地震可以預(yù)測(cè)嗎？慢地震或許可以幫忙！

最近土耳其連續(xù)發(fā)生兩次7級(jí)以上大地震，其余震在數(shù)十天后依然強(qiáng)烈且頻繁，地震帶來(lái)了數(shù)萬(wàn)人傷亡，上百萬(wàn)人無(wú)家可歸。2月23日，塔吉克斯坦也發(fā)生了7.2級(jí)地震，震源距中國(guó)邊境僅有約82千米。

頻繁發(fā)生的大地震讓一些人開(kāi)始擔(dān)憂(yōu)地震災(zāi)害問(wèn)題，同時(shí)也再次讓人們把目光聚焦在一個(gè)老生常談的問(wèn)題上——地震可以預(yù)測(cè)嗎？

土耳其-敘利亞地震部分照片

（圖片來(lái)源：wikipedia）

首先要回答的是，在目前的技術(shù)條件下，地震預(yù)測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的。不過(guò)，科學(xué)家們正在探索預(yù)測(cè)地震的各種方法，其中很多人認(rèn)為對(duì)慢地震的研究可能有助于我們預(yù)測(cè)地震。

一、什么是慢地震？

地震是由地層中斷層的突然破裂或移動(dòng)導(dǎo)致的。在目前的板塊理論中，整個(gè)地球地表的堅(jiān)硬巖石圈并不是一個(gè)整體，而是破裂成15個(gè)主要板塊以及更多次要板塊，這些板塊漂浮在地幔物質(zhì)之上，隨著地幔物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，就好像漂浮在水面的木板一樣。

這些板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)相互碰撞或分離，無(wú)論是碰撞或分離都會(huì)給板塊邊界處帶來(lái)巨大的壓力或拉力，一般將其稱(chēng)為應(yīng)力，應(yīng)力也會(huì)傳導(dǎo)到板塊內(nèi)部，從而讓板塊邊界或板塊內(nèi)部的巖層破裂形成斷層，多個(gè)巨大的斷層還會(huì)組成斷裂帶。這就是絕大多數(shù)地震的發(fā)源地了。

板塊邊界處往往受到巨大應(yīng)力，因而成為地震的發(fā)源地

（圖片來(lái)源：USGS）

斷層由斷層面和斷盤(pán)構(gòu)成，在平時(shí)，由于斷層面上摩擦力巨大，以及斷層上存在的凹凸體等，將兩側(cè)的斷盤(pán)牢牢鎖住。板塊運(yùn)動(dòng)傳來(lái)的巨大能量會(huì)被斷層兩側(cè)的巖層通過(guò)變形吸收，這種變形被稱(chēng)為應(yīng)變——是的，如果從宏觀來(lái)看，堅(jiān)硬的巖層其實(shí)和硬質(zhì)的巨大彈簧沒(méi)有區(qū)別，它們也會(huì)拉長(zhǎng)、縮短和彎曲，能量就儲(chǔ)存在地層的應(yīng)變中。

一旦能量?jī)?chǔ)存超過(guò)臨界值，斷層就會(huì)突然快速滑動(dòng)，在滑動(dòng)過(guò)程中，斷面兩側(cè)的斷盤(pán)中的變形就會(huì)恢復(fù)變成未變形的狀態(tài)，我們可以將其想象為彎曲的彈簧被釋放了，它自然就會(huì)恢復(fù)原狀，在此過(guò)程中，釋放出來(lái)的能量被傳導(dǎo)到地面上，造成了地面的震動(dòng)，由此引發(fā)地震，這就是地震起源的彈性回跳假說(shuō)。

地震起源的彈性回跳假說(shuō)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

普通地震的本質(zhì)就是地震斷層面的快速擴(kuò)展，大約為2-3千米/秒。所謂地震斷層面的擴(kuò)展速度很好理解，我們假定斷層面的破裂始于一個(gè)點(diǎn)，這種破裂狀態(tài)向前傳播，導(dǎo)致斷層面的其他部分也開(kāi)始破裂，這個(gè)傳導(dǎo)的速度就被稱(chēng)為斷層面的擴(kuò)展速度。

而一個(gè)大地震的斷層面的破裂長(zhǎng)度往往超過(guò)數(shù)十乃至數(shù)百千米，比如這次土耳其地震的破裂斷層的總長(zhǎng)度就超過(guò)了360千米。用這個(gè)長(zhǎng)度除以擴(kuò)展速度，就是地震的“震源持續(xù)時(shí)間”，一般來(lái)講，普通地震的震源持續(xù)時(shí)間很短，僅有十幾秒到兩百秒左右。

