加州地震概率預(yù)測(cè)將對(duì)地震學(xué)理論產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)＊

Glennda Chui

加州地震概率預(yù)測(cè)將對(duì)地震學(xué)理論產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)＊

Glennda Chui

地質(zhì)斷層的運(yùn)動(dòng)模式與科學(xué)家曾經(jīng)預(yù)期的并不相同。目前,科學(xué)家試圖對(duì)地震的活動(dòng)習(xí)性形成全新的認(rèn)識(shí),Glennda Chui對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。

現(xiàn)在從加州傳出的低沉的隆隆聲并不是地震的聲音,而是該州精心打磨的一套地震預(yù)報(bào)理論因受到強(qiáng)烈震動(dòng)而發(fā)出的響聲,這套理論將退回原點(diǎn),一切都要重新開始。

位于科羅拉多州丹佛市的美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地震學(xué)家、加州地震概率工作組(Working Group on California Earthquake Probabilities WGCEP)負(fù)責(zé)人Ned Field說,“我們正在談?wù)撘淮螌?duì)地震預(yù)報(bào)理論的大檢驗(yàn)?！痹摴ぷ鹘M負(fù)責(zé)預(yù)報(bào)整個(gè)加州未來30年內(nèi)破壞性地震發(fā)生的概率。

他們的報(bào)告預(yù)期2011年出臺(tái)。與該小組的前身一樣,其研究成果也將產(chǎn)生巨大影響——不僅對(duì)科研產(chǎn)生影響,而且對(duì)加州的公共政策也會(huì)產(chǎn)生影響。加州是美國人口最多的州,面臨全國3/4的地震危險(xiǎn)。那里對(duì)地震預(yù)報(bào)的探索是全世界最全面的,那里的某些斷層也得到了最廣泛深入的研究,所以從加州取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)最容易對(duì)其他地震多發(fā)國家和地區(qū)產(chǎn)生影響。

1 傳統(tǒng)概念

從地震學(xué)的觀點(diǎn)看,2011年出臺(tái)的報(bào)告將拋開長期以來統(tǒng)治地震研究和地震預(yù)報(bào)的一套頗具影響的概念。這些傳統(tǒng)概念中的一種假說認(rèn)為斷層也是“墨守成規(guī)”的,它們習(xí)慣于大規(guī)模破裂,即一次又一次地產(chǎn)生規(guī)模大致相同的“特征”地震。另一種模型斷言大地震最有可能發(fā)生在很長時(shí)間未經(jīng)歷過大震動(dòng)的“地震空區(qū)”。兩種理念都是在用簡(jiǎn)單的物理學(xué)術(shù)語來解釋地震的活動(dòng)習(xí)性,就直覺而言是有意義的。但近期的研究工作動(dòng)搖了人們對(duì)這些傳統(tǒng)觀念的信任。

位于洛杉磯的南加州地震中心主任Thomas Jo rdan說,發(fā)生特征地震的世界“是我們都想居住的世界”,“但事實(shí)卻并非如此,因?yàn)榈卣鸩⒉皇前l(fā)生在簡(jiǎn)單的斷層結(jié)構(gòu)上,而是發(fā)生在相當(dāng)復(fù)雜的斷層系內(nèi)。Jo rdan認(rèn)為地震活動(dòng)涉及斷層間復(fù)雜的相互作用,導(dǎo)致其混沌機(jī)制很難預(yù)測(cè)。斷層個(gè)體的物理學(xué)特征以及它們之間的相互作用其實(shí)非常復(fù)雜,所以沒有單一的確定性規(guī)則可以解釋其活動(dòng)習(xí)性。

這一全新認(rèn)識(shí)不僅對(duì)特征地震的觀點(diǎn)提出挑戰(zhàn),而且對(duì)于另一個(gè)更陳舊、更具基礎(chǔ)特性的觀念也是一種挑戰(zhàn),即斷層的活動(dòng)習(xí)性都遵循一定的行為模式。此觀念被稱為彈性回跳理論,源自1906年舊金山大地震,那場(chǎng)地震將舊金山的大部分地區(qū)夷為平地。彈性回跳理論由位于馬里蘭州巴爾的摩市的約翰霍普金斯大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Henry Fielding Reid首先提出,當(dāng)時(shí)他率隊(duì)對(duì)那場(chǎng)災(zāi)難的地質(zhì)學(xué)和物理學(xué)特征展開了正式調(diào)研。

