地震预测-慢地震可能是巨大地震前兆

一、前言

一般而言,地震产生的原因是地壳快速运动过程中大量释放能量,造成地面的震动,这种震动以地震波的形式向外传播。仅需几秒钟或十几秒钟的时间就足以倾覆庞大的建筑物或使山体、地面发生变形。因此,地震的发生是一个很快的过程。

大部分地震主要环太平洋板块边界带发育,部分地震位于内陆活动断层。根据世界地震分布图可以看出,绝大多数地震都分布在南纬60度和北纬60度之间的广大地区,南极和北极地区则很少有地震发生(图1)。世界范围内强震发生颇多,目前影响最大的破坏性地震事件是2023年土耳其连续发生的两次7级以上大地震,并且震后余震依然强烈且频繁,共造成数万人伤亡,上百万人无家可归(图2)。频繁发生的大地震使得我们越来越关注地震灾害的问题,同时令我们想起一个老生常谈的问题——地震真的可以预测吗?

在目前的技术条件下,地震发生条件非常复杂,预测是不现实的。不过科学家们正在探索预测地震的各种方法,其中很多人认为对慢地震的研究可能有助于预测地震。由此引申出一个问题,什么是慢地震?

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图1 全球性地震事件分布

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图2 土耳其-叙利亚部分受灾照片

二、何为慢地震

首先要认识岩石圈的活动规律:板块运动时会相互碰撞或分离,带给板块边界处巨大的压力或拉力,这个压力或拉力会传导到板块内部,使板块边界或板块内部的岩层破裂形成断层,多个巨大的断层还会组成断裂带,这就是绝大多数地震的发源地。一个大地震的断层面破裂长度往往达到数十乃至数百千米,比如2023年土耳其地震的破裂断层的总长度就超过了360千米。用破裂长度除以破裂速度,就是地震的“震源持续时间”。一般来讲,普通地震的震源持续时间很短,仅有十几秒到两百秒左右。

如果一个断层的破裂速度非常慢(比如只有3米/秒,甚至0.3米/秒或更低),在断层破裂长度不变的条件下,最终释放的能量将与普通地震相差无几。但因断层破裂速度变慢,不仅人类无法感知这种地震的发生,且目前最先进的地震仪也很难测量,这种地震就被称为慢地震(图3)。

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图3全球慢地震分布范围

三、发生慢地震的原因

慢地震通常会缓慢释放板块间的应力,与常见的地震形式相差甚远,是否以这种形式释放应力的运动就不是地震呢?其实不然,缓慢释放应力也是一种地震的运动形式。慢地震最早发现时间是本世纪初,由日本的GPS观测数据捕捉到的,主要发生在俯冲带区域附近。这种类型的地震事件在板间称之为慢地震、震颤、慢滑移事件,在板内称之为断层的蠕滑(creeping)(图4)。由于慢地震滑动速率缓慢,人类难以察觉,只有通过高灵敏度的探测仪器(比如连续GPS观测站、宽频带地震仪)才能观测到。

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图4断层间蠕滑与应变积累间关系

蠕滑的机制目前认为可能与断层较弱的强度(低摩擦系数)、断层面上弱的正应力、流体的作用等有关。慢地震的运动主要与活动断层表面摩擦力密切相关,科学家对动摩擦系数研究后,给出经验公式:

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其中,u0是活动断层以v0滑动时候的摩擦系数,可以根据实验室模拟结果给出。

a-b代表物体的性质:

(1)板块相对运动的速度越快,摩擦越小,即为速度弱化(如花岗岩)此时a-b<0;

(2)有时物体的摩擦系数会随着滑动速率增加而增加,运动速度越快,摩擦力越大,即为速度强化(比如饱水黏土),此时a-b>0;

(3)a-b=0则是二者的过渡区,通常也是慢地震发生的主要场所。

五、慢地震有助于地震预测的原因

目前有关慢滑移能够预测地震的研究成果,大多来自实验室模拟和大地测量观测。其中,实验室模拟实验表明,在普通地震发生之前,一般都会发生慢地震。相关学者专家利用花岗岩为材料,表示为a-b<0的区域(速度弱化区)进行滑动实验,发现在花岗岩中,慢地震也是地震过程的一部分,实验的具体内容如下:

首先切割出长度6cm,宽度为3cm的立方体花岗岩(图5),3个块体水平放置,对两侧块体沿水平方向施加压力(即推挤过程),使其夹住中间的块体,然后给中间的块体施加一个向上的推动力量。中间的块体先是纹丝不动,但当推力增加超过某一界限时,中间的块体会开始缓慢地滑动,随后很快地加速,最后发生错动。实验结果类比于地震发生过程表明,纹丝不动阶段代表未发生地震的情况,缓慢滑动阶段代表慢地震的情况,很快地加速阶段代表地震发生时的情况。

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图5 示意图

总之,无论是实验还是实际地表观测,都能够捕捉到慢地震影响大地震的地表位移证据,并且大部分普通地震发生之前,均有慢地震的发生。如果对慢地震进行仔细研究,深入了解各个俯冲带的慢地震波形特点及其历史特征,就有助于进行大地震的预测。但是,目前影响研究进度最大的原因是现有的地震仪很难精确识别慢地震,未来需要更高时间、高空间、高精度的仪器设备对慢地震进行识别和观测。

参考文献:

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撰稿:张鲁鹏

审核:付媛媛 周 锐