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“震”科普 | 9.2级!美国历史上最强地震,除了破坏还为科学家提供了……

时间 : 2019-10-16 15:32

原标题:“震”科普 | 9.2级!美国历史上最强地震,除了破坏还为科学家提供了……

1964年3月27日当地时间下午5:36(3月28日3:36 UTC),阿拉斯加威廉王子湾地区发生9.2级大地震。地震破裂始于地表下约25千米处,其震中位于安克雷奇以东75英里(120千米)处。地震持续了大约4.5分钟,是美国历史上记录最强烈的地震。它也是有仪器记录以来的第二大地震,仅次于1960年智利的M9.5地震。

此次北半球有史以来震级最大的地震造成了大面积的工程设施破坏和巨大的次生灾害,高层或占地较广的建筑物均收到了不同程度的破坏。大规模的冰崩、山崩、地裂、泥石流等,使距震中160公里以内的铁路、公路、城镇、村庄均遭受剧烈破坏,还使长近1000公里,宽300公里广阔区域内的地壳产生形变。但与此同时,这次灾难也为科学家认识和研究地震提供了难得的机遇。

科学家们从中获得了哪些研究成果与思考?快一起去看看~

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● “巨大的拼图”

板块构造学说的有力证实

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在此之前,学术界占主流地位的学说无法为如此大的地壳运动提供合理的解释,地质学家们无法理解大地震是怎样形成的。1964年大地震后,他们开始采用新的理论体系——板块构造学说——来审视这次地震。

这个学说认为地球的岩石圈不是整体一块,而是分割成许多构造单元,这些构造单元叫做板块。全球的岩石圈分为亚欧板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度洋板块和南极洲板块,共六大板块。大板块还可划分成若干次一级的小板块。这些板块漂浮在“软流层”之上,处于不断运动之中。

一般说来,板块内部的地壳比较稳定,板块与板块之间的交界处,是地壳比较活动的地带,地壳不稳定。地球表面的基本面貌,是由板块相对移动而发生的彼此碰撞和张裂而形成的。

通过研究,现代科学家已经可以确定,1964年阿拉斯加大地震是由于板块碰撞挤压造成的:太平洋板块向北美板块俯冲,在阿留申海沟消减带沉入地幔。

类似于阿拉斯加南部的这次俯冲带地震在世界各地时有发生,但此次1964年地震是全世界科学家第一次达成共识:板块错动沿着大型逆冲断层发生,较为致密的大洋板块向下俯冲,同时密度较小的大陆板块被抬升。

图注:红星标注的是1964年阿拉斯加大地震的震中,是太平洋板块向西北俯冲到北美板块过程中形成的。当地的沿海城镇和基础设施都遭受了极大的破坏,尤其是安克雷奇(Anchorage)、西沃德(Seward)、惠蒂尔(Whittier)、瓦尔迪兹(Valdez)等地。科迪亚克岛和基奈半岛的临海一侧发生了大规模的隆起(红框区域),内陆则出现了沉降(蓝框区域)。

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● 灾难二重奏

地震与海啸

这次地震还证明了一个新情况,即俯冲带上的地震与海啸之间联系非常紧密。由于地震造成海岸线变动和大面积海底运动,1964年3月28日大地震后20——30分钟,阿拉斯加南部的瓦尔迪兹港湾发生大海啸,海啸每隔11.5小时袭击一次海岸。

最大海啸产生在半夜,又正值当地海潮之时,在瓦尔迪兹的入海口处,海啸波高达30多米。到湾顶端其波峰倒卷时,巨浪高达50多米。到达科迪亚克岛时为20多米。130余人丧生,财产损失约5.4亿美元。海啸波及到美洲的太平洋沿岸、夏威夷和日本,直至南极,均有不同程度的损失。

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●抬升&沉降

震后地表形变的分析研究

地质科学家们在地震发生后第一时间到达了受灾现场,沿阿拉斯加南部海岸绘制了震后的地平面变化图。结果令人十分震惊:地震使大于加州2/3面积的地表发生了垂直位移。

部分沿海地区发生了沉降,最多达8英尺(约2.44米),另一些区域则发生抬升,最高处达38英尺(11.58米)。大地测量研究结果表明,阿拉斯加沿海大部分区域向海方向推进了至少50英尺。