本次土耳其地震中第一次大地震的地震烈度圖

圖中紅線處可以近似認(rèn)為就是斷層破裂的長(zhǎng)度

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

2008年汶川地震中，斷層破裂帶在地面的投影

可以看到這一地震的斷層破裂長(zhǎng)度也很長(zhǎng)，算下來(lái)超過(guò)300千米

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

但是如果一個(gè)斷層的擴(kuò)展速度非常慢，比如只有3米/秒，甚至0.3米/秒或更低的時(shí)候，在斷層破裂長(zhǎng)度不變的時(shí)候，它們最終釋放的能量與普通地震相差無(wú)幾，但由于斷層擴(kuò)展速度變慢，導(dǎo)致這種地震不僅人類(lèi)無(wú)法感知，就連目前最先進(jìn)的地震儀也很難測(cè)量出來(lái)，這種地震就被稱(chēng)為慢地震。

二、為什么會(huì)發(fā)生慢地震

總結(jié)起來(lái)可以歸納為四個(gè)原因：溫度、水、巖石本身的性質(zhì)和周?chē)膲毫Α?/p>

要說(shuō)明白這幾個(gè)原因，我們需要先復(fù)習(xí)一下初中物理中學(xué)到的關(guān)于摩擦力的知識(shí)：把一個(gè)滑塊放在平面上，用水平方向的力拉動(dòng)滑塊，起初，滑塊不會(huì)移動(dòng)，但隨著拉力增大，滑塊會(huì)突然移動(dòng)起來(lái)。這是因?yàn)榛瑝K受到摩擦阻力，而且在滑塊未移動(dòng)時(shí)，受到的是靜摩擦力（其大小與靜摩擦系數(shù)有關(guān)），當(dāng)滑塊移動(dòng)時(shí)則會(huì)受到動(dòng)摩擦力（其大小與動(dòng)摩擦系數(shù)有關(guān)）。

滑塊實(shí)驗(yàn)示意圖（上）

以及滑塊實(shí)驗(yàn)中滑塊所受摩擦力的變化情況（下）

（圖片來(lái)源：上圖為作者自制，下圖來(lái)自Wikipedia）

在初中物理中，動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)都是固定的，因?yàn)槲锢碇谢瑝K與平面處于理想狀態(tài)，它們充分接觸了，因此摩擦系數(shù)固定。但是在現(xiàn)實(shí)情況中，摩擦系數(shù)并不固定，因?yàn)閮蓚€(gè)物體無(wú)論如何都不可能完全充分接觸，它們之間的接觸面總是凹凸不平的，因此真實(shí)接觸面積可能最多只有總面積的10%，而接觸面積會(huì)隨著條件改變而變化，因此摩擦系數(shù)μ總是變化的。

對(duì)兩個(gè)相互接觸的物體的三維模擬，可以看到二者表面都是凹凸不平的，因此真實(shí)接觸面積并不大

（圖片來(lái)源：wikipedia）

科學(xué)家對(duì)動(dòng)摩擦系數(shù)研究后給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

μ0是以V0滑動(dòng)時(shí)候的摩擦系數(shù)，可以測(cè)出來(lái)，a-b則代表物體的性質(zhì)，因?yàn)橛袝r(shí)候物體的摩擦系數(shù)會(huì)隨著滑動(dòng)速率增加而減少，換句話說(shuō)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度越快，摩擦越小（這叫速度弱化），比如花崗巖，這時(shí)候a-b＜0。而有時(shí)候物體的摩擦系數(shù)會(huì)隨著滑動(dòng)速率增加而增加，也就是說(shuō)運(yùn)動(dòng)速度越快，摩擦力越大（這叫速度強(qiáng)化），比如飽水粘土，這時(shí)候a-b＞0。而a-b=0則是二者的過(guò)渡區(qū)。

而無(wú)論是溫度、水還是巖石本身的性質(zhì)以及周?chē)膲毫Χ紩?huì)影響a-b的值。比如，當(dāng)溫度大于300℃時(shí)，巖石之間的摩擦力就會(huì)急劇減小；當(dāng)?shù)V物飽水的話，就會(huì)變得柔軟，由此導(dǎo)致礦物之間摩擦力減?。挥袝r(shí)候巖石飽水，也更容易破裂。

但是有時(shí)候卻會(huì)發(fā)生相反的情況——水中溶解的硅元素會(huì)在巖石狹小縫隙處生長(zhǎng)，填滿(mǎn)縫隙，導(dǎo)致巖石摩擦力增加；同時(shí)，周?chē)膲毫σ材苡绊憥r石的真實(shí)接觸面積，以及巖石本身的性質(zhì)也是需要考慮的因素。因此，上述條件的變化都可能會(huì)導(dǎo)致某一地的巖層摩擦力發(fā)生改變。

