「慢滑移」與地震

「慢地震」指的是微小且難以察覺的震顫，這種震顫可以持續數周。然而，這些奇怪的事件一定先於或者甚至直接導致了我們所熟知的「快」地震嗎？Sophia Chen對此進行了研究。

美國西北部和加拿大不列顛哥倫比亞省地下大約每14 個月都發生怪事：地下開始運動。這個稱為卡斯卡迪亞(Cascadia)俯衝帶的地區，包含一條長達1000 km 的斷層，數個構造板塊在此匯聚。當地下35—55 km 處岩石發生滑動時，它還會每秒鐘沿前後方向振動幾次。今年這樣的滑移始於2 月22 日，並且持續了幾周。

但是與地震不同，這樣的地下運動並沒有造成破壞。在地球表面，人們不會有任何感覺。甚至連地球物理學家使用地震儀器數十年以來也未能注意到這些運動。「運動如此之小，以致被認為只是風和波浪引起的雜訊」，研究卡斯卡迪亞地區滑移現象的美國華盛頓大學地球物理學家Heidi Houston 如是說。

這種滑動發生在俯衝帶，即遍布在全球的、一個板塊滑向另一個板塊下方的邊界。1999 年，日本和加拿大的兩個獨立研究小組幾乎同時首次發現這一現象，在此之前兩個小組均在各自研究區域內布設了更好、更密集的感測器網路。從那以後，這些「慢地震」或「慢滑移事件」便從根本上改變了地球物理學家對地殼深部作用力的理解。地球內部基本上仍是個謎，但是研究慢地震使地球物理學家們距離他們的「聖杯」——準確的地震預測更進一步。這些靜地震可能對描繪一些大地震如何形成有所幫助。

微弱震顫

在地幔放射性元素衰變產生的熱的驅動力作用下，構造板塊以平均每年2-5 cm 的速率在地表運動。板塊因構造運動壓縮變形，貯存增加的彈性應變能。

1999 年以前，研究人員認為受壓板塊只能通過兩種途徑釋放貯存的應變能，或者快速地在數秒內以地震的形式，或者穩定地以均勻蠕變的形式釋放。但慢地震的發現揭示這兩種途徑並非全部。「 這是我們第一次意識到斷層有全頻譜行為」，在GNS Science 研究紐西蘭海岸附近慢地震的紐西蘭地質學家LauraWallace如是說。

慢滑移從構造板塊傳遞應力不是在數秒內完成的，而是一個數天、數周或數年的時間過程。這種持續的慢滑移效果是顯著的。已經檢測到一些慢地震可以釋放等同於常規7 級地震的能量。而且，在很多地區，這種慢滑移是間歇周期性的。例如，在卡斯卡迪亞地區每14 個月一次，在墨西哥地區每4 年一次。

最簡單的慢地震模型由兩個板塊構成，在俯衝帶地區一個板塊俯衝於另一板塊之下(圖1)。斷層最淺部處於閉鎖靜止，積累勢能；在大約33—55 km 深度範圍，慢滑移零星地發生；在更深的深度上，地質學家則認為斷層全年都在進行穩定地滑移。

圖1 卡斯卡迪亞俯衝區(Steve Malone/華盛頓大學)。在俯衝帶地區，一個構造板塊俯衝到另一個之下。在靠近地表處板塊閉鎖在一起，此處只以地震的形式運動；在深部，板塊會自由地滑動；而中間則會發生緩慢震動的滑移

摩擦， 取決於岩石的成分組成，又決定了斷層岩石的運動方式。但直接測量岩石的摩擦性質非常困難，因為岩石太深而無法直接採樣或者成像。取而代之，研究人員通過其他方法來間接推斷岩石的摩擦性質。例如，通過地震台網測量獲得穿過地殼的地震波速度來計算岩石彈性，進而推斷岩石的摩擦性質。但是這些彈性計算過於簡化，通常假定岩石非均勻含水，對此，研究人員還需要詳細研究。

研究人員仍然不能完全確定是什麼驅動著慢滑移事件，它們對比常規地震強度弱得多的動力即有所反應。例如，我們知道來自於太陽和月球的重力可以影響慢滑移。研究者觀測到在卡斯卡迪亞地區發生慢滑移期間，與慢滑移相伴隨發生的另一種稱為顫動(tremor)事件的頻次，隨著海洋潮汐發生波動。「這表明，這些極微弱的應力，儘管非常微弱難以影響普通地震，但相對於慢滑移來說則相當強大」，Houston說道。

