研究地震类型与影响作用的新成果
(一)探索大小不同类型地震的新信息
1.研究大地震的新进展
⑴专家把汶川地震确定为8级大地震。[1]2008年5月18日,中新网报道,据中国地震局消息,在5月12日四川汶川地震发生后,中国地震台网中心利用国家地震台网的实时观测数据,速报的震级为里氏7.8级。随后,根据国际惯例,地震专家利用包括全球地震台网在内的更多台站资料,对这次地震的参数进行了详细测定,据此对震级进行修订,修订后震级为里氏8.0级。
此次汶川大地震最大烈度达十一度,是中国1949年以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震,重灾区的范围已经超过10万平方公里,地震的强度、烈度都超过了1976年的唐山大地震。
⑵提出引力扰动信号可用于量化大地震震级。[2]2017年12月29日,有关媒体报道,地震发生之后会瞬间扰动引力场,而且这可以在地震波之前被记录下来。近日,法国国家科学研究中心、巴黎地球物理学院、巴黎狄德罗大学和美国加州理工学院联合组成的一个研究团队,在《科学》杂志发表论文称,他们已经设法观察这些与引力有关的微弱信号,并了解他们的来源。由于这些信号对地震的震级敏感,其可能在大地震的早期识别中起到重要作用。
地震会严重改变地球上作用力的平衡,并产生可导致严重后果的地震波。同时,这些地震波也会扰乱地球的引力场(其发出不同的信号)。地震波以3km/s~10 km/s的速度传播,而引力波则以光速传播,所以距离震中1000 km的地震仪器,可能在地震波到达之前两分多钟监测到这一信号。
在2016年的一项研究中,研究人员首次发现了这一信号的有关记录。这些信号来自于2011年的东日本大地震(9.1级)。通过对距离震中500 km~3000 km的约10个地震仪监测数据的分析,研究人员发现这些信号是由两种效应造成的。首先是地震仪位置处的重力变化,它改变了仪器质量的平衡位置。第二个影响是间接的,地球各处的重力变化扰乱了各种作用力的平衡,产生了新的地震波,并且被地震仪监测到。
研究人员表示,这个与引力有关的信号对地震的震级非常敏感,这使其成为快速量化大地震的一个很好选择。未来的挑战是如何探测8~8.5级地震中所产生的此类信号,低于这一阈值,信号相对于地球自然发出的地震噪声来说太弱,并且将其与噪声分离相当复杂。因此,目前正在尝试几种技术,包括一些从引力波监测设备中得到的新想法。
⑶大地震复发具有一定规律性。[3]2018年3月,奥地利因斯布鲁克大学等多个机构科学家联合组成的研究小组,在《地球与行星科学通讯》杂志上发表论文称,他们通过分析智利湖泊的沉积岩心发现,大地震复发的时间间隔具有一定的规律性,但是,当考虑到较小的地震时,重复间隔变得越来越不规则,表现出越来越多的随机性。
1960年,智利中南部地区遭受9.5级地震,而巨大的海啸不仅淹没了智利海岸线,还经过太平洋,造成日本约200人死亡。一般认为,巨大的地震释放出如此多的能量,需要数百年的应力积累才可能发生新的大地震。因此,地震资料或历史文献,根本无法及时反映其复发形态。
通过分析两个智利湖泊底部的沉积物,研究人员发现,每次强烈地震都会产生水下山体滑坡,这些滑坡被保存在湖底的沉积层中。通过对这些沉积物岩心的分析,他们找回了过去5000年的完整地震历史,其中包括多达35次大于7.7级的大地震。
结果表明,类似于1960年的大地震,每292年±93年就会再次发生,因此在接下来的50年~100年,这种巨大事件的可能性仍然很低。然而,较小地震(8级左右)每139±69年发生一次,在未来50年里有29.5%的概率发生这样的事件。自1960年以来,智利地区非常平静,但最近一次在2016年12月25日奇洛埃岛附近发生的7.6级地震,表明智利中南部地区发生了重大地震。
2.研究小地震的新进展
发现大量极小等级地震存在于人们无法察觉中。[4]2019年4月,美国加州理工学院地震实验室地球物理学家扎卡里·罗斯领导的研究团队,在《科学》杂志发表论文称,在过去10年中,美国南加州的地震统计,可能“漏掉”了数量巨大的极小等级地震。这些地震最小震级只有0.3级,人们在地表几乎无法察觉。
但是,罗斯认为,找出这些极小等级地震能填补地震记录中的空白,并帮助人们了解造成地震的地球物理过程。
