互动科普

2001年11月初，美国夏威夷大岛发生了十多年来最大的一场地震。基拉韦亚火山南坡一块约2000立方千米的山体突然滑向大海，释放的能量相当于一场5.7级地震。在火山南坡，每天有成千上万人观看大岛最壮观的一道熔岩流美景，而这次山体滑动有一部分正好发生在人们所在地区的下方。然而，当地震袭来时，没有任何人留意到，连地震学家也一无所知。

这个值得注意的事件，怎么会被人们忽视呢？原来，并不是所有的地震都会发生剧烈的震动。直到最近几年，科学家才知道存在一类不动声色的大规模地体滑移现象，而基拉威亚火山上发生的事件，就是首批明确记载的这类所谓“无声地震”的实例之一。实际上，如果不是美国地质调查所夏威夷火山观测站的同事们通过一个灵敏的仪器网密切注意着基拉威亚火山的动静，我原本也不会发现这场地震。我最终注意到基拉威亚火山南侧已经沿着一条地下断层移动了10厘米，并同时发现这一移动花了将近36个小时的时间。如果按地震的标准来衡量，这一时间简直慢得像乌龟爬行。在通常的地震中，断层的两侧会在数秒之内互相错开，快得足以产生使大地轰鸣和剧烈晃动的震波。

但是，一场缓慢无声的地震并不意味着它无足轻重。我和同事们很快就意识到，基拉威亚火山的无声地震可能是灾难的先兆。如果还有同样巨大的岩土因此获得动量而突然脱离火山，迅速滑动，一头扎进太平洋，就将造成灾难性后果。岩土砸起的海水将掀起巨大的海啸，威胁整个环太平洋的沿岸城市。地质学家称这种现象为“灾难性山侧崩塌”（catastrophic flank failure），它在全球众多岛火山周围形成一种潜在的威胁。

出乎意料的崩塌

值得庆幸的是，无声地震的发现，带给我们的好消息多于坏消息。灾难性山侧崩塌发生的概率很小，而记录无声地震的仪器或许可帮助实现对这类事件的早期预警。对于引发无声地震的条件，研究人员已经掌握了一些新的证据，据此我们可以制定一些大胆的措施来预防山侧崩塌。在不存在山侧崩塌威胁的某些地区，现在也有报导说发生了无声地震。这些地震可以启发研究人员设法改进地震预报，以预测那些有强烈震感的大地震。

无声地震的发现，以及这类地震与灾祸性山侧崩塌的关联，是科学家在考察其他潜在自然灾害时的一项意外收获。破坏性的地震和火山爆发，是日本和美国的太平洋西北部地区所面临的一个大问题；这些地区的构造板块常常沿着所谓俯冲带下潜到地球深处。从1990年代初开始，地质学家便着手在这些地区内以及基拉韦亚等活火山的山坡上设置由连续记录数据的全球定位系统（GPS）接收器组成的巨大观测网。接收器接收30多个导航卫星发来的信号，根据这些信号它们能够测定任何时刻自己在地球表面上的位置，误差不超过几厘米。

设置这些GPS接收器的科学家希望既看到地壳板块缓慢但绝不停息的运动，又看到地震及火山爆发引起的较快运动。当这些仪器探测出某些小尺度的地面移动并不由任何已知的地震或火山爆发引起时，科学家多少感到有些意外。他们把这些地面移动的数据绘在一张地图上，结果发现它们呈现的模式与断层运动的特有模式几乎一样。换句话说,在某一断层的一侧上布置的所有GPS接收器都沿着同一大方向移动了几厘米。这一模式如果是用了一年以上时间才形成的话，那也不值得大惊小怪了。在此种情况下科学家知道它是由一种名为“断层蠕变”的缓慢而不断推进的过程所造成的。然而这些神秘事件的推进速度却比“断层蠕变”快了几百倍，达到每天几厘米。除了速度较快之外，这些无声地震还有另一个特点也与发出巨响的地震相仿，但却是断层蠕变所不具备的。那就是，它们并非连续的推进过程，而是一些突然发生又突然结束的离散事件。

如果“突发事件”是发生在火山岛的山坡上，人们就会担心它是否可能引发一场灾难性山侧崩塌。典型的地震绝大多数沿着具有内在制动机制的断层发生：一旦试图彼此错开的两个板块之间的应力得到释放.运动也就停下来了。但是如果重力成了主要驱动力的话，那么断层活动就可能不会停下来。最坏的情况是，位于断层上方的那一火山部位变得非常不稳定，以致一旦滑移开始,重力就会拽着整个山体一冲而下，直至其彻底土崩瓦解，变成大洋里的一堆碎土石。

