出版物、演講和其他手段進行宣傳，使公眾理解地震之所以危險，主要是因為我們對它的後
果沒有採取適當的預防。只要充分研究地震的地理分布、歷史序列、活動性及對建築物的影響，抗禦震災是可以實
現的。
這些崇高的目標仍是美國地震學會的宗旨，也同樣成為工程、建築和保險機構的宗旨，並反映於世界上其他許
多組織的努力之中。大約90年過去了，這些崇高的目標，仍然是我們努力減輕地震對人類威脅的核心任務。
1.7 1923年日本地震
20年代科學家們曾探討地震活動分布圖像是否可能指示未來地震的位置。日本是作出這種地震潛在可能性估計
的第一個國家。當時日本地震學已經發展，受過訓練的科學家保存著地震記錄，日本地震研究所所長大森房吉教授
（1868～1923年）曾研究過大地震在本州島的分布，於1922年寫道：
“現在東京近鄰地區保持地震平靜，但距東京平均60千米距離的周圍山區地震頻頻發生，雖然在城裡常常明顯
感到這些地震，但因為該區不屬於嚴重破壞的地震帶，並不構成危險。然而隨著時間的流逝，目前地震活動區的地
震活動將逐漸平靜下來，而作為補償，東京灣可能再度發生地震活動，並可能發生一次強震。這樣，一個震源距東
京一定距離的地震將產生局部變動和部分破壞。”
這個卓越的預報不正確之處僅在於低估了地震的強度，實際上，該強震在以後很短的時間內果然發生，大森房
吉所提出的地區遭到破壞。
大森房吉作出判斷後約一年，人們記憶中最災難性的地震之一發生在相模灣，東京都就位於通向該海灣的盆地
中。這個地震按受害最大的地區而命名為“關
東地震“（圖1.10），發生於1923年9 月1 日約中午時間，當時東京的街道擠滿了人。東京大學的今村教授在
地震發生時坐在大學地震研究所的地上：
圖1.10日本受1923年關東地震影響最嚴重的地區
“開始時，運動相當慢和微弱，所以我沒有把它看作是如此大震的前震。像往常一樣，我開始估計初動的持續
時間；不久震動加大，3 或4 秒後我感到震動確實很強，7 或8 秒過後房屋搖晃到特別大的程度，但我考慮這些運
動還不是主要部分……運動強度繼續很快地增加，又過了4 或5 秒鐘後我覺得它已達到頂峰。這段時間中房瓦從房
頂上散落，聲音很大，我懷疑建築是否能經受得住。”
在城市商業區軟土充填地區搖動大大增強了，上城區由於建在堅固土壤上，地面搖動減輕不少。50% 以上的磚
建築物和10% 的城市裡加固的混凝土建築物遭到毀壞。另一方面16座高層鋼格架的建築未受損。其他建築受不同程
度的毀壞，其中包括由美國建築師法蘭克。勞埃得。賴特建設的帝國旅館。
賴特的帝國旅館
賴特設計了250 個房間的帝國旅館，作為向外國人展示的地方。當他居住在在東京建造的華麗大廈時，他感到
許多地震並作了記錄：“當我設計建築時，震顫的恐懼一直沒有離開我。”他知道他的帝國旅館所處位置在地震時
將遇到特別危險，因為在20米的軟泥土上覆蓋2.5 米頂蓋土壤，不是堅固的地基。為了應付這個威脅，他引進了若
乾創新，包括沿基礎牆每隔2 英尺建一短混凝土樁，其上支持寬底低地基。賴特相信他的設計將使旅館在下伏的泥
土上漂浮，就像戰艦在海上漂浮一樣。帝國旅館不是加固磚牆，而是建了雙層牆，在外邊兩層磚中間澆灌鋼筋混凝
土。賴特設計的第一層牆特別堅固並很厚；高層的牆逐漸減薄並且儘量少開窗子。沒有採用日本人典型的建築房瓦，
因為它們在地震時曾砸死無數人。賴特設定了輕型手工制的綠銅房頂，他還首先注意到建築物中的機械系統，諸如
重錘和電線，這些在地震中可能成為災害的禍根。為了減輕這種危險，他把旅館的管道和電線埋在溝里或懸掛，離
開建築，以至任何地震可能將其折曲或搞亂，但不會搞破管子、折斷電線。他還想到旅館前面那映有倒影的美麗池
塘，可以作為救火時的蓄水池。它在1923年關東地震後的火災威脅到帝國旅館時果真大顯神威。
1923年地震破壞了5 000 座建築，但帝國旅館在受到地震衝擊後仍然屹立著，不過建築物中的破壞和斷裂相當
嚴重。現在才知道位於軟土壤上的大建築應該由深埋的柱支撐，而不應該像賴特用的那種短樁柱。用這種短樁柱使
得帝國旅館慢慢地沉入泥和表層土壤，地震時放大了地面運動。然而，賴特採用的許多其他措施被認可，直到現今
在地震區理所當然地被採納。
框圖1.1 帝國旅館的構造斷面
