加州地震概率预测将对地震学理论产生强烈震动＊

Glennda Chui

加州地震概率预测将对地震学理论产生强烈震动＊

Glennda Chui

地质断层的运动模式与科学家曾经预期的并不相同。目前,科学家试图对地震的活动习性形成全新的认识,Glennda Chui对此进行了报道。

现在从加州传出的低沉的隆隆声并不是地震的声音,而是该州精心打磨的一套地震预报理论因受到强烈震动而发出的响声,这套理论将退回原点,一切都要重新开始。

位于科罗拉多州丹佛市的美国地质调查局(USGS)地震学家、加州地震概率工作组(Working Group on California Earthquake Probabilities WGCEP)负责人Ned Field说,“我们正在谈论一次对地震预报理论的大检验。”该工作组负责预报整个加州未来30年内破坏性地震发生的概率。

他们的报告预期2011年出台。与该小组的前身一样,其研究成果也将产生巨大影响——不仅对科研产生影响,而且对加州的公共政策也会产生影响。加州是美国人口最多的州,面临全国3/4的地震危险。那里对地震预报的探索是全世界最全面的,那里的某些断层也得到了最广泛深入的研究,所以从加州取得的经验教训最容易对其他地震多发国家和地区产生影响。

1 传统概念

从地震学的观点看,2011年出台的报告将抛开长期以来统治地震研究和地震预报的一套颇具影响的概念。这些传统概念中的一种假说认为断层也是“墨守成规”的,它们习惯于大规模破裂,即一次又一次地产生规模大致相同的“特征”地震。另一种模型断言大地震最有可能发生在很长时间未经历过大震动的“地震空区”。两种理念都是在用简单的物理学术语来解释地震的活动习性,就直觉而言是有意义的。但近期的研究工作动摇了人们对这些传统观念的信任。

位于洛杉矶的南加州地震中心主任Thomas Jo rdan说,发生特征地震的世界“是我们都想居住的世界”,“但事实却并非如此,因为地震并不是发生在简单的断层结构上,而是发生在相当复杂的断层系内。Jo rdan认为地震活动涉及断层间复杂的相互作用,导致其混沌机制很难预测。断层个体的物理学特征以及它们之间的相互作用其实非常复杂,所以没有单一的确定性规则可以解释其活动习性。

这一全新认识不仅对特征地震的观点提出挑战,而且对于另一个更陈旧、更具基础特性的观念也是一种挑战,即断层的活动习性都遵循一定的行为模式。此观念被称为弹性回跳理论,源自1906年旧金山大地震,那场地震将旧金山的大部分地区夷为平地。弹性回跳理论由位于马里兰州巴尔的摩市的约翰霍普金斯大学地质学家Henry Fielding Reid首先提出,当时他率队对那场灾难的地质学和物理学特征展开了正式调研。

在研究了沿圣安德烈斯断层的破裂和地面运动的余震之后,Reid开始将地震视为压力聚集与释放的周期性表现。地表下会发生应变积累,直至达到临界水平。就在那一刻,断层一侧的岩石相对于另一侧的岩石猛然向前运动。这种突然的运动会将地下积压的能量几乎释放一空,之后应变再次积累,但它还需要一段时间才能达到足以引发另一次地震的水平。

Reid理论是一个革命性的概念,因为在此之后又过了半个世纪,板块构造学说对于圣安德烈斯断层上的应力究竟来自何方才作出解释。而且该理论也相当具有吸引力,因为它暗示应变积累与释放的循环周期的规律性足以用来预测地震。在1910年的详细调研结果报告中[1],Reid提出了一种预言下次地震发生时间的方法:按垂直于断层的角度打一排桩子,并不时地测量它们的相对角度、距离和高度。当测量结果显示应变已积累到临界水平时,“我们就预期有强震发生,”他在报告中这样写道。

2 深入探测

一个世纪以来,弹性回跳理论之后的地震假说都是建立在该理论基础之上的:毕竟,当地壳板块互相推挤、擦肩而过时,地下聚集的应变最终也必须得到释放,释放的方式可能是地震,也可能是另一种缓慢的、安静的方式被称为无震滑动。然而,地震释放能量的过程与应力聚集的过程都是一成不变的观念正受到越来越多的抨击,因为事实证明地震要比Reid想象的复杂得多而且也更具个性化。