象基拉韦亚这类火山，由于山坡天然风化而被侵蚀掉的速度赶不上火山反复爆发喷出的熔岩流的填充速度，因此山坡变得越来越陡，越来越容易发生崩塌。基拉韦亚火山区无声地震的发现，表明这座火山的南侧正在移动,或许正在走向最终消失之路。

目前沿断层的磨擦力起着紧急制动器的作用，阻止了崩塌的发生，但在过去重力曾多次占了上风。在世界各地的火山岛（包括地中海的马约卡岛及西班牙加那利群岛）周围的浅海海域中，科学家早就从大片碎屑区的声纳图像中发现了古老崩塌的证据。在夏威夷群岛，地质学家发现过去500万年中已发生了25次以上的崩塌，而500万年在地质史上只不过是一瞬间。

在一次典型的滑坡中，冲进海里的土石要比圣海伦斯山1980年喷发时掀掉的体积大数百倍，引发一场大海啸还绰绰有余。例如，地质学家在夏威夷的拉奈岛上325米高程处发现了海浪作用的证据，其中包括大量海生贝壳碎片，夏威夷大学马诺阿分校的Gary M. McMurtry及其同事认为，这些贝壳能够跑到这样高的地方来，最可能的解释是一场海啸的滔天巨浪把它们冲上来的——这次海啸在夏威夷海岸部分地方掀起的海浪达到了令人咋舌的300米，而绝大多数近代史上记录的最髙海浪还不到其十分之一。

作最坏的打算

虽然这场灾害听起来令人不寒而栗，但我们应该从更全面的角度来看待这类事件。在人类的时间尺度上，火山山坡的灾难性崩塌是罕见的（但比小行星或彗星毁灭性地撞击地球的机率大得多）。在夏威夷群岛的某处发生大得足以引起海啸的崩塌，其机率仅为约每10万年一次。有些科学家估计，这样的事件在全球范围内平均每1万年发生一次。考虑到这种灾害万一真的发生将极具破坏力，许多科学家认为我们应该采取适当措施，做到有备无患。

为了探测不稳定火山岛内的变形，科学家正着手在若干地方设置连续记录的GPS接收器网络，包括印度洋上的留尼汪岛、佛得角群岛的福戈以及整个加拉帕格斯群岛，还有其他一些地方。例如基拉韦亚的观测网由20多个GPS接收站组成，它们获得的数据表明，这座火山除了有大规模的破坏性普通地震外，也有蠕变型的无声地震。但是部分科学家提出，基拉韦亚火山目前可能不会发生灾难性崩塌，因为有若干个巨大的水下泥土与岩石堆在支撑着火山的南侧（这些土石堆或许是古老的山侧崩塌产生的碎屑）。有关基拉韦亚火山滑坡情况的新发现，可以不费力气地推广到其他岛火山上，而这些火山可能不存在保护它们免遭崩塌的类似支撑物。

无论各岛具体的条件如何，从无声滑移转为剧烈崩塌都意味着活动山体的突然加速运动。最坏的情况是这一加速过程的瞬间就使下滑达到高位速度，根本没有机会提前发现并报警。最好的情况则是加速时断时续地发生，通过一系列无声地震逐渐加强，变为常见的地震，然后才出现灾难性崩塌。连续记录的GPS观测网如果能在地动山摇之前很早就轻易探测出这种偶发性加速，我们就有充裕的时间发出海啸警报。

然而，如果崩塌的规模实在太大，那么数小时甚至数天的预警时间可能都无济于事，因为到这个时候要疏散所有的人是难以办到的。这就提出了一个问题：有关部门是否可以采取一些预防性措施。使海洋火山那摇摇欲坠的山坡稳定下来原则上可以办到，但如果真要这样做，那将是一项极为浩大的工程。一种简单而蛮干的方法就是“愚公移山”——在不稳定的火山山坡较高处挖去足够多的岩石，使山坡发生崩塌的重力势能至少在几十年的时间里不复存在。第二种可以考虑的办法是通过一系列的小规模地震逐渐使不稳定的山坡降低。这种方法的费用要少得多，问题则是存在一系列地质上的未知因素和各种潜在风险。如果要采用这种方法，科学家不妨“以毒攻毒”——把当前诱发基拉韦亚火山无声地震的因素转化为一种防止崩塌的手段。

