最大的謎團：地震時地球內(nèi)部發(fā)生了什么？

［美］羅賓·利奧迪

編者按：2008年5月12日14時28分，是所有中國人應(yīng)該銘記一生的時刻。一年前的那場災(zāi)難，每一位中國人的內(nèi)心都感受到了震顫：母親失去了孩子、妻子失去了丈夫、學生失去了老師……地震展示了自然冷酷、不可捉摸的一面，帶來情感上巨大沖擊的同時，也促使我們再次審視生命的價值。

時隔一載，回首汶川，悲痛依然久久不能散去。在汶川地震發(fā)生一周年之際，編輯部特別策劃了《汶川一周年：關(guān)于地震》這個專題。本專題共有6篇文章，國內(nèi)外學者和專家結(jié)合一些具體的實例，從各個角度談到了地震的歷史、成因、地震學研究的進展以及汶川地震的震情、板塊構(gòu)造等內(nèi)容，從專業(yè)的角度對地震的分布特征和成因做了深入分析和解釋。此外，專題還就有關(guān)地震的種種流言做了剖析，希望我們能用科學的知識去應(yīng)對這個“不仁慈”的自然。

最后我們想說：雄起，汶川!

當發(fā)生較大的地震時，專家們可以解釋其開始的準確位置，涉及什么類型的斷層，甚至可以預(yù)測余震將持續(xù)多長時間。但是，有個奇怪的事實是，對于地震時地球內(nèi)部究竟發(fā)生了什么情況，地震學家和地球物理學家都十分不確定。

在過去的10年中，通過實驗室實驗、更多理論以及對已發(fā)掘斷層的現(xiàn)場研究得出了一些新觀點，使得地震物理學經(jīng)歷了一次變革。但是，對于阻止斷層運動然后使其突然崩潰的力量的性質(zhì)和發(fā)生機理，專家們?nèi)匀徊坏枚?。而且，至今也沒有什么證據(jù)能證明，當斷層真的運動時會產(chǎn)生如實驗室中看到的極高等級的摩擦和熔化現(xiàn)象。

加利福尼亞理工學院的地球物理學家湯姆·海頓說：“有許多證據(jù)讓我們相信發(fā)生了一些怪異的事情。地震時摩擦滑動的問題是所有地球科學中最基本的問題之一，在有關(guān)地震的基本物理問題中，這是一個困擾了人們30年的謎團?！?/p>

輕度地震

大多數(shù)地震發(fā)生在各個構(gòu)造板塊相互接觸和滑動的地方。當移動的摩擦應(yīng)力超過巖石的強度而導致在斷層線上出現(xiàn)崩潰時，地殼隨即發(fā)生劇烈位移，導致彈性應(yīng)變能量的釋放；這種能量以沖擊波的形式傳播，從而形成地震。海頓認為，這里面最關(guān)鍵的問題之一就是這種能量究竟強大到什么程度。

例如，一些科學家認為他們已經(jīng)想出如何在實驗室中模擬小型地震。但是，當他們將實驗室中觀測到的能量按照實際斷層的大小進行放大時，實驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測出斷層上會出現(xiàn)大范圍的熔化現(xiàn)象。而且，此類模型所預(yù)測的破壞遠遠超過2008年發(fā)生在秘魯?shù)膶е?00余人死亡的地震，還有2005年導致近8萬人死亡的巴基斯坦地震和2004年蘇門答臘海岸附近導致25萬余人死亡的地震。

海頓說：“地震的強烈程度可能足以使任何生物葬身其中?！钡?，他認為實際上至今還沒能模擬出一次接近真實地震的實驗結(jié)果。

儀器設(shè)計的問題

之所以會出現(xiàn)這種情況，部分是因為這樣一個事實：要制造一臺模擬地震期間地下數(shù)千米范圍內(nèi)所發(fā)生情況的實驗室儀器非常困難。這些情況包括高應(yīng)力、高壓力、高溫和大約每秒1米的滑動速度(大致為我們走路的速度)。

