巨大地震的發(fā)生為什么總是出人意料＊

Thorne Lay

（Department of Earth and Planetary Sciences，University of California Santa Cruz，California，USA）

巨大地震的發(fā)生為什么總是出人意料＊

Thorne Lay

（Department of Earth and Planetary Sciences，University of California Santa Cruz，California，USA）

如果你依稀覺得，與為數(shù)眾多的令人恐懼的大地震相比，科學(xué)預(yù)料總是遲到一步或與之相悖，那么你的感覺是正確的。2004年12月以來“特大”地震（8級(jí)或8級(jí)以上地震）的發(fā)生率大約是20世紀(jì)平均發(fā)生率的2.5倍。2004年12月26日蘇門答臘－安達(dá)曼9.2級(jí)地震引發(fā)了毀滅性海嘯，造成印度洋附近23萬多人死亡。自那以來共發(fā)生了5次8.5級(jí)或以上地震。1年前，即2011年3月，東日本9級(jí)大地震及海嘯造成了巨大破壞。

從長遠(yuǎn)來看，這種地震活動(dòng)并非沒有先例：1950—1965年，地球遭受了7次8.5級(jí)或以上地震的嚴(yán)重破壞，其中就包括迄今為止記錄到的最大地震——1960年智利9.5級(jí)地震。最近的震群與以往地震的不同之處在于地震學(xué)家量化破裂過程的能力有所改變。記錄地面運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)代儀器與提取信息的分析方法大都是在1970—2000年之間研發(fā)的，這是一個(gè)平靜間隙，特大地震很少，8.5級(jí)以上地震一次也沒有。實(shí)際上，就在最近的一波地震爆發(fā)之前，地球物理學(xué)界剛剛做好了研究大地震的準(zhǔn)備。

最近發(fā)生的所有事件幾乎都違背了地震會(huì)在何時(shí)何地發(fā)生的某些理論，也與地震將會(huì)產(chǎn)生何種后果的學(xué)說相悖。這可能不足為奇，因?yàn)槟軌颢@取此類事件詳細(xì)數(shù)據(jù)的時(shí)間畢竟很短。

最近的特大地震全都發(fā)生在俯沖帶附近，即海洋板塊向其他板塊下方俯沖的地區(qū)。在這些地方，摩擦引起巖石的粘著與滑動(dòng)，從而引發(fā)間歇性地震。地球物理學(xué)家認(rèn)為，在這些板塊邊界的某些區(qū)域，溫?zé)岬膸r體和易滑的沉積物應(yīng)該能夠阻止摩擦力的逐步增大，從而避免大地震的發(fā)生。我們認(rèn)為最近已經(jīng)發(fā)生過破裂的區(qū)域幾年內(nèi)都不會(huì)再次破裂，而自上一次大地震以來已經(jīng)過去很長時(shí)間的斷層區(qū)段在不久的將來很有可能發(fā)生滑動(dòng)。我們低估了一次地震可以引發(fā)另一次地震的程度。我們研發(fā)的分析程序也只能用來處理持續(xù)數(shù)秒的斷裂運(yùn)動(dòng)，而最近發(fā)生的一些地震卻持續(xù)了數(shù)分鐘。

長期以來，為了將有限的資源有針對(duì)性地用于防震減災(zāi)，研究人員一直試圖對(duì)哪些斷層帶最應(yīng)該引起關(guān)注做出合理的決定。但由于僅有100年的詳細(xì)地震記錄，有時(shí)我們難免會(huì)被誤導(dǎo)，從而忽略了那些隱藏著巨大滑移風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)。地球物理學(xué)家應(yīng)該盡快地從最近的地震事件中吸取教訓(xùn)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。人口增長意味著：與1950—1965年相比，無論是現(xiàn)在還是將來都會(huì)有更多的人面臨地震災(zāi)害的威脅。

1 觸發(fā)點(diǎn)

我們經(jīng)常被問及的一個(gè)問題是，最近的特大地震相互之間是否有直接的聯(lián)系。過去110年的記錄顯示，地震活動(dòng)的這種集中爆發(fā)可能只是統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。的確，沒有發(fā)生像2010年1月12日海地7級(jí)毀滅性地震這樣稍小的地震事件激增的情況。但特大地震在區(qū)域尺度上有可能相互影響。例如，2004年蘇門答臘－安達(dá)曼地震被認(rèn)為是2005—2007年沿同一板塊邊界發(fā)生的更多大地震的觸發(fā)因素（見圖1）。在這些地震之間，蘇門答臘板塊邊界的其中一段自1797年以來一直沒有發(fā)生破裂，且似乎已被卡住，正在聚集應(yīng)變——這是一個(gè)未來有可能發(fā)生特大地震的值得關(guān)注的區(qū)域。