基拉韦亚火山最近一次无声地震发生之前9天，一场倾盆大雨从天而降，不到36小时的雨量达到将近半米。地质学家早就知道渗入断层的水可以引发地震，他们估计，9天时间水将差不多穿过基拉韦亚火山断裂玄武岩层的裂隙，到达地下5千米的深处（那次无声地震就发生在此）。我和同事们猜测，上覆岩层的重量紧紧压迫着这些雨水，这一压力会迫使岩层两侧分离，其相对滑动就变得容易多了。

有人曾建议将水或蒸汽强制注入不稳定山坡的底部断层中，以诱发那些旨在释放应力的平缓地震。我们的上述发现使这一颇受争议的设想变得更为可信了。其实，地热发电厂和其他一些需要把水泵入地下的场所一直都在发生着这类人工诱发的滑动，只是规模要小得多。但是对于火山来说，人工诱发小地震的最大难点在于必须把适量的流体注入到适当的地方，分寸稍有不当便可能弄巧成拙——本来是想防止崩塌，结果无意中反而加速了崩塌。有些地质学家曾考虑用这种方法来释放美国加州著名的圣安德烈斯断层上的应力，但最终还是放弃了，原因就是担心它可能会帮倒忙。它纵使能解决一些问题，也可能同时带来意想不到的更多问题。

渗透水的楔子作用

无声地震的发现，除了促使人们注意到火山的灾难性山侧崩塌现象之外，也促使科学家重新考虑断层运动所涉及的各方面问题，包括地震危害评估。在美国西北部太平洋沿岸地区，研究人员观测到，沿着北美板块和胡安德富卡潜没板块之间巨大的卡斯卡迪亚断层区发生了多次无声地震。这些无声地震有一个相当奇妙的特点：按照一定的时间间隔相当有规律地发生。它们的高度规律性，使科学家事实上现在可以有把握地对它们进行预测。

无声地震的这种可预测性极可能与下列事实有关：从潜没区之下流出的水，很大程度上决定着这些断层在何时何地做无声滑动。潜没板块沉入地球内部越深，它所遇到的温度和压力也就越高，高温高压使其富水矿物所含的大量水释放出来。当潜没板块有流体夺路上行时，无声地震就可能发生一一流体在经过断层区时将使断层略有松驰，可能会促使一定程度的缓慢滑移。

此外，2003年6月，加拿大地质调查所的Garry Rogers和Herb Dragert报告说，这些无声地震甚至可以看作该地区某些有震感的较大地震的前兆。缓慢滑移在地下深层以一定时间间隔间歇发生，对于断层区无规则运动的较浅部位上的应力积累速率起着调节作用。在断层较浅的锁定段上，通常需要若干年甚至若干世纪的时间才能积聚起一场大地震所需的应力。然而，Rogers和Dragert认为，无声滑移可能大大加速了这一应力的积累，从而使一场无声地震之后数周或数月内发生一场普通地震的可能性变大。

无声地震也迫使科学家不得不重新审视世界上其他地区的地震预报问题。日本有几个所谓“地震空白点”，即常规地震的频度显著低于预期值的那些地震活动区。而与这些地震空白点相邻的地区，按理说早该发生破坏性地震了，却也一直没有发生。如果是因为无声滑移一直在释放沿着这些断层的应力，而此前科学家并未认识到这点，那么发生地震的危险的确比他们预期的要小。类似地，如果在那些一直被认为不活跃的断层处发现了无声滑移现象，那就有必要对这些断层进行仔细评估，以确定它们是否可能引发破坏性地震。

如果未来的研究表明无声地震是多数大断层的共同特征，科学家就不得不对他们长期信奉的有关所有地震的传统学说进行一番反思。例如，研究人员观察到断层滑移有多种不同的速度，这一现象对于试图用基本物理学定律解释断裂过程的理论家提出了一个真正棘手的问题。现在人们认为观测到的地震次数和规模可以用一条简单的磨擦定律来解释。但是这一定律也能够解释无声地震吗？这个问题至今还没有找到确定的答案，研究仍在继续。

无声地震现在刚开始进入公众词汇。这类难以察觉的事件，预示着我们对于断层滑移过程及根源的认识将会有飞跃性进展。破解断层滑移之谜的重要性怎么说都不会过分，这是因为，一旦断层快速滑移，就可能造成巨大的破坏，有时候破坏力甚至会波及远离震源的地方。无声地震的存在，促使科学家对断层区所经历的每个运动阶段进行详细研究，获得了一个观察滑移过程的仝新视角。

[程汝康/译    曾少立/校]