互动科普

危及加利福尼亚州北部到不列颠哥伦比亚省之间沿岸地带的一场大地震的可能性，要比猜想的大得多。

几乎没有人会怀疑一场毁灭性地震有朝一日再次袭击洛杉矶或旧金山的可能性。阿拉斯加州也经受了一些较大震动，其中包括1964年发生的那场世界最强地震。然而直到前不久，许多居民仍然相信从加利福尼亚州最北部到加拿大的不列颠哥伦比亚省南部这一片中间地带(有时候这一区域被称为卡斯卡底古Cascadia)是一个比较安全的居住地。地震学家已经发现，温哥华和西雅图并不完全安全。在1946、1949和1965年，这一地区也受到了较强地震的影响，只是没有什么真正灾难性的事件毁坏这些城市。

但是人们的看法已经发生了极大的改变。十年前，美国地质调査所的Thomas H.Heaton和加拿大地质调査所的Garry C.Rogers开始发出警告，大地震实际上有可能袭击这片看上去较为平静的沿岸地带。一开始，许多科学家对这一威胁的严重性提出种种疑问，但大多数怀疑者现在认识到.这种地震过去曾经发生过，而且今后还将再次重演。人们的观念怎么可能如此迅速地转换呢？

要理解这一观念转换需懂得地震学家估计强大但不频繁的地震所发生的方式和地点的方法。对于大多数活跃的断层地带，地震发生的频率随着地震尺度的增加而系统地下降.这是本世纪20年代由Beno Gutenberg和Charles F.Richter所证明的。这一有规律的模式可适用于直到某些最大尺度的地震，即那些相当于整个断层地带从一端到另一端的断裂引起的地震。采用Gutenberg-Richter关系式，地震学家能够估计大地震袭击某一地点的频率，即使那里从来没有记录到过这种事件。工程师随后便能依据这些估计来设计建筑物、水坝和其他结构。

在有些地区，这一方法却失败了。大尺度地震能在没有小地震的情况下发生.这给地震学家提出了一个烦恼的问题:如何合理地确定大地震的危险？这一困难适用于卡斯卡底古陆，在那里,称为潜没的地质过程将太平洋下面的一块构造板块推到了北美洲西岸的下面.虽然在这一海岸的内陆的某些地区局部的地震活动可能相当强烈，但在这种地质运动似乎最集中的地方却从未探测到任何尺度的地震，这种地方就是把胡安德富卡板块从北美洲大陆分离开来的主要冲断层。

从全球范围来看，缺乏这种冲断地震是令人费解的。大多数潜没带都在某一时候经历了巨大的冲断事件(大于里氏震级8级的事件)。这些地震特别集中在环太平洋的称为“火环”(ring of fire)”的广大地带上。火环这一名标出自一连串的活火山，它们位于海洋地壳潜入地幔处的大陆。

没有大地震？

没有大的潜没地震有几种可能的解释。虽然北美洲西部的卡斯卡底古陆具有许多作为一个潜没地带的特征，但是胡安德富卡板块却很可能在最近的地质时代中停止了向北美洲的移动。二十年前当地质学家最初就这一问题辩论时，我在太平洋地质科学中心的同事Robin P.Riddihough和我写了一篇论文。提出会聚和俯冲断层实际上正在继续进行。此后许多研究人员的工作已证实，胡安德富卡板块并没有突然停顿。有关继续移动的令人信服的证据来自对水下大陆坡基部沉积物的研究，这些泥浆和砂以平坦的层面在深海沉积起来，但即使最近的沉积物也显得高度扭曲。北美洲大陆的作用好象一块巨大的推土机推土铲，把这些沉积层刮离了海洋地壳，使它们皱褶起来成为继续潜没的证据。

也许潜没过程还在继续的最强证据来自1980年华盛顿州西南部圣海伦斯山的火山喷发，多年来科学家们已经认识到，这种火山是潜没过程的后果。有些地质学家曾经认为卡斯卡底火山属于休眠的。但是圣海伦斯山的这次火山灾变确凿无疑地表明，卡斯卡底海岸事实上是火环的一个活跃部分。