一次大地震是否會(huì)波及更廣的范圍，引發(fā)地球另一邊的地震活動(dòng)，甚至導(dǎo)致地球另一邊數(shù)年后再次發(fā)生一次大地震，這是一個(gè)有爭議的問題。到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)源自一次大地震的地震波只能直接觸發(fā)遠(yuǎn)處的小事件。然而，遙遠(yuǎn)地區(qū)的動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件可能使那里發(fā)生一次大地震的時(shí)間提前，即早于沒有動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件情況下的時(shí)間。

關(guān)于地震觸發(fā)的問題，還有許多事情需要我們?nèi)パ芯?、去認(rèn)識(shí)。例如，2006年11月15日，沿千島群島太平洋下沉板塊與上馱板塊邊界之間（堪察加半島與日本之間）的板塊邊界在一次8.4級(jí)地震中破裂。此次破裂觸發(fā)了太平洋板塊內(nèi)100km外的近海小地震——這種事件很常見。但兩個(gè)月以后，一次8.1級(jí)地震襲擊了同一地區(qū)。沒有一種簡單的理論能夠預(yù)測像這樣一次特大余震多長時(shí)間會(huì)發(fā)生一次，或者說會(huì)在何時(shí)發(fā)生。一個(gè)更奇特的觸發(fā)實(shí)例發(fā)生在2009年9月29日。太平洋板塊內(nèi)的一次8級(jí)地震首先發(fā)生在湯加海溝，并觸發(fā)了其南邊50km外的板塊邊界的又一次8級(jí)地震，而此時(shí)第一次破裂尚未結(jié)束。這兩次地震引發(fā)的海嘯給薩摩亞獨(dú)立國、美屬薩摩亞群島和湯加造成了巨大破壞。

圖1 出人意料的地震場景

至于發(fā)布預(yù)警的能力，我們可以從其他一些已經(jīng)發(fā)生的地震中吸取令人清醒的教訓(xùn)。一些研究人員堅(jiān)持認(rèn)為，地震由初始破裂發(fā)展而來，而初始破裂攜帶的某種信號(hào)可以表明最終破裂會(huì)有多大。最近的幾次地震給這種希望潑了冷水。2007年（8.0級(jí)）和2001年（8.4級(jí)）發(fā)生在秘魯?shù)膬纱翁卮蟮卣鹚坪醵际加趲状?.7級(jí)破裂，這些破裂在停頓了一段時(shí)間之后引發(fā)了鄰近區(qū)域能量釋放更大的破裂。而2011年東日本大地震（9.0級(jí)）似乎始于一次4.9級(jí)小地震。這些飄忽不定的地震生成模式給預(yù)警工作帶來了挑戰(zhàn)。

2 破裂機(jī)制

過去10年間第一個(gè)令人震驚的巨大地震——2004年蘇門答臘－安達(dá)曼地震——沿出人意料的1300km長的板塊邊界破裂。地震學(xué)家認(rèn)為本次地震所及之處的板塊會(huì)發(fā)生水平剪切，而不是俯沖。該事件持續(xù)時(shí)間特別長：斷層滑動(dòng)持續(xù)時(shí)間超過了7.5分鐘。確定地震滑移的程序大都是利用持續(xù)約30秒的小地震事件研發(fā)的，遠(yuǎn)程地震儀記錄這些事件的兩種不同的波：縱（P）波和幾分鐘之后到達(dá)的橫（S）波。在蘇門答臘地震事件中，當(dāng)S波已經(jīng)從破裂起始點(diǎn)到達(dá)時(shí)，P波仍在不斷涌入，由此使兩種波混雜在一起。但研究人員僅用了幾個(gè)星期就修改了他們的算法。這種更新的程序如今被廣泛使用，這樣一來，即使是最大地震，研究人員和政府機(jī)構(gòu)也能夠在幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)對(duì)其斷裂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

2007年4月1日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月2日），所羅門群島板塊邊界上發(fā)生8.1級(jí)地震，其破裂地點(diǎn)出人預(yù)料，即海洋裂谷系（形成新洋殼的洋脊）與俯沖帶相交的地方。依常規(guī)而言，裂谷巖體既熱且易變形，不可能聚集足夠引發(fā)一次大地震的摩擦應(yīng)變。然而，對(duì)地震波的分析結(jié)果顯示，兩個(gè)下沉板塊以不同的方向朝太平洋上馱板塊下方滑動(dòng)；那次破裂就發(fā)生在這3個(gè)板塊會(huì)聚的“三聯(lián)點(diǎn)”。對(duì)其他洋脊俯沖地區(qū)（從秘魯?shù)綔釉俚酵吲D）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重新評(píng)價(jià)正在進(jìn)行之中。

