巨大斷層深處的群發顫動＊

Naomi Lubick

巨大斷層深處的群發顫動＊

Naomi Lubick

一個即將發生在北美下方的微震群可能會對地震學家做好大地震的防備工作有所幫助但前提是地震學家必須學會解讀這些顫動事件。

過去幾周，位于西雅圖市的華盛頓大學地震學家一直處于高度警戒狀態。他們認為奧林匹克半島（Olympic Peninsula）附近深處現在的每一天都有可能發生一連串的微震動，這種震動每12～14個月出現一次。當下一輪震動波來襲時，研究人員已做好了捕捉信息的準備。

過去的一年中，該地震研究團隊精心布設了一個地震臺網在該半島整個山區的地下布設了一個由100多臺地震儀組成的臺陣。當儀器開始拾取顫動信號時，研究人員將立刻返回山區，在地球顫動的位置布設更多的地震儀。每隔幾天，科學家們就會檢查一下這些傳感器，給它們換上新電池并下載數據，以期捕捉到腳下發生的地震事件的最多信息。

這些地震會在數天內不知不覺地結束。但對于地震學家而言，這種群發性顫動有時被稱作非火山型顫動理應歸于過去10年中最重要的發現之列，因為它們對于認識破壞性斷層的習性具有啟示作用。研究人員于2002年在日本最先發現這種顫動，一年之后，太平洋西北地區的研究團隊在西雅圖附近的卡斯卡迪亞（Cascadia）地區下方也探測到了類似顫動。

卡斯卡迪亞顫動引起了科學家的極大興趣，因為它們源自海岸下方深處，此處有一個被認為曾釋放過接近9級地震的巨大斷層。研究人員希望通過即將開展的詳細探測對沿該斷層的地震活動進行監測。這些反復發生的微震群可被用作探測手段來對地下的應力變化狀況進行跟蹤；這種顫動甚至還可提供有關未來大地震的時間和地點的線索。

位于加利福尼亞州的斯坦福大學地球物理學家Greg Beroza一直在關注著華盛頓大學研究團隊的成果，他說，“這簡直太令人振奮了”。這些顫動的發生是有規律可循的，這就使研究人員可以提前做好準備，因而，它們為詳盡研究地震事件提供了一個千載難逢的機會。“如果10年以前你告訴我說某種地震活動快要出現了，就發生在深大斷裂上，而且這些地震活動還有規律可循，我們可以預測它們會在不久的將來再次發生，那么我會告訴你，你簡直瘋了”，Beroza說道。

1 難以捉摸的信號

顫動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高頻能量突然釋放，并迅速消失。而顫動則溫和一些；它們的振動以低頻為主，來去過程也不像普通地震那樣大張旗鼓。顫動的這些特征，再加上顫動的微弱性，使得它們很難被探測到。對顫動的初步觀測已在阿拉斯加和墨西哥等地展開，但目前有關這方面的信息仍然很粗略，因為只有幾個地方的地震臺網的地震儀可以達到能夠捕捉顫動信號的靈敏度。東京大學地震研究所的Kazushige Obara是第一個注意到顫動的地震學家，所用信號是由埋置于地下的固定監測臺陣記錄到的[1]。1995年神戶災難性地震之后，日本政府在全國范圍內建立了一個由600臺監測儀組成的地震臺網；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，因為這些噪聲可以蓋過振動。當Obara探測到日本下方30 km深處持續數周的極深微震時，全世界的研究人員立刻開始研讀他們自己案頭的資料，以期發現類似跡象。

在日本，顫動主要發生在一個板塊向另一板塊俯沖的構造板塊匯合帶上。同樣的結構也出現在太平洋西北地下，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。自從上次大地震（據推測發生在1700年）以來，卡斯卡迪亞俯沖帶的危險區段一直處于閉鎖狀態，但研究人員預測該區段將在下世紀內發生災難性大破裂。

圖1 顫動產生的地震信號（上）和小地震產生的地震信號（下）

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

面對如此風險，研究人員對捕捉群發性顫動事件非常感興趣，他們認為這是監測該俯沖帶地下深處活動的一種手段。2009年，他們錯過了一次機會。華盛頓大學的研究團隊預期顫動群會在8月份出現，但該震群卻在5月初就發生了，那時許多野外儀器都還沒有就位。研究人員利用一個固定臺陣記錄到了很少一部分事件，但遠沒有他們期望的那么詳細。2010年，他們的準備工作做得要好一些。一旦固定臺陣拾取首批顫動信號，他們就會立刻動身去擴大顫動群上方的臺網。每一個完整的固定臺陣大概由24臺間距為200～300m的地震儀組成，這些地震儀都將被布設在遠離人類噪聲的偏遠地區。該團隊的工作得到了50萬美元的經費支持，經費源自美國國家科學基金會（NSF）向“地球透鏡計劃”（一個非營利性研究聯合體）提供的撥款。