为了使板块聚集与缺乏冲断事件相一致，有些科学家假定，海岸之下的向下推动涉及到一种平稳的滑动，而不是造成地震的那种急促粘滑。换句话说，板块之间的断层真正是锁定的（摩擦力大得足以把两块板块牢牢地固定在一起)，因此没有足够的运动来产生即使是很小的地震。如果断层能自由滑动，巨大的冲断地震的机会也很微小。但如果断层被锁定，板块聚集必然伴随着在断层周围岩石中静悄悄地积聚起巨大的应变，即一场大地震的起因。

历史记录上大地震最初也许有利于认为断层在悄悄地滑动的那种观点，然而那种观点忽略了沿这一海岸所作记录的短暂。探险家Juan Perez和James Cook最初踏上这一地区至今不过200年多一点。这段有限的有文字记载历史与日本人描述许多大潜没地震和通常出自大地震的所谓“港波”（地震海啸）的记录年代之久形成了明显的对照。日本的详细档案可追溯到公元七世纪。

上一次在何时？

为了探索欧洲人到达这些海岸之前的那些时代，研究人员已经从地质记录中来搜寻以往的地震踪迹。他们在被掩蔽的小湾处发现了—些能说明情况的证据，在那里海水的高潮与低潮之间会形成盐碱滩，对这些海岸盐碱滩的发掘，揭示出一个值得重视的记录。美国地质调査的Brian F.Atwater最先证明，在目前的盐碱滩之下层次分明的沉积层中（连续深度为一米的间隔）含有泥炭。泥炭是由与目前生长在潮间地带的植物区系相同的植物的残骸形成的。他的结论是，每层泥炭沉积代表原来的一个盐碱滩，当一次大规模地震把张力释放出来而造成地面突然下陷时，盐碱滩就被埋下了。

使得他的这种解释更加令人信服的是，许多被掩埋的泥炭层由沙所覆盖。这些沙是在发生海啸时刮到下陷的海岸上来的。理论模型以及在海岸线上保留下来的地质作用记录都表明，在开阔的海岸上海啸的波涛有10米之髙，而在一些局促的小湾中则更高。

在海啸平息之后，泥浆慢慢地填满了下陷的地区，盐碱滩植物又复生了。于是，不断重复的泥炭、沙和泥浆清楚地显示.大地震过去曾在这一地区肆虐.但这些史前激变发生在多久之前，这些泥炭层的年代很难精确测定，但是已经在海岸上发现了地面突然下陷后被海水淹死的冷杉树。通过辨认冷杉树的年轮以及测量冷杉树的放射性碳，研究人员已经估算出它们死于最后一次大地震，该地震大约在300年前袭击了这一地区。在这之前每隔大约500年左右的不规则间隔会发生一次类似事件。

这一结论还得到了远在海岸之外洋底的一些不寻常沉积物的支持。俄勒冈大学的科学家用长的岩芯管采集了海底沉积物样品.他们发现了细粒度的泥浆中间，隔着含沙层：泥浆在深海海底是很典型的,它由海洋中的细小沉积物缓慢而持续地沉降而成。然而，在离岸很远的地方发现含沙较多的沉积就很奇怪。加拿大地质调查所的John Adams做了一种解释：强有力的地震很可能触发了水下巨大的滑坡，把海岸上的沉积物带下了大陆坡带到了深海洋底。

这些事件的时间很难通过沉积物来确定，但在有些岩芯底部附近发现的一种特殊沉积却给出了一条重要线索。

这一层沉积中含有位于俄勒冈州原来的梅扎马山（现在称为克雷塔湖)所喷发出来的火山灰。那次巨大的喷发与最近的圣海伦斯火山喷发相似，发生在7700年前。假定喷发的泥浆雨落到海底是稳定的，这些地震的年代表应该与海岸泥炭沉积层的结果是相似的。最近的事件发生在大约300年前，先前12次海下滑坡的间隔为300年到900年不等。

