加州地震概率預測將對地震學理論產生強烈震動＊

Glennda Chui

加州地震概率預測將對地震學理論產生強烈震動＊

Glennda Chui

地質斷層的運動模式與科學家曾經預期的并不相同。目前,科學家試圖對地震的活動習性形成全新的認識,Glennda Chui對此進行了報道。

現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報理論因受到強烈震動而發出的響聲,這套理論將退回原點,一切都要重新開始。

位于科羅拉多州丹佛市的美國地質調查局(USGS)地震學家、加州地震概率工作組(Working Group on California Earthquake Probabilities WGCEP)負責人Ned Field說,“我們正在談論一次對地震預報理論的大檢驗。”該工作組負責預報整個加州未來30年內破壞性地震發生的概率。

他們的報告預期2011年出臺。與該小組的前身一樣,其研究成果也將產生巨大影響——不僅對科研產生影響,而且對加州的公共政策也會產生影響。加州是美國人口最多的州,面臨全國3/4的地震危險。那里對地震預報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驗教訓最容易對其他地震多發國家和地區產生影響。

1 傳統概念

從地震學的觀點看,2011年出臺的報告將拋開長期以來統治地震研究和地震預報的一套頗具影響的概念。這些傳統概念中的一種假說認為斷層也是“墨守成規”的,它們習慣于大規模破裂,即一次又一次地產生規模大致相同的“特征”地震。另一種模型斷言大地震最有可能發生在很長時間未經歷過大震動的“地震空區”。兩種理念都是在用簡單的物理學術語來解釋地震的活動習性,就直覺而言是有意義的。但近期的研究工作動搖了人們對這些傳統觀念的信任。

位于洛杉磯的南加州地震中心主任Thomas Jo rdan說,發生特征地震的世界“是我們都想居住的世界”,“但事實卻并非如此,因為地震并不是發生在簡單的斷層結構上,而是發生在相當復雜的斷層系內。Jo rdan認為地震活動涉及斷層間復雜的相互作用,導致其混沌機制很難預測。斷層個體的物理學特征以及它們之間的相互作用其實非常復雜,所以沒有單一的確定性規則可以解釋其活動習性。

這一全新認識不僅對特征地震的觀點提出挑戰,而且對于另一個更陳舊、更具基礎特性的觀念也是一種挑戰,即斷層的活動習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,那場地震將舊金山的大部分地區夷為平地。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地質學家Henry Fielding Reid首先提出,當時他率隊對那場災難的地質學和物理學特征展開了正式調研。

在研究了沿圣安德烈斯斷層的破裂和地面運動的余震之后,Reid開始將地震視為壓力聚集與釋放的周期性表現。地表下會發生應變積累,直至達到臨界水平。就在那一刻,斷層一側的巖石相對于另一側的巖石猛然向前運動。這種突然的運動會將地下積壓的能量幾乎釋放一空,之后應變再次積累,但它還需要一段時間才能達到足以引發另一次地震的水平。

Reid理論是一個革命性的概念,因為在此之后又過了半個世紀,板塊構造學說對于圣安德烈斯斷層上的應力究竟來自何方才作出解釋。而且該理論也相當具有吸引力,因為它暗示應變積累與釋放的循環周期的規律性足以用來預測地震。在1910年的詳細調研結果報告中[1],Reid提出了一種預言下次地震發生時間的方法:按垂直于斷層的角度打一排樁子,并不時地測量它們的相對角度、距離和高度。當測量結果顯示應變已積累到臨界水平時,“我們就預期有強震發生,”他在報告中這樣寫道。

2 深入探測

一個世紀以來,彈性回跳理論之后的地震假說都是建立在該理論基礎之上的:畢竟,當地殼板塊互相推擠、擦肩而過時,地下聚集的應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。然而,地震釋放能量的過程與應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,因為事實證明地震要比Reid想象的復雜得多而且也更具個性化。

這種個性特征在許多方面都已顯現出來。某些情況下,地震以震群的形式發生,如2004年蘇門答臘西北海岸近海發生的9.1級地震和隨后發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斷層跳到另一個斷層,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:它們都引發了小地震、間歇噴泉噴發以及數千公里外的其他一些地震活動。

圖1 加州地區地震概率。2009年根據斷層習性的理論模型所作地震預報(注:原圖為彩圖)

