巨大斷層深處的群發(fā)顫動(dòng)＊

Naomi Lubick

巨大斷層深處的群發(fā)顫動(dòng)＊

Naomi Lubick

一個(gè)即將發(fā)生在北美下方的微震群可能會(huì)對(duì)地震學(xué)家做好大地震的防備工作有所幫助但前提是地震學(xué)家必須學(xué)會(huì)解讀這些顫動(dòng)事件。

過去幾周，位于西雅圖市的華盛頓大學(xué)地震學(xué)家一直處于高度警戒狀態(tài)。他們認(rèn)為奧林匹克半島（Olympic Peninsula）附近深處現(xiàn)在的每一天都有可能發(fā)生一連串的微震動(dòng)，這種震動(dòng)每12～14個(gè)月出現(xiàn)一次。當(dāng)下一輪震動(dòng)波來襲時(shí)，研究人員已做好了捕捉信息的準(zhǔn)備。

過去的一年中，該地震研究團(tuán)隊(duì)精心布設(shè)了一個(gè)地震臺(tái)網(wǎng)在該半島整個(gè)山區(qū)的地下布設(shè)了一個(gè)由100多臺(tái)地震儀組成的臺(tái)陣。當(dāng)儀器開始拾取顫動(dòng)信號(hào)時(shí)，研究人員將立刻返回山區(qū)，在地球顫動(dòng)的位置布設(shè)更多的地震儀。每隔幾天，科學(xué)家們就會(huì)檢查一下這些傳感器，給它們換上新電池并下載數(shù)據(jù)，以期捕捉到腳下發(fā)生的地震事件的最多信息。

這些地震會(huì)在數(shù)天內(nèi)不知不覺地結(jié)束。但對(duì)于地震學(xué)家而言，這種群發(fā)性顫動(dòng)有時(shí)被稱作非火山型顫動(dòng)理應(yīng)歸于過去10年中最重要的發(fā)現(xiàn)之列，因?yàn)樗鼈儗?duì)于認(rèn)識(shí)破壞性斷層的習(xí)性具有啟示作用。研究人員于2002年在日本最先發(fā)現(xiàn)這種顫動(dòng)，一年之后，太平洋西北地區(qū)的研究團(tuán)隊(duì)在西雅圖附近的卡斯卡迪亞（Cascadia）地區(qū)下方也探測(cè)到了類似顫動(dòng)。

卡斯卡迪亞顫動(dòng)引起了科學(xué)家的極大興趣，因?yàn)樗鼈冊(cè)醋院０断路缴钐帲颂幱幸粋€(gè)被認(rèn)為曾釋放過接近9級(jí)地震的巨大斷層。研究人員希望通過即將開展的詳細(xì)探測(cè)對(duì)沿該斷層的地震活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些反復(fù)發(fā)生的微震群可被用作探測(cè)手段來對(duì)地下的應(yīng)力變化狀況進(jìn)行跟蹤；這種顫動(dòng)甚至還可提供有關(guān)未來大地震的時(shí)間和地點(diǎn)的線索。

位于加利福尼亞州的斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家Greg Beroza一直在關(guān)注著華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的成果，他說，“這簡(jiǎn)直太令人振奮了”。這些顫動(dòng)的發(fā)生是有規(guī)律可循的，這就使研究人員可以提前做好準(zhǔn)備，因而，它們?yōu)樵敱M研究地震事件提供了一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)。“如果10年以前你告訴我說某種地震活動(dòng)快要出現(xiàn)了，就發(fā)生在深大斷裂上，而且這些地震活動(dòng)還有規(guī)律可循，我們可以預(yù)測(cè)它們會(huì)在不久的將來再次發(fā)生，那么我會(huì)告訴你，你簡(jiǎn)直瘋了”，Beroza說道。

1 難以捉摸的信號(hào)

