在科学研究的实践中学习和进步
——纪念海原大地震90周年,为地震预测和防震减灾事业而努力
2011-12-06邓起东
邓起东
(中国地震局地质研究所,国家地震活动断层研究中心,北京 100029)
在科学研究的实践中学习和进步
——纪念海原大地震90周年,为地震预测和防震减灾事业而努力
邓起东
(中国地震局地质研究所,国家地震活动断层研究中心,北京 100029)
1920年12月16日20时06分09秒发生于中国宁夏海原地区的8.5级大地震是中国3个最大的8.5级地震之一,死亡人数当时估计为23万余人,最近重新估计达27万余人,其灾难之重,惨绝人寰。海原地震研究开辟了中国首次地震实地科学调查、利用现代科学方法观测地震的先河。20世纪中叶海原地震研究获得了突破性进展,发现了长达200余km作左旋水平位移的同震破裂带,出版了该地震的第一部专著。20世纪80年代,在海原活动断裂带建立和发展了活动构造大比例尺填图技术,开创性完成了第一份活动断裂带大比例尺地质图;对发震断裂的细结构和变形机制、断裂滑动速率、同震位移分布、古地震及其重复间隔和发震模型等进行了定量研究,对其地震危险性进行了评估;在断裂的低速率滑动、拉分盆地、走滑断裂的破裂扩展、走滑断裂走滑量与尾端构造挤压量的转换平衡和六盘山构造变形机制等动力学问题上取得创新性成果。在海原大地震发生90周年的今天,回顾几十年来的研究进展,提出进一步努力的方向,告慰在灾难中逝去的先民,更加努力地做好今后的工作,为地震预测和防震减灾贡献更大的力量。
海原大地震 活动断裂 古地震 科学研究
0 引言
1920年12月16日20时06分09秒,在中国甘宁地区发生了海原8.5级地震,它是中国3个最大的8.5级地震之一,也是中国震级最高,震中烈度最大,灾害最大的地震之一。其震中烈度达Ⅻ度,为一次毁灭性地震,死亡人数当时估计为23万余人,近期重新计算达27万余人(李善邦,1956;刘百篪等,2003;宁夏回族自治区地震局等,2010),据当时的调查与报告,地震时山崩地裂,房倒屋塌,一切荡然无存。震时正值冬日,天寒地冻,震区人民无衣、无食、无助,惨绝人寰。
为纪念海原大地震90周年,悼念逝去的先民,激励当代民众努力奋发图强,做好防震减灾工作,宁夏回族自治区政府2010年12月16日在海原市召开海原地震纪念大会和学术研讨会,揭幕海原地震博物馆。本文作者参加了博物馆揭馆仪式,并在研讨会上作了关于海原地震研究的报告。本文就是在该报告基础上扩展而成的,用以悼念受难的先民,追念前辈科学家和当代地震学家们在科学研究中孜孜不倦的努力以及感谢各级政府和人民在科学研究实践中所给予的支持和帮助,并为促进地震预测和防震减灾工作,加强地震地质、活动构造和大地震研究工作提出一些建议。
1 逐步深入的科学研究
20世纪20—30年代,青藏高原北部边界活动构造带是高原地区7级以上地震的主体活动区,发生了多个7~8级地震,其中以海原地震为最大,此外,还有1927年古浪8.0级地震等,称为海原-古浪8级地震系列。海原8.5级地震发生于青藏高原东北边缘海原活动断裂带上,是该地震系列的核心地震。
1.1 开辟中国自主地震科学调查工作
地震发生后,1921年3月国际饥饿救灾协会的J.W·霍尔(J.W.Hall)、U.克劳斯(U.Close)和E.麦克考尔密克(E.McCormick)等进入震区对灾情进行调查,并在美国地理杂志发表《在山走动的地方》一文(Close et al.,1922),反映的灾情震惊世界 (图1)。同期,中国地质学家翁文灏、谢家荣、王烈、苏本如、易受楷和杨警吾等6人于1921年4月赴震区开始对海原地震进行实地考察,历时4个月,这是中国首次较大规模地进行地震实地科学调查工作,开辟了中国利用现代科学方法观察地震的先河,编制了中国最早的地震等震线图,并在以后几年相继发表了多篇科学著作,内容包括地震破坏情况、余震活动、震前异常和地质背景等,如《甘肃地震考》(翁文灏,1922a)、《民国九年十二月甘肃地震报告》①谢家荣,1922,民国九年十二月甘肃地震报告。、《调查甘肃大地震之报告》(王烈,1921)等 (图2)。在此基础上,翁文灏还编制了甘肃地震表,列出了公元前780—1909年甘肃境内地震240次,首次提出了中国存在16条地震带,指出它们均与重大断裂有关,而且水平动断层和上下动断层皆能发生地震。并指出,甘肃深居大陆中央,却也是大地震频发的地方,甘肃的大断层能继续活动,则别的地方同类断层为何不能也发生同等规模的地震?充分表现了现代地震研究的科学思想(翁文灏,1922b,1923,1927; 江娃利,2008)。
图1 震后海原a震后的海原县城(转自宁夏回族自治区地震局等,2010);b干盐池旧城废墟(镜向东)Fig.1 The post-earthquake scenes of Haiyuan county-seat(a)(after Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,et al.,2010)and ruins of the abandoned town of Ganyanchi(b).