罗斯说:“我们应该寻找隐藏的地震,因为它们提供了地震学家研究地震序列演化的大部分可用信息。大地震的周期很长,每次地震之间的周期跨度在几百年到几千年之间。而小地震形成的详细时空模式可以告诉我们关于地震物理学的新信息。”
在这篇文章中,研究团队发布了美国南加州迄今为止最全面的地震统计数据。数据显示,在2008年至2017年间南加州出现超过180万次地震,比原先南加州地震网记载的地震次数多了10倍,这里每天会发生约495次地震,大约每174秒发生1次。
(二)研究地震影响作用的新信息
1.探索地震对地面移动的影响作用
研究显示地震使新西兰地面向澳大利亚靠近约30厘米。[5]2009年7月17日,国外媒体报道,新西兰7月15日发生的地震,使新西兰地面向澳大利亚靠近了约30厘米。
新西兰地质与核科学研究所成员肯·格莱德希尔说,15日晚发生在新西兰南岛南部西海岸的里氏7.8级地震,使得南岛西南端地面向西移动30厘米,而东海岸地面只同向平移约1厘米。换句话说,整个南岛地面在东西方向上被拉长;新西兰的面积变大了一点。
根据新西兰民防部官员的说法,15日晚发生的7.8级地震未造成人员伤亡和重大财产损失。新西兰是地震多发国,15日的地震是新西兰78年来震级最高的一次。1931年2月2日,新西兰北岛东部城市内皮尔曾发生里氏7.8级地震,造成256人死亡和严重财产损失。
2.探索地震对周边火山的影响作用
研究发现强震可造成周边火山下沉。[6]2013年6月,日本京都大学防灾研究所高田及其同事,与智利有关专家共同组成的研究小组,在《自然·地球科学》杂志上发表论文称,他们通过分析来自卫星雷达绘制地震前后地形的数据发现,大规模的地震会造成远处的火山下沉。
研究人员称,2010年在智利马乌莱发生的8.8级地震,造成位于220公里之外五个火山带相似程度的下沉。2011年在日本东北部发生的里氏9.0级地震引发海啸,造成距离震中200公里岛屿本州岛一连串火山的沉降达15厘米。研究人员指出,这种现象是否会引起火山爆发的风险,尚不明确。
发生在日本和智利的地震属于俯冲型,地壳的一部分滑向另一板块的下面。如果其移动不顺畅,张力可以积聚在几十年或百年之后突然释放,有时会造成灾难性的影响。在这两种情况下,发生于山脉的下沉会导致水平方向的地震。
高田说:“2011年的地震,造成日本东部地区东西方的张力。火山下面的热量和软岩以及中心的岩浆被横向拉伸,并呈现垂直扁平状。这种变形引起火山沉降。”
智利的火山研究人员表示,2010年发生在智利的地震,引起沿着拉伸跨越400公里处发生沉降。尽管成因与日本的似乎有所不同,但在智利的地面变形发生了15公里×30公里的巨大椭圆形球场。火山地区之下滚烫热液流体“口袋”,可能在地震的作用下,已通过被拉长的岩石层渗流出。其次是在1906年和1960年发生在智利俯冲带的两次地震,随后一年之内,在安第斯南部火山带爆发地震。
高田说,2011年的地震,对于本州火山爆发的风险影响目前还不清楚。在这个阶段,不知道火山喷发与我们发现下陷之间的关系。而我们需要进一步了解岩浆运动。
3.探索地震对先前破裂区的影响作用
发现地震或能愈合先前地震的破裂区。[7]2019年4月15日,中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心研究员裴顺平、中国石油大学(北京)与美国莱斯大学教授钮凤林等专家组成的研究团队,在《自然·地球科学》网络版发表论文称,他们分析了位于青藏高原东缘与四川盆地西部的龙门山断裂带,在大地震中的结构演化过程,观测到清晰的地震波速度同震降低和震后恢复现象,发现芦山地震的发生显著加速了汶川地震破裂区的愈合。
断层内不均匀性和分段性是过去几十年里地震学的重要发现之一,近年研究表明,大型断裂带内各个断层段之间的相互作用,是影响地震孕震过程与发生时间的一个重要因素。在地震后的断层愈合与强度恢复过程中,附近乃至遥远地区发生的大地震会造成恢复过程的临时中断,这是因为当局部地震导致断层减弱时,这些大地震产生的震动会导致浅层断层损坏。
此次研究人员把时移层析成像技术应用于龙门山地区研究,并成功获得断裂带的同震和震后结构演化的全过程。结果发现同震波速降低、震后波速升高,并且芦山地震后,汶川地震破裂区加速恢复,揭示了结构演化与应力变化之间的密切联系。研究人员还发现,地震的发生不仅会阻碍,而且会加速相邻断层的愈合过程,地震引起的应力重新分布,在重建断层强度方面起到了重要作用。