美國布朗大學的巖石力學專家戴維德·戈爾斯帕和他的同事已經(jīng)設(shè)計出可以對巖石試樣施加地震級高應(yīng)力的儀器，用以研究地球深處的摩擦活動。他說：“我們施加的標準應(yīng)力可以達到在整個地震帶大約10千米深度位置上出現(xiàn)的等級?！彪m然這對于地震科學是影響深遠而又非常重要的一件事，但是戈爾斯帕認為仍有許多問題還沒有解決，因為地球內(nèi)部發(fā)生的情況在等級和物理原理上非常奇特。戈爾斯帕說：“世界上還沒有任何裝置能夠符合所有這些標準?！?/p>

正常的摩擦

在地面上，摩擦是一種與運動對抗的穩(wěn)定力量。像人們搓冰冷的手一樣，摩擦會產(chǎn)生熱量，并隨著你在對象上施加的應(yīng)力增加而增加。因此，斷層滑動期間的熱量會隨著地球深度的增加而增加，所以理論上巖石就必然在其接觸的位置上熔化。但其實在地下，兩塊巨大、堅硬和受重壓的巖石板塊在地震期間通常會出現(xiàn)一塊滑動越過另一塊的情形，因此巖石并不會熔化。戈爾斯帕說，這很不可思議，有可能是因為摩擦以及由此產(chǎn)生的熱量比我們預(yù)計的要小得多。

海頓認為，當兩塊巖石沒有什么相對運動時，它們之間的摩擦力就達到高峰；當?shù)卣鸢l(fā)生巖石快速移動時，它們之間的摩擦力就驟降至零；當巖石移動慢下來之后，摩擦力又再次達到高峰。他認為地震期間摩擦作用的這種怪異特性可能就是幾乎不發(fā)生熔化現(xiàn)象的原因。當巖石快速移動時摩擦力很小，所產(chǎn)生的熱量也很小，因此也就不會出現(xiàn)可探測到的熔化現(xiàn)象。不過海頓認為，出現(xiàn)這種情況可能還因為有一些其他機制牽涉其中。

還有一種解釋是急劇加熱。這種理論認為各個斷層由非常大的力量保持在原位，一旦斷層開始滑動，假如滑動速度足夠快的話，它們在微觀接觸點上會變得非常光滑，就像在冰面和冰刀間的情況一樣。海頓說，在這種情況下會產(chǎn)生一些熱量，但只是一種零摩擦、等離子體的高熱氣體，而不會產(chǎn)生可探測到的熔化物質(zhì)。當斷層移動慢下來時，它們就再次緊密地粘在一起。

戈爾斯帕說，還有一種觀點認為在巖石滑動期間受壓水可以降低斷層上的應(yīng)力，從而減小摩擦。這時斷層就像在一個蒸汽墊子上，使得斷層滑動時摩擦力較小，且?guī)r石熱量不會達到熔點。

地毯上的波紋

海頓說，地震中最關(guān)鍵的問題實際上并不是它們開始的位置，而是斷裂擴散的方式，以及與地震期間摩擦作用的怪異特性密切相關(guān)的一些問題。在一篇論文中，他描述了這種斷層的特性：最快的滑動速度出現(xiàn)在滑動的最前端，像地毯上的波紋一樣快速穿過地球表面。

海頓說，我們已經(jīng)清楚摩擦處于那些滑動脈沖之中。他說：“脈沖中的滑動取決于摩擦力。事實上，不管發(fā)生的滑動有多快，摩擦都能轉(zhuǎn)移。這是一個數(shù)學問題，一個正回饋系統(tǒng)，它們是極不穩(wěn)定的。如果你知道一個脈沖會有多大，就可以預(yù)測到地震的等級，但是地震期間摩擦作用的怪異特性使所有這些預(yù)測都不盡如人意?！?/p>

另外，戈爾斯帕說，地震物理學領(lǐng)域的革命已經(jīng)產(chǎn)生了一些新的觀點。他說：“未來10年內(nèi)我們將了解到關(guān)于地震發(fā)生方式的更多知識，對于這一點我不僅懷有希望而且還很確信。這些知識將幫助我們了解如何減輕地震的破壞作用，還可能在某一天讓我們探測到地震前兆。”