研究慢滑移最有用的工具之一是過去十年間建成的GPS 感測器網路。它們足夠敏感，可以檢測毫米量級的地表運動。在日本和卡斯卡迪亞地區，GPS 測量結果顯示慢滑移以每天10 km 的速率從一個地區向下一個地區遷移。另外，通過測量地表位移，研究人員可以進一步模擬造成地表位移的深部慢滑移事件。不同區域的模型不同，取決於特定斷層的幾何形狀。例如，在墨西哥西南海岸，那裡常發生一些大的慢滑移事件，某些GPS 站檢測到5 mm的地表位移，對應於滑移界面上約3 cm的位移量。然而，在卡斯卡迪亞俯衝帶地區，研究人員們模擬發現5 mm 的地表位移則相應於深部2 cm的滑移量。

建立這些台網富有挑戰。GPS感測器一般只能安裝在陸地上，但許多俯衝帶都在水下。例如，引發海嘯造成15000 多人死亡並導致福島核事故的2011 年日本東北地震，始於距離海岸70 km 的地方。於是，研究人員正在探索在海洋中進行測量的新方法。例如，Wallace 的團隊在紐西蘭海岸的海床上安裝了壓力計。她說：「如果海底在一次慢滑移事件中向上移動，那麼其上面的水會減少。」壓力計可以測量慢滑移期間海底上下移動造成的水壓波動。

圖2 深部物理(Yoshihiro Ito/京都大學)。24 個海底壓力表中的一個安裝在遠離紐西蘭東北海岸的希庫朗伊俯衝帶

更深層次的理解

關於慢滑移事件，最吸引人的神秘之處在於為什麼它們經常發生在俯衝帶大的「大逆沖型」地震之前。例如，我們知道，在2011 年日本東北地震之前發生了慢滑移事件，持續近十年之久。類似地，研究人員後來發現在2014 年智利伊基克8.1 級地震幾周之前發生了慢滑移。

有一個例子，慢滑移事件確實觸發了2014 年4 月墨西哥西南海岸7.3 級的大地震。震後的分析中，法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學的一位地球物理學家Mathilde Radiguet 和她的同事在繪製該地區的地震活動時發現了慢滑移。兩個多月的時間，慢滑移沿斷層遷移到地震起始點。Radiguet 說：「慢滑移使應力增加， 當應力達到一定的閾值時，岩石發生破壞，於是破裂開始。」Radiguet 的團隊在地震發生的兩年後發表了分析結果，但地球物理學家能否最終利用慢地震來預測大地震仍耐人尋味。也許某一天終會實現。Radiguet 說：「我們距離利用慢滑移作出地震預測還很遙遠。」她又補充說，現在還不可能歸納不同區域的慢滑移的特徵。慢滑移恰巧觸發了2014 年墨西哥7.3 級地震，是因為它向斷層的特定部位遷移，但如果它沿另一個方向遷移，它可能降低斷層的張力甚至阻止此次地震。Wallace 說，「它們是一把雙刃劍，在某些地方慢滑移事件有助於降低發生地震的可能。」

為什麼慢滑移如此之慢？它究竟是如何使地球變形？許多關於慢滑移的基本科學問題懸而未決。Radiguet 說，擺在面前的簡單任務是安裝更多的感測器，特別是在海洋中。由此開展的研究將是及時的，因為地震學家預計每年至少有一次8 級以上地震發生在世界的某個地方。她說，「我們不清楚地震如何開始，慢滑移可能發揮了作用。」

目前卡斯卡迪亞俯衝帶下一次巨大地震的發生已經逾期。該地區大地震之間的平均時間約為240年。317 年前該地區發生的最近一次的大地震引起了太平洋另一側的日本發生了海嘯。同時，明年4 月左右，地下將再次開始緩慢移動，而人類對此毫無察覺。

(中國地震局地球物理研究所尹鳳玲、來貴娟編譯自Sophia Chen. Physics World，2017，(7)：29)

本文選自《物理》2017年第7期

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！