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也一直是科学家们研究的终点,这里每隔22年就会发生一次6级左右的地震

13 6月 , 2019  

在科学中,地震可以说是一个非常强的自然灾难,在环太平地震带上几乎每天都有大小地震发生,而对于一些超级地震板块或断层带区域上,也一直是科学家们研究的终点,根据“
地震研究快报

图片 1帕克菲尔德的地震序列。自1852年以来,这里每隔大约22年就发生一场6级左右的地震。只有1922年地震以后,仅12年后的1934年就再次发生地震。但下一次地震是在1966年,平均周期还是22年。
图片来自参考资料3

”最新科学研究表明,位于美国的加利福尼亚区域就有这样一个现象,首先大家要知道的是,该区域汇聚了全球最强的断层带,三条主要断层线

圣安德烈亚斯,海沃德和圣哈辛托是发生过历史性的强震的,但是最新的研究表明,
该区域却在经历了一个异常平静的世纪不活动状态。

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什么意思,该区域的断层带没有活动吗?其实并非没有活动,只是产生的地震没有以前大,这算是一个幸运的事情。根据科学数据统计,在加利福尼亚州有大量的地震存在,每年大约有10000次地震,尽管大多数都太小而无法发现,发生在超过500条活动断层线上。但是还是可以感觉到震级为2.5到5.5级的地震,对于5.5到6.5之间的地震来说,如果发生就可能对房屋和道路造成轻微损坏。震级为6.5或更高的地震破裂地震可导致严重的破坏和死亡。

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科学研究者艾米格拉夫称,自1918年以来,该州的三条主要断层线并没有发生过大地震,这场奇怪的100年地震中断,可能会使该州在即将到来的一个世纪内发生严重的震动,也就是发生大地震。地震学家研究了San
Andreas,Hayward和San
Jacinto断层线的1000年数据。该科学团队发现,大约6.5或更高的地球分裂地震通常发生在三到四个世纪的这些断层上。

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但在过去的100年里,大地震已经停止。事实证明,这种停顿非常罕见,只有0.3%的可能性发生。也就是说有99.7%的概率发生大地震。根据格拉夫科学报告指出,上个世纪加利福尼亚州发生了其他断层线的大地震。1989年的6.9级地震是旧金山湾区的一次重大灾难,造成67人死亡,造成50亿美元的损失。1994年在圣费尔南多谷发生了6.7级的北岭地震,造成57人死亡。Loma
Prieta的中心不是一个主要的诱导区,而是San
Andreas的一个较小的平行错误。与此同时,Northridge是由一个以前不为人知的盲地推力断层引起的。还记录了其他6.5次地震,但不是科学家们希望看到它们的地方。

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而对于这对百年来的安静,美国地质调查局地球物理学家Glenn
Biasi称,通过观察发现,确实没有异常情况,最大的断层和承载大部分滑动的断层没有发生过变化,那么暂停是什么意思呢?这些断层可能只是在19世纪所做的所有滑动中磨损了。格拉夫报告说,在1800年至1918年间,所有主要断层沿线都有8个主要的地面破裂,包括1906年的旧金山7.8地震和1857年在特洪堡发生的类似大小的灾难。

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虽然从如今的观察来看,这并不意味着即将发生重大变动,但从统计上讲,在下个世纪,预计6次大地震是合理的。所以说,地震学家们预估在下个世纪,该区域依然是可能发生地震的,自1918年以来沿着断层发生的地震破裂地震并未发生,但这可能意味着下个世纪将处于发生大地震的边缘区域上。

预测地震

当然,不能仅凭一个相似的周期就做出判断。在预测这次地震之前,地震学家做了大量的研究,尤其是比较了最后三次地震的相似性。

比如,这几次地震的震中基本在同一个位置,断层破裂范围也一样,震级一致(6级左右),造成的地面震动的时间大约为10秒。不仅如此,1966和1932、1922地震的地震波记录也是惊人的类似。

图片 71922、1934、1966地震波形记录。黑色线是1922年地震记录,红色线分别是1934、1966地震波记录。
图片来自USGS

除了地震周期外,还有一个更令人振奋的现象,1966年地震和1934年地震之前,还发生了前震,而且前震和主震时间间隔几乎一样,分别是17分17秒和17分25秒。,前震的地震波记录也是如此类似,震源几乎相同,震级都是5.1级!那么,下次地震还会有前震吗?前震是可以被分辨出来的吗?