图注:树桩是拉图什岛上威廉王子湾的一片古老森林的一部分,它被淹没在海平面以下并埋葬在史前时期。地震期间9英尺的构造抬升再次将这些树桩抬高到海平面以上,证明该区域在构造上不安定。

图注:威廉王子湾的码头。在地震期间,该地区的土地上升了大约8英尺,现在只能在极高的潮汐下使用。

研究发现,大型俯冲带地震会生成一种固定的模式:即断裂带最浅最近海处的隆起&离断裂带较远的内陆区域的沉降。这种模式在数十年乃至数个世纪的变迁中不断交替,沉陷与隆起运动循环往复,逐渐改变着地表形态。

从这些循环隆起/沉降的沉积物岩心中提取出的物质,为我们提供了阿拉斯加南部沿海一带长达5600年的大地震记录,这可是前所未有的研究成果。

左图:位于威廉王子湾的鲸鱼湾抬升了将近10英尺。

右图:基奈半岛上的一条公路由于沉降被海水淹没

在铜河三角洲取出的岩心记录了9次的史前地震,显示阿拉斯加南部大约600年左右的间隔就会发生一次类似于1964年这样的大地震。在其西部开展的一些其他研究表明,在特纳盖恩湾和科迪亚克岛地区,上一次发生1964年这样的大地震大约在880年前,类似大地震的间隔约为535年。

从这次大地震中得到的地表沉降和抬升的数据为后续的研究提供了宝贵的参考,在俯冲带断裂地震数值模拟测试中被反复利用,并用来计算板块沿断层面的垂直位移。

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● 波蚀阶地

大地震的另类“签名”

阿拉斯加南部近海的米德尔顿岛在1964年地震中抬升了约10英尺,出现了一块波蚀阶地。通过对这块波蚀阶地的观察研究,地质学家发现了另外5块波蚀阶地——虽然它们早在1933年就被发掘,但并未被当作是地震相关的地貌特征。地质学家由此意识到,这些波蚀阶地都是在类似于1964年的大地震中形成的。

通过对从这些阶地上提取的海滩沉积物进行放射性碳年代测定,确定先前的这些大地震发生的频次在400-1200年之间,大约以800年为一间隔。自从1964年地震,类似的俯冲带波蚀阶地就被用来评估地震发生的间隔和地震造成的灾害。

图注:蒙塔古岛克里尔角,这片非常平缓的平坦岩石表面原位于威廉王子湾的海底,是陆地上最大记录的构造抬升区域(33英尺)。白色涂层宽约四分之一英里。它是一个在地震前低于海平面的波蚀阶地。白色涂层由钙质海洋生物的残余物组成,当地震中波浪切割面被抬高到海潮之上时,这些生物被干燥杀死。

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● 沙土液化

隐形的杀手

地震后,仅沙土液化和海啸两项次生灾害,对阿拉斯加州属铁路造成的损失就高达三千万美元。许多重要的铁路高架桥因桥桩和桥墩沉陷而毁坏,更有甚者由于底层沙土流失而断裂。部分铁路因地震而停止运行长达半年之久。

图注:这条靠近库克湾的钢筋混凝土甲板的公路桥建立在厚厚的软冲积层和潮坪泥层上,因受到严重的地震作用落入河中。

1964年地震为我们提供了认识沙土液化的全新视角——地震动会对土木工程的稳固性造成极大的威胁。地质年代较为年轻且饱水的砂土层在地震中会突然呈现出液态的物理形状,导致地基承载力大大下降,使地面建筑物在形成的流砂中下沉,产生极大的破坏。

此次地震引起了世界工程地质领域对沙土液化的关注和深入研究,推动了沙土液化治理措施和建筑工程抗液化措施相关研究的进步。

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资料来源:https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/events/alaska1964/

翻译:戴怡茹

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