这种个性特征在许多方面都已显现出来。某些情况下,地震以震群的形式发生,如2004年苏门答腊西北海岸近海发生的9.1级地震和随后发生在附近的地震序列,其中就包括2009年9月的那次地震。另有一些情况,地震使某些断层的大部分区段破裂,将从前地震事件中不曾向一起聚集的地块连接起来。某些地震甚至能从一个断层跳到另一个断层,如加州莫哈维沙漠(Mojave Desert)的M 7.3 Landers地震和2002年阿拉斯加中部的M 7.9地震。这两次地震之所以广为人知还有其他原因:它们都引发了小地震、间歇喷泉喷发以及数千公里外的其他一些地震活动。

图1 加州地区地震概率。2009年根据断层习性的理论模型所作地震预报(注:原图为彩图)

从前有研究显示,沿圣安德烈斯断层发生的大地震呈重复模式,但就在这里也出现了与地震有规律性这一观点相悖的证据。地震有规律性的观点源自20世纪70年代末、80年代初对洛杉矶以北的圣安德烈斯断层中-南段进行的研究。在那里开展工作的地质学家测定了由1857年Fort Tejon大地震(震级被测定为7.9)引发的河流和其他地貌的偏移量。沿该断层开挖的沟渠揭示出一系列的类似地震,其时间跨度约200～400年。在每一点,每次地震期间断层的滑动量似乎都相同[2]。

但最近的挖掘工作大大地改变了此前的观念。2004年,加州大学欧文分校的Lisa Grant Ludwig率队在一个叫Bidart Fan的地方开挖壕沟,此处一些溪流通过厚厚的沉积,在圣安德烈斯断层的中-南段形成了多条渠道。沿沟壁呈现的以往地震痕迹使沉积层中断,利用碳-14分析可测定其年代。2009年1月,她和另外两名地质学家发表了一篇论文[3],将此段断层上大地震的复发间隔缩短为137年。自那以后,她们又将其估算值缩短为100年,而且表示某些大地震甚至50年就会发生一次——意味着地震不像从前的研究揭示的那么有规律性。

Grant Ludwig说,“我认为弹性回跳似乎依然是基础理论”,“但建立在此基础之上的东西看起来将会与它有所不同”。

位于Menlo Park的USGS古地震学专家Thomas Fumal对圣安德烈斯断层连续进行了25年的研究。他说沿该断层大部分区段的情况跟以前预期的都不相同:科学家发现大地震发生的频率远比以前研究结果揭示的要高——而且震级范围更大。

3 迟到的地震

特征地震的观点在2004年遭受了又一次打击,那年,圣安德烈斯断层在加州中部城镇帕克菲尔德(Parkfield)附近释放了一次6级地震。20世纪80年代,研究人员在此处布设了密集的地震台网。根据19世纪经历的地震周期大约为22年这一事实,他们预期在1993年会有一次中等强度的地震。然而,地震比预期的晚发生了10多年。根据2005年的一份报告[4],地震发生的时间及其他特征“几乎使所有的简单地震模型都处于尴尬境地”。

David Jackson早就预料到会有这种结果,因为这与他所看到的全世界的地震模式相符。1991年,同在加州大学洛杉矶分校工作的Jackson和Yan Kagan对全球地震目录进行了分析,他们得出的结论是大地震在时间和空间上都呈群发态势[5]。按理说不应该出现这种情况。如果地震遵循弹性回跳理论,那么大地震应该“重新设定地震时钟”,在另一次大地震袭击同一地区之前会有一个时间间隙。

Kagan和Jackson认为曾遭受地震袭击的区域再次遭受大地震袭击的可能性会增大,而不是减小[6]。其他地球物理学家对于他们的说法大都不予理会,但随后发生在加州Mojave Desert的地震序列却令人目瞪口呆。1992年4月Joshua Tree发生了M 6.2地震,两个月后发生了Landers地震和Big Bearm 6.5地震,7年以后又发生了Hector minem 7.1地震。

长期以来,科学家知道较小地震可以呈群发态势:当主震发生后大地便会因余震而不断颤动。但一次大地震后另一次大地震会接踵而至的观点却让人震惊。而现在,研究人员会很自然地谈到大地震会引发另一些大地震,这些地震可能发生在附近的断层,也可能发生在遥远的断层。

据文献分析[7],2004年苏门答腊巨大地震后Parkfield附近发生的小震模式其实很不寻常

说明那次印尼地震事件降低了约8000 km外的圣安德烈斯断层的强度。在那篇文献中,加州大学伯克利分校的地震学家Taka’aki Taira及其同事指出那次印尼地震也会在全球触发一连串的8级地震。