顫動(dòng)的地震記錄看起來與普通地震不同（圖1）。普通地震在頃刻間爆發(fā)高頻能量突然釋放，并迅速消失。而顫動(dòng)則溫和一些；它們的振動(dòng)以低頻為主，來去過程也不像普通地震那樣大張旗鼓。顫動(dòng)的這些特征，再加上顫動(dòng)的微弱性，使得它們很難被探測(cè)到。對(duì)顫動(dòng)的初步觀測(cè)已在阿拉斯加和墨西哥等地展開，但目前有關(guān)這方面的信息仍然很粗略，因?yàn)橹挥袔讉€(gè)地方的地震臺(tái)網(wǎng)的地震儀可以達(dá)到能夠捕捉顫動(dòng)信號(hào)的靈敏度。東京大學(xué)地震研究所的Kazushige Obara是第一個(gè)注意到顫動(dòng)的地震學(xué)家，所用信號(hào)是由埋置于地下的固定監(jiān)測(cè)臺(tái)陣記錄到的[1]。1995年神戶災(zāi)難性地震之后，日本政府在全國(guó)范圍內(nèi)建立了一個(gè)由600臺(tái)監(jiān)測(cè)儀組成的地震臺(tái)網(wǎng)；這些儀器被埋置在100多米深的地下，為的是免受人為噪聲（如卡車的隆隆聲）干擾，因?yàn)檫@些噪聲可以蓋過振動(dòng)。當(dāng)Obara探測(cè)到日本下方30 km深處持續(xù)數(shù)周的極深微震時(shí)，全世界的研究人員立刻開始研讀他們自己案頭的資料，以期發(fā)現(xiàn)類似跡象。

在日本，顫動(dòng)主要發(fā)生在一個(gè)板塊向另一板塊俯沖的構(gòu)造板塊匯合帶上。同樣的結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)在太平洋西北地下，即沿卡斯卡迪亞俯沖帶的地方，這一俯沖帶從加拿大不列顛哥倫比亞省溫哥華島一直延伸至美國(guó)加州北部（見圖2）。此處，胡安·德富卡板塊向北美大陸板塊下方滑動(dòng)。自從上次大地震（據(jù)推測(cè)發(fā)生在1700年）以來，卡斯卡迪亞俯沖帶的危險(xiǎn)區(qū)段一直處于閉鎖狀態(tài)，但研究人員預(yù)測(cè)該區(qū)段將在下世紀(jì)內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性大破裂。

圖1 顫動(dòng)產(chǎn)生的地震信號(hào)（上）和小地震產(chǎn)生的地震信號(hào)（下）

圖2 顫動(dòng)群的起源。一塊海洋地殼正沿卡斯卡迪亞俯沖帶向北美構(gòu)造板塊下方滑動(dòng)。板塊之間斷層面的上部處于閉鎖狀態(tài)，此處聚集的應(yīng)力將在一次巨大地震中釋放。該斷層或其附近區(qū)域的下部大概每年都會(huì)產(chǎn)生群發(fā)性顫動(dòng)；研究這些有規(guī)律的顫動(dòng)事件對(duì)于地震學(xué)家密切關(guān)注俯沖帶狀況可能會(huì)有所幫助（注：原圖為彩圖）

