话说地震

Ross S.Stein

与主流的看法相反，大的地震能以出人意料的方式相互影响。这个令人激动的发现可能会极大提高科学家精准确定未来地震的能力。

能预测地球下一个破坏性地震何时何地发生，地震专家们梦想了几十年。但到1990年代早期，发现地震高危断层的活动非常复杂，专家们只得推断这个星球上的极大地震是孤立、随机、完全不能预测的。目前大部分地震学家认为一旦主震及预计的余震以破坏性方式释放后，断层将保持平静直至地壳内应力恢复，恢复通常需要经过百年或者千年时间。最近的一项发现——地震间以从前未想到的方式相互作用——正开始推翻这种看法。该项发现证实了较大地震释放应力可能导致某些区域发生另外较大地震的猜测。但它同时也表明在沿断层的其他地方或在附近断层上发生地震的可能性会陡然增加3倍。对于那些准备提供应急服务或设定保险费价格的人来说，这种精密预测对确定他们哪些要素最为脆弱至关重要。

该假说的核心——被称为应力触发——是断层出人意外地对相邻断层移动和振动产生的微小应力做出反应，根据以前的地震记录及对断层活动的新颖计算，我和同事们发现地震中释放的应力并不是简单地消失，而是沿断层向下移动，在附近的地方积聚。这种应力激增促进了随后地震的触发。的确，1992年以来对大约两打断层的研究使我们中的很多人相信即使应力仅增加使轮胎膨胀的1／8压力也能触发地震。

大震之间这种微妙的因果关系，以前没想到会存在，也从未用于地震预报，直到现在。因此，许多科学家对将其作为新预报方法的基础表示怀疑是可以理解的。不过，凭借其对加利福尼亚、日本以及土耳其几个破坏性地震之后所发生地震的时间及频度的解释能力，应力触发假说不断获得认同。希望能对这样的灾害进行更好的预警是我们不断探索、解释这些地震间意外对话的主要动力。

概要／转变重点：

·科学家们过去经常认为大地震对下次大震的发生时间和地点影响不大，但一项令人吃惊的新发现正使这种看法受到挑战。

·事实证明，地震高危断层会出人意料地对邻近断层走向上的地震其发生过程中产生的微小应力做出反应。

·其他条件保持不变，应力升高——即使很小——的地壳区域也可能是下个地震发生场所。

·如果该假说证明成立，其结果可能会极大地提高国家、城市以及个人评估其地震弱点的能力。

1 被忽视的余震

否定大震随机发生这么一种近乎普遍的看法从一开始就具有挑战性，尤其是考虑到数百科学家徒劳地花费了三十多年寻找全球地震活动模式。有些调查人员寻找小震的变化率或使用灵敏仪器测量地壳的倾斜、延伸或肉眼难以觉察的迁移距离。有些调查人员跟踪气体、流体及电磁能量的地下运动或监测岩石中微小裂隙在大震前是张开还是闭合。无论研究人员检测什么，从一个大震到另一个大震都没找到多少一致之处。

市内及周边有1 300万人口的洛杉矶处于一个由地震高危断层（白线）组成的复杂网络中，其中包括著名的圣安德烈斯断层（原图为彩色图——译注）。现在，部分科学家认为自1850年代以来该地区有强烈震感的大震（椭圆）都可能影响了随后事件的发生时间及位置

尽管差异悬殊，但历史记录证实世界上记录到的大约三分之一的地震，即所谓余震，在时空上成丛。过去认为所有真正的余震沿主震过程中滑动的断层段发生。在发生时间上余震也遵循统一模式。该模式首先由日本地震学家大森房吉于1894年提出，并发展成以大森定律闻名的一个基本原理。主震刚发生后余震最多。10天后余震数下降到开始时的10%，100天后降到1%，依次类推。这种可预测的地震活动的激增或衰减表明初始地震以增加随后颤动的方式调整地壳，否定了地震在时间上随机的观点。但由于余震通常比地震工作者愿意预测的最大破坏性地震要小，作为打开地震秘密的钥匙，很长时间受到忽视。