图2 20世纪20年代翁文灏(a)、谢家荣(b)、王烈(c)有关海原地震之著作Fig.2 Works on the Haiyuan earthquake published in the 1920s'by WONGWen-hao(a),XIE Jia-rong(b),and WANG Lie(c).
1.2 20世纪中叶的发现和总结
30年后,在20世纪50—70年代,海原地震研究获得了长足的进步。除了50年代初期开展过部分调查外,1958年郭增建、蒋明先、刘成吉、赵荣国、安昌强和王贵华等6人对海原地震进行了新的、系统的考察和调查,历时1个多月,调查的主要内容包括震害和地震破裂带,特别是发现和勘察了由李俊堡至干盐池长约100km的地震断裂带,并调查了许多震前异常,访问到干盐池湖泊在地震时向北迁移。60年代,阚荣举等在甘肃景泰地区发现地震断裂带西段(国家地震局兰州地震研究所等,1980)。1970年李玉龙等发现海原地震断裂为反时针错动,断裂使水系发生变位,反映了断裂的错动性质。1971年,康哲民等确定海原主震后9天发生的7级强余震发生于海原地震极震区西北的打拉池一带。同期,李龙海等在干盐池盆地西发现十几条石砌田埂被地震断裂带水平错开,反时针错距达2m左右(国家地震局兰州地震研究所等,1980)。可以说,在这一阶段,研究工作最重要的发现主要是发现了海原大地震的地表破裂带和发震断裂及其左旋位移性质(国家地震局兰州地震大队等,1976)(图3c)。在此基础上,国家地震局兰州地震研究所和宁夏回族自治区地震队,于1980年出版了《一九二○年海原大地震》一书,全书是在郭增建研究员指导下,由李孟銮、冯学才、孙崇绍、李龙海、秦保燕等同志完成。这是第一本关于海原大地震的专著(图3a)。该书全面叙述了海原地震震害和等震线图、震源机制、地震序列、震前异常、地震断裂带和地震构造背景,首次给出了极震区为NW向的海原地震等震线图(图3b),纠正了20年代最初发表的等震线图极震区为NE向的错误,同时,对海原大地震的地震序列、震源机制、发震断裂和地震地表破裂带作了全面的叙述。对海原大地震震前的各类异常,包括地下水位的变化、动物习性异常、地声、地光、气象异常及其他有关异常变化作了广泛的收集,并对其时空变化和形成机制加以分析和讨论。
图3 20世纪中叶有关著作(国家地震局兰州地震研究所等,1980)Fig.3 Part of the works relating to Haiyuan earthquake published in themiddle of the 20th century(after Lanzhou Institute of Seismology,State Seismological Bureau et al.,1980).