由于溫度、水、壓力等一系列的影響，

會(huì)導(dǎo)致在俯沖帶附近出現(xiàn)如上圖所示的情況：

在淺層（A-B）以穩(wěn)定滑動(dòng)為主，也就是a-b＞0；

在中間層（B-C）是地震發(fā)生帶，也就是a-b＜0；

在深層（C-D）以穩(wěn)定滑動(dòng)為主 ，也就是a-b＞0

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

當(dāng)某一斷層是速度弱化區(qū)時(shí)，滑動(dòng)一旦產(chǎn)生，摩擦力就會(huì)變小，且滑動(dòng)越大，摩擦力越小，結(jié)果就是這一區(qū)域的巖層一旦開(kāi)始滑動(dòng)，斷層滑動(dòng)面就會(huì)急劇擴(kuò)大，地震就產(chǎn)生了。

而若是某一斷層處于速度強(qiáng)化區(qū)時(shí)，隨著滑動(dòng)增加，摩擦力會(huì)增加，最終滑動(dòng)和摩擦力達(dá)到平衡狀態(tài)，這一區(qū)域處于持續(xù)的緩慢滑動(dòng)中，這就是慢地震。

三、為什么說(shuō)慢地震有助于地震預(yù)測(cè)？

因?yàn)楦鶕?jù)研究，在普通地震發(fā)生之前，一般都會(huì)發(fā)生慢地震。

有科學(xué)家用花崗巖（代表a-b＜0的區(qū)域）做了一個(gè)滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在花崗巖中，慢地震其實(shí)也是地震過(guò)程的一部分：

切割出長(zhǎng)度6cm，寬度為3cm的立方體花崗巖，3個(gè)塊體水平放置，對(duì)兩側(cè)的塊體沿著水平方向施加壓力，使其夾住中間的塊體，然后給中間的塊體施加一個(gè)推動(dòng)的力量，中間的塊體先是紋絲不動(dòng)，但當(dāng)推力增加超過(guò)某一界限時(shí)，中間的塊體會(huì)緩慢地開(kāi)始滑動(dòng)，然后很快地加速，最后發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)。

很明顯，紋絲不動(dòng)代表了未發(fā)生地震的情況，緩慢地開(kāi)始滑動(dòng)代表了慢地震的情況，很快的加速則代表了地震發(fā)生時(shí)的情況。

用花崗巖做滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)的示意圖

（圖片來(lái)源：作者自制）

有科學(xué)家也利用計(jì)算機(jī)程序模擬了a-b=0的過(guò)渡帶的情況，具體是以俯沖帶為對(duì)象，將俯沖帶0-30km深度的斷層上盤(pán)區(qū)域設(shè)定為a-b＜0區(qū)域，30km左右為過(guò)渡帶區(qū)域，斷層的下盤(pán)以正常的板塊俯沖速度運(yùn)動(dòng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上盤(pán)接近應(yīng)變的臨界點(diǎn)時(shí)，在過(guò)渡帶的某處慢地震會(huì)多次發(fā)生和停止，最終，一個(gè)慢地震沖入淺部的斷層上盤(pán)區(qū)域，引發(fā)大地震。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

還有科學(xué)家研究了在a-b＞0的區(qū)域中地震發(fā)生的情況，在這一區(qū)域內(nèi)，由于摩擦力隨速度增加，因此二者會(huì)達(dá)到平衡，所以最終這一區(qū)域會(huì)處在緩慢滑動(dòng)過(guò)程中。但在這種區(qū)域內(nèi)可能會(huì)存在凹凸體，這些凹凸體是a-b＜0的，隨著斷層兩盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終將凹凸體卷入其中，隨著凹凸體內(nèi)會(huì)不斷積累應(yīng)變，同時(shí)也不斷有慢地震侵入凹凸體中，最終凹凸體斷裂，于是地震也發(fā)生了。

凹凸體在真實(shí)條件下也是存在的

圖中即為日本東北區(qū)域的凹凸體分布圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

總結(jié)一下就是，在這些實(shí)驗(yàn)的情況中，普通地震發(fā)生之前，均有慢地震的發(fā)生。所以如果對(duì)慢地震進(jìn)行仔細(xì)研究，了解了各地慢地震的波形特點(diǎn)及其歷史特征，可能就有助于進(jìn)行大地震的預(yù)測(cè)。但是，目前我們最大的問(wèn)題是，現(xiàn)有的地震儀很難識(shí)別慢地震。

四、為什么慢地震難以識(shí)別？

人類(lèi)從19世紀(jì)中期就開(kāi)始研究地震以及地震波，并在19世紀(jì)末期設(shè)計(jì)出了能記錄地震波的地震儀，自此以后一直到現(xiàn)代，人類(lèi)記錄并研究地震波有近200年的時(shí)間，但卻一直沒(méi)能發(fā)現(xiàn)慢地震的存在，這是因?yàn)槁卣鸬牡卣鸩ㄖ芷诤荛L(zhǎng)，普通地震儀難以發(fā)現(xiàn)。

