源自海洋的地震風險＊

Naomi Lubick

某些最強的地震源自遙遠的海底斷層。目前,地球物理學家正在鋪設傳感器網絡,以密切監視這些“潛伏殺手”的動態。

日本地震學家許多年來一直在因為一條海底斷層而憂慮重重。在日本歷史上,其東南海岸附近的南海(Nankai)海溝已經發生過幾次最具破壞性的大地震,而且目前人們認為該海溝發生另一次大地震的條件已經成熟。因此,今年早些時候,研究人員乘“海鷹”號(Kaiyo)艦船出海搭建水下地震觀測站,以期揭示該斷層的更多信息,并且在下次大地震來襲時提供幾秒鐘的預警。2011年3月,當該船正在放置一批傳感器時,其東北部800 km以外的一條毫不相干的斷層上發生了東日本巨大地震,引發的海嘯使沿岸社區遭受重大破壞。

地震學家沒有預料到東北海岸附近的日本海溝能夠產生如此規模的巨大地震,部分原因是由于他們沒有足夠的海底儀器來捕捉應力增大的信號。在某些地方,一個構造板塊與另一構造板塊相撞并向其下方滑動,這樣的地方都存在資料缺乏的問題。這種俯沖帶會產生地球上最強烈的地震,例如有記錄以來震級最大的地震——1960年智利海岸附近海域9.5級巨大地震。2004年,印尼蘇門答臘島附近海域一次俯沖帶地震引發的海嘯造成23萬人喪生。研究人員預測,與美國西北海岸相連的一個俯沖帶上發生一次9級地震的風險正在逐步增大,地震可能會在本世紀內發生。

地震學家遇到的棘手問題是,這些大斷層距陸地數百公里遠,而且隱伏在好幾公里深的水下,這種地方很難布設和維護裝有地震儀、全球定位系統(GPS)裝置以及其他儀器的觀測站,而有了觀測站,才能揭示斷層的結構并探測諸如地殼撓曲等變化。

日本只有50個海上觀測站來監測海底斷層,相比之下,其陸地上的觀測站超過了8700個。其他國家的準備工作甚至還不如日本,他們幾乎沒有或全然沒有海底傳感器,而俯沖帶的最危險的部位恰恰就在海底。他們不用海底傳感器,而是依賴陸地臺站測得的數據——陸地臺站只能提供遙遠而模糊不清的讀數。這就好比一個心臟病專家將聽診器放在了病人的鞋子上來監聽其心臟的情況,只能徒勞無獲。

現在,研究人員正朝著更加接近實際行動的方向努力。日本試圖連通南海海溝的行為就是迄今為止最富雄心的項目,但美國和加拿大也有監視卡斯卡迪亞(Cascadia)俯沖帶的計劃,該俯沖帶從加拿大北部延伸至不列顛哥倫比亞省(圖1)。有了更好的數據,地球物理學家希望提高其對俯沖帶運作原理的認識水平,并有可能識別出災難即將來臨的信號。

沒有海底測量數據,“我們就總是在猜測,”新加坡地球觀測研究所(Earth Observato ry of Singapo re)的大地測量學家Emma Hill說,她目前正在從事印尼附近海域地震危險性的研究工作。

圖1 海底傳感器。地球物理學家正加緊布設海底監測儀,以期更加深刻地認識俯沖帶,即一個板塊向另一板塊下方滑動的區域,也是巨大地震的震源所在

1 認識有誤

板塊構造理論描繪的是構成地球脆性外殼的大洋和大陸板塊的運動,而俯沖帶則是板塊構造理論中的再循環中心。當兩個板塊發生碰撞時,較冷的、致密的海洋地殼下沉,而擁有浮力更大的地殼巖石的板塊則向上滑動并最終覆在海洋地殼上方。但這一卡通式的模型——海洋巖石板片向薄板似的大陸俯沖形成的一條傳送帶——過于簡單化了。“實際情況要復雜得多,”Hill說。“而我們仍在將其作為一個光滑平面來模擬。”

地球物理學家想知道兩個板塊擦肩而過時究竟發生了什么事情。他們懷疑,當海底山脈或其他一些崎嶇地形卡在上板塊的底部時,兩板塊會以某種方式閉鎖在一起。經過幾十年或幾百年的時間,板塊會突然解鎖,并釋放一次巨大的逆沖型地震。在3·11東日本大地震的實例中,研究人員推測兩個板塊之間的邊界可能處于閉鎖狀態,但并沒有認識到其危險性,因為他們缺乏有關俯沖帶結構的知識,也不知道那里的應力是如何積聚的。

他們更為擔憂的是南海海溝地區。根據日本官方災害預報,那里未來30年內發生一次8級地震的幾率為70%。作為“地震與海嘯海底致密觀測網”(DONET——Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis)的一部分,地球物理學家將在預期發生地震的海溝地區構建一個由20個水下觀測站組成的網絡。始于2006年、預計2011年完成的DONET項目費用達63億日元(8200萬美元),不含船時費用。

