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猜中了开头,却猜不到结局:地震起始能预测震级吗?

发布时间:2020年05月09日 来源:Nature自然科研
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  原文作者:Rachel E. Abercrombie

  大小地震的起始是否相同是地震学一个长期待解的问题。一项针对日本周边地震的分析显示,在某些情况下,大小地震的起始几乎是相同的。

  何时才能判断一次地震到底会有多强烈?地震震级是否受制于其起始时的条件和动态?如果是的话,我们或能通过探测地震或是将要发生地震区域的初始地震波,给出早期预警。如果不是,这种短期预测的可能性就很低。

  Ide[1]在《自然》上发表的论文比较了日本周边数千个大地震及其附近小地震的起始。作者发现,在他分析的地震波频率范围内,约有20%的大地震起始与附近小地震的起始难以区分。

  图1 | 2011年日本东北大地震造成的冲击。2011年3月11日,日本有史以来最强烈的地震引发了海啸,导致了毁灭性破坏。Ide[1]发现大小地震可能具有完全相同的起始,该结果对预测地震的最终强度具有启示意义。来源:Chris McGrath / Getty

  地震的初始形式往往是一种持续较短、振幅较小的波,并后续发展成最终规模[2,3]。对地震成因的一种解释是连锁破坏,这种机制认为地质断层的某个随机失稳补丁的应力变化会对其他补丁产生连锁影响——就像倒塌的多米诺骨牌。在这种情况下,地震的震级受制于地震发展过程中的动态条件,在地震减速或停止前无法进行预测。

  另一种可能机制是缓慢滑动,即断层两侧的岩石会产生相对运动。这种滑动是地震计探测不到的,但会在有限的断层区域里逐渐加速,直至达到临界速度并爆发,形成最终的地震规模。如果这个解释成立,就有可能根据之前有过缓慢滑动的区域大小或初始地震波的特征,确定震级大小;倘若能够观测并理解这些特征,短期预测就有可能实现。

  针对地震计记录的一些研究认为,地震震级与地震发生最初零点零几秒[4]或更长时间是无关的[3]。然而,这些分析只适用于少数地震。其他研究则[5,6]表明,地震起始与地震的最终规模具有相关性。不过,这些分析都涉及数据的间接参数化,可能并未准确计算地震波在地球内部传播时的能量损失[7]。

  Ide比较了发震位置较近、但强度不同的地震的起始,试图发现这些起始是否能为最终震级提供任何征兆。他对2002年6月至2018年4月期间,沿日本海沟(由太平洋下的太平洋板块俯冲于日本陆地下的鄂霍次克板块之下形成的俯冲带)大约1100公里有详细记录的所有大型地震进行了综合分析。他采用了对“重复地震”的识别程序[8]。这些地震规模相仿,地震计记录亦十分类似,背后必然是相同的断层补丁经历了重复且相似的活动[8]。

  Ide没有直接寻找规模类似的地震,他先找出了1654例大型地震(4.5级以上),将这些大地震与发震位置近到无法分辨(约100米内)的所有已知小地震(4级以下)进行比较。在此基础上,他根据地震计对这些地震的记录计算了发震初0.2秒的相似性。

  Ide一共发现了390对在初始阶段高度相似的大小地震,其中200例大型地震与几乎同一位置发生的小地震在起始上无法区分。作者对这一发现的理解是,大小地震的起始可能是相同的,发震时的初始条件和动态因此不能决定其最终震级。

  Ide将地震分为俯冲型和其他型,俯冲型类似于2011年日本东北(Tohoku-Oki)大地震(图1)。作者发现俯冲型地震比其他型地震更容易找到配对地震。他还发现,俯冲型的配对地震可能发生在超过十年的间隔内,而其他型的配对地震基本都是发生在大地震前后的小地震。

  Ide用一个地震断层模型解释了他的研究结果,这个断层包括许多破裂特征相对恒定、大小各异的断层补丁。其中一个补丁的滑动可能会触发邻近更大补丁的滑动,引发连锁效应。这一模型与当前用于解释重复地震的数值模型一致[9]。更长时间段内发现的起始相似性表明,存在一种长期的特征结构,这种结构能够反复触发各种大小地震。

  Ide选择了发震位置相近的地震,无论大小,这些地震的地震波都会在地球内部沿相同路径抵达监测台站,消除了不同路径导致的偏倚[3,4]。作者的结论是,地震的起始并不能决定其最终强度——这与美国加州圣安德烈斯断层地震的详细观测结果一致[10],且这些地震都有较好的记录。同时,作者的结果与全球大型地震统计汇编数据也具有一致性[5,7,11],这些汇编数据还发现,所有地震的增长速度基本相同,只有在破裂出现减速迹象时才开始出现差异。

  日本周边的大多数地震都发生在沿海地区或地下深处,距离地震计较远,这限制了记录所覆盖的空间面积和频率范围。Ide的分析侧重于高频波(1赫兹及以上),因此并不包括较低频率上的起始差异,而这些频率恰是大地震释放大部分能量的频率。同时,它也不包括任何可以在实验室和数值模型中观察到的前期缓慢滑动[12] 。在实际地震发生前依然难以对这种缓慢滑动进行可靠一致的观测。

  另一个问题是,尽管Ide的目标是比较大小地震,但约60%的地震震级差异小于1.5,与重复地震序列的差异相当[8]。只有约八分之一配对地震的强度差异超过2。

  目前来说,地震多发地区的人口完全依赖地震预警系统。亚洲早已建立了这样的预警系统,加州近年来也逐渐引入类似系统。这些预警系统需要使用近源地震计估算震级,并努力让警报比破坏性的地震波更快抵达会受影响的人群[13]。Ide的研究结果是更好理解地震发生的关键一步,这些认识或能提高预警的速度和准确性。

  参考文献:

  1. Ide, S. Nature 573, 112–116 (2019).

  2. Ellsworth, W. L. & Beroza, G. C. Science 268, 851–855 (1995).

  3. Abercrombie, R. & Mori, J. Bull. Seism. Soc. Am. 84, 725–734 (1994).

  4. Mori, J. & Kanamori, H. Geophys. Res. Lett. 23, 2437–2440 (1996).

  5. Olson, E. L. & Allen, R. M. Nature 438, 212–215 (2005).

  6. Colombelli, S., Zollo, A., Festa, G. & Picozzi, M. Nature Commun. 5, 3958 (2014).

  7. Meier, M.-A., Ampuero, J. P. & Heaton, T. H. Science 357, 1277–1281 (2017).

  8. Uchida, N. & Bürgmann, R. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 47, 305–332 (2019).

  9. Noda, H., Nakatani, M. & Hori, T. J. Geophys. Res. Solid Earth 118, 2924–2952 (2013).

  10. Uchide, T. & Ide, S. J. Geophys. Res. Solid Earth 115, B11302 (2010).

  11. Noda, S. & Ellsworth, W. L. Geophys. Res. Lett. 43, 9053–9060 (2016).

  12. Kaneko, Y., Nielsen, S. B. & Carpenter, B. M. J. Geophys. Res. Solid Earth 121, 6071–6091 (2016).

  13. Allen, R. M. & Melgar, D. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 47, 361–388 (2019).

  原文以Small and large earthquakes can have similar starts

  为标题发表在2019年9月04日的《自然》新闻与观点上

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  Nature|doi:10.1038/d41586-019-02613-5

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