如前文所述，普通地震發(fā)生時(shí)，斷層破裂面的擴(kuò)展速度極快，因此震源持續(xù)時(shí)間很短，這反映在地震波的形態(tài)上就是持續(xù)時(shí)間很短的波動(dòng)，而慢地震的斷層破裂面的擴(kuò)展速度很慢，因此其波動(dòng)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，且波動(dòng)很小。

普通地震地震波波形（a）到慢地震地震波波形(e)對(duì)比圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

而我們所說(shuō)的地震儀的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于一架單擺，擺末端是一支鉛筆，單擺會(huì)隨著地震的震動(dòng)而左右搖晃，同時(shí)，鉛筆也會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)。在鉛筆之下有一個(gè)紙卷，紙卷勻速運(yùn)動(dòng)（因?yàn)樗俣纫阎?，紙卷長(zhǎng)度也已知，所以時(shí)間也是已知的），那么在紙卷上就會(huì)記錄下地震波隨時(shí)間的變化情況。

在普通地震下，單擺的擺動(dòng)很劇烈，但是在慢地震下，由于地球震動(dòng)速度很慢，單擺壓根反應(yīng)不過(guò)來(lái)，所以在紙上記錄下的幾乎是一條直線。我們用手就能復(fù)制這個(gè)實(shí)驗(yàn)：用手拿一個(gè)單擺，快速擺動(dòng)手，單擺會(huì)劇烈擺動(dòng)，這是普通地震的情況；若是極為緩慢地左右移動(dòng)手，會(huì)發(fā)現(xiàn)單擺根本不動(dòng)，這就是慢地震的情況。

普通地震（a）就如同拿著單擺快速擺動(dòng)，地震儀會(huì)記下劇烈的地震波；

而慢地震（b）就如同拿著單擺緩慢左右移動(dòng)手，地震儀記下的就幾乎是直線

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

正是因?yàn)槁卣鸬倪@種特點(diǎn)，所以一直到2000年之前，科學(xué)家都并不了解慢地震，直到2001年以后，隨著環(huán)太平洋俯沖帶一系列慢地震的發(fā)現(xiàn)，慢地震的研究才引起了人們的重視。

但在研究過(guò)程中也遇到一個(gè)大問(wèn)題，那就是雖然目前的地震儀精度越來(lái)越高，但是這些地震儀本身并不是為慢地震測(cè)量而設(shè)計(jì)的，目前的絕大部分地震儀，都只能觀測(cè)持續(xù)時(shí)間200秒以下的地震波，超過(guò)這一時(shí)間就精度大大下降，而慢地震的地震波持續(xù)時(shí)長(zhǎng)往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)千秒甚至數(shù)天。

典型的普通地震波，可以看到其持續(xù)時(shí)間基本上以秒為單位（橫坐標(biāo)）

（圖片來(lái)源：wikipedia）

而且，慢地震的地震波常常被噪音覆蓋。在自然界中，地球的自由振蕩、臺(tái)風(fēng)等多種事件均能導(dǎo)致地震儀中出現(xiàn)低頻長(zhǎng)周期信號(hào)，這些信號(hào)在以往會(huì)被認(rèn)為是噪音而被剔除掉，但如果考慮到慢地震也會(huì)引起此種信號(hào)，那么如何從種種噪音中識(shí)別慢地震的地震波又成了一個(gè)很大的問(wèn)題。

不過(guò)，隨著科技進(jìn)步，有些科學(xué)家正在研究利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行濾波，有些科學(xué)家正在考慮設(shè)計(jì)新的監(jiān)測(cè)設(shè)備并且建設(shè)更多監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，相信在不久的將來(lái)，我們對(duì)慢地震的認(rèn)識(shí)會(huì)更加深刻，或許到那時(shí)，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地震的預(yù)測(cè)了。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）塞思·斯坦，（美）邁克爾·維瑟遜著. 地震學(xué)、震源及地球結(jié)構(gòu)概論. 北京：科學(xué)出版社, 2020.03.

[2] 王衛(wèi)民, 趙連鋒, 李娟, 等. 四川汶川 8.0 級(jí)地震震源過(guò)程[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2008, 51(5): 1403-1410.

[3] (日)川崎一郎著 陳會(huì)忠等譯.何謂慢地震：探索巨大地震預(yù)報(bào)的可能性 [M]. 北京:地震出版社, 2013.

[4] 周聰. 地震前兆性慢滑移事件研究[D].中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,2021.DOI:10.27489/d.

作者：地星引力