一旦把余震抛到一边，余下的地震确实显得随机——至少乍看上去如此。但为何忽视这些最可预测的地震而证明其余无序呢？我和同事们反而探求是什么使余震如此规律。我们在世界上地震最活跃区域之一——贯穿加州的圣安德烈斯断层系——开始了我们的研究。从当地的地震及余震记录中得知，在7.3级地震后的那天100km范围内发生另外一个大震的概率接近67%——是其他日子的20 000倍。与第一次地震有关的什么事情似乎显著提高了之后地震发生的可能性，但它是什么呢？

那种概率激增解释了为何在1992年6月兰德斯附近刚发生7.3级地震，3小时后又在40km外的南加州大贝尔镇附近发生6.5级地震而无人感到惊异（幸运的是，这两次地震都发生在人口稀少的沙漠，没有对洛杉矶市造成破坏）。与流行看法矛盾、令人困惑的是大贝尔地震远离兰德斯地震发生断层。大贝尔地震时间上符合余震分布，但空间上不符。我们猜测其神秘位置可能含有我们正在寻找的线索。

通过对兰德斯地震、大贝尔地震及加州其他数百地震的位置成图，我和同事们发现不仅真正的余震而且其他地震——主震后数天、数周甚至数年后发生的更小地震——在分布上存在引人注目的模式。像令人难以理解的大贝尔地震一样，这些随后发生的地震绝大多数倾向集中于距主震发生断层较远的地区，离所估计的余震出现之地较远（见第3节框图）。如果能够确定是什么控制这个模式，我们推断，同样特性或许也能用于主震自身。假如这个属实，那么我们就可能走对了发展新的预报地震策略之路。

应力过载当地球构造板块彼此摩擦经过时，积聚应力的积累与释放标志了所有特大地震的轮回。沿土耳其北安纳托利亚断层（白线），断层的北侧陆地相对南侧陆地向东移动（黄色箭头），但在断层处卡住不动（原图为彩色图——译注）。当应力最终克服断层的摩擦力时，两侧岩体剧烈错动。这种现象的一个灾难性例子发生在1999年8月17日，当时7.4级的地震夺去了伊兹米特城及周边25 000人的生命。地震前后的应力计算表明，震后，所谓的库仑应力沿滑动的断层段下降，但在其他地方增加

震前

自上次大震释放应力以来，伊兹米特附近的北安纳托利亚断层段在200年间积聚了可观的应力（红色）。假想的叠加在横幅图上发生形变的栅栏和网格显示了高的应力。沿断层的正方形被拉伸成平行四边形（放大15 000倍）。随形状的巨大改变，高的应力出现于断层的极近处（原图为彩色图——译注）

震后

地震降低了所有滑动断层段上的应力（蓝色）。以前发生形变的栅栏断开，形成几米的错断；非常靠近断层的网格正方形恢复为初始形状。高应力目前集中在破裂断层段的两端外边，那里的网格较震前扭曲得更为严重（原图为彩色图——译注）

2 触发与影区

我们首先审视大震发生后地壳内的变化，这些大震释放了随地球的移动构造板块彼此摩擦而缓慢积累的一些应力。例如，沿圣安德烈斯断层，承载北美洲的板块相对太平洋之下的板块向南移动。由于两侧向相反方向运动，施加的剪应力平行于断层面；随着断层两侧岩石相互挤压，又会施加第二个应力，垂直于断层面。当剪应力超过断层的摩擦阻力时或当将断层两侧压在一起的应力降低时，一侧岩石将会突然滑过另一侧，以地震的形式释放出巨大能量。这两种力——其合力称为库仑应力——在发生滑动的断层段下降。但由于应力不会简单地消失，它必定重新分布于相同或附近断层的其他点上。我们猜测增加的库仑应力足以在这些新的地方触发地震。

地球物理学家们过去几年来一直计算库仑应力，但从未将其用于地震活动的解释。理由很简单：他们觉得变化太小不会有什么影响。的确，转移的应力通常相当小——小于3.0bar，至多为典型地震发生断层总应力变化的10%。我曾怀疑这是否足以触发断层使之失稳。但当巴黎地球物理研究所的Geoffrey King、麻省伍兹霍尔海洋研究所的Jian Lin和我计算了南加州大震后应力增加的几个区域后，我们吃惊地发现，应力增加——尽管很小——清楚地和随后小震群的地点保持一致。这种相关的含义不会有误：应力升高的区域将是随后地震，大的和小的，主要发生的地方。我们还开始明白同样令人吃惊的事情：应力很小的降低可能会阻止未来的小震。在我们的图上，地震活动在所谓的应力影区急剧下降。