在研究了沿圣安德烈斯斷層的破裂和地面運(yùn)動(dòng)的余震之后,Reid開始將地震視為壓力聚集與釋放的周期性表現(xiàn)。地表下會(huì)發(fā)生應(yīng)變積累,直至達(dá)到臨界水平。就在那一刻,斷層一側(cè)的巖石相對(duì)于另一側(cè)的巖石猛然向前運(yùn)動(dòng)。這種突然的運(yùn)動(dòng)會(huì)將地下積壓的能量幾乎釋放一空,之后應(yīng)變?cè)俅畏e累,但它還需要一段時(shí)間才能達(dá)到足以引發(fā)另一次地震的水平。

Reid理論是一個(gè)革命性的概念,因?yàn)樵诖酥笥诌^了半個(gè)世紀(jì),板塊構(gòu)造學(xué)說對(duì)于圣安德烈斯斷層上的應(yīng)力究竟來自何方才作出解釋。而且該理論也相當(dāng)具有吸引力,因?yàn)樗凳緫?yīng)變積累與釋放的循環(huán)周期的規(guī)律性足以用來預(yù)測(cè)地震。在1910年的詳細(xì)調(diào)研結(jié)果報(bào)告中[1],Reid提出了一種預(yù)言下次地震發(fā)生時(shí)間的方法:按垂直于斷層的角度打一排樁子,并不時(shí)地測(cè)量它們的相對(duì)角度、距離和高度。當(dāng)測(cè)量結(jié)果顯示應(yīng)變已積累到臨界水平時(shí),“我們就預(yù)期有強(qiáng)震發(fā)生,”他在報(bào)告中這樣寫道。

2 深入探測(cè)

一個(gè)世紀(jì)以來,彈性回跳理論之后的地震假說都是建立在該理論基礎(chǔ)之上的:畢竟,當(dāng)?shù)貧ぐ鍓K互相推擠、擦肩而過時(shí),地下聚集的應(yīng)變最終也必須得到釋放,釋放的方式可能是地震,也可能是另一種緩慢的、安靜的方式被稱為無震滑動(dòng)。然而,地震釋放能量的過程與應(yīng)力聚集的過程都是一成不變的觀念正受到越來越多的抨擊,因?yàn)槭聦?shí)證明地震要比Reid想象的復(fù)雜得多而且也更具個(gè)性化。

這種個(gè)性特征在許多方面都已顯現(xiàn)出來。某些情況下,地震以震群的形式發(fā)生,如2004年蘇門答臘西北海岸近海發(fā)生的9.1級(jí)地震和隨后發(fā)生在附近的地震序列,其中就包括2009年9月的那次地震。另有一些情況,地震使某些斷層的大部分區(qū)段破裂,將從前地震事件中不曾向一起聚集的地塊連接起來。某些地震甚至能從一個(gè)斷層跳到另一個(gè)斷層,如加州莫哈維沙漠(Mojave Desert)的M 7.3 Landers地震和2002年阿拉斯加中部的M 7.9地震。這兩次地震之所以廣為人知還有其他原因:它們都引發(fā)了小地震、間歇噴泉噴發(fā)以及數(shù)千公里外的其他一些地震活動(dòng)。

圖1 加州地區(qū)地震概率。2009年根據(jù)斷層習(xí)性的理論模型所作地震預(yù)報(bào)(注:原圖為彩圖)