一种更巧妙的策略有可能更精确地指出最近一次地震的时间。由里氏震级接近9级的卡斯卡底古陆地震所引起的海啸，即使跨越了整个太平洋也应该大得足以在日本被观察到。认识到这一点后Kenji Satake和他在日本地质调查所的同事们觉得他们找到了文字记录:大约300年前一场2米髙的海啸冲刷了日本的本州岛海岸。在纠正了波涛传到日本所需时间（以及时区变化)后，Satake确定了那一次地震在北美洲沿岸所发生的时间是公元1700年1月26日大约晚上9点，值得注意的是，这一测定与加拿大不列颠哥伦比亚省原居住者口述历史中所保存下来的关于一场灾难的报道相吻合。我的同事Rogers在加拿大维多利亚市的省属档案中发现了可能是关于这一事件的叙述。土著传说记载了在一个冬天的夜晚在温哥华岛的西海岸的帕切纳湾发生了一场地震。到第二天早晨，位于海湾前端的一个村庄已毁灭了。洪堡国立大学的Gary A.Carver在加利福尼亚州最北端的口头传说中发现了一个同样的说法。因此，土著传说、日本的记载和沉积层都指向了不容置疑的结论——在卡斯卡底古陆海岸地区事实上确实不断有大地震发生。

大地震周期

就象所有地震一样，在深人研究大潜没地带事件时，往往发觉它们非常复杂。然而这种基本过程遵循最先是为著名的加利福尼亚州圣安得烈斯断层所提出的简单的“弹性回弹”理论。根据这个理论，两块板块的继续运动随着应力的积累会压缩并弯曲地壳，与那种认为地球是由刚性固体的岩石所构成的错觉相反，这种收缩几乎是弹性的。如果不是挤压得太厉害，地球的行为就像一块巨大的橡胶。然而，板块力量最终变得如此强烈，以致超过了把断层固定在一起的摩擦力，地表突然滑动，在许多年里—直储存着的弹性能量以摇晃地面的地震波的形式向外福射。然后，断层再次锁定，构造应力积聚和释放的循环又重新开始。

沿着卡斯卡底古陆潜没带，太平洋胡安德富卡板块每年大约向北美洲大陆人侵40毫米，这个过程看上去也许很慢，但它代表了一个相当距离的缩短——在通常为500年跨度的两次大地震之间要缩短大约20米。这种运动以弹性收缩的形式分布在一条几百公里宽的地带上，但构造应力不光是引起了水平方向的收缩，它还引起了地面的垂直运动。随着大洋板块潜入海岸,它把大陆朝海洋一边的突出地角往下拖造成了北美洲大陆板块部分更为内陆的地区向上折曲，这一过程就好象沿着桌子的边缘去弯曲一块长板。当前端被压下去的时候，后边就形成了一个拱起。当一场大地震打破了锁定的断层，大陆朝海洋那一部分就回弹，拱起部分就塌陷了。外部大陆架的突然升起，引发了海啸，而以海岸附近为中心的“折曲拱起”的突然降落所造成的地陷就掩埋了潮间地带的盐碱滩。

锁定地带的位置被证明是特别的重要，因为当断层在一场地震中最终分开时，锁定地带的地表就成了地震波能量的起源。震源地带朝大陆一边的局限性会影响到地震对较大的人口聚居中心的冲击有多接近，朝海洋一边的边缘决定了海啸将在何处形成。震源地带的总宽度影响了地震的危害程度，因为它设定了地震的最大尺度。

科学家能从地壳变形的形式而确定锁定地带的范闱。如果锁定地带很狭窄.只在倾斜的断层上向下延伸一个很短的距离，弹性弯曲地区也将非常有限。相反，如果锁定地带向下延伸相当远，弯曲变形将向大陆内部深入很远的距离。于是陆地勘察就能帮助描绘出地震的危害程度。变形的速率每年只有几毫米，但这一困难可以用现代化的勘察技术解决，只要测量的时候极其仔细就行。