4 勇于挑战

位于加州Pasadena的USGS科学家Karen Felzer说,她已开始相信许多地震,无论震级大小,都是由其他地震引发的,而不是简单地对局部力作出的反应。“就本人而言,我同意Jackson和Kagan的观点,即实际上不会出现弹性回跳对所有地震发生的时间真正产生控制作用的是触发过程。”

2011年加州地震概率报告的准备工作必将在地震学界产生极大震动。当1988年地球科学家拟就第一阶段报告时,其内容要简单得多。当时,一个由地球物理学家和地质学家组成的专家团队将圣安德烈斯断层系划分为轮廓清晰的不同区段,然后根据某一特定地点发生较大地震后已经过去的时间来指定各个区段未来发生地震的概率。

如今许多年过去了,根据对以往地震的研究、实验室研究和理论研究,后续版本都指出了地震的复杂性。许多新的模型也已问世,它们以各种方式将不同的断层区段结合起来,由此产生更大的地震。研究人员已经认识到迄今未被认知的断层的危险性,并指定了它们的地震概率。

2009年发表的最新版本的报告[8]提出了几个亟待解决的问题,如“断层系的互动复杂性是否会有效地颠覆弹性回跳理论所包含的地震可预测性,或者至少会大大降低地震的可预测性?”对于这个问题和其他同样棘手的问题,该研究小组表示答案是“会的。”

Field说,最近几次预报中出现的复杂问题主要都集中到一点,即“就某些方面而言,我们的模型就像纸牌搭成的房子一样基础还不够牢靠。我们发现模型中有些东西其实我们并不喜欢,还需要改进。”

但是,每当科学家稍稍调整模型结构的某一部分时,另一部分就会开始摇晃。Field说,现在好了,“我们可以将以前的模型全部推翻,从头再来。我相信我们最终会建起一个更清晰也更简单的模型,而不是一个经过反复修正的东拼西凑的东西。”

2011年的工作报告名称为“加州地震破裂统一预报3”(Uniform California Earthquake Rup ture Fo recast 3),其中不会过多地强调甚至还会彻底排除断层的分段性,并将明确表示任何地方都有可能是地震的起始点或终结点。虽然该报告不会摈弃弹性回跳理论,但它也不会承认这一模型就是确定人们最关心的较短时间尺度内(数十年至数百年)地震活动模式的主导因素。

Field说,“我们不想排除弹性回跳理论,因为地震学界还有许多人认为该学说至少对于震级较大的地震还是很有意义的”,但还没有人知道该模型会怎样被融入断层间不断相互作用、断层破裂约束条件越来越少的世界。

实际上,有人说地震太复杂了,仅仅依据对其物理特征的认识就想对地震形成约束是不可能的也是不切实际的。因此,研究人员提出了用于预报即将发生的地震特征的纯统计模型,这种模式与他们现在预报余震的方法非常相似。USGS的Andrew michael说,现在统计学一方得到了很大的推动力。

目前,地球物理学家正在通过一个基于互联网的项目使他们的某些预报理论接受检验,该项目名称为“地震可预测性研究合作实验室(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability)”,3年前在Wm Keck基金会的资助下开始运行,创始人是Jordan。他说,“此举的理念是提供一个让人们可以进行科学的地震预测实验的环境,并让这种实验得到可观的评价”。该项目在南加州、新西兰、日本和瑞士都有测试中心。有39个预报模型正在美国的南加州地震中心接受检验,还有40多个正在其他国家接受检验。每一模型的测试期为5年,期间不允许调整。

由于加州地震概率工作组试图将有关地震活动模式的相互碰撞的各方观点和谐统一起来,所以来自以上模拟结果的信息与来自圣安德烈斯断层和其他地方的新数据一道都将被融入该团队的研究成果中。对于预报方法的这次大检验能否像Field预期的那样推动地震预报理论的根本变革,让我们拭目以待。最终,该工作组将利用基于各方专家观点建立起来的复杂的逻辑树作出自己的结论。USGS地质学家、特征地震模型的建造者之一David Schwartz说,摈弃弹性回跳的基本元素,或者说摈弃至少某些断层系上的地震是依循着循环往复的规则发生的观点是不对的。他不介意研究人员探索公众已熟知的(对各州居民产生真正影响的)预报方法以外的新模型。他说,“那很好,就看它会将地震学理论引向何方了”,“我可不是要厘定我的地震保险费率。”

译自:Nature,Vol.461,15 October 2009,870-872

原题:Shaking up earthquake theory

(中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译;李平恩 校)

(译者电子信箱,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]Akçiz 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。