從前有研究顯示,沿圣安德烈斯斷層發(fā)生的大地震呈重復(fù)模式,但就在這里也出現(xiàn)了與地震有規(guī)律性這一觀點(diǎn)相悖的證據(jù)。地震有規(guī)律性的觀點(diǎn)源自20世紀(jì)70年代末、80年代初對(duì)洛杉磯以北的圣安德烈斯斷層中-南段進(jìn)行的研究。在那里開展工作的地質(zhì)學(xué)家測(cè)定了由1857年Fort Tejon大地震(震級(jí)被測(cè)定為7.9)引發(fā)的河流和其他地貌的偏移量。沿該斷層開挖的溝渠揭示出一系列的類似地震,其時(shí)間跨度約200～400年。在每一點(diǎn),每次地震期間斷層的滑動(dòng)量似乎都相同[2]。

但最近的挖掘工作大大地改變了此前的觀念。2004年,加州大學(xué)歐文分校的Lisa Grant Ludwig率隊(duì)在一個(gè)叫Bidart Fan的地方開挖壕溝,此處一些溪流通過厚厚的沉積,在圣安德烈斯斷層的中-南段形成了多條渠道。沿溝壁呈現(xiàn)的以往地震痕跡使沉積層中斷,利用碳-14分析可測(cè)定其年代。2009年1月,她和另外兩名地質(zhì)學(xué)家發(fā)表了一篇論文[3],將此段斷層上大地震的復(fù)發(fā)間隔縮短為137年。自那以后,她們又將其估算值縮短為100年,而且表示某些大地震甚至50年就會(huì)發(fā)生一次——意味著地震不像從前的研究揭示的那么有規(guī)律性。

Grant Ludwig說,“我認(rèn)為彈性回跳似乎依然是基礎(chǔ)理論”,“但建立在此基礎(chǔ)之上的東西看起來將會(huì)與它有所不同”。

位于Menlo Park的USGS古地震學(xué)專家Thomas Fumal對(duì)圣安德烈斯斷層連續(xù)進(jìn)行了25年的研究。他說沿該斷層大部分區(qū)段的情況跟以前預(yù)期的都不相同:科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大地震發(fā)生的頻率遠(yuǎn)比以前研究結(jié)果揭示的要高——而且震級(jí)范圍更大。

3 遲到的地震

特征地震的觀點(diǎn)在2004年遭受了又一次打擊,那年,圣安德烈斯斷層在加州中部城鎮(zhèn)帕克菲爾德(Parkfield)附近釋放了一次6級(jí)地震。20世紀(jì)80年代,研究人員在此處布設(shè)了密集的地震臺(tái)網(wǎng)。根據(jù)19世紀(jì)經(jīng)歷的地震周期大約為22年這一事實(shí),他們預(yù)期在1993年會(huì)有一次中等強(qiáng)度的地震。然而,地震比預(yù)期的晚發(fā)生了10多年。根據(jù)2005年的一份報(bào)告[4],地震發(fā)生的時(shí)間及其他特征“幾乎使所有的簡(jiǎn)單地震模型都處于尷尬境地”。

David Jackson早就預(yù)料到會(huì)有這種結(jié)果,因?yàn)檫@與他所看到的全世界的地震模式相符。1991年,同在加州大學(xué)洛杉磯分校工作的Jackson和Yan Kagan對(duì)全球地震目錄進(jìn)行了分析,他們得出的結(jié)論是大地震在時(shí)間和空間上都呈群發(fā)態(tài)勢(shì)[5]。按理說不應(yīng)該出現(xiàn)這種情況。如果地震遵循彈性回跳理論,那么大地震應(yīng)該“重新設(shè)定地震時(shí)鐘”,在另一次大地震襲擊同一地區(qū)之前會(huì)有一個(gè)時(shí)間間隙。

Kagan和Jackson認(rèn)為曾遭受地震襲擊的區(qū)域再次遭受大地震襲擊的可能性會(huì)增大,而不是減小[6]。其他地球物理學(xué)家對(duì)于他們的說法大都不予理會(huì),但隨后發(fā)生在加州Mojave Desert的地震序列卻令人目瞪口呆。1992年4月Joshua Tree發(fā)生了M 6.2地震,兩個(gè)月后發(fā)生了Landers地震和Big Bearm 6.5地震,7年以后又發(fā)生了Hector minem 7.1地震。