顯示由地基礎柱支持著中央支柱使地板平衡以防倒塌
框圖1.2 東京的250 個房間的帝國旅館早期的設計草圖
旅館在1915年啟用，是由美國建築家法蘭克。勞埃德。賴特設計的，
它抗禦地震“漂浮在泥土上尤如超級無畏戰艦浮在海水上”
雖然震中在東京以外90千米，距橫濱65千米，但在這些城市裡的火災，加上風助火勢，使城市陷入一片火海。
入夜之前東京250 萬居民中已有百萬人無家可歸。
東京死亡人數約68 000人，其中許多死於火災。橫濱建築大部分被燒毀，死亡約33000 人，小田原的5 500 棟
房屋基本上夷為平地，部分是火燒的。在古城鎌倉，84% 的房屋倒塌。高達10米的海嘯巨浪使相模灣周圍雪上加霜，
進一步被破壞。強烈破壞地區的全部死亡人數幾乎達10萬人，受傷者人數也差不多約10萬人。
日本科學家和工程師以及後來訪問過該區的外國專家們對1923年地震的研究具有極大的重要性。在地震時，被
任命為帝國地震研究委員會主席的大森房吉正在訪問澳大利亞。在東京觀察所代理他的是今村，一位具有非凡洞察
力的地震學家。大森房吉返回東京後不久就於11月8 日逝世了，指導地震研究的重擔落到今村的肩上。地震研究委
員會立即行動，成立負責破壞性地震的地震、地質和測量以及建築、土木和工程等各方面的分委員會。各分委員會
和政府部門的報告匯總成為5 大卷調查報告，包含大地震所有方面的極有價值的信息。
對西方讀者們不幸的是，這些極有價值的調查報告是用日文寫的，因此它們對地震學和地震工程的影響就相對
減少了。後來一些有價值的報告發表了英譯本，因此在日本以外的讀者逐漸地也可以得到許多科學情報。
這些報告中，記錄的大量地震觀察中令人驚奇的現象之一是相模灣深度的特殊變化。一個280 平方英里的地區
下沉了，有一處深達210 米，其他地區上升高達250 米。在房總半島和相模灣及東京灣西邊觀察到許多斷裂，這些
斷裂延續許多千米，顯示高達2 米的垂向為主的錯動。估計地震震級與1906年舊金山地震類似。地震破壞和建築物
倒塌促使了改進抗震設計的深入研究。
今天日本地震學研究竭其全力的重點是研究在本州東海岸發生另一個大地震的可能性，如果這樣一個地震發生，
它將再次影響人口密度最大的城市——東京及向南到大阪的周圍地區。這種關切絕非杞人憂天，日本大多數地區的
確籠罩在強震威脅的陰影之下。
1.8 現今的地震學
第二次世界大戰以後，幾乎地震學的各個方面都有顯著進步。由美國科學家瑞德（Reid）研究1906年舊金山地
震奠基的地震成因研究，得到了擴展和加深。我們現在具備一個關於整個地球變形的理論，它可以解釋為什麼大地
震發生於日本和加利福尼亞等一些地方，而加拿大或法國的遼闊原野則沒有大地震。這個地質理論也能解釋山脈、
火山和大洋中深海溝的形成，並說明它們在地球表面的特定分布。這種對地球上相互聯繫的格架理論認識的形成，
很大程度上是與地震學研究分不開的。
我們還將談到地震如何成為探測地球內部構造和動力學的關鍵手段之一。確實，我們可以公正地宣稱，地震學
是探測地球內部的最有效的深部探測器。近年來，通過地震波可以探測出地球內部岩石密度和剛度變化小到10% 的
變化。這些新研究進展大多依靠層析成像方法，這一方法原來在醫療中常用，要採用大記憶、高速計算機去探求遙
測圖像。
利用地震波分析，首先必須了解地震波動的性質。穿過地球岩石傳播的地震波具有相當的複雜性，是常見的聲
波、無線電波或光波所沒有的。然而正是地震波攜帶著沿途的地質和構造變化的信息。地震學家越來越熟練地從日
益靈敏的地震儀記錄的地震波圖像中提取這種信息。
科學家已決定在世紀之交建立一個全球地震儀器網，雖然大多數人沒有意識到其後果甚至它的存在，但這一觀
測計畫具有的科學歷史意義比人們熟悉的一些科學大事毫不遜色。這個地震觀測的全球性網路，在近幾十年里日益
加強，現已成為重大科學成就之一。從這些觀測記錄中，科學家們已能推測某些地震的成因和地震波傳播時通過地
球的途徑，還能區別天然地震和地下核試驗引發的地震。
地震作為自然災害有可怕的後果，日益嚴重地威脅著人類居住的安全。寄希望於減輕這些地震造成的危險，預
報將要襲擊人類居住區和震撼重要建築物的地震的強度是受到人們極大關注的問題。
