第七节 地震与断层
岩浆流涡旋以舌岩体为传动轴，对地壳岩石层产生扭旋作用。扭旋的岩石层除了发射出N波以外，还会出现破裂与错动现象，形成地震断裂带，又称地震断层。根据舌岩体的扭旋作用机制推演，地震断层的形成需要经历以下两个阶段：
第一阶段，震源体脱落之前，在岩浆流涡旋的作用下,舌岩体像钟表里面上了弦的发条一样，处在扭旋状态。舌岩体又会把扭旋的角动量传递给岩石层，使岩石层发生扭曲和变形，形成螺旋形纹理结构。虽然岩石层的扭旋强度在不断增大，但是，螺旋形地质结构具有化解超负荷地应力的能力，以增大旋转半径的方式，把不断增大的地应力转移出去；因而，在相当一段时间，岩石层基本保持完整，不会发生断裂与错动，称这一阶段为断层的孕育期。
为了直观地演示舌岩体产生的扭旋效应，调整舌岩体的倾斜角θ为0°，即保持垂直状态，设立一个虚拟的地壳结构模型。在岩石层表面垂直竖立一个刚性面板，与岩石层焊接在一起，令刚性面板带动岩石层围绕Y轴一同转动。虽然刚性面板与舌岩体分别处在岩石层的上下两侧，但是，对于地壳岩石层来说，二者所产生的扭旋作用效应是完全一样的。
如图，刚性面板与岩石层相交于连线EF，EF线与断裂带MN平行，两点距离相当于舌岩体的横向长度，G点位于EF中心。当刚性面板围绕Y轴扭旋时，将带动岩石层沿着水平面发生转动，形成一个以EF为直径的椭圆。它是岩石层扭旋作用轨迹，震后将演绎为震中区的等烈度线。随着舌岩体扭旋作用的推进，地应力逐渐增大，岩石层内部将产生一系列物理效应，如地热、地声、地光、地磁变化、地电变化、重力异常等现象，是地震即将来临的征兆。
2008年5月12日四川汶川发生8.0级特大地震，中国的地震专家们在1000多公里以外，利用压磁频率测量系统完整地记录了大地震前表层剧烈形变的力量加强过程。在发震前94天，地应力出现大幅度快速变化的短期地震前兆，三个受力元件分别受压633.5 Pa、1512 Pa、4561.4 Pa。临震前几小时指向震中方向的元件出现4次脉冲式突跳的临震异常，然后大地震发生了。[18]
上述观测事实说明，在5.12汶川大地震发生前的三个月，在千里以外就能检测到地应力的异常变化。地应力变化是从震中发出的，而不是向震中方向汇聚，说明震中是发射应力脉冲波的波源，这一点与岩石层以螺旋形结构向外转移应力的推测相吻合。
震前地应力变化现象
唐山地震前，“唐山十中的一些教师回忆：我们学校震前有口水井，井深52米，该井井管直径为60厘米的水泥管，厚21厘米。一位负责该井观测的老师反映，在1976年5月初，在观测时听到井中“沙，沙”作响，用手电筒照时，发现井筒歪斜，水泥管错位。……震前4天，即7月24日上午，这位老师在测水位时，发现井筒变形十分剧烈，致使水泥管破裂，局部剥落，大量泥沙涌入，无法测准水位。”
另据开滦唐山矿地质科人员回忆：震前我矿有几口地下水位观测井，其中离发震断裂较近、观测深度较大的两口井，也出现了变形现象。……在1976年5月，也发现在深300至400米处套管变形测水困难。[19]
需要指出，设定舌岩体倾斜角度为0°是一种理想化处理，而实际情况并不是如此。可以推测，在以一定倾角舌岩体的作用下，地壳岩石层平面将发生倾斜现象。在5.12汶川大地震震前50天内，发生了3次山体大滑坡，很可能就是由于地面倾斜造成的。
第二阶段，震源体脱落时，下潜板块积累的弹性势能瞬间释放出来，这时，扭旋的地壳岩石层将迅速向回摆动，整个大地左右晃动，这就是我们感受到的地震。岩石层在反转过程中，发生破裂与错动，形成弧形地质断裂带，这就是地震断层的形成机制。可见，断层是伴随地震而产生的，弧形断裂带的滑动方向与震前螺旋形地质结构旋转方向正好相反。
资料显示，一般7级以上地震都伴有明显的地震断层,个别6级以上或震源较浅的地震也出现有地震断层。沿地震断层带分布的明显的地质地貌标志有：地震断层陡坎(断层崖)、槽沟、鼓包、水塘、堰塞湖、山脊及水系(冲沟)错开、滑坡、崖崩、古树错开及倾斜，以及构筑物的错开等。[20]
按照舌岩体扭旋作用机制推演，地壳岩石层在回旋摆动过程中，将在水平和垂直两个方向发生运动。水平运动是扭旋的岩石层产生的一种弹性回旋，形成弧形地质断裂带。垂直运动是舌岩体倾斜作用的结果，使断裂带的两侧产生了一定落差。
地震断层的错裂现象
（1）1739年，宁夏平罗8级地震造成的明代石砌长城右旋错开，水平错距1.45米，垂直错距0.9米。
（2）1920年，宁夏海原 8.5级大地震形成了长度230公里地震断层，水平位移量达5米，垂直位移量为1米,是我国最长地震断层。