長期以來,科學(xué)家知道較小地震可以呈群發(fā)態(tài)勢(shì):當(dāng)主震發(fā)生后大地便會(huì)因余震而不斷顫動(dòng)。但一次大地震后另一次大地震會(huì)接踵而至的觀點(diǎn)卻讓人震驚。而現(xiàn)在,研究人員會(huì)很自然地談到大地震會(huì)引發(fā)另一些大地震,這些地震可能發(fā)生在附近的斷層,也可能發(fā)生在遙遠(yuǎn)的斷層。

據(jù)文獻(xiàn)分析[7],2004年蘇門答臘巨大地震后Parkfield附近發(fā)生的小震模式其實(shí)很不尋常

說明那次印尼地震事件降低了約8000 km外的圣安德烈斯斷層的強(qiáng)度。在那篇文獻(xiàn)中,加州大學(xué)伯克利分校的地震學(xué)家Taka’aki Taira及其同事指出那次印尼地震也會(huì)在全球觸發(fā)一連串的8級(jí)地震。

4 勇于挑戰(zhàn)

位于加州Pasadena的USGS科學(xué)家Karen Felzer說,她已開始相信許多地震,無論震級(jí)大小,都是由其他地震引發(fā)的,而不是簡(jiǎn)單地對(duì)局部力作出的反應(yīng)。“就本人而言,我同意Jackson和Kagan的觀點(diǎn),即實(shí)際上不會(huì)出現(xiàn)彈性回跳對(duì)所有地震發(fā)生的時(shí)間真正產(chǎn)生控制作用的是觸發(fā)過程?！?/p>

2011年加州地震概率報(bào)告的準(zhǔn)備工作必將在地震學(xué)界產(chǎn)生極大震動(dòng)。當(dāng)1988年地球科學(xué)家擬就第一階段報(bào)告時(shí),其內(nèi)容要簡(jiǎn)單得多。當(dāng)時(shí),一個(gè)由地球物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家組成的專家團(tuán)隊(duì)將圣安德烈斯斷層系劃分為輪廓清晰的不同區(qū)段,然后根據(jù)某一特定地點(diǎn)發(fā)生較大地震后已經(jīng)過去的時(shí)間來指定各個(gè)區(qū)段未來發(fā)生地震的概率。

如今許多年過去了,根據(jù)對(duì)以往地震的研究、實(shí)驗(yàn)室研究和理論研究,后續(xù)版本都指出了地震的復(fù)雜性。許多新的模型也已問世,它們以各種方式將不同的斷層區(qū)段結(jié)合起來,由此產(chǎn)生更大的地震。研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到迄今未被認(rèn)知的斷層的危險(xiǎn)性,并指定了它們的地震概率。

2009年發(fā)表的最新版本的報(bào)告[8]提出了幾個(gè)亟待解決的問題,如“斷層系的互動(dòng)復(fù)雜性是否會(huì)有效地顛覆彈性回跳理論所包含的地震可預(yù)測(cè)性,或者至少會(huì)大大降低地震的可預(yù)測(cè)性?”對(duì)于這個(gè)問題和其他同樣棘手的問題,該研究小組表示答案是“會(huì)的?！?/p>

Field說,最近幾次預(yù)報(bào)中出現(xiàn)的復(fù)雜問題主要都集中到一點(diǎn),即“就某些方面而言,我們的模型就像紙牌搭成的房子一樣基礎(chǔ)還不夠牢靠。我們發(fā)現(xiàn)模型中有些東西其實(shí)我們并不喜歡,還需要改進(jìn)?！?/p>

但是,每當(dāng)科學(xué)家稍稍調(diào)整模型結(jié)構(gòu)的某一部分時(shí),另一部分就會(huì)開始搖晃。Field說,現(xiàn)在好了,“我們可以將以前的模型全部推翻,從頭再來。我相信我們最終會(huì)建起一個(gè)更清晰也更簡(jiǎn)單的模型,而不是一個(gè)經(jīng)過反復(fù)修正的東拼西湊的東西。”

