巨大地震的发生为什么总是出人意料＊

Thorne Lay

（Department of Earth and Planetary Sciences，University of California Santa Cruz，California，USA）

巨大地震的发生为什么总是出人意料＊

Thorne Lay

（Department of Earth and Planetary Sciences，University of California Santa Cruz，California，USA）

如果你依稀觉得，与为数众多的令人恐惧的大地震相比，科学预料总是迟到一步或与之相悖，那么你的感觉是正确的。2004年12月以来“特大”地震（8级或8级以上地震）的发生率大约是20世纪平均发生率的2.5倍。2004年12月26日苏门答腊－安达曼9.2级地震引发了毁灭性海啸，造成印度洋附近23万多人死亡。自那以来共发生了5次8.5级或以上地震。1年前，即2011年3月，东日本9级大地震及海啸造成了巨大破坏。

从长远来看，这种地震活动并非没有先例：1950—1965年，地球遭受了7次8.5级或以上地震的严重破坏，其中就包括迄今为止记录到的最大地震——1960年智利9.5级地震。最近的震群与以往地震的不同之处在于地震学家量化破裂过程的能力有所改变。记录地面运动的现代仪器与提取信息的分析方法大都是在1970—2000年之间研发的，这是一个平静间隙，特大地震很少，8.5级以上地震一次也没有。实际上，就在最近的一波地震爆发之前，地球物理学界刚刚做好了研究大地震的准备。

最近发生的所有事件几乎都违背了地震会在何时何地发生的某些理论，也与地震将会产生何种后果的学说相悖。这可能不足为奇，因为能够获取此类事件详细数据的时间毕竟很短。

最近的特大地震全都发生在俯冲带附近，即海洋板块向其他板块下方俯冲的地区。在这些地方，摩擦引起岩石的粘着与滑动，从而引发间歇性地震。地球物理学家认为，在这些板块边界的某些区域，温热的岩体和易滑的沉积物应该能够阻止摩擦力的逐步增大，从而避免大地震的发生。我们认为最近已经发生过破裂的区域几年内都不会再次破裂，而自上一次大地震以来已经过去很长时间的断层区段在不久的将来很有可能发生滑动。我们低估了一次地震可以引发另一次地震的程度。我们研发的分析程序也只能用来处理持续数秒的断裂运动，而最近发生的一些地震却持续了数分钟。

长期以来，为了将有限的资源有针对性地用于防震减灾，研究人员一直试图对哪些断层带最应该引起关注做出合理的决定。但由于仅有100年的详细地震记录，有时我们难免会被误导，从而忽略了那些隐藏着巨大滑移风险的地区。地球物理学家应该尽快地从最近的地震事件中吸取教训，这一点至关重要。人口增长意味着：与1950—1965年相比，无论是现在还是将来都会有更多的人面临地震灾害的威胁。

1 触发点

我们经常被问及的一个问题是，最近的特大地震相互之间是否有直接的联系。过去110年的记录显示，地震活动的这种集中爆发可能只是统计波动。的确，没有发生像2010年1月12日海地7级毁灭性地震这样稍小的地震事件激增的情况。但特大地震在区域尺度上有可能相互影响。例如，2004年苏门答腊－安达曼地震被认为是2005—2007年沿同一板块边界发生的更多大地震的触发因素（见图1）。在这些地震之间，苏门答腊板块边界的其中一段自1797年以来一直没有发生破裂，且似乎已被卡住，正在聚集应变——这是一个未来有可能发生特大地震的值得关注的区域。

一次大地震是否会波及更广的范围，引发地球另一边的地震活动，甚至导致地球另一边数年后再次发生一次大地震，这是一个有争议的问题。到目前为止，人们已经发现源自一次大地震的地震波只能直接触发远处的小事件。然而，遥远地区的动态触发事件可能使那里发生一次大地震的时间提前，即早于没有动态触发事件情况下的时间。

关于地震触发的问题，还有许多事情需要我们去研究、去认识。例如，2006年11月15日，沿千岛群岛太平洋下沉板块与上驮板块边界之间（堪察加半岛与日本之间）的板块边界在一次8.4级地震中破裂。此次破裂触发了太平洋板块内100km外的近海小地震——这种事件很常见。但两个月以后，一次8.1级地震袭击了同一地区。没有一种简单的理论能够预测像这样一次特大余震多长时间会发生一次，或者说会在何时发生。一个更奇特的触发实例发生在2009年9月29日。太平洋板块内的一次8级地震首先发生在汤加海沟，并触发了其南边50km外的板块边界的又一次8级地震，而此时第一次破裂尚未结束。这两次地震引发的海啸给萨摩亚独立国、美属萨摩亚群岛和汤加造成了巨大破坏。

