巨大断层深处的群发颤动＊

Naomi Lubick

巨大断层深处的群发颤动＊

Naomi Lubick

一个即将发生在北美下方的微震群可能会对地震学家做好大地震的防备工作有所帮助但前提是地震学家必须学会解读这些颤动事件。

过去几周，位于西雅图市的华盛顿大学地震学家一直处于高度警戒状态。他们认为奥林匹克半岛（Olympic Peninsula）附近深处现在的每一天都有可能发生一连串的微震动，这种震动每12～14个月出现一次。当下一轮震动波来袭时，研究人员已做好了捕捉信息的准备。

过去的一年中，该地震研究团队精心布设了一个地震台网在该半岛整个山区的地下布设了一个由100多台地震仪组成的台阵。当仪器开始拾取颤动信号时，研究人员将立刻返回山区，在地球颤动的位置布设更多的地震仪。每隔几天，科学家们就会检查一下这些传感器，给它们换上新电池并下载数据，以期捕捉到脚下发生的地震事件的最多信息。

这些地震会在数天内不知不觉地结束。但对于地震学家而言，这种群发性颤动有时被称作非火山型颤动理应归于过去10年中最重要的发现之列，因为它们对于认识破坏性断层的习性具有启示作用。研究人员于2002年在日本最先发现这种颤动，一年之后，太平洋西北地区的研究团队在西雅图附近的卡斯卡迪亚（Cascadia）地区下方也探测到了类似颤动。

卡斯卡迪亚颤动引起了科学家的极大兴趣，因为它们源自海岸下方深处，此处有一个被认为曾释放过接近9级地震的巨大断层。研究人员希望通过即将开展的详细探测对沿该断层的地震活动进行监测。这些反复发生的微震群可被用作探测手段来对地下的应力变化状况进行跟踪；这种颤动甚至还可提供有关未来大地震的时间和地点的线索。

位于加利福尼亚州的斯坦福大学地球物理学家Greg Beroza一直在关注着华盛顿大学研究团队的成果，他说，“这简直太令人振奋了”。这些颤动的发生是有规律可循的，这就使研究人员可以提前做好准备，因而，它们为详尽研究地震事件提供了一个千载难逢的机会。“如果10年以前你告诉我说某种地震活动快要出现了，就发生在深大断裂上，而且这些地震活动还有规律可循，我们可以预测它们会在不久的将来再次发生，那么我会告诉你，你简直疯了”，Beroza说道。

1 难以捉摸的信号

颤动的地震记录看起来与普通地震不同（图1）。普通地震在顷刻间爆发高频能量突然释放，并迅速消失。而颤动则温和一些；它们的振动以低频为主，来去过程也不像普通地震那样大张旗鼓。颤动的这些特征，再加上颤动的微弱性，使得它们很难被探测到。对颤动的初步观测已在阿拉斯加和墨西哥等地展开，但目前有关这方面的信息仍然很粗略，因为只有几个地方的地震台网的地震仪可以达到能够捕捉颤动信号的灵敏度。东京大学地震研究所的Kazushige Obara是第一个注意到颤动的地震学家，所用信号是由埋置于地下的固定监测台阵记录到的[1]。1995年神户灾难性地震之后，日本政府在全国范围内建立了一个由600台监测仪组成的地震台网；这些仪器被埋置在100多米深的地下，为的是免受人为噪声（如卡车的隆隆声）干扰，因为这些噪声可以盖过振动。当Obara探测到日本下方30 km深处持续数周的极深微震时，全世界的研究人员立刻开始研读他们自己案头的资料，以期发现类似迹象。

在日本，颤动主要发生在一个板块向另一板块俯冲的构造板块汇合带上。同样的结构也出现在太平洋西北地下，即沿卡斯卡迪亚俯冲带的地方，这一俯冲带从加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华岛一直延伸至美国加州北部（见图2）。此处，胡安·德富卡板块向北美大陆板块下方滑动。自从上次大地震（据推测发生在1700年）以来，卡斯卡迪亚俯冲带的危险区段一直处于闭锁状态，但研究人员预测该区段将在下世纪内发生灾难性大破裂。

图1 颤动产生的地震信号（上）和小地震产生的地震信号（下）

图2 颤动群的起源。一块海洋地壳正沿卡斯卡迪亚俯冲带向北美构造板块下方滑动。板块之间断层面的上部处于闭锁状态，此处聚集的应力将在一次巨大地震中释放。该断层或其附近区域的下部大概每年都会产生群发性颤动；研究这些有规律的颤动事件对于地震学家密切关注俯冲带状况可能会有所帮助（注：原图为彩图）