1.3 海原活动断裂带大比例尺地质填图和定量研究
为了定量研究走滑活动断裂带及其与大地震的关系,邓起东和张维歧等1981—1987年对海原活动断裂带进行了1:50000地质填图,他们首先于1981年在石卡关沟发现了海原地震最大同震位移达10~11m,并认为是海原大地震的初始破裂点和震中所在。1982—1985年,他们与美国麻省理工学院P.莫尔纳(P.Molnar)和B.C.伯奇菲尔(B.C.Burthfiel)等对宁夏南部活动断裂开展合作研究时,重点研究了海原活动断裂带东段宁夏部分。经过多年艰苦的工作,他们先于1989年出版了《海原活动断裂带地质图(1:50000)》(国家地震局地质研究所等,1989)(图4a),然后于1990年出版了《海原活动断裂带》专著(国家地震局地质研究所等,1990)(图4b),内容包括活动断裂的内部结构、滑动速率、变形机制、地震地表破裂带,同震位移分布、地震孕育和发生的构造条件、古地震和大震复发间隔,以及断裂带和地震活动的动力学等。先后参加海原活动断裂带研究工作的人员有邓起东、张维歧、汪一鹏、张培震、宋方敏、焦德成、陈社发、朱世龙和柴炽章等同志,参加中美科技合作的美方人员有麻省理工学院(MIT)大气、地球和行星科学系的 P.莫尔纳(P.Molnar)和 B.C.伯奇菲尔(B.C.Burchfiel)教授及 L.雷登(L.Royden)博士。他们在工作中取得的新进展如下:
图4 海原活动断裂带地质图(1:50000)(a)和海原活动断裂带专著(b)Fig.4 Geologicalmap(1:50,000)(a)and monograph(b)of Haiyuan active fault zone.
(1)吸收区域地质填图的经验,建立和发展了活动构造大比例尺填图技术,完成了第一份活动断裂大比例尺地质图(国家地震局地质研究所等,1989)(图5)。推动了活动构造定量研究,推进了地震危险性定量评价工作;
(2)实测了海原活动断裂带距今1万年以来数百个(277个)水平位移数据,获取了位移发生的年龄,分段求取了断裂带水平滑动速率,最早提出了中国和青藏高原活动断裂的非大运动量、非高速率活动,促进了地震危险性评价和动力学研究(邓起东,1984a;Deng et al.,1984,1986;Zhang et al.,1988a;国家地震局地质研究所等,1990);
(3)全面研究了1920年海原大地震长达230余km的地震地表破裂带及同震位移分布(268个),为地震危险性评价提供了重要数据(图6a,b)(宋方敏等,1983;邓起东,1984a;Deng et al.,1984,1986; 国家地震局地质研究所等,1990);
(4)系统开展了探槽古地震研究,特别是首次在中国开展三维组合探槽古地震研究,获取了多次古地震事件及其复发间隔,通过多探槽对比技术,对古地震活动的丛集模型和多重破裂模型进行了研究,为地震危险性评价打下了基础 (图7);(张维歧等,1984;Zhang et al.,1988b;国家地震局地质研究所等,1990;冉勇康等,1997,1998;闵伟等,2000,2001;张培震等,2003)。
图5 海原活动断裂带1:50000地质图之一Fig.5 Part of the 1:50000 geologicalmap of Haiyuan active fault zone.
图6 海原县石卡关沟海原地震最大同震位移(a,镜向南)及实测图(b)Fig.6 Themaximum coseismic displacement(a)and themeasured drawing(b)of the Haiyuan earthquake at Shikaguan gully,Haiyuan County.
(5)研究了中国第一个发育于走滑断裂带中的拉分盆地,发现了拉分盆地内部张剪切断层新类型,提出了拉分盆地演化新模式,推动了国内关于拉分盆地及其与地震、矿产和油气关系的研究工作 (图8a,b);(Zhang et al.,1983; 邓起东,1984b; 陈社发等,1985; 邓起东等,1987; 国家地震局地质研究所等,1990);
(6)提出了走滑断裂带尾端挤压变形新类型,研究了断裂带走滑量(12~14.5km)和尾端挤压量(12.4~16.71km)的转换平衡,对六盘山构造变形机制提出了新的理论解释 (图9)(邓起东等,1987,1989; 国家地震局地质研究所等,1990;Zhang et al.,1991)。
2 科学研究中的创新思维和创新成就
90年来,通过3个阶段的工作,对海原地震和海原活动断裂带的研究取得了很大的成绩,以上只列举了其中最主要的部分,其他研究者的工作,读者可以在有关刊物中找到。据不完全
图7 海原断裂带高湾子三维组合探槽平面布置图(a)、高湾子探槽剖面之一(b)和海原活动断裂带古地震时空分布图(c)Fig.7 The layout plan of 3-D combined trench at Gaowanzion the Haiyuan Fault zone(a),one of the trench sections at Gaowanzi(b),and temporal-spatial distribution of paleoearthquakes along Haiyuan active fault zone(c).