面對(duì)如此風(fēng)險(xiǎn)，研究人員對(duì)捕捉群發(fā)性顫動(dòng)事件非常感興趣，他們認(rèn)為這是監(jiān)測(cè)該俯沖帶地下深處活動(dòng)的一種手段。2009年，他們錯(cuò)過了一次機(jī)會(huì)。華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)預(yù)期顫動(dòng)群會(huì)在8月份出現(xiàn)，但該震群卻在5月初就發(fā)生了，那時(shí)許多野外儀器都還沒有就位。研究人員利用一個(gè)固定臺(tái)陣記錄到了很少一部分事件，但遠(yuǎn)沒有他們期望的那么詳細(xì)。2010年，他們的準(zhǔn)備工作做得要好一些。一旦固定臺(tái)陣拾取首批顫動(dòng)信號(hào)，他們就會(huì)立刻動(dòng)身去擴(kuò)大顫動(dòng)群上方的臺(tái)網(wǎng)。每一個(gè)完整的固定臺(tái)陣大概由24臺(tái)間距為200～300m的地震儀組成，這些地震儀都將被布設(shè)在遠(yuǎn)離人類噪聲的偏遠(yuǎn)地區(qū)。該團(tuán)隊(duì)的工作得到了50萬美元的經(jīng)費(fèi)支持，經(jīng)費(fèi)源自美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）向“地球透鏡計(jì)劃”（一個(gè)非營(yíng)利性研究聯(lián)合體）提供的撥款。

華盛頓大學(xué)地震學(xué)家、該項(xiàng)目的主要科學(xué)家之一John Vidale說，“就我們所能看到的成果而言，我們?cè)谝巴忾_展的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將是史無前例的”。

Vidale說，該團(tuán)隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)被稱為“由臺(tái)陣組成的臺(tái)陣”，通過比較地震波到達(dá)每一臺(tái)地震儀的時(shí)間，可精確確定顫動(dòng)源的位置?！斑@就像用耳朵傾聽一樣，我們可以判斷出聲音來自哪個(gè)方向，”他進(jìn)一步解釋道。

顫動(dòng)群的起源正在引發(fā)激烈爭(zhēng)論。在日本，地震學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果是顫動(dòng)源自板塊的匯合面俯沖－斷層邊界，這里也是產(chǎn)生巨大地震的地方。但在卡斯卡迪亞，根據(jù)不列顛哥倫比亞省太平洋地學(xué)中心的Honn Kao及其同事的研究結(jié)果[2]，地震信號(hào)卻顯示某些顫動(dòng)還有可能發(fā)生在斷層面上方。

2 深部顫動(dòng)

確定振動(dòng)源的位置可以幫助研究人員了解產(chǎn)生這些振動(dòng)的物理過程。顫動(dòng)起源于地下幾十公里，此處地球的冷地殼被拖入熱地幔。上地殼中的脆性巖石在應(yīng)力作用下很容易破裂，從而引發(fā)地震。但地幔中的巖石溫度極高，它們?cè)趬毫ψ饔孟轮粫?huì)扭曲變形而不會(huì)破裂。顫動(dòng)似乎就發(fā)生在俯沖板塊溫度升至足以使其巖石性質(zhì)變?yōu)轫g性的復(fù)雜地帶。

本周發(fā)表的一項(xiàng)研究成果[3]可以幫助解釋日本下方部分地區(qū)顫動(dòng)產(chǎn)生的過程。東京大學(xué)地震學(xué)家Satoshi Ide表示，四國(guó)島（Shikoku island）下方的顫動(dòng)習(xí)性受控于該俯沖帶中存在的巖石類型。Ide發(fā)現(xiàn)某些顫動(dòng)的位置排列起來呈條帶狀，其方向與過去1 000萬年間該俯沖板塊的運(yùn)動(dòng)方向一致。他認(rèn)為根據(jù)這些條帶可以追蹤海山留下的軌跡即深埋于海洋板塊內(nèi)的從前的火山遺跡，該海洋板塊目前仍在向日本下方俯沖。

他說，如果此推斷正確，那么海山對(duì)顫動(dòng)習(xí)性產(chǎn)生影響的方式可能會(huì)有兩種。第一，當(dāng)?shù)貧せ氲蒯r(shí)，海山會(huì)對(duì)上覆板塊起到羈絆作用，從而引發(fā)陣顫。第二，海山的化學(xué)成分可能會(huì)使它們起到潤(rùn)滑劑的作用，就像成塊的油脂一樣使板塊運(yùn)動(dòng)趨于平緩，這樣一來，本來可能是災(zāi)難性的大破裂就變成輕微的顛簸顫動(dòng)了。