（3）1976年，唐山7.8级地震的地震断层长8公里，水平位移1.53米，垂直位移为0.7米。
（4）1923年，日本关东地区发生8.2级地震。这次地震产生出露断层，水平位移达4～5米，在海湾中心有的地方下沉90～180米，有的地方隆起229米。
一般说来，在地球自转偏向力的作用下，北半球的流体物质形成的涡旋，如海水漩涡、热带气旋等都呈逆时针旋转，南半球的流体物质形成的涡旋，都呈顺时针旋转。这一运动规律同样适用于软流圈中的岩浆流，即北半球的岩浆流涡旋呈逆时针旋转，南半球的岩浆流涡旋呈顺时针旋转。震源体脱落时，岩石层的回旋方向与岩浆流的涡旋方向正好相反。由此推测，地震发生时，北半球地面上的物体包括断层的滑动方向，都将按照顺时针方向转动，又称右旋。南半球地面上的物体包括断层的滑动方向，都将按照逆时针方向转动，又称左旋。到目前为止，来自北半球的地震观测资料已经证明了上述推断，相信南半球的地震断层也应该遵循此规律。
地震断层及建筑物的旋转方向
1951年西藏当雄8级地震中，“一组扭性地裂与形变带总体走向基本一致，裂面隐蔽且平直，具右旋性质。”
1976年7月28日中国唐山大地震时，强烈地形变区集中在地震断层的两侧。在这个形变条带内，最大垂直错距达1米左右；地震断层水平形变呈顺时针扭动，两侧的点位相对位移量约为2.5米，裂缝出现不同的扭动水平错距与上下沉降落差。
在唐山地震中，建筑物也会被扭动旋转，丰润县城关屋顶小烟囱、北京外贸学院砖烟囱等都有显著的顺时针扭转。铁路、公路、行道树被旋扭弯曲、错开，人被抛掷过河；被抛出的物体会“拐弯”；抱住树的人绕树转了好几圈；行进中的汽车旋转一百八十度；“觉地旋运，因而头晕”。
衡量地震的大小有两把尺子：震级和烈度。震级是指地震释放能量的大小，与震源体的质量成正比，用“级”来表示。烈度是指地震在不同地点造成破坏的程度，与岩石层回旋释放出来的弹性势能成正比，用“度”来表示。决定地震烈度大小的有两种因素，一是震源深度，二是到震中的距离。一次地震只有一个震级，但可有多个烈度，震源越深，烈度越小，距离震中越近，烈度越高。
在以往的地震理论研究中，人们发现世界上90%的地震与断层活动有关，1902年，美国学者A.Mekey提出了地震的断层说。这一假说认为，当一部分地壳岩石在构造应力的作用下，达到强度极限时，就会产生断裂。在岩石破裂的刹那，附近岩石将不可避免的产生振动形成地震。断层说最有力证据是1906年的旧金山大地震，地震发生时，沿着圣安德烈斯断层发生了在430km范围内的近期错动，水平位移3～6m，最大错动6.4m。
为解决岩石破裂时能量的释放问题，1910年H.F.Reid提出了断层成因说的弹性回跳理论。他认为，岩石受力时首先产生弹性变形，聚集了弹性应变能。弹性形变一旦达到了岩石强度极限时，岩石就会发生破裂形成断层。断层两侧的岩石要恢复到未变形的位置，而产生弹性回跳，从而以弹性波的形式释放出能量，这种弹性波传播到地面时就形成了地震，其原理与弯折一个钢片或拉断一根弹簧一样。[21]
然而，分析发现，弹性会跳理论有一个致命弱点，有学者研究指出，如果地震能量是通过固体状态的岩石弹性变形方式积累的，那么，有实验证据表明，一个强烈地震向外释放出的能量，已经远远超出了体积不是很大的震源材料通过弹性变形所能积累的能量极限，其地应力作用更绝对超出了任何一种固体材料的弹性限度，为什么震源不通过一系列较小的地震活动，把积累起来的能量分批释放出来呢？还有一点也无法解释，固体状态的岩石发生破裂造成的震动，应该跟一次大爆炸产生的震动类似，不可能像地震那样长时间地高频低幅震动，以至于时间超过十秒以上。[22]
舌岩体扭旋作用机制，合理地克服了上述理论疑难。首先，在地震发生之前，扭旋的岩石层处在“拉伸”状态，而不是断层说中提出的“挤压”状态，两种作用方式完全不同。螺旋形地质结构能够把不断增大的地应力转移出去，因而，不存在地应力超过岩石强度极限的问题。其次，地震是扭旋的岩石层产生的一种弹性摆动，不是构造应力作用下的岩石粉碎性破裂。一次地震所经历的时间与岩石层的摆动周期成正比，不会像固态岩石破裂那样瞬间结束；因而，持续时间较长，一般都在十几秒钟以上。
综上所述，地震是舌岩体扭旋作用的结果，断层只是地震过程中产生的一种伴生现象，地震的形成与断层无关。由此也印证了美国地震学家李克特在《地震学初步》中所说的那句话，真正伴有明确的成因断层的大地震，观测到的并不很多，典型的有日本浓尾地震（1891年）和美国的旧金山地震（1906年）；但是更多的大地震是找不到成因断层的，看到的断层多半是次生的，即是说，它们是地震之“果”，不是地震之“因”。[23]