2011年的工作報(bào)告名稱為“加州地震破裂統(tǒng)一預(yù)報(bào)3”(Uniform California Earthquake Rup ture Fo recast 3),其中不會(huì)過多地強(qiáng)調(diào)甚至還會(huì)徹底排除斷層的分段性,并將明確表示任何地方都有可能是地震的起始點(diǎn)或終結(jié)點(diǎn)。雖然該報(bào)告不會(huì)擯棄彈性回跳理論,但它也不會(huì)承認(rèn)這一模型就是確定人們最關(guān)心的較短時(shí)間尺度內(nèi)(數(shù)十年至數(shù)百年)地震活動(dòng)模式的主導(dǎo)因素。

Field說,“我們不想排除彈性回跳理論,因?yàn)榈卣饘W(xué)界還有許多人認(rèn)為該學(xué)說至少對(duì)于震級(jí)較大的地震還是很有意義的”,但還沒有人知道該模型會(huì)怎樣被融入斷層間不斷相互作用、斷層破裂約束條件越來越少的世界。

實(shí)際上,有人說地震太復(fù)雜了,僅僅依據(jù)對(duì)其物理特征的認(rèn)識(shí)就想對(duì)地震形成約束是不可能的也是不切實(shí)際的。因此,研究人員提出了用于預(yù)報(bào)即將發(fā)生的地震特征的純統(tǒng)計(jì)模型,這種模式與他們現(xiàn)在預(yù)報(bào)余震的方法非常相似。USGS的Andrew michael說,現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)一方得到了很大的推動(dòng)力。

目前,地球物理學(xué)家正在通過一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目使他們的某些預(yù)報(bào)理論接受檢驗(yàn),該項(xiàng)目名稱為“地震可預(yù)測(cè)性研究合作實(shí)驗(yàn)室(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability)”,3年前在Wm Keck基金會(huì)的資助下開始運(yùn)行,創(chuàng)始人是Jordan。他說,“此舉的理念是提供一個(gè)讓人們可以進(jìn)行科學(xué)的地震預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境,并讓這種實(shí)驗(yàn)得到可觀的評(píng)價(jià)”。該項(xiàng)目在南加州、新西蘭、日本和瑞士都有測(cè)試中心。有39個(gè)預(yù)報(bào)模型正在美國的南加州地震中心接受檢驗(yàn),還有40多個(gè)正在其他國家接受檢驗(yàn)。每一模型的測(cè)試期為5年,期間不允許調(diào)整。

由于加州地震概率工作組試圖將有關(guān)地震活動(dòng)模式的相互碰撞的各方觀點(diǎn)和諧統(tǒng)一起來,所以來自以上模擬結(jié)果的信息與來自圣安德烈斯斷層和其他地方的新數(shù)據(jù)一道都將被融入該團(tuán)隊(duì)的研究成果中。對(duì)于預(yù)報(bào)方法的這次大檢驗(yàn)?zāi)芊裣馞ield預(yù)期的那樣推動(dòng)地震預(yù)報(bào)理論的根本變革,讓我們拭目以待。最終,該工作組將利用基于各方專家觀點(diǎn)建立起來的復(fù)雜的邏輯樹作出自己的結(jié)論。USGS地質(zhì)學(xué)家、特征地震模型的建造者之一David Schwartz說,擯棄彈性回跳的基本元素,或者說擯棄至少某些斷層系上的地震是依循著循環(huán)往復(fù)的規(guī)則發(fā)生的觀點(diǎn)是不對(duì)的。他不介意研究人員探索公眾已熟知的(對(duì)各州居民產(chǎn)生真正影響的)預(yù)報(bào)方法以外的新模型。他說,“那很好,就看它會(huì)將地震學(xué)理論引向何方了”,“我可不是要厘定我的地震保險(xiǎn)費(fèi)率?！?/p>

譯自:Nature,Vol.461,15 October 2009,870-872

原題:Shaking up earthquake theory

(中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯;李平恩 校)

(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

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D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.08.001

2010-08-01。