图8 干盐池拉分盆地航空照片(a)及地质图(b)Fig.8 Aerial photo(a)and geologicalmap(b)of the pull-apart basin at Ganyanchi.
20世纪20年代关于海原地震的研究是中国首次地震实地调查工作,取得了极其重要的实际资料,开创了中国用现代科学方法观察地震的先河。中国前辈科学家李善邦教授(1948)曾指出,我国近代地震研究起始殊晚,若划一纪元,则始于民国9年。是年12月,甘肃发生大地震,中央地质调查所所长翁文灏尝亲历其境,调查地震之前因后果,翁氏实为我国开现代地震研究之门者。此后该所正式负责调查地震之责任,国内任何一地发生地震,必须设法汇集报告,以为研究张本。傅承义院士(1976)则指出:“用现代科学方法来观测地震,在中国可以说是从1920年甘肃大地震之后才开始的”。
在经历了30年停滞后,从20世纪50年代开始的第2阶段调查,对海原地震破裂带和海原地震发震构造有了新的发现,并且完成了第一本全面评价1920年海原大地震的专著,完成了海原大地震等震线图,对地震前异常的研究和认识体现了对地震预测的新探索。
图9 海原活动断裂带走滑量与尾端构造挤压量转换平衡Fig.9 Transition equilibrium between the strike-slip displacement of the Haiyuan active fault and the compressive shortening of thecrust at the end structures of the faults.
80年代海原活动断裂带新的研究开创了通过大比例尺地质填图对活动构造进行定量研究的新时代,完成了首份活动断裂带大比例尺地质图,完成了断裂滑动速率、同震位移和古地震及其复发间隔等多种定量数据的详细研究,推进了活动构造定量研究工作,对走滑断裂结构、破裂扩展和破裂机制、运动模式等开展了全新的研究,不仅荣获1992年国家科技进步奖二等奖和1991年国家地震局科技进步奖一等奖,还引起国内外地球科学界的关注,产生了很大的影响,中国专业报刊曾对其研究加以报道和评述。素未谋面的中国前辈科学家,当年已80高龄的台湾经济部地质调查所原所长毕庆昌教授(1911—2001)辗转收集到《海原活动断裂带》及地质图,1991年,他阅后专门来函称赞道:“这本巨著在今后数十年内一定会被公认为范本,并被奉为经典”(图10)。
3 关于加强地震地质基础工作和基础理论研究的启示
众所周知,地震预测,无论是地震短临预测,还是地震中长期预测都是一个尚未解决的问题,要逐步解决这一问题还有待各方面工作做出长期艰苦的努力,地震地质工作也是其中最重要的一部分。前述1920年海原地震和海原活动断裂带研究对我们如何在地震地质方面做好基础工作和如何更好地开展基础理论研究都有重要的启示。
在基础工作方面,从海原地震和海原活动断裂带研究经验中我们看到大地震研究和活动断裂定量研究的重要性,通过几十年的努力,我们对全国活动构造带有了一些了解,但有些重要的构造和构造带尚未做过研究,而做过大比例尺地质填图工作的活动构造带则更少,我们对许多重要活动构造带的各种活动参数还知之甚少,对一些隐伏活动构造了解更少,无法判断其地震危险性,大地震常常发生在我们事先未能了解的活动构造带或构造段。从20世纪80年代以来,我们已经建立起来活动构造大比例尺填图和定量研究技术,所获得的定量参数对评价地震危险性和工程安全起了很好的作用,但这方面的工作缺乏一个全国计划和长期支持,工作时断时续,不能得到保证。我们一定要改变这一状况,把这方面的工作坚持下去,对全国主要活动构造带定量研究工作要有长远计划,要摒弃那种蜻蜓点水式的调查,做扎实、艰苦的工作,以取得系统可靠的基础资料,经过一段时间的努力,我们才可能形成资料丰富、数据可靠的局面,使我们可以在真正全面掌握构造活动状况的条件下来判别地震活动形势和地震危险性。
图10 1991年台湾毕庆昌教授(1911—2001)来函Fig.10 The letter from Prof.BIQing-chang(1911—2001)of Taiwan.