地震之后,1934和1966地震的余震发生范围也几乎相同。根据震后调查,1901、1922、1934、1966地震造成了许多位置重复的地裂缝。

惊人的相似!

这些,促使地震学家最终在1985年做出预测,并由美国地质调查局(USGS)向政府及公众发出如下通告:即日起(1985年4月5日)至1993年之间,在帕克菲尔德地区,有超过90%的可能性,发生一次5.5~6级的地震!

科学家信心满满地做出了这样预测。

图片 8帕克菲尔德的位置。图中红线为圣·安德列斯断层,太平洋板块和北美板块的分界。两板块间相互滑动的方向如图中单箭头所示。

枕戈待旦

这个预测发出以后,在美国社会引起了强烈的反响,媒体连篇累牍地进行报道,公众参与热情高涨。USGS联合当地政府制定了地震预警计划,分为A、B、C、D四个等级,当达到最高危险等级的A级时,USGS就会通知政府,由政府向民众发布地震预警。此外,当地政府还印发了一本名为《帕克菲尔德地震预测》的小册子,内容包括了地震危害、预报及短期预报、如何应对地震等内容。媒体和政府的努力非常有效,后来了一项调查表明,这一地区几乎所有的人都知道这次地震预测,这也增加了当地人防御地震灾害的意识。

当然,科学家更没有闲着。USGS与多家大学及科研机构合作,在帕克菲尔德布设了大量的仪器,包括地震仪、强震仪、地磁仪、大地测量台网,还有测量大地变形、地下水水位、大地电导率、地下气体(如氡气)、地震沙土液化等的仪器,有些被放置在了地下几百米的钻孔中,安置了几台摄影仪,打算拍摄地震来时地面的反应。这些设备可以用来捕捉地震前兆、记录地震破裂过程以及定量测量地震带来的破坏,为工程抗震设计提供参考。这些数据都会通过无线发射器实时传输到USGS。

总之,帕克菲尔德拥有当时世界上最密集的地震监测网络,其影响也已超出了学术圈,从预报发出那一刻起,就有无数人开始翘首企盼这次地震的到来。

爽约的地震

时间就这样静静地流淌着,1985年过去了,这股热潮慢慢地消退,剩下地震学家进入了漫长的等待。

1990年过去了,地震没来。

1991年,没来。

1992年,没来。

1993年,时间窗口只剩最后一年了。但是,地震还是没有来。

不过,从1992年10月到1993年11月,帕克菲尔德倒是发生了三次4.3级左右的地震,其中有一次,和1966年地震前三天发生的一次前震比较类似,但和前几次的“17分钟”前震差别较大。而到了1994年,这里又发生了一次4.7级的地震。但是,等了十年的
6级主震一直没有来。

怎么办?最终,经过评估,地震学家认为帕克菲尔德在未来一段时间内,仍有相当大的可能性发生一次6级地震,这个项目仍需要进行下去,不过由于经费有限,不得不去掉一些仪器,有些功能做了改变或升级。

到了这个时候,质疑地震预报的人越来越多。而1995年,毫无征兆的日本7.3级阪神大地震更是让这种质疑的声音空前高涨。这次地震就发生在城市下面,造成6000多人死亡。它来得悄无声息,使得日本高涨的地震预报研究戛然而止。

帕克菲尔德地震预报的失败和日本阪神地震的不约而至,严重挫伤了地震学家的信心,一时间,地震不能预报的观点似乎占了上风。这一派的观点以1997年《自然》杂志上的一篇文章为代表,认为地震是一种自组织临界现象,具有随机性,不能实时预报。当然,这种看法遭到了很多人的反对,并引发了1999年《自然》杂志组织一次地震预报大辩论,历时7周,来自7个国家的15位科学家参与,其中包括中国地震局吴忠良研究员。这次争论虽然两派观点相左,但有这样一个共识:我们到现在还不知道地震到底是什么,地震的过程是怎么样的,地震研究还有一段非常长的路要走。这次辩论直接影响了日后各国应对地震的策略,短期预报不再被重视,长期的地震危险性评价成为了主流。

