源自海洋的地震风险＊

Naomi Lubick

某些最强的地震源自遥远的海底断层。目前,地球物理学家正在铺设传感器网络,以密切监视这些“潜伏杀手”的动态。

日本地震学家许多年来一直在因为一条海底断层而忧虑重重。在日本历史上,其东南海岸附近的南海(Nankai)海沟已经发生过几次最具破坏性的大地震,而且目前人们认为该海沟发生另一次大地震的条件已经成熟。因此,今年早些时候,研究人员乘“海鹰”号(Kaiyo)舰船出海搭建水下地震观测站,以期揭示该断层的更多信息,并且在下次大地震来袭时提供几秒钟的预警。2011年3月,当该船正在放置一批传感器时,其东北部800 km以外的一条毫不相干的断层上发生了东日本巨大地震,引发的海啸使沿岸社区遭受重大破坏。

地震学家没有预料到东北海岸附近的日本海沟能够产生如此规模的巨大地震,部分原因是由于他们没有足够的海底仪器来捕捉应力增大的信号。在某些地方,一个构造板块与另一构造板块相撞并向其下方滑动,这样的地方都存在资料缺乏的问题。这种俯冲带会产生地球上最强烈的地震,例如有记录以来震级最大的地震——1960年智利海岸附近海域9.5级巨大地震。2004年,印尼苏门答腊岛附近海域一次俯冲带地震引发的海啸造成23万人丧生。研究人员预测,与美国西北海岸相连的一个俯冲带上发生一次9级地震的风险正在逐步增大,地震可能会在本世纪内发生。

地震学家遇到的棘手问题是,这些大断层距陆地数百公里远,而且隐伏在好几公里深的水下,这种地方很难布设和维护装有地震仪、全球定位系统(GPS)装置以及其他仪器的观测站,而有了观测站,才能揭示断层的结构并探测诸如地壳挠曲等变化。

日本只有50个海上观测站来监测海底断层,相比之下,其陆地上的观测站超过了8700个。其他国家的准备工作甚至还不如日本,他们几乎没有或全然没有海底传感器,而俯冲带的最危险的部位恰恰就在海底。他们不用海底传感器,而是依赖陆地台站测得的数据——陆地台站只能提供遥远而模糊不清的读数。这就好比一个心脏病专家将听诊器放在了病人的鞋子上来监听其心脏的情况,只能徒劳无获。

现在,研究人员正朝着更加接近实际行动的方向努力。日本试图连通南海海沟的行为就是迄今为止最富雄心的项目,但美国和加拿大也有监视卡斯卡迪亚(Cascadia)俯冲带的计划,该俯冲带从加拿大北部延伸至不列颠哥伦比亚省(图1)。有了更好的数据,地球物理学家希望提高其对俯冲带运作原理的认识水平,并有可能识别出灾难即将来临的信号。

没有海底测量数据,“我们就总是在猜测,”新加坡地球观测研究所(Earth Observato ry of Singapo re)的大地测量学家Emma Hill说,她目前正在从事印尼附近海域地震危险性的研究工作。

图1 海底传感器。地球物理学家正加紧布设海底监测仪,以期更加深刻地认识俯冲带,即一个板块向另一板块下方滑动的区域,也是巨大地震的震源所在

1 认识有误

板块构造理论描绘的是构成地球脆性外壳的大洋和大陆板块的运动,而俯冲带则是板块构造理论中的再循环中心。当两个板块发生碰撞时,较冷的、致密的海洋地壳下沉,而拥有浮力更大的地壳岩石的板块则向上滑动并最终覆在海洋地壳上方。但这一卡通式的模型——海洋岩石板片向薄板似的大陆俯冲形成的一条传送带——过于简单化了。“实际情况要复杂得多,”Hill说。“而我们仍在将其作为一个光滑平面来模拟。”

地球物理学家想知道两个板块擦肩而过时究竟发生了什么事情。他们怀疑,当海底山脉或其他一些崎岖地形卡在上板块的底部时,两板块会以某种方式闭锁在一起。经过几十年或几百年的时间,板块会突然解锁,并释放一次巨大的逆冲型地震。在3·11东日本大地震的实例中,研究人员推测两个板块之间的边界可能处于闭锁状态,但并没有认识到其危险性,因为他们缺乏有关俯冲带结构的知识,也不知道那里的应力是如何积聚的。