库仑应力分析很好地解释了过去某些地震的位置，但更重要的检验则是用这种新的技术能否可靠地预测今后地震的位置。6年前，我和美国地质调查局（USGS）的地球物理学家James H.Dieterich，伊斯坦布尔工业大学（Istanbul Technical University）的地质学家Aykut A.Barka一起评估了土耳其的北安纳托利亚断层，该断层位于世界上人口最密集的断层带内。根据对因过去地震而库仑应力升高地方的计算，我们估计伊兹米特城附近的断层段在1997～2027年某个时候发生7级或更大地震的可能性有12%。这种可能性似乎相当低，但相比之下，1 000km长的断层，除了另外一段之外，仅有1%到2%的可能性。

我们并未等待很久就得到证实。1999年8月，一个7.4级地震使伊兹米特城成为废墟，25 000人丧生，财产损失超过65亿美元。自1939年以来北安纳托利亚断层发生了12次大震，而这次地震只是这个多米诺骨牌式序列中的最近事件。在特别严峻的5年间，总长700km的断层因发生了4次地震而向西产生致命性滑动。我们推测转移到破裂端之外的应力触发了随后的地震，包括伊兹米特这次。

1999年11月，第13块多米诺骨牌倒下。从伊兹米特附近断层转移走的部分应力触发了向东约100km的迪兹杰镇附近的一个7.1级地震。幸运的是，Barka计算了伊兹米特地震导致的应力增加，并提前两个月将结果发表在 《Science》杂志上。尽管学校当局说学生没有其他地方可聚到一起上课，但受Barka预告的鼓舞，工程师们仍然关闭了迪兹杰镇上在第一次地震中受到轻微损坏的学校建筑，其中部分被11月的地震夷为平地。

如果随后由美国地质调查局的Parsons，日本活断层研究中心的Shinji Toda，我和Barka，Dieterich所做的计算正确，那它可能不是伊兹米特地震引起的最后一次地震。那次地震中转移的应力增大了首都伊斯坦布尔附近今年发生强震的概率，从1.9%到4.2%。以后30年的这种可能性，我们估计为62%。如果假定大震随机发生，那可能性则仅为20%。

3 根据应力预报

地震活动的很多特征尚未知晓，科学家集中他们有限的见识抢抓先机。

人们对其所处世界地震危险性的察觉在很大程度上依赖于他们所收到的警告类型。现今的大部分地震预报假设地震间没有关系，认为每个断层段有给定级别的平均发震周期——例如，地震越大，周期越大——但地震确切的发生时间则认为是随机的。该方法的最大优点——被称为泊松概率——是预报不需要知道上次大震的发生时间。基于断层段上老得多的小震的地质记录，地震学家可直接推断出两次大震之间的典型时间周期。这种传统策略给出的概率不随时间变化。

相反，称为更新概率的一种更精致的预报断言破坏性地震发生的可能性随上次事件发生后的时间增大。增大的可能性基于这样的假设：沿断层的应力随大震的复苏而逐渐增加。在第二种传统方法上，加入由附近地震造成的应力变化的作用，我和同事们建立了与地震间作用有关的概率模型。对伊斯坦布尔附近土耳其的北安纳托利亚断层三种预测的比较显示了它们的不同，大震刚发生时最为显著。

不同方法预测的伊斯坦布尔50km内强震发生概率差异很大。传统预报的概率保持不变或随时间缓慢增大（绿线和蓝线），但考虑伊兹米特地震的转移应力后，概率显著升高（红线）（原图为彩色图——译注）

在1999年11月地震中，土耳其迪兹杰镇倒塌的建筑。有些科学家猜测这场震害由较早的伊兹米特附近的强震触发（原图为彩色图——译注）

自100至500年前发生最后一次大震以来，伊斯坦布尔50km范围内4条断层发生大震的更新概率在1999年8月伊兹米特灾难性地震发生之前一直缓慢增大。根据这种预报，8月地震使伊兹米特紧邻地区再次发生强震的可能性陡然下降，因为那里的断层被认为已得到缓和。不过该次地震没有改变西