图1 出人意料的地震场景

至于发布预警的能力，我们可以从其他一些已经发生的地震中吸取令人清醒的教训。一些研究人员坚持认为，地震由初始破裂发展而来，而初始破裂携带的某种信号可以表明最终破裂会有多大。最近的几次地震给这种希望泼了冷水。2007年（8.0级）和2001年（8.4级）发生在秘鲁的两次特大地震似乎都始于几次7.7级破裂，这些破裂在停顿了一段时间之后引发了邻近区域能量释放更大的破裂。而2011年东日本大地震（9.0级）似乎始于一次4.9级小地震。这些飘忽不定的地震生成模式给预警工作带来了挑战。

2 破裂机制

过去10年间第一个令人震惊的巨大地震——2004年苏门答腊－安达曼地震——沿出人意料的1300km长的板块边界破裂。地震学家认为本次地震所及之处的板块会发生水平剪切，而不是俯冲。该事件持续时间特别长：断层滑动持续时间超过了7.5分钟。确定地震滑移的程序大都是利用持续约30秒的小地震事件研发的，远程地震仪记录这些事件的两种不同的波：纵（P）波和几分钟之后到达的横（S）波。在苏门答腊地震事件中，当S波已经从破裂起始点到达时，P波仍在不断涌入，由此使两种波混杂在一起。但研究人员仅用了几个星期就修改了他们的算法。这种更新的程序如今被广泛使用，这样一来，即使是最大地震，研究人员和政府机构也能够在几分钟至几小时内对其断裂运动进行分析。

2007年4月1日（当地时间4月2日），所罗门群岛板块边界上发生8.1级地震，其破裂地点出人预料，即海洋裂谷系（形成新洋壳的洋脊）与俯冲带相交的地方。依常规而言，裂谷岩体既热且易变形，不可能聚集足够引发一次大地震的摩擦应变。然而，对地震波的分析结果显示，两个下沉板块以不同的方向朝太平洋上驮板块下方滑动；那次破裂就发生在这3个板块会聚的“三联点”。对其他洋脊俯冲地区（从秘鲁到汤加再到瓦努阿图）风险评估的重新评价正在进行之中。

2010年2月27日，智利发生8.8级地震，其袭击的那段板块边界最后一次破裂是在1835年（查尔斯·达尔文经历了那次地震）。我们推测大地震将会发生的地点时，一般基于过去发生的事件，这就形成了一种观念，即板块边界具有强烈的分段特征，各个地区会重复发生规模类似的地震事件。然而，情况并非如此。虽然2010年智利地震起始于1835年破裂带的中心区域（预计此处会发生大的滑移），但主要滑动却偏北，出现在1928年刚刚破裂的板块边界。

2010年10月25日苏门答腊近海7.8级地震令人震惊的是，它使俯冲带的最浅部分发生了破裂，由此引发了巨大海啸。一般认为，那条断层内浅部板块边界上低强度、易变形的沉积物可以妨碍弹性应变的积累，由此阻止大的滑移。但它们未能阻止这一切的发生。目前我们在风险评估中必须考虑此类事件，因为它使我们明白，引发海啸的大地震发生的地方可能比我们从前推测的离海沟更近。

同样的情况还有2011年3月11日东日本大地震所在的板块边界，其历史上经历过的事件都比此次地震要小得多。该断层的浅部本来预期不会积累大量的弹性应变。而结果却出人预料，该事件在浅部出现了40～80km的巨大滑移，而且还使2005年刚刚破裂的邻近断层段也发生了滑动，从而使事件的规模增大，并引发了超出防备能力的巨大海啸。

3 惨痛的教训

遗憾的是，我们往往是通过痛苦的经历来提高对地震的认识。但这种认识毕竟正在不断地向前推进。

我们在预测某些特定区域的地震风险方面的能力正在不断提高。在最近几次大地震发生前，应变积累的大地测量观测结果已经在图上标出了苏门答腊、智利和日本等地有可能发生大地震的区域。日本附近的海底测量结果已经接近于表明2011年发生大的、浅部断层位移的可能性。倘若给出更多的时间来观察正在积累应变的地方，那么此次地震的规模和海啸就不会如此令人感到意外。情况虽然如此，但对日本区域地震网的数据进行的快速分析还是提供了地震预警（日本称“紧急地震速报”——译者注）；这种预警的水平还可以进一步提高。

解决这种问题的方法之一就是扩大仪器观测的覆盖面。日本的地震观测仪及GPS仪的密集覆盖在帮助监测地震活动和认识最近的3·11大地震方面发挥了巨大的作用。其他地区还需要加强仪器观测，特别是近海海域。美国俄勒冈和华盛顿沿岸地区最后一次大地震是发生在1700的9级地震，为了提高对这一地区大地震风险的认知水平，一项重大行动计划正在实施之中。

虽然作为个体的大地震肯定还会使我们感到震惊，但我们的思想已经发生了最重要的转变：我们必须认识到，在我们认为不存在大地震风险的地方也有发生较大地震的可能性。吸取这一教训确实很困难，但我们必须学会。

译自：Nature，8March 2012，Vol.483，149-150

原题：Why giant earthquakes keep catching us out

（中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译）

（译者电子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

P315；

D；

10.3969／j.issn.0235-4975.2012.04.002

2012-04-03。