Beroza稱Ide的發(fā)現(xiàn)還只是初步成果，但“這一成果確實(shí)非常重要”，因?yàn)樗沂玖藬?shù)百萬年來巖石的特征是怎樣延續(xù)的，以及它們對(duì)今天的顫動(dòng)事件的發(fā)生究竟起到了什么作用。與日本的情況相同，卡斯卡迪亞的顫動(dòng)事件有時(shí)也發(fā)生在可能反映俯沖巖石某種特征的條帶內(nèi)。

利用新舊實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法，研究人員試圖通過測(cè)試壓力狀態(tài)下巖石的摩擦、空隙度以及其他變化特性來確定究竟是什么情況引發(fā)了顫動(dòng)而不是全面爆發(fā)的大地震。斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家Paul Segall說，這些研究有助于揭示出是什么因素對(duì)俯沖帶深度的斷層運(yùn)動(dòng)起到了控制作用。

3 地震線索

科學(xué)家也沒有搞清相同斷層上的顫動(dòng)與較大地震有什么關(guān)系。在日本和卡斯卡迪亞地區(qū)，顫動(dòng)事件得到了較細(xì)致的觀測(cè)，它們往往都發(fā)生在產(chǎn)生大地震的俯沖板塊附近；而且起源于為未來大地震聚集能量的“閉鎖”區(qū)下方。

華盛頓大學(xué)地球物理學(xué)家Joan Gomberg說，研究人員正試圖發(fā)現(xiàn)顫動(dòng)模式的改變，因?yàn)轭潉?dòng)模式的改變可能暗示著斷層內(nèi)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變。一旦出現(xiàn)這種聯(lián)系，地震學(xué)家就會(huì)開始對(duì)顫動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期發(fā)現(xiàn)大地震前的某些跡象。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些非常有趣的線索，但迄今為止還沒有提出令人信服的結(jié)果。再如，加利福尼亞州的圣安德烈斯斷層也經(jīng)歷過顫動(dòng)事件與1、2級(jí)地震同時(shí)發(fā)生的情況，但兩者之間的直接聯(lián)系還有待證實(shí)[4]。

與此同時(shí)，Obara及其同事計(jì)劃再增加一個(gè)野外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以收集更多的有關(guān)日本下方顫動(dòng)事件的詳細(xì)資料。當(dāng)顫動(dòng)群來襲時(shí)，卡斯卡迪亞的研究人員也做好了抓住機(jī)會(huì)、立刻捕捉信息的準(zhǔn)備。

華盛頓大學(xué)地震學(xué)家Ken Creager回憶起2009年他們的研究團(tuán)隊(duì)錯(cuò)過捕捉顫動(dòng)機(jī)會(huì)時(shí)的失望情景，他說，“這些事件的發(fā)生似乎很有規(guī)律性，但也不完全如此。”今年，他更有信心。“無論如何，我們也要捕捉到顫動(dòng)信息?！?/p>

譯自：Nature，Vol.466，15 July 2010，312-313

原題：The secret chatter of giant faults

（中國(guó)地震局地球物理研究所 左玉玲 譯；鄭需要 校）

（譯者電子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

[1]Obara K.Nonvolcanic deep tremor associated with subduction in southwest Japan.Science，2002，296：1 679-1 681

[2]Kao H，Shan S-J，Dragert H，et al.Northern Cascadia episodic tremor and slip：A decade of tremor observations from 1997 to 2007.J.Geophys.Res.，2009，114：B00A12，doi：10.1029／2008JB006046

[3]Ide S.Striations，duration，migration and tidal response in deep tremor.Nature，2010，466：356-359

[4]Nadeau R M，Guilhem A.Nonvolcanic tremor evolution and the San Simeon and Parkfield，California，earthquakes.Science，2009，325：191-193

P315.4；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2010.10.002

2010-09-26。