在基础理论研究方面,我们要在地震地质各个方面,包括活动构造理论认识上不断深入和提高,真正做到“由老到新,由浅入深,由静到动,由定性到定量”去认识构造活动和地震活动的动力作用和动力过程,去认识大地震孕育和发生的地质构造条件和模型。以往我们初步注意到了由浅入深,深浅结合来认识地震的孕育和发震构造,我们注意到了由定性到定量,通过掌握活动构造定量参数来认识地震危险性,但这一认识过程是一个复杂和逐步加深的过程,我们必须不断深入,在反复认识中逐步接近实际。以往我们也曾通过典型张性构造、走滑构造和挤压构造来研究不同类型的活动构造形成机制及其大地震孕震模式,并通过断块构造、块体边界构造带的活动来认识大地震的孕育和发生过程(邓起东,1984b;国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组,1988;国家地震局地质研究所等,1990;邓起东等,2000,2003),但这些工作也只能说是初步的工作,不同类型的构造活动本身就是一个十分复杂的过程,不同构造类型的地震孕育条件和过程更不是一个简单的过程,应该说我们对块体边界构造带中应变局部化和地震成核过程还了解甚少,少数几条构造带的研究,少数几个大地震的研究都不足以真正全面揭开事件的真像和事物的本质,只有经过长期的努力,逐步深入研究才能逐步认识它,解决它。
所以,基础工作和基础理论研究是我们仍然需要不断加强逐步深入去做的工作,这是海原地震和海原活动断裂带几十年研究对我们最重要的启示。
4 结束语
牢记90年前海原大地震带来的灾难,深切悼念在海原大地震中遇难和逝去的先人!牢记几十年来几代人的努力,努力从这一巨大灾难中挖掘出的经验中获得更多和更深入的认识,更加努力地为地震预测和防震减灾事业而工作。自然灾害不会灭绝,可贵的是我们要从中吸取教训,认识它、防御它、减轻它。我们已经走过几十年的工作历程,我们还要继续努力,并且达到一个新的高度。自然变化是可以认识的,灾难是可以预防的,只要我们努力,我们将会做得更好!我们深信这一点。
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LEARNING AND PROGRESS THROUGH SCIENTIFIC PRACTICES:COMMEMORATING THE 90TH ANNIVERSARY OF THE TRAGIC HAIYUAN EARTHQUAKE,STRIVING TO ADVANCE OUR ABILITIESOF EARTHQUAKE PREDICTION AND SEISM IC HAZARD REDUCTION
DENG Qi-dong
(National Center for Active Fault Studies,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China)
The great Haiyuan earthquake occurred at 20:06:09 on December 16,1920 in the southern Ningxia Autonomous Region.The magnitude of this earthquake is 8.5 which is listed as one of the three greatest earthquakes occurring in continental China.This devastating earthquake killed about 230,000 people according to previous reports.Recent studies show that total casualty might have reached 270,000.Study on this earthquake usingmodern scientific and technologicalmethods is the first in the history of earthquake research in China that sets up the monument in China's earthquake science.Significant breakthrough took place in the 80s of last century.The earthquake surface rupture,with 200km in length and prominent left-lateral strike-slip displacement,was discovered.The firstmonograph on the Haiyuan earthquake was published.The innovative technology of large-scale geologicalmapping of active faults was developed during studies on the Haiyuan earthquake surface ruptureswith the publication of the first large-scale map of the Haiyaun active fault.Quantitative studieswere carried out on fine structures and geometry of the fault zone,Holocene slip rate,coseismic displacement,paleoearthquake and recurrence interval of great earthquake,and future earthquake risk assessment.The innovative studies also include rupture propagation along strike-slip fault,evolution of pull-apart basin,determination of total offset across the strike-slip fault,transition equilibrium between strike-slip displacement along itsmajor strand and crustal shortening at its end of the strike-slip fault,and themechanism of deformation on the Liupanshan Mountains.On the occasion of the 90th anniversary of the tragic Haiyuan earthquake,the careful retrospect in scientific progresses achieved during past 20 years would lead to further directions in the studies of active faults and earthquake hazard reduction,so thatwe can console those killed by the Haiyuan earthquake and put forward our efforts toward earthquake prediction and seismic hazard reduction.
Haiyuan earthquake,active fault,paleoearthquake,scientific research
P315.2
A
0253-4967(2011)01-0001-14
10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.001
2011-02-27收稿,2011-03-10改回。
邓起东,男,1938年生,1961年毕业于中南矿冶学院地质系,中国科学院院士,研究员,博士生导师,现主要研究方向为活动构造和地球动力学,电话:010-62009027,E-mail:qddeng@yahoo.com.cn。