從前有研究顯示,沿圣安德烈斯斷層發生的大地震呈重復模式,但就在這里也出現了與地震有規律性這一觀點相悖的證據。地震有規律性的觀點源自20世紀70年代末、80年代初對洛杉磯以北的圣安德烈斯斷層中-南段進行的研究。在那里開展工作的地質學家測定了由1857年Fort Tejon大地震(震級被測定為7.9)引發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,其時間跨度約200～400年。在每一點,每次地震期間斷層的滑動量似乎都相同[2]。

但最近的挖掘工作大大地改變了此前的觀念。2004年,加州大學歐文分校的Lisa Grant Ludwig率隊在一個叫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。沿溝壁呈現的以往地震痕跡使沉積層中斷,利用碳-14分析可測定其年代。2009年1月,她和另外兩名地質學家發表了一篇論文[3],將此段斷層上大地震的復發間隔縮短為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年就會發生一次——意味著地震不像從前的研究揭示的那么有規律性。

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

位于Menlo Park的USGS古地震學專家Thomas Fumal對圣安德烈斯斷層連續進行了25年的研究。他說沿該斷層大部分區段的情況跟以前預期的都不相同:科學家發現大地震發生的頻率遠比以前研究結果揭示的要高——而且震級范圍更大。

3 遲到的地震

特征地震的觀點在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帕克菲爾德(Parkfield)附近釋放了一次6級地震。20世紀80年代,研究人員在此處布設了密集的地震臺網。根據19世紀經歷的地震周期大約為22年這一事實,他們預期在1993年會有一次中等強度的地震。然而,地震比預期的晚發生了10多年。根據2005年的一份報告[4],地震發生的時間及其他特征“幾乎使所有的簡單地震模型都處于尷尬境地”。

David Jackson早就預料到會有這種結果,因為這與他所看到的全世界的地震模式相符。1991年,同在加州大學洛杉磯分校工作的Jackson和Yan Kagan對全球地震目錄進行了分析,他們得出的結論是大地震在時間和空間上都呈群發態勢[5]。按理說不應該出現這種情況。如果地震遵循彈性回跳理論,那么大地震應該“重新設定地震時鐘”,在另一次大地震襲擊同一地區之前會有一個時間間隙。

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

長期以來,科學家知道較小地震可以呈群發態勢:當主震發生后大地便會因余震而不斷顫動。但一次大地震后另一次大地震會接踵而至的觀點卻讓人震驚。而現在,研究人員會很自然地談到大地震會引發另一些大地震,這些地震可能發生在附近的斷層,也可能發生在遙遠的斷層。

據文獻分析[7],2004年蘇門答臘巨大地震后Parkfield附近發生的小震模式其實很不尋常

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度。在那篇文獻中,加州大學伯克利分校的地震學家Taka’aki Taira及其同事指出那次印尼地震也會在全球觸發一連串的8級地震。

4 勇于挑戰

位于加州Pasadena的USGS科學家Karen Felzer說,她已開始相信許多地震,無論震級大小,都是由其他地震引發的,而不是簡單地對局部力作出的反應。“就本人而言,我同意Jackson和Kagan的觀點,即實際上不會出現彈性回跳對所有地震發生的時間真正產生控制作用的是觸發過程。”

2011年加州地震概率報告的準備工作必將在地震學界產生極大震動。當1988年地球科學家擬就第一階段報告時,其內容要簡單得多。當時,一個由地球物理學家和地質學家組成的專家團隊將圣安德烈斯斷層系劃分為輪廓清晰的不同區段,然后根據某一特定地點發生較大地震后已經過去的時間來指定各個區段未來發生地震的概率。

如今許多年過去了,根據對以往地震的研究、實驗室研究和理論研究,后續版本都指出了地震的復雜性。許多新的模型也已問世,它們以各種方式將不同的斷層區段結合起來,由此產生更大的地震。研究人員已經認識到迄今未被認知的斷層的危險性,并指定了它們的地震概率。

2009年發表的最新版本的報告[8]提出了幾個亟待解決的問題,如“斷層系的互動復雜性是否會有效地顛覆彈性回跳理論所包含的地震可預測性,或者至少會大大降低地震的可預測性?”對于這個問題和其他同樣棘手的問題,該研究小組表示答案是“會的。”