边100km、伊斯坦布尔30年中某个时候发生强烈地震的48%的概率。这种可能性随时间缓慢增大——不像泊松概率，不管首都附近发生的震动，一直仅为20%。

当在更新概率上增加我们小组的应力触发假说后，一切都变了。最显著的结果是由于1999年地震中伊兹米特附近释放的应力有部分沿断层集中于伊斯坦布尔，因此在该市发生第二个强震的概率突然迅速增加。这意味着伊兹米特地震将伊斯坦布尔未来30年内的发震概率从48%增大到62%。这种所谓的相互作用概率将随时间下降而更新概率则继续增加。这两种预报将在2060年交汇于约54%——假定那之前不再发生大震。

应力触发假说为悲观失望的氛围带来了些许安慰。提高某些区域的地震危险性，其他地区的危险性必然降低。在土耳其，风险降低的地区恰好是相对伊斯坦布尔人口稀少的地区。不过有时也相反。最突出的例子之一是如今有500万居住人口的旧金山湾地区自1906年发生7.9级地震以来一直地震很少。1998年我的美国地质调查局的同事Ruth A.Haris和Robert W.Simpson所做的分析表明1906年地震的应力影区横穿了该海湾地区中圣安德烈斯断层的数条平行分支，而升高的应力正好在南部和北部。这可能解释了为什么该海湾地区发生破坏性地震的概率与1906年之前的75年相比下降了一个数量级。据计算，该海湾地区的地震活动随着应力在断层上的重新积聚正从影区逐渐显现。1989年普列塔山地震造成的高速公路垮塌及其他灾害可能是这种显现的征兆。

地震群大震（实五角星）后应力激增的地方（红色）是以后易于发生地震——大的（空五角星）和小的（黑点）——之处。相反地，应力陡降的地方（蓝色）很少发生地震，不论附近断层（白线）位于何处（原图为彩色图——译注）

1992年加州南部沙漠靠近兰德斯发生的7.3级地震增加了西南的发震预期，3小时后那里发生了6.5级大贝尔地震（顶部）。此后7年发生了大量地震，1999年赫克托矿的7.1级地震达到顶点，兰德斯地震和大贝尔地震共同产生的应力与大部分地震发生的区域一致

成对地震可增大和减小同一地点的地震发生率。1997年3月的6.5级地震增加了破裂断层西部的应力和地震活动性（上左）。那个地区的地震活动于48天后在南部3km发生6.3级地震之后降低了（上右）

4 强化假说

对土耳其及加利福尼亚州南部地震的检验增强了我们的论断：即使微小的应力变化也会产生平静的和灾变的重大影响。尽管我们有越来越多的例子支持这种猜想，但有一点难以解释：我们检验的地震约有1／4发生在应力下降的区域。我们更难以说服的同事很容易争辩说那些影区不应该有地震，因为主震至少释放了一些应力，从而阻止了那些断层段破裂。我们现在有了答案。地震活动既不是在影区完全停止也不是在触发区完全开启。地震活动率——单位时间的地震次数——仅是相对那个地区之前的活动率在影区下降或在触发区升高。

我们将应力触发有说服力的扩展归功于Dieterich于1994年提出的一个理论。被称为速率／状态摩擦的理论，摒弃了简易的摩擦概念，即摩擦力仅在两个值之间变化——在物体静止时高值，物体滑动时低值。相反地，随断层移动速率的改变以及运动或状态历史的演化，断层变得更黏或更滑。这些结论来自室内实验，即Dieterich小组在一块大众汽车大小的花岗岩板中锯出一条微型断层而触发微震。

当采用可变化而非固定的摩擦力计算地震活动时就变得很清楚，大森定律不仅是所谓余震而且是所有地震的基本性质。该定律预测地震发生率首先快速增高，然后随时间消失，这解释了为何一个地区没有一直保持由应力增加造成的较高的地震活动率。但这只是事情的一面。Dieterich理论揭示了一个大森定律完全未反映的地震活动规律。在主震释放应力的地区，地震活动性立即下降后会以一种可预测的方式慢慢恢复到震前水平。这种观点也许似乎不可思议，但速率／状态摩擦理论使我们第一次可以预测地震活动性随时间的上升或下降。仅计算库仑应力，我们可确定新地震的大致位置，但不能确定其时间。