華盛頓大學地震學家、該項目的主要科學家之一John Vidale說，“就我們所能看到的成果而言，我們在野外開展的這項實驗將是史無前例的”。

Vidale說，該團隊的網絡被稱為“由臺陣組成的臺陣”，通過比較地震波到達每一臺地震儀的時間，可精確確定顫動源的位置。“這就像用耳朵傾聽一樣，我們可以判斷出聲音來自哪個方向，”他進一步解釋道。

顫動群的起源正在引發激烈爭論。在日本，地震學家的觀測結果是顫動源自板塊的匯合面俯沖－斷層邊界，這里也是產生巨大地震的地方。但在卡斯卡迪亞，根據不列顛哥倫比亞省太平洋地學中心的Honn Kao及其同事的研究結果[2]，地震信號卻顯示某些顫動還有可能發生在斷層面上方。

2 深部顫動

確定振動源的位置可以幫助研究人員了解產生這些振動的物理過程。顫動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力作用下很容易破裂，從而引發地震。但地幔中的巖石溫度極高，它們在壓力作用下只會扭曲變形而不會破裂。顫動似乎就發生在俯沖板塊溫度升至足以使其巖石性質變為韌性的復雜地帶。

本周發表的一項研究成果[3]可以幫助解釋日本下方部分地區顫動產生的過程。東京大學地震學家Satoshi Ide表示，四國島（Shikoku island）下方的顫動習性受控于該俯沖帶中存在的巖石類型。Ide發現某些顫動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動方向一致。他認為根據這些條帶可以追蹤海山留下的軌跡即深埋于海洋板塊內的從前的火山遺跡，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，那么海山對顫動習性產生影響的方式可能會有兩種。第一，當地殼滑入地幔時，海山會對上覆板塊起到羈絆作用，從而引發陣顫。第二，海山的化學成分可能會使它們起到潤滑劑的作用，就像成塊的油脂一樣使板塊運動趨于平緩，這樣一來，本來可能是災難性的大破裂就變成輕微的顛簸顫動了。

Beroza稱Ide的發現還只是初步成果，但“這一成果確實非常重要”，因為它揭示了數百萬年來巖石的特征是怎樣延續的，以及它們對今天的顫動事件的發生究竟起到了什么作用。與日本的情況相同，卡斯卡迪亞的顫動事件有時也發生在可能反映俯沖巖石某種特征的條帶內。

利用新舊實驗室實驗方法，研究人員試圖通過測試壓力狀態下巖石的摩擦、空隙度以及其他變化特性來確定究竟是什么情況引發了顫動而不是全面爆發的大地震。斯坦福大學地球物理學家Paul Segall說，這些研究有助于揭示出是什么因素對俯沖帶深度的斷層運動起到了控制作用。

3 地震線索

科學家也沒有搞清相同斷層上的顫動與較大地震有什么關系。在日本和卡斯卡迪亞地區，顫動事件得到了較細致的觀測，它們往往都發生在產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”區下方。

華盛頓大學地球物理學家Joan Gomberg說，研究人員正試圖發現顫動模式的改變，因為顫動模式的改變可能暗示著斷層內的應力轉變。一旦出現這種聯系，地震學家就會開始對顫動信號進行監測，以期發現大地震前的某些跡象。他們已經發現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果。再如，加利福尼亞州的圣安德烈斯斷層也經歷過顫動事件與1、2級地震同時發生的情況，但兩者之間的直接聯系還有待證實[4]。

與此同時，Obara及其同事計劃再增加一個野外監測系統，以收集更多的有關日本下方顫動事件的詳細資料。當顫動群來襲時，卡斯卡迪亞的研究人員也做好了抓住機會、立刻捕捉信息的準備。

華盛頓大學地震學家Ken Creager回憶起2009年他們的研究團隊錯過捕捉顫動機會時的失望情景，他說，“這些事件的發生似乎很有規律性，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信息。”

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

原題：The secret chatter of giant faults

（中國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。