面对如此风险，研究人员对捕捉群发性颤动事件非常感兴趣，他们认为这是监测该俯冲带地下深处活动的一种手段。2009年，他们错过了一次机会。华盛顿大学的研究团队预期颤动群会在8月份出现，但该震群却在5月初就发生了，那时许多野外仪器都还没有就位。研究人员利用一个固定台阵记录到了很少一部分事件，但远没有他们期望的那么详细。2010年，他们的准备工作做得要好一些。一旦固定台阵拾取首批颤动信号，他们就会立刻动身去扩大颤动群上方的台网。每一个完整的固定台阵大概由24台间距为200～300m的地震仪组成，这些地震仪都将被布设在远离人类噪声的偏远地区。该团队的工作得到了50万美元的经费支持，经费源自美国国家科学基金会（NSF）向“地球透镜计划”（一个非营利性研究联合体）提供的拨款。

华盛顿大学地震学家、该项目的主要科学家之一John Vidale说，“就我们所能看到的成果而言，我们在野外开展的这项实验将是史无前例的”。

Vidale说，该团队的网络被称为“由台阵组成的台阵”，通过比较地震波到达每一台地震仪的时间，可精确确定颤动源的位置。“这就像用耳朵倾听一样，我们可以判断出声音来自哪个方向，”他进一步解释道。

颤动群的起源正在引发激烈争论。在日本，地震学家的观测结果是颤动源自板块的汇合面俯冲－断层边界，这里也是产生巨大地震的地方。但在卡斯卡迪亚，根据不列颠哥伦比亚省太平洋地学中心的Honn Kao及其同事的研究结果[2]，地震信号却显示某些颤动还有可能发生在断层面上方。

2 深部颤动

确定振动源的位置可以帮助研究人员了解产生这些振动的物理过程。颤动起源于地下几十公里，此处地球的冷地壳被拖入热地幔。上地壳中的脆性岩石在应力作用下很容易破裂，从而引发地震。但地幔中的岩石温度极高，它们在压力作用下只会扭曲变形而不会破裂。颤动似乎就发生在俯冲板块温度升至足以使其岩石性质变为韧性的复杂地带。

本周发表的一项研究成果[3]可以帮助解释日本下方部分地区颤动产生的过程。东京大学地震学家Satoshi Ide表示，四国岛（Shikoku island）下方的颤动习性受控于该俯冲带中存在的岩石类型。Ide发现某些颤动的位置排列起来呈条带状，其方向与过去1 000万年间该俯冲板块的运动方向一致。他认为根据这些条带可以追踪海山留下的轨迹即深埋于海洋板块内的从前的火山遗迹，该海洋板块目前仍在向日本下方俯冲。

他说，如果此推断正确，那么海山对颤动习性产生影响的方式可能会有两种。第一，当地壳滑入地幔时，海山会对上覆板块起到羁绊作用，从而引发阵颤。第二，海山的化学成分可能会使它们起到润滑剂的作用，就像成块的油脂一样使板块运动趋于平缓，这样一来，本来可能是灾难性的大破裂就变成轻微的颠簸颤动了。

Beroza称Ide的发现还只是初步成果，但“这一成果确实非常重要”，因为它揭示了数百万年来岩石的特征是怎样延续的，以及它们对今天的颤动事件的发生究竟起到了什么作用。与日本的情况相同，卡斯卡迪亚的颤动事件有时也发生在可能反映俯冲岩石某种特征的条带内。

利用新旧实验室实验方法，研究人员试图通过测试压力状态下岩石的摩擦、空隙度以及其他变化特性来确定究竟是什么情况引发了颤动而不是全面爆发的大地震。斯坦福大学地球物理学家Paul Segall说，这些研究有助于揭示出是什么因素对俯冲带深度的断层运动起到了控制作用。

3 地震线索

科学家也没有搞清相同断层上的颤动与较大地震有什么关系。在日本和卡斯卡迪亚地区，颤动事件得到了较细致的观测，它们往往都发生在产生大地震的俯冲板块附近；而且起源于为未来大地震聚集能量的“闭锁”区下方。

华盛顿大学地球物理学家Joan Gomberg说，研究人员正试图发现颤动模式的改变，因为颤动模式的改变可能暗示着断层内的应力转变。一旦出现这种联系，地震学家就会开始对颤动信号进行监测，以期发现大地震前的某些迹象。他们已经发现了一些非常有趣的线索，但迄今为止还没有提出令人信服的结果。再如，加利福尼亚州的圣安德烈斯断层也经历过颤动事件与1、2级地震同时发生的情况，但两者之间的直接联系还有待证实[4]。

与此同时，Obara及其同事计划再增加一个野外监测系统，以收集更多的有关日本下方颤动事件的详细资料。当颤动群来袭时，卡斯卡迪亚的研究人员也做好了抓住机会、立刻捕捉信息的准备。

华盛顿大学地震学家Ken Creager回忆起2009年他们的研究团队错过捕捉颤动机会时的失望情景，他说，“这些事件的发生似乎很有规律性，但也不完全如此。”今年，他更有信心。“无论如何，我们也要捕捉到颤动信息。”

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

原题：The secret chatter of giant faults

（中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，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。