我们关于应力触发地震的时间及位置的新想法得到了去年初进行的全球性研究的进一步证实。Parsons考虑了全世界过去25年内发生的100多个7级或更大的地震，检验了每个7级事件250km范围内所有最低5级的余震。在超过2 000个地震的目录中，61%发生在之前地震增加应力之处，即使增加很少。这些被触发的地震很少离主震很近而被当作余震，任何情况下触发地震的活动率在速率／状态摩擦理论及大森定律预计的时间段内都下降。

我们按惯例将速率／状态摩擦理论纳入到我们的地震分析，开始发现比库仑应力分析能独自解释的更复杂的地震相互作用的例子。直到最近，我们才解释了相对简单的情况，例如加利福尼亚和土耳其的情况：大震使一些地区的地震活动性升高，使另外一些地区的降低。我们认识到对于应力触发假说，更有说服力的实例应是看到连续的、尺寸相似的地震使同一点的地震频度升高、降低，就像电灯的调光器。

我和Toda发现了该现象一个激动人心的实例，我们称之为转换型地震活动性。去年早些时候我们开始分析一对罕有的于1997年袭击日本鹿儿岛的6.5级地震。紧随3月份的第一次地震之后，在破裂断层段西端之外25平方千米的地区地震活动突然爆发。我们计算初始地震转移应力所至的区域后发现该区域位于地震活动性增强的同一带内。我们还发现活动率如速率／状态摩擦理论预计的那样立即开始衰退。但仅7周后在南部3km发生第二个地震时，地震活动增强的地区突然额外降低了85%以上。在该例中，第一个地震的触发带落在了第二个地震的影区。换句话说，第一个地震将地震活动性调高了，而第二个地震将其调回降低了。

5 新一代预报

对地震间对话的监听，哪怕没有别的，也揭示了地震活动是高度互动的。尽管除了应力转移外还有其他因素影响地震间的互动，我和同事们仍确信有足够的证据表明需要对传统的概率预测方法进行大的修改。通过完善危险地震概率以反映精微的应力升高和降低，新的评估将帮助政府、保险行业和普通公众更好地估计其地震风险。传统策略已做了某种程度的、可能的优先次序划分，推动了某些城市或地区的建筑物加固和其他预防措施，但却以其他城市和地区为代价。然而，我们的分析表明考虑应力触发将提升和单独使用传统方法不同的断层至高危之首。出于同样原因，传统方法认为危险的断层可能实际风险低得多。

一个很重要的告诫是任何类型的地震预报都很难证明对，也几乎不可能证明错。除了考虑了的因素，偶然性在大震是否发生上也起着极大的作用，就像其在特定的天气模式是否产生暴风雨上起的作用那样。气象学家比地震科学家的优势是其采集了数百万以上的有助改善预测的关键测量数据。天气模式要比地球内部应力的测量容易得多，毕竟风暴比地震频繁得多。

完善地震预报也得沿相同的道路行进，尽管更为缓慢。这就是我们小组通过对地震高危城市伊斯坦布尔、兰德斯、旧金山和神户附近的大地震建立详细的预测目录而取得进展的原因。我们也在为对洛杉矶和东京的评估做准备，一次大的地震有可能给那里造成万亿美元的损失。2002年秋天沿阿拉斯加迪纳利断层发生的两次强震——10月23日6.7级和11月3日7.9级——看起来是另一个应力触发序列。我们的计算表明第一次地震将第二次地震在10天内发生的概率提高了100倍。我们正通过预测没有威胁性的、较小地震进一步验证该理论，小震数量更为繁多，从而预报更为容易。

最后，任何一种概率预测保护生命与财产的程度尚不清楚。但是科学家有充分的理由持续追求这个梦想：几亿人生活、工作在世界上最活跃的断层带上。那么多人处于危险境地，应力触发——或者任何有可能增加破坏性地震几率的现象——不应被忽视。

译自：Scientific American.2003.288（1）：72－79

原题：Earthquake Conversations

（太原理工大学矿业工程学院李成译；赵爱华校）