加州倒計(jì)時(shí)

段景頤

2008年，美國地質(zhì)調(diào)查局放出了一則重磅消息：在未來30年內(nèi)，加利福尼亞州發(fā)生6.7級以上地震的可能性超過99%，并且極有可能發(fā)生7.8級以上大地震。屆時(shí)，南加州圣安德烈亞斯斷層沿線都可能是受災(zāi)地區(qū)。絕大多數(shù)老建筑都無法承受這次強(qiáng)烈地震，公路、市政管線、發(fā)電廠和水壩等基礎(chǔ)設(shè)施將可能癱瘓數(shù)月，即便按照最理想的可能性計(jì)算，基礎(chǔ)設(shè)施的恢復(fù)至少也需要數(shù)周時(shí)間。大地震將帶來超過2000億美元的經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)計(jì)將有數(shù)千人在地震中喪生。

躁動(dòng)的斷層

美國加利福尼亞州一直是全世界地震最頻繁的地區(qū)之一，這是因?yàn)榧又莸牡叵卤灰粭l長約1287千米、深入地下約16千米的圣安德烈亞斯斷層貫穿。圣安德烈亞斯斷層以西的太平洋板塊及以東的北美洲板塊正分別向西北和西南方向移動(dòng)，其移動(dòng)速度達(dá)到平均每年3.5厘米，但是這種移動(dòng)常是斷斷續(xù)續(xù)。圣安德烈亞斯斷層大致可分為三段，每段爆發(fā)大型地震的間隔從150年到200年不等。

距離北段斷層上一次爆發(fā)大型地震已經(jīng)過去了112年，那次震級為7.8級的大地震幾乎摧毀了整個(gè)舊金山灣，造成數(shù)干人死亡，80%的城區(qū)面積被破壞。中段斷層已經(jīng)很長時(shí)間沒有劇烈活動(dòng)，距離上一次7.9級強(qiáng)烈地震已經(jīng)過去了161年。南段上一次爆發(fā)大型地震是在距今約300年前，因此，這里可以說是地震風(fēng)險(xiǎn)最高的一段區(qū)域。

2008年，美國國家地質(zhì)調(diào)查局對未來可能發(fā)生在加州的大地震做了一次模擬，認(rèn)為近期內(nèi)圣安德烈亞斯南段斷層可能發(fā)生2～7米的移動(dòng)，并造成一場7.8級左右的大地震。2017年，美國加利福尼亞州索爾頓湖（加州最大湖）地下被探測到總共發(fā)生了200多次小型地震，最高強(qiáng)度達(dá)4級，這讓地震學(xué)家們十分緊張。索爾頓湖下方剛好是圣安德烈亞斯斷層的南端點(diǎn)，據(jù)地震學(xué)家預(yù)測，圣安德烈亞斯斷層南端每隔200～300年就會(huì)發(fā)生一次大地震。距離上一次大地震爆發(fā)已經(jīng)過去了約300年。太平洋板塊一直往北擠壓著北美板塊，斷層也積累了300年的板塊應(yīng)力，一旦大地震爆發(fā)，后果不堪設(shè)想。

南加州地震中心的專家認(rèn)為，小型地震對釋放應(yīng)力起到的作用微乎其微，它們倒是很可能觸發(fā)大地震。因此圣安德烈亞斯斷層附近的任何一次地震活動(dòng)，都讓地震學(xué)家的心懸到了嗓子眼兒。地震學(xué)家的擔(dān)憂源自目前人類無法預(yù)測地震，雖然加州地震局已經(jīng)在地下埋設(shè)了大量地震檢波器，已經(jīng)有能力從衛(wèi)星捕捉地面的實(shí)時(shí)圖像，并且具備了前所未有的強(qiáng)大計(jì)算能力和各種模擬板塊運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型，但這依然無法讓人們準(zhǔn)確預(yù)測下一次南加州大地震何時(shí)來臨。

橫貫加州的圣安德烈亞斯斷層導(dǎo)致加州地區(qū)地震頻基

追蹤千年古地震

要全面了解圣安德烈亞斯斷層的活動(dòng)，就有必要將研究的時(shí)間軸拉長。如果能追溯到數(shù)百、甚至數(shù)千年前的地震活動(dòng)，將更有助于科學(xué)家預(yù)測圣安德烈亞斯斷層的活動(dòng)周期。為此，美國地震科研團(tuán)隊(duì)對位于洛杉磯東部的弗雷澤山進(jìn)行了前后多達(dá)30次的挖掘，編制出了該地區(qū)從公元800年至今的完整地震記錄，成功追蹤到了過去1200多年中，圣安德烈亞斯斷層部分地區(qū)發(fā)生的共計(jì)10次造成地面破裂的古地震。