Field說,最近幾次預報中出現的復雜問題主要都集中到一點,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還不夠牢靠。我們發現模型中有些東西其實我們并不喜歡,還需要改進。”

但是,每當科學家稍稍調整模型結構的某一部分時,另一部分就會開始搖晃。Field說,現在好了,“我們可以將以前的模型全部推翻,從頭再來。我相信我們最終會建起一個更清晰也更簡單的模型,而不是一個經過反復修正的東拼西湊的東西。”

2011年的工作報告名稱為“加州地震破裂統一預報3”(Uniform California Earthquake Rup ture Fo recast 3),其中不會過多地強調甚至還會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或終結點。雖然該報告不會擯棄彈性回跳理論,但它也不會承認這一模型就是確定人們最關心的較短時間尺度內(數十年至數百年)地震活動模式的主導因素。

Field說,“我們不想排除彈性回跳理論,因為地震學界還有許多人認為該學說至少對于震級較大的地震還是很有意義的”,但還沒有人知道該模型會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。

實際上,有人說地震太復雜了,僅僅依據對其物理特征的認識就想對地震形成約束是不可能的也是不切實際的。因此,研究人員提出了用于預報即將發生的地震特征的純統計模型,這種模式與他們現在預報余震的方法非常相似。USGS的Andrew michael說,現在統計學一方得到了很大的推動力。

目前,地球物理學家正在通過一個基于互聯網的項目使他們的某些預報理論接受檢驗,該項目名稱為“地震可預測性研究合作實驗室(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability)”,3年前在Wm Keck基金會的資助下開始運行,創始人是Jordan。他說,“此舉的理念是提供一個讓人們可以進行科學的地震預測實驗的環境,并讓這種實驗得到可觀的評價”。該項目在南加州、新西蘭、日本和瑞士都有測試中心。有39個預報模型正在美國的南加州地震中心接受檢驗,還有40多個正在其他國家接受檢驗。每一模型的測試期為5年,期間不允許調整。

由于加州地震概率工作組試圖將有關地震活動模式的相互碰撞的各方觀點和諧統一起來,所以來自以上模擬結果的信息與來自圣安德烈斯斷層和其他地方的新數據一道都將被融入該團隊的研究成果中。對于預報方法的這次大檢驗能否像Field預期的那樣推動地震預報理論的根本變革,讓我們拭目以待。最終,該工作組將利用基于各方專家觀點建立起來的復雜的邏輯樹作出自己的結論。USGS地質學家、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往復的規則發生的觀點是不對的。他不介意研究人員探索公眾已熟知的(對各州居民產生真正影響的)預報方法以外的新模型。他說,“那很好,就看它會將地震學理論引向何方了”,“我可不是要厘定我的地震保險費率。”

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)

[1]Reid H F(ed.).The California Earthquake of April 18,1906,Report of the State Investigation Commission,1910,Vol.2,Carnegie Institution of Washington

[2]Schwartz D P and Coppersmith K J.Fault behavior and characteristic earthquakes:Examples from the Wasatch and San Andreas Fault zones.J.Geo phys.Res.,1984,89:5681-5698

[3]Ak?iz SO,Ludwig L G and Arrow smith J R.Revised dates of large earthquakes along the Carrizo section of the San Andreas Fault,California,since A.D.1310±30.J.Geophys.Res.,2009,114:B01313

[4]Bakun W H,Aagaard B,Dost B,et al.Implications for prediction and hazard assessment from the 2004 Parkfield earthquake.Nature,2005,437:969-974

[5]Kagan Y Y and Jackson D D.Long-term earthquake clustering.Geophys.J.Int.,1991,104:117-133

[6]Kagan Y Y and Jackson D D.Seismic gap hypothesis:Ten years after.J.Geophys.Res.,1991,96:21419-21431

[7]Taira T,Silver P G,Niu F,et al.Remote triggering of fault-strength changes on the San Andreas fault at Parkfield.Nature,2009,461:636-639

[8]Field E H,Dawson T E,Felzer K R,et al.Uniform California Earthquake Rupture Forecast,Version 2(UCERF 2).Bull.Seismol.Soc.Am.,2009,99:2053-2107

P315.7;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.08.001

2010-08-01。