2010年2月27日，智利發(fā)生8.8級(jí)地震，其襲擊的那段板塊邊界最后一次破裂是在1835年（查爾斯·達(dá)爾文經(jīng)歷了那次地震）。我們推測大地震將會(huì)發(fā)生的地點(diǎn)時(shí)，一般基于過去發(fā)生的事件，這就形成了一種觀念，即板塊邊界具有強(qiáng)烈的分段特征，各個(gè)地區(qū)會(huì)重復(fù)發(fā)生規(guī)模類似的地震事件。然而，情況并非如此。雖然2010年智利地震起始于1835年破裂帶的中心區(qū)域（預(yù)計(jì)此處會(huì)發(fā)生大的滑移），但主要滑動(dòng)卻偏北，出現(xiàn)在1928年剛剛破裂的板塊邊界。

2010年10月25日蘇門答臘近海7.8級(jí)地震令人震驚的是，它使俯沖帶的最淺部分發(fā)生了破裂，由此引發(fā)了巨大海嘯。一般認(rèn)為，那條斷層內(nèi)淺部板塊邊界上低強(qiáng)度、易變形的沉積物可以妨礙彈性應(yīng)變的積累，由此阻止大的滑移。但它們未能阻止這一切的發(fā)生。目前我們?cè)陲L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中必須考慮此類事件，因?yàn)樗刮覀兠靼祝l(fā)海嘯的大地震發(fā)生的地方可能比我們從前推測的離海溝更近。

同樣的情況還有2011年3月11日東日本大地震所在的板塊邊界，其歷史上經(jīng)歷過的事件都比此次地震要小得多。該斷層的淺部本來預(yù)期不會(huì)積累大量的彈性應(yīng)變。而結(jié)果卻出人預(yù)料，該事件在淺部出現(xiàn)了40～80km的巨大滑移，而且還使2005年剛剛破裂的鄰近斷層段也發(fā)生了滑動(dòng)，從而使事件的規(guī)模增大，并引發(fā)了超出防備能力的巨大海嘯。

3 慘痛的教訓(xùn)

遺憾的是，我們往往是通過痛苦的經(jīng)歷來提高對(duì)地震的認(rèn)識(shí)。但這種認(rèn)識(shí)畢竟正在不斷地向前推進(jìn)。

我們?cè)陬A(yù)測某些特定區(qū)域的地震風(fēng)險(xiǎn)方面的能力正在不斷提高。在最近幾次大地震發(fā)生前，應(yīng)變積累的大地測量觀測結(jié)果已經(jīng)在圖上標(biāo)出了蘇門答臘、智利和日本等地有可能發(fā)生大地震的區(qū)域。日本附近的海底測量結(jié)果已經(jīng)接近于表明2011年發(fā)生大的、淺部斷層位移的可能性。倘若給出更多的時(shí)間來觀察正在積累應(yīng)變的地方，那么此次地震的規(guī)模和海嘯就不會(huì)如此令人感到意外。情況雖然如此，但對(duì)日本區(qū)域地震網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的快速分析還是提供了地震預(yù)警（日本稱“緊急地震速報(bào)”——譯者注）；這種預(yù)警的水平還可以進(jìn)一步提高。

解決這種問題的方法之一就是擴(kuò)大儀器觀測的覆蓋面。日本的地震觀測儀及GPS儀的密集覆蓋在幫助監(jiān)測地震活動(dòng)和認(rèn)識(shí)最近的3·11大地震方面發(fā)揮了巨大的作用。其他地區(qū)還需要加強(qiáng)儀器觀測，特別是近海海域。美國俄勒岡和華盛頓沿岸地區(qū)最后一次大地震是發(fā)生在1700的9級(jí)地震，為了提高對(duì)這一地區(qū)大地震風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知水平，一項(xiàng)重大行動(dòng)計(jì)劃正在實(shí)施之中。

雖然作為個(gè)體的大地震肯定還會(huì)使我們感到震驚，但我們的思想已經(jīng)發(fā)生了最重要的轉(zhuǎn)變：我們必須認(rèn)識(shí)到，在我們認(rèn)為不存在大地震風(fēng)險(xiǎn)的地方也有發(fā)生較大地震的可能性。吸取這一教訓(xùn)確實(shí)很困難，但我們必須學(xué)會(huì)。

譯自：Nature，8March 2012，Vol.483，149-150

原題：Why giant earthquakes keep catching us out

（中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯）

（譯者電子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

P315；

D；

10.3969／j.issn.0235-4975.2012.04.002

2012-04-03。