這10次古地震都在地面上留下了“作案痕跡”：本應(yīng)該依次堆積的沉積層和有機(jī)物質(zhì)層在地震的威力下被撕裂。其中一個(gè)拉分盆地由于被地震活動(dòng)反復(fù)地?cái)D壓和扭曲，再加之其相對較高的沉積速度和豐富的有機(jī)質(zhì)，讓科學(xué)家能夠方便地從其中獲取碳14定年法所需的材料，因此該盆地成了研究團(tuán)隊(duì)一窺地震歷史的窗口。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在過去1200年里，該地區(qū)平均每隔100年發(fā)生一次地震，并造成地面破裂。根據(jù)這項(xiàng)研究，自公元800年以來10次破裂地震之間的時(shí)間間隔最短為20年，最長達(dá)200年。按照這個(gè)規(guī)律推演，圣安德烈亞斯斷層早就應(yīng)該再次發(fā)生大地震了。在10次古地震中，有3次的間隔時(shí)間超過160年。雖然更長的間隔也曾出現(xiàn)過，但這并不是好消息。因?yàn)榈卣鹗轻尫诺貙討?yīng)力的唯一途徑，兩次地震間的間隔越長，就越有可能釋放積累的更強(qiáng)應(yīng)力，從而造成更大的地面破裂。最近的一次地震是1857年的7.9級大地震，也是這1200年中兩次最大震級的地震之一，甚至美國陸軍駐地泰洪堡（距離洛杉磯約100千米）也有明顯震感，因此這次地震也被稱為泰洪堡地震。

科學(xué)家正在進(jìn)行挖掘，以了解關(guān)于古地震的更多信息。

研究人員比較了泰洪堡地震發(fā)生之前，圣安德烈亞斯斷層多個(gè)古地震的規(guī)模。他們測量了地層滑移量，并假設(shè)滑移完全由地震活動(dòng)引起，由此得出古地震的規(guī)模。研究人員發(fā)現(xiàn)，在過去1200年間，圣安德烈亞斯斷層最常見的地震震級在7，5級左右。1857年的那次地震導(dǎo)致泰洪堡土壤液化，大量樹木和建筑陷入泥土中，泰洪堡以西的樹木都被連根拔起。如果泰洪堡地震發(fā)生在洛杉磯，將摧毀洛杉磯半數(shù)建筑和設(shè)施。更糟糕的是，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看來，下一次大地震的規(guī)模很有可能超過泰洪堡地震。

不安分的兩端

最讓地震學(xué)家們擔(dān)憂的，恰恰是圣安德烈亞斯斷層的最南端，該地區(qū)上一次爆發(fā)強(qiáng)烈地震是在17世紀(jì)晚期，距今已經(jīng)有300多年，如今正處于最有可能爆發(fā)大地震的階段。近年來南段地區(qū)發(fā)生的一些小型地震，都被被認(rèn)為是大地震即將到來的前兆。來自加州大學(xué)伯克利分校的地震學(xué)家伯格曼認(rèn)為，小型地震密集出現(xiàn)的背后可能有兩個(gè)原因：一是地下流體正在穿過地殼;二是地下斷層開始緩慢移動(dòng)。已經(jīng)有先例可以證明，無論是這其中的哪種情況，都可能引發(fā)規(guī)模更大的地震。

加州地區(qū)斷層密布，每條顏色的線段都標(biāo)記了一個(gè)斷層。

在圣安德烈亞斯斷層的南段，來自加利福尼亞州立大學(xué)的朱利安·羅佐斯利用精細(xì)的計(jì)算機(jī)斷層模型對可能發(fā)生的地震進(jìn)行了一次模擬。他發(fā)現(xiàn)圣安德烈亞斯斷層和另一個(gè)名為圣哈辛托的斷層相連，兩者之間雖然有一段長約1500米左右的間隙，但計(jì)算機(jī)模型顯示，大型地震可以越過這個(gè)間隙繼續(xù)傳播。更加讓人擔(dān)心的是，如果兩個(gè)斷層同時(shí)破裂，爆發(fā)更大規(guī)模地震的風(fēng)險(xiǎn)將大大增加。羅佐斯將他能收集到的所有歷史地震數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)模型，計(jì)算結(jié)果顯示，爆發(fā)于1812年12月8日的7.5級萊伍德大地震，極有可能是由圣哈辛托斷層的一次小型斷層崩裂所引發(fā)。地震的能量影響了位于其北部附近的圣安德烈亞斯斷層，兩個(gè)斷層的聯(lián)動(dòng)最終導(dǎo)致了萊伍德大地震。多斷層的聯(lián)合崩裂讓更大規(guī)模地震發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

