巨大地震的發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，與為數眾多的令人恐懼的大地震相比，科學預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級或8級以上地震）的發生率大約是20世紀平均發生率的2.5倍。2004年12月26日蘇門答臘－安達曼9.2級地震引發了毀滅性海嘯，造成印度洋附近23萬多人死亡。自那以來共發生了5次8.5級或以上地震。1年前，即2011年3月，東日本9級大地震及海嘯造成了巨大破壞。

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

最近發生的所有事件幾乎都違背了地震會在何時何地發生的某些理論，也與地震將會產生何種后果的學說相悖。這可能不足為奇，因為能夠獲取此類事件詳細數據的時間畢竟很短。

最近的特大地震全都發生在俯沖帶附近，即海洋板塊向其他板塊下方俯沖的地區。在這些地方，摩擦引起巖石的粘著與滑動，從而引發間歇性地震。地球物理學家認為，在這些板塊邊界的某些區域，溫熱的巖體和易滑的沉積物應該能夠阻止摩擦力的逐步增大，從而避免大地震的發生。我們認為最近已經發生過破裂的區域幾年內都不會再次破裂，而自上一次大地震以來已經過去很長時間的斷層區段在不久的將來很有可能發生滑動。我們低估了一次地震可以引發另一次地震的程度。我們研發的分析程序也只能用來處理持續數秒的斷裂運動，而最近發生的一些地震卻持續了數分鐘。

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

1 觸發點

我們經常被問及的一個問題是，最近的特大地震相互之間是否有直接的聯系。過去110年的記錄顯示，地震活動的這種集中爆發可能只是統計波動。的確，沒有發生像2010年1月12日海地7級毀滅性地震這樣稍小的地震事件激增的情況。但特大地震在區域尺度上有可能相互影響。例如，2004年蘇門答臘－安達曼地震被認為是2005—2007年沿同一板塊邊界發生的更多大地震的觸發因素（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年以來一直沒有發生破裂，且似乎已被卡住，正在聚集應變——這是一個未來有可能發生特大地震的值得關注的區域。

一次大地震是否會波及更廣的范圍，引發地球另一邊的地震活動，甚至導致地球另一邊數年后再次發生一次大地震，這是一個有爭議的問題。到目前為止，人們已經發現源自一次大地震的地震波只能直接觸發遠處的小事件。然而，遙遠地區的動態觸發事件可能使那里發生一次大地震的時間提前，即早于沒有動態觸發事件情況下的時間。

關于地震觸發的問題，還有許多事情需要我們去研究、去認識。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級地震中破裂。此次破裂觸發了太平洋板塊內100km外的近海小地震——這種事件很常見。但兩個月以后，一次8.1級地震襲擊了同一地區。沒有一種簡單的理論能夠預測像這樣一次特大余震多長時間會發生一次，或者說會在何時發生。一個更奇特的觸發實例發生在2009年9月29日。太平洋板塊內的一次8級地震首先發生在湯加海溝，并觸發了其南邊50km外的板塊邊界的又一次8級地震，而此時第一次破裂尚未結束。這兩次地震引發的海嘯給薩摩亞獨立國、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

至于發布預警的能力，我們可以從其他一些已經發生的地震中吸取令人清醒的教訓。一些研究人員堅持認為，地震由初始破裂發展而來，而初始破裂攜帶的某種信號可以表明最終破裂會有多大。最近的幾次地震給這種希望潑了冷水。2007年（8.0級）和2001年（8.4級）發生在秘魯的兩次特大地震似乎都始于幾次7.7級破裂，這些破裂在停頓了一段時間之后引發了鄰近區域能量釋放更大的破裂。而2011年東日本大地震（9.0級）似乎始于一次4.9級小地震。這些飄忽不定的地震生成模式給預警工作帶來了挑戰。

2 破裂機制

過去10年間第一個令人震驚的巨大地震——2004年蘇門答臘－安達曼地震——沿出人意料的1300km長的板塊邊界破裂。地震學家認為本次地震所及之處的板塊會發生水平剪切，而不是俯沖。該事件持續時間特別長：斷層滑動持續時間超過了7.5分鐘。確定地震滑移的程序大都是利用持續約30秒的小地震事件研發的，遠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的橫（S）波。在蘇門答臘地震事件中，當S波已經從破裂起始點到達時，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，研究人員和政府機構也能夠在幾分鐘至幾小時內對其斷裂運動進行分析。

2007年4月1日（當地時間4月2日），所羅門群島板塊邊界上發生8.1級地震，其破裂地點出人預料，即海洋裂谷系（形成新洋殼的洋脊）與俯沖帶相交的地方。依常規而言，裂谷巖體既熱且易變形，不可能聚集足夠引發一次大地震的摩擦應變。然而，對地震波的分析結果顯示，兩個下沉板塊以不同的方向朝太平洋上馱板塊下方滑動；那次破裂就發生在這3個板塊會聚的“三聯點”。對其他洋脊俯沖地區（從秘魯到湯加再到瓦努阿圖）風險評估的重新評價正在進行之中。

2010年2月27日，智利發生8.8級地震，其襲擊的那段板塊邊界最后一次破裂是在1835年（查爾斯·達爾文經歷了那次地震）。我們推測大地震將會發生的地點時，一般基于過去發生的事件，這就形成了一種觀念，即板塊邊界具有強烈的分段特征，各個地區會重復發生規模類似的地震事件。然而，情況并非如此。雖然2010年智利地震起始于1835年破裂帶的中心區域（預計此處會發生大的滑移），但主要滑動卻偏北，出現在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級地震令人震驚的是，它使俯沖帶的最淺部分發生了破裂，由此引發了巨大海嘯。一般認為，那條斷層內淺部板塊邊界上低強度、易變形的沉積物可以妨礙彈性應變的積累，由此阻止大的滑移。但它們未能阻止這一切的發生。目前我們在風險評估中必須考慮此類事件，因為它使我們明白，引發海嘯的大地震發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，其歷史上經歷過的事件都比此次地震要小得多。該斷層的淺部本來預期不會積累大量的彈性應變。而結果卻出人預料，該事件在淺部出現了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生了滑動，從而使事件的規模增大，并引發了超出防備能力的巨大海嘯。

3 慘痛的教訓

遺憾的是，我們往往是通過痛苦的經歷來提高對地震的認識。但這種認識畢竟正在不斷地向前推進。

我們在預測某些特定區域的地震風險方面的能力正在不斷提高。在最近幾次大地震發生前，應變積累的大地測量觀測結果已經在圖上標出了蘇門答臘、智利和日本等地有可能發生大地震的區域。日本附近的海底測量結果已經接近于表明2011年發生大的、淺部斷層位移的可能性。倘若給出更多的時間來觀察正在積累應變的地方，那么此次地震的規模和海嘯就不會如此令人感到意外。情況雖然如此，但對日本區域地震網的數據進行的快速分析還是提供了地震預警（日本稱“緊急地震速報”——譯者注）；這種預警的水平還可以進一步提高。

解決這種問題的方法之一就是擴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測地震活動和認識最近的3·11大地震方面發揮了巨大的作用。其他地區還需要加強儀器觀測，特別是近海海域。美國俄勒岡和華盛頓沿岸地區最后一次大地震是發生在1700的9級地震，為了提高對這一地區大地震風險的認知水平，一項重大行動計劃正在實施之中。

雖然作為個體的大地震肯定還會使我們感到震驚，但我們的思想已經發生了最重要的轉變：我們必須認識到，在我們認為不存在大地震風險的地方也有發生較大地震的可能性。吸取這一教訓確實很困難，但我們必須學會。

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。