觀測站配有地震檢波器,記錄俯沖帶內地震產生的顫動以及來自全球的震動產生的地震波——所有這些都有助于揭示上、下板塊之間界面的幾何形態。壓力傳感器通過測量上方水柱壓力的變化來跟蹤監測地殼撓曲狀況。電信級電纜將海底觀測站與陸地臺站連接起來,由此,研究人員可以實時獲取傳感器數據。

Yoshiyuki Kaneda是日本海洋地球科技署(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)DONET項目的領軍人物。他希望觀測站能夠捕捉到一個完整的地震周期——從應力積累到大震期間的應力釋放,而后應力重新緩慢積累。研究人員希望搞清較大地震是如何開始的,以及在其之前發生了什么事情。

如果大地震真的發生了,DONET觀測站由于靠近震源就可以向大阪、東京和其他一些即將遭受破壞性地震波侵襲的城市提供預警。壓力傳感器也可以預先發出通知,告知公眾海嘯正快速沖向岸邊。

2 西方的憂慮

對于地震,美國的研究人員有著自己的憂慮,主要集中在卡斯卡迪亞地區。那里曾發生過大地震和海嘯,而且自上次地震以來,時間已經過去了300多年。“源自卡斯卡迪亞俯沖帶的地震危險性是巨大的,”位于紐約的哥倫比亞大學Lamont-Doherty地球觀象臺的Maya Tolstoy說。

Tolstoy是卡斯卡迪亞行動(Cascadia Initiative)的主要研究人員之一,這一為期4年的計劃正在搭建臨時觀測臺站,用于探測這條巨大海域斷層的習性。上個月,該團隊開始布設第一批60個這樣的海底觀測站,這將增強現有的陸地臺網的觀測水平。該項目的部分經費(500萬美元)來自《2009年美國復蘇與再投資法案》,由美國國家科學基金會負責撥款。

每一臺海底裝置需要花費6～8萬美元,它包含一個壓力計和一臺與湯罐大小類似的地震檢波器,放在一個帶有水平調節系統的壓力箱內,上邊有一個鋼罩,這樣就不會受到水流和捕撈設備的影響。這些觀測站不會通過電纜與陸地連接。取而代之的是,研究人員每年都將收回每一臺傳感器,下載數據,然后將其放置到一個新的地點。加利福尼亞大學伯克利分校的 Richard A llen說,通過找出該俯沖帶內地震發生的準確位置,卡斯卡迪亞行動獲得的數據將有助于確定板塊之間界面的位置和結構——例如界面的粗糙度如何以及哪些區域處于閉鎖狀態。

此外,海底觀測站應該能夠幫助解讀卡斯卡迪亞地區陸地地震儀記錄到的異常地震信號。陸地傳感器拾取大概每12～14個月就會出現一次的微震群數據,也拾取那些因能量釋放緩慢而無人感覺到的地震事件信息,這些無感地震釋放的能量相當可觀。研究人員推測這些信號可以反映出該俯沖帶的活動狀況:板塊內的地層各自可能都在獨立地移動,流體也可能在地表深處運移。他們希望來自海上傳感器的記錄能夠幫助他們找到一種解釋。海底傳感器或許還能探測到俯沖帶閉鎖部分的變化。

作為加拿大“海王星”項目的一個組成部分,美國也正協同加拿大在卡斯卡迪亞地區搭建長期海底觀測站。該項目將收集廣泛的生物、海洋和地震數據,用于基礎研究和潛在的災害預警,如赤潮或地震等。加拿大方面花費1.43億加元(1.45億美元),去年完成了一個系統的搭建工作,包括3個地震臺和5個海底壓力記錄器,全部由800 km的電纜連通,信息可以傳遞到陸地臺站。預算問題使“海王星”項目美國所承擔的部分向后推遲,2011年夏季才開始鋪設電纜,觀測站未來5年內建成。

由于鋪設數百公里長的光纖電纜成本很高,所以研究人員正在研制能夠搜集數據的自主水中機器人。一項擬議計劃就是將由加州桑尼維爾市(Sunnyvale)的Liquid Robotics公司研制的波浪發電機器人與獨立運行的海底傳感器配合使用。

隨著各海上傳感器網絡的讀數不斷涌入,研究人員希望他們最終能夠獲得對俯沖帶及其危險性的更加深刻的認識。這種海底觀測站“將成為未來幾年的話題,”Hill說。雖然一些項目在日本3·11地震前已處于準備階段,但那次災難使研究工作顯得更加緊迫。“由于日本的緣故,”Hill說,“目前人們的注意力都集中到海底觀測上。”