圣安德烈亞斯斷層的北段也不平靜。2017年，伯格曼對圣安德烈亞斯斷層的北段進(jìn)行了調(diào)查。他們利用衛(wèi)星測量和地下傳感器收集到的數(shù)據(jù)，測出了該地區(qū)地下兩個(gè)體量較小的斷層——海沃德斷層和卡拉維拉斯斷層各自的形狀。雖然它們的規(guī)模比不上圣安德烈亞斯斷層，但各自都有可能制造7級以內(nèi)的強(qiáng)烈地震。伯格曼發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)斷層不僅彼此密集交叉，海沃德斷層的北部還和另一個(gè)名為羅德斯溪的斷層相連。如此復(fù)雜的斷層關(guān)系，意味著該地區(qū)極有可能發(fā)生7級乃至7.5級以上地震，而地震的發(fā)生地和傳播模式已經(jīng)很難用計(jì)算機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

地震預(yù)警系統(tǒng)

雖然目前我們無法準(zhǔn)確預(yù)測地震何時(shí)何地發(fā)生，但可以在地震釋放可怕威力前的數(shù)十秒內(nèi)發(fā)出警告，從而盡可能地減少損失。美國國家地質(zhì)調(diào)查局的“地震早期預(yù)警系統(tǒng)”就能起到這個(gè)作用，這套系統(tǒng)被研究人員親切地稱為“無腦者”。

那么，系統(tǒng)是怎么“提前”發(fā)現(xiàn)地震的呢？這是由于地震會(huì)釋放各種波，其中，P波不具破壞性，且在地質(zhì)媒介中的傳播速度最快，高于S波、L波等，而電磁波的傳播速度（30萬千米/秒）遠(yuǎn)大于地震波速度（約10千米/秒）。地震預(yù)警技術(shù)就是利用P波和s波的速度差、電磁波和地震波的速度差，在地震發(fā)生后，當(dāng)破壞性地震波尚未來襲的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出預(yù)警。“無腦者”的地震檢波器散布在整個(gè)加州西海岸地區(qū)，它們能夠?qū)崟r(shí)探測到地震波，并做出飛速響應(yīng)。據(jù)工程師介紹，這套系統(tǒng)能在地面感知到晃動(dòng)的數(shù)十秒前發(fā)出警告，為人們提供寶貴的避難時(shí)間。盡管只是短短的十幾秒，也足夠在學(xué)校上課的孩子們鉆進(jìn)桌底或進(jìn)入安全區(qū)域;醫(yī)生有時(shí)間能夠停下正在進(jìn)行的手術(shù);高速行駛的列車能夠降低到安全速度甚至完全停下：城市供水、電力和燃?xì)夤疽材茉诘谝粫r(shí)間切斷供應(yīng)。

在地震頻發(fā)的日本，早期地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，并且覆蓋面也更廣。除了學(xué)校等公共設(shè)施設(shè)置的警告喇叭，人們隨身攜帶的手機(jī)也會(huì)在同一時(shí)間發(fā)出警告。但是在美國，由于種種限制，早期地震預(yù)警系統(tǒng)還處于研發(fā)階段。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局稱，整套系統(tǒng)所需的傳感器安裝數(shù)量嚴(yán)重不足，即便按照滿足最基本要求所需的傳感器數(shù)量計(jì)算，也僅有40%左右的探測器被安裝到位。

無腦者預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)單元

軟層建筑毫無招架之力

地震很可能會(huì)損毀建筑，進(jìn)而威脅人類的生命安全，為此，加州不得不對建筑進(jìn)行全面加固和修繕。在所有建筑物中，磚混建筑對地震的抵抗力是最弱的，盡管加州已經(jīng)于1933年禁止建造磚混建筑，但依然有許多此類建筑存在。但比起這些磚混建筑，另一種數(shù)量更多的建筑類型更讓人操心。

洛杉磯是加州最大的城市，這里的許多房屋還是20世紀(jì)七八十年代修建的木結(jié)構(gòu)軟層建筑。“軟層”這個(gè)名字的由來是因?yàn)檫@種建筑的第一層是最弱的，剛性也沒有其他層高，臨街層沒什么墻壁支撐，也沒有太多基礎(chǔ)骨架。軟層建筑作為一種功能多樣的建筑形式，從20世紀(jì)50年代后被美國大部分地區(qū)廣泛采用：低層住宅的一樓可能是商鋪和供行人行走的半封閉式走廊：酒店的一樓大廳多半會(huì)被修建得很高;商廈的一樓需要連續(xù)的、大量的落地窗展示商品。直到1971年的雪爾瑪大地震導(dǎo)致大量軟層建筑垮塌并導(dǎo)致人員傷亡，人們才意識(shí)到這種軟層建筑的危險(xiǎn)。