注视应变的积聚

在不同时候重复进行的几种不同方法的观测，确定了卡斯卡底古陆边缘当前是怎样在发生变形。地球物理学家能够通过用激光测距仪测量例如勘察者设在山顶上的水准基点之间的距离等，来跟踪海岸地区的水平缩短。这一技术需要十分仔细。还要求天空十分清晰(这在多雨的西海岸山脉中是不多见的)。美国地质调查所的James C.Sarage及其同事利用这一技术在1981年首次报道.西雅图市附近的地壳在作垂直于海岸的缩短，他们的结论是，应变正向着一场较大的地震积聚。

有些勘察方法对于垂直运动具有足够的灵敏度。其中最简单的方法称为水准法，它利用人们在公路上所使用的同样的技术。勘察者观看分度标杆来测量两地之间的海拔差，通过结合所测的支距，勘察者能从散布于很大距离上的联接点网络算出相对高度。经过几年的重复勘察就能得出一个位置相对于另一个位置的隆起或下陷。例如，加拿大地质调查所已经执行了几次极为精确的勘察，专门用来研究与地震有关的隆起。这些野外实验中的一个反复跟踪了温哥华岛的横向宽度（单面约100公里）上一系列的观察物，每个约为100米，整个巡回只有1厘米的总垂直误差。

另一种方法利用潮汐仪来跟踪相对于海岸基岩的海平面。这些潮汐仪的主要目的是监视海洋，但出乎意料的是，利用那些记录了20年或更长时间的潮汐仪，就有可能用平均海平面值作为一个参照来探测陆地的微小垂直变化。当然，这种记录必须足够长，以消除潮汐和其他海洋学变化如厄尔尼诺现象(它能持续几年时间）的干扰。还必须考虑全球范围的海平面稳定上升（每年大约2毫米)，还必须校正“冰期后的回弹”，这是从最近一次冰期起，在冰川的重量下地壳因被压下后发生的缓慢却持续的回升。

还有第三种方法可探测垂直运动，那就是利用重力，它与距地心的距离平方成比例。虽然当人们改变所处海拔高度时不可能感到自己重量上的微小变化，但灵敏的仪表可以记录这些变化，通过在某一地点每隔几年反复测量重力，地球物理学家已经能够估算出地壳隆起的速率。

在过去几年中，星载的全球-定位系统(GPS）已经使得科学家能够在相距几百公里的位置之间测量了距离和垂直支距。例如，加拿大地质调査所的Herb Dragert和Michael Schmidt已经利用GPS证明，维多利亚海岸每年几乎要向彭蒂克顿（内陆约300公里处的一个场所)靠拢几乎1厘米。GPS十分精确，费用低廉。在将来很可能成为跟踪会导致地震的地壳微小弯曲和挤压的最有效技术。

所有这些方法都得出了同样的结果：卡斯卡底古陆边缘近来每年隆起1至4毫米，在水平方向上每年还要收缩几厘米。这种变形是地壳在会聚板块之间正在受到挤压的直接证据。它记录了缓慢的但却是无情的应变积累。在下一次大地震中，这种正在积累的应变将有一场灾难性的释放。

捣乱者被锁住

由于了解一个断层在哪一部分被锁定对于确定地震危险是如此的关键，我和我在太平洋地球科学中心的同事们一直试图通过比较勘察测量结果和变形的数学模型来判断锁定地带的范围。把观测资料用于理论，我们能够绘出地球表面之下深处的锁定地带宽度。实际情况要比这种简单的概念化说法复杂得多，在较深的锁定地带内陆边界上，在刚性锁定区域和完全能自由滑动的区域之间存在着一个逐步的过渡。

把我们的数据和模型进行比较后表明，在卡斯卡底古陆海岸的大部分地方，锁定地带被局限在大陆架之下一条50到100公里宽的地带。（它只是在华盛顿州北部海岸附近才更宽些。）这段地表代表着一个巨大的断层区，可能发生大量的地震。然而奇怪的是，与其他潜没地带相比，它却出奇的狭窄。