地震预报被称为地震学中的“圣杯”,也是地震学研究的终极目的之一。

姗姗来迟

就这样,进入了新千年,帕克菲尔德也没有什么的变化,直到2004年9月28日。过去的几天,这里非常平静,连一个0级地震都没有,地震前24小时,也没有记录到任何可识别的前兆信息。下午5点28分,地震就这样无声无息地来了,6级。

这次地震的表现和前几次十分类似,一致的震级,一致的破裂范围,一致的地震波记录,造成的地震震动也持续了大约10秒。

图片 91922、1934、1966、2004地震的地震波记录比较。红色虚线是2004地震波记录,a、b、c中黑色线分别是1922、1934、1966地震的地震波记录。
图片来自参考资料4

但为什么它来迟了呢?

目前,还没能确定原因。但大都认为,可能是1983年发生在帕克菲尔德东北25公里的地方一次6.5级的地震造成了这次地震的“爽约”。地震是断层上应力积累到一定程度,两侧突然发生错动的产物,错动变形在断层处最大,远离断层处变小,这会造成受影响的地方应力发生变化,有的地方增加,有的地方降低,这叫应力传递。应力降低的地方就会造成地震的延迟。恰好,帕克菲尔德地区位于1983年地震造成的应力降低区,所以地震到来的时间比预期晚了11年。 

图片 101983年地震(图中CO处)造成的影响。橘黄色区为应力增大的区域,紫色区为应力降低的区域。帕克菲尔德恰好位于应力降低区。
图片来自参考资料6

帕克菲尔德地震预测失败了,但在2004年的地震中,大量的仪器仍获得了丰富的数据,地震学家从中窥探到了许多地震的秘密。这次实验,也充分展示了地震的复杂性,中间的那次大讨论直接影响了各国应对地震的策略,重点转移到了基础研究和地震减灾上来,现阶段人类仍不具备地震短期预报的能力成为了共识。

真正意义上的现代地震学诞生于1906年美国旧金山大地震之后,到了1930年代有了相当的发展,如里克特提出量度地震大小的里氏震级。这个时候的地震预报,基本还是民间术士的职能,多援引神学或传说中的大灾难,来预言毁灭性的地震,本世纪的好莱坞电影《2012》还带有它的影子。但到了1960年代,相继发生了智利9.5级、阿拉斯加9.2级大地震以及河北邢台大地震,对社会各界造成了极大的震撼。而且,这个时候地震学已经发展了多年,积累了相当多的资料,加上盲目的信心膨胀,进而认为可以向地震预报这个“堡垒”进攻了。于是,美国、日本等国相继制定了各自的地震预报计划,中国如火如荼地展开了地震预报的“人民战争”,此后苏联、欧洲各国也先后参与进来。但十多年以后,大家发现地震预测基本没获得什么成果,只有中国误打误撞预报了一个海城地震,而且仅一年后,唐山大地震又将这一神话击得粉碎。到了上世纪七八十年代之交,毫无进展的地震预报事业就陷入了僵局。这个时候,一个位于美国加州南部的小镇,帕克菲尔德,吸引了地震学家的目光。

参考资料:

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    Cannot Be Predicted. Science, 275, 1616.
  8. Is the reliable prediction of individual earthquakes a realistic
    scientific
    goal?

到了1970年代末,地震学家注意到一个非常有意思的现象。从1857年以来,这里每隔22年就会发生一次6级左右的地震。到1980年,这里已经发生过6次地震,最后一次是1966年。那么,下一次会在哪一年?1988年?

帕克菲尔德位于美国加利福尼亚州南部,著名的圣·安德烈斯断层从此经过。这条断层是太平洋板块和北美板块的分界,太平洋板块相对于北美板块向北滑移,每年可达35毫米,是地球上地震活动最活跃的地区之一。

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