軟層建筑為什么在地震面前如此脆弱呢？現(xiàn)在常見的剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，兩側(cè)由剛性剪力墻構(gòu)成。所謂的剪力墻是鋼筋混凝土的墻板，能夠很好地承受剪切力，將力量分配至地基，在大風(fēng)和地震中保持建筑結(jié)構(gòu)完整。而軟層建筑沒有剪力墻，只靠埋入地下的立柱支撐更上層結(jié)構(gòu)。因此，在地震發(fā)生時(shí)，立柱很容易因?yàn)槭芰^大而扭曲，當(dāng)扭曲發(fā)展到一定程度時(shí)，材料疲勞就會(huì)引發(fā)立柱斷裂，最后導(dǎo)致整個(gè)建筑物倒塌。1994年發(fā)生在洛杉磯的北嶺地震導(dǎo)致許多軟層建筑的上層倒塌到地面，造成了大量傷亡。

2015年10月，洛杉磯市頒布了嚴(yán)格的建筑物重新修繕/加固法案。強(qiáng)制要求全市1.4萬棟建筑進(jìn)行重新加固，具體做法是用強(qiáng)度更高的鋼梁替換原有的鋼梁，使建筑物能夠抵抗地震帶來的劇烈晃動(dòng)。這種加固方法效果很好，但缺點(diǎn)是費(fèi)用昂貴，如果進(jìn)行剪力墻和框架改裝，費(fèi)用將會(huì)更高。但成本問題還在其次，最讓人擔(dān)心的是緩慢的施工速度——1.4萬棟建筑的加固工程完全結(jié)束，預(yù)計(jì)要到2022年。

但地震不會(huì)等人，工期漫長的結(jié)構(gòu)性改造不能讓整個(gè)加州度過隨時(shí)可能到來的危機(jī)。有沒有能快速提高建筑抗震性的方法呢？確實(shí)有這種方法，那就是給建筑物的承重結(jié)構(gòu)纏繞碳纖維布。工程師們用環(huán)氧樹脂浸泡碳纖維布，將其沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上。碳纖維布可以幫助結(jié)構(gòu)承擔(dān)剪切力，并大大降低裂縫出現(xiàn)的概率。不過，碳纖維布的價(jià)格是比較高的。

因?yàn)檐泴咏ㄖ淖畹讓幼畲嗳?，因此在地震中?huì)首先坍塌。

后續(xù)災(zāi)害

不過，相對于建筑所承受的破壞，加州當(dāng)局更擔(dān)心地震活動(dòng)對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞。地震發(fā)生時(shí)，最先遭到破壞的是輸電系統(tǒng)，最強(qiáng)烈的地震波傳達(dá)到地面的瞬間，電力就會(huì)中斷。燃?xì)夤艿篮碗娎|破裂的后果更加可怕。1994年洛杉磯大地震中，奪去生命和造成損失最多的不是地震而是燃?xì)夂偷叵率凸艿榔屏岩l(fā)的大范圍火災(zāi)。供水管道和排污管道也會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，飲水將成為震后最讓人們頭疼的問題之一。因?yàn)榈卣鸷芸赡茏尵W(wǎng)絡(luò)通信失效，這意味著被困在瓦礫中的幸存者們無法通過手機(jī)求助，沒有受傷的人們也無法盡快獲得避難和救援信息。

地震也會(huì)給震區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鐵路和高速公路等主要交通網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)關(guān)閉數(shù)天乃至數(shù)周。如果洛杉磯和長灘的港口也不得不停止運(yùn)行，這將影響全美國四分之一的商品和原材料進(jìn)口，重挫制造和零售業(yè)，直接動(dòng)搖美國的經(jīng)濟(jì)命脈。即便震區(qū)的企業(yè)的房屋沒有受到太大影響，但這些企業(yè)同樣會(huì)因?yàn)樗?、電等公共事業(yè)停運(yùn)而停止運(yùn)營，公司被迫關(guān)閉將導(dǎo)致大量失業(yè)。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)顯示，圣安德烈亞斯斷層己準(zhǔn)備迎來一次大型地震——但直到搖晃開始的那一刻之前，我們都不知道地震何時(shí)會(huì)發(fā)生。這次大地震很可能就在明天爆發(fā)，但也可能是十年或甚至更久之后，但未知恰恰是最可怕的。因此，加州只能做最壞的打算，用最全面的準(zhǔn)備去迎接地震的來臨。