他们更为担忧的是南海海沟地区。根据日本官方灾害预报,那里未来30年内发生一次8级地震的几率为70%。作为“地震与海啸海底致密观测网”(DONET——Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis)的一部分,地球物理学家将在预期发生地震的海沟地区构建一个由20个水下观测站组成的网络。始于2006年、预计2011年完成的DONET项目费用达63亿日元(8200万美元),不含船时费用。

观测站配有地震检波器,记录俯冲带内地震产生的颤动以及来自全球的震动产生的地震波——所有这些都有助于揭示上、下板块之间界面的几何形态。压力传感器通过测量上方水柱压力的变化来跟踪监测地壳挠曲状况。电信级电缆将海底观测站与陆地台站连接起来,由此,研究人员可以实时获取传感器数据。

Yoshiyuki Kaneda是日本海洋地球科技署(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)DONET项目的领军人物。他希望观测站能够捕捉到一个完整的地震周期——从应力积累到大震期间的应力释放,而后应力重新缓慢积累。研究人员希望搞清较大地震是如何开始的,以及在其之前发生了什么事情。

如果大地震真的发生了,DONET观测站由于靠近震源就可以向大阪、东京和其他一些即将遭受破坏性地震波侵袭的城市提供预警。压力传感器也可以预先发出通知,告知公众海啸正快速冲向岸边。

2 西方的忧虑

对于地震,美国的研究人员有着自己的忧虑,主要集中在卡斯卡迪亚地区。那里曾发生过大地震和海啸,而且自上次地震以来,时间已经过去了300多年。“源自卡斯卡迪亚俯冲带的地震危险性是巨大的,”位于纽约的哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观象台的Maya Tolstoy说。

Tolstoy是卡斯卡迪亚行动(Cascadia Initiative)的主要研究人员之一,这一为期4年的计划正在搭建临时观测台站,用于探测这条巨大海域断层的习性。上个月,该团队开始布设第一批60个这样的海底观测站,这将增强现有的陆地台网的观测水平。该项目的部分经费(500万美元)来自《2009年美国复苏与再投资法案》,由美国国家科学基金会负责拨款。

每一台海底装置需要花费6～8万美元,它包含一个压力计和一台与汤罐大小类似的地震检波器,放在一个带有水平调节系统的压力箱内,上边有一个钢罩,这样就不会受到水流和捕捞设备的影响。这些观测站不会通过电缆与陆地连接。取而代之的是,研究人员每年都将收回每一台传感器,下载数据,然后将其放置到一个新的地点。加利福尼亚大学伯克利分校的 Richard A llen说,通过找出该俯冲带内地震发生的准确位置,卡斯卡迪亚行动获得的数据将有助于确定板块之间界面的位置和结构——例如界面的粗糙度如何以及哪些区域处于闭锁状态。

此外,海底观测站应该能够帮助解读卡斯卡迪亚地区陆地地震仪记录到的异常地震信号。陆地传感器拾取大概每12～14个月就会出现一次的微震群数据,也拾取那些因能量释放缓慢而无人感觉到的地震事件信息,这些无感地震释放的能量相当可观。研究人员推测这些信号可以反映出该俯冲带的活动状况:板块内的地层各自可能都在独立地移动,流体也可能在地表深处运移。他们希望来自海上传感器的记录能够帮助他们找到一种解释。海底传感器或许还能探测到俯冲带闭锁部分的变化。

作为加拿大“海王星”项目的一个组成部分,美国也正协同加拿大在卡斯卡迪亚地区搭建长期海底观测站。该项目将收集广泛的生物、海洋和地震数据,用于基础研究和潜在的灾害预警,如赤潮或地震等。加拿大方面花费1.43亿加元(1.45亿美元),去年完成了一个系统的搭建工作,包括3个地震台和5个海底压力记录器,全部由800 km的电缆连通,信息可以传递到陆地台站。预算问题使“海王星”项目美国所承担的部分向后推迟,2011年夏季才开始铺设电缆,观测站未来5年内建成。

由于铺设数百公里长的光纤电缆成本很高,所以研究人员正在研制能够搜集数据的自主水中机器人。一项拟议计划就是将由加州桑尼维尔市(Sunnyvale)的Liquid Robotics公司研制的波浪发电机器人与独立运行的海底传感器配合使用。

随着各海上传感器网络的读数不断涌入,研究人员希望他们最终能够获得对俯冲带及其危险性的更加深刻的认识。这种海底观测站“将成为未来几年的话题,”Hill说。虽然一些项目在日本3·11地震前已处于准备阶段,但那次灾难使研究工作显得更加紧迫。“由于日本的缘故,”Hill说,“目前人们的注意力都集中到海底观测上。”