这种差异促使我们去检查，是哪些地质因素影响锁定地带的宽度有许多因素可能起作用，但温度起到一个主导作用，例如覆盖大洋板块的富含粘土的沉积物可能润滑了断层朝海洋一面的“上升”边缘，然而随着淤泥层越埋越深，粘土发生了化学变化，成为阻碍断层滑动的较坚硬的矿物。这一变化发生在10公里左右的深度，在这一深度的温度达到大约150摄氏度。

温度看来又控制了锁定地带朝大陆一面的下降边缘。在一般温度下，岩石表现出普通的摩擦行为。也就是说，一旦断层开始滑动，巨大的初始运动阻力下降到一个较低的水平。因此，一旦滑动开始，接着而来的便是所储存的弹性能的急剧释放，即一场地震。但在地壳的深处.那里的温度超过大约350摄氏度，沿断层表面的岩石的行为更象一种粘稠液体.较快的运动遇到了越来越强的阻力。因此，更深更热的断层部分容易缓慢地蠕动，而不会产生地震波。

这些温度限制与实际的锁定地带边界对应得怎样确切呢？我与同事们已经利用我们的计算机模型计算了潜没冲断层上的温度，以求获得一个答案。这项工作的结果证实了我们的猜测断层中岩石达到350摄氏度的深度恰好符合通过变形测量而获得的锁定地带”下降“边缘。

仍然存在着一个重要的问题:我们所计算出来的锁定地带真的对应于大的潜没地震的震源地区吗？我们认为是这样的。因为我们预言锁定地带断裂所造成的垂直下降，与在掩埋的海岸盐碱滩中所观测到的情况相吻含。我们把同样技术用于其他潜没边缘后听得的结论进一步支持了上述观点。我和同事Ke linWang,与东京大学的Makoto Yamano合作证明，日本西南的南海陆缘上的现有锁定地带的宽度，与本世纪40年代在那里发生的一场8级地震的断裂区域十分符合。于是我们有理由相信，我们所作的卡斯卡底古陆模型正在告诉我们最终将沿着北美洲沿岸发生哪种类型的破坏性地震。

大地震何时发生

在一次大的潜没地震过程中，西海岸的一些主要城市的地面将会动揺到何种程度？这个问题的答案取决于地震的震级和震源地带所在的位置。一场卡斯卡底古陆地震所可能达到的最大震级取决于断层沿着海岸能释放多远，从不列颠哥伦比亚省到加利福尼亚州整个长度上的同时断裂将是不可思议的，因为在世界上的任何地方也很少见这样大范围的断裂。但有些证据却表明了在1700年那场卡斯卡底古陆地震中，就发生了一次这种尺度的断裂.如果整个锁定地带(面积几乎达到10万平方公里）同时释放，可能引起一场震级为9级的大地震，比1906年发生在旧金山的那场毁灭性大地震还要强烈得多。有史以来只记录到过两次这种大小的地震事件:1960年在智利沿岸发生的地震和1964年在阿拉斯加州南部发生的地震。

地震学家能通过两条途径估计这种卡斯卡底古陆地震造成的地面运动程度。其一是将沿北美洲西海岸的状况与其他地方已经发生过的地震相比较，其二是利用相当复杂的地震断裂区域和滑动位移理论模型。两种方法所得出的结论是相似的。下一次卡斯卡底古陆大地震将会产生持续几分钟的极强大的地震波。在震动之后，大多数海岸地区将下降1到2米，从目前位置向海移出5到10米。

幸运的是，会产生这样巨大地震的断层锁定地带主要位于大陆架之下，即使有也只在海岸下延伸了一点儿。因此，温哥华，西雅图和波特兰（该市位于内陆100到200公里)等城市所承受的震动要比西海岸外面的地点弱：然而，这种猛烈地震所辐射的地震能量会达到相当远的距离，因此对这些城市的危险仍然是相当大的，这一太平洋沿岸地区的美国和加拿大居民曾经认为他们居位在一个地震平静地带，实际上应该了解到，一场强地震的威胁将随时可能发生。