汶川地震暴露中外科学家的认知缺陷

龙门山有着河谷切割出来的世界上最陡峭的山坡,非常容易由地震引发巨大的滑坡。
5月14日的《自然》杂志在题为《沉睡的巨龙》(TheSleepingDragon)的特稿中,较为详细地回顾了自汶川地震一年来,中外科学家对这一罕见而独特的大地震的思考。这篇由AlexandraWitze撰写的报道指出:与其他地震所不同的是,中国和其他国家的科学家对于这次地震均暴露出认识上的缺陷。下面是这篇报道的内容。
龙门山断裂带穿过白鹿镇一学校的院子，造成这道高2米的混凝土隆起的断层，就是5?12大地震的元凶。
在四川省的白鹿镇,两栋教学楼面对面地矗立在庭院的两侧,带着令人愉悦的白色或者淡蓝色的装饰。这是一个平静的四月天,凉爽而潮湿。一个企鹅形状的垃圾箱站在庭院的一侧,就像是等待着有人给它们投掷糖果,但是今天却没有人给它喂食。在庭院的右侧有一道2米多高的混凝土隆起穿过了整个院子。这正是断层的表现形式———2008年5月12日四川大地震的元凶。
在庭院的另一边则是另一番景象。那里堆满了砖头瓦砾,这是在地震中倒塌的另一栋楼房的残骸。地质学家们正在挖掘一道40米深的壕沟,用来寻找地震的信息,以获知在那一天到底发生了什么。
这些地壳上的裂纹在一定程度上欺骗了大家。中外科学家都曾将它们绘制在地图上,却没有意识到它的厉害之处。
“我对这次地震感到很惊讶。”中国地震局地质研究所的副所长徐锡伟说。2008年四川地震带来的建筑物崩塌、山体滑坡和泥石流掩埋了很多城镇并杀死至少70,000人,同时对中国西南的生态环境造成了极大的破坏。
与其他地震所不同的是,中国和其他国家的科学家,对于这次地震均暴露出认识上的缺陷。以前科学家评估地震风险,往往把重点放在那些经常移动并频繁制造地震的断层上。这一策略因很多地震遵循这些原则而取得成功。但是在四川西部,这却是一个灾难性的错误。
一年后,研究人员正在研究这个致命的断层,希望能找到办法以避免重复错误。回想起过去的种种表象,他们说,龙门山的地质状况在试图警告他们。
问题山脉
巨大的山脉横亘于平均海拔5000米以上的青藏高原和低缓的四川盆地之间。这里有着世界上最陡峭的地形坡度,麻省理工学院(MIT)的地质学家ClarkBurchfiel说。在50公里的距离内,这里海拔高度飞一般地改变了4000多米。龙门山有着河谷切割出来的世界上最陡峭的山坡,非常容易由地震引发巨大的滑坡。如果没有强烈的地质运动,很难产生并保持这样陡峭的地形坡度。在上世纪80年代末,Burchfiel和他的同事们开始在这个地区进行填图工作,他们相信他们会发现一些证据来证实沿龙门山大规模的地面运动:高原与平原之间的挤压和山脉的抬升会使这个地带每年大概缩短10毫米。
但经过多年的研究,这个地带并没有以他们预计的尺寸缩短。通过对岩层填图,他们发现每年位移其实只有1-2毫米,而并不是预计的10毫米。“在这样低的运动速度下,如何形成这么高的山脉令人费解。”Burchfiel如是说。尽管如此,他必须遵从岩层给出的确凿证据。因此在没有人相信会有如此低速运动的情况下,他最终只发表了一个有关该区域的主要地质概况,然后转向附近其他地区的填图工作。
然而随着时间的推移,新的研究证实了他的结论。研究人员利用全球定位系统(GPS)测量地面运动,发现在垂直龙门山方向上有低速的滑动,速度正如Burchfiel所提出的那样是每年1-2毫米。
在地质学家看来,这一速度并不会产生太大的危害,因为断层对有可能引起地震的能量的积累与该区域地壳运动速度是成比例的。比如,在一个山脉两侧的两点,如果一个相对于另一个移动得很快的话,那么岩体之间的应力会很快地累积———应力需要通过岩体沿断层的运动释放。通常情况下,这种运动不太稳定但是极少发生。当应力积累到足够大,超过岩体之间的摩擦力的时候,就会忽然发生释放,这就引起了地震。
据测量的结果,四川地震的矩震级规模有7.9,沿着北川断层走向的位移大概有接近5米之多。考虑到应力的缓慢积累,经粗略计算表明,历史上发生这种大规模地震的频率应当非常小,大约每2,000至10,000年一次。
巨大的震动会在区域地质上留下印记。但是因为暴雨和很高的侵蚀速度淡化了大部分的印记,所以在龙门山很难找到这些记录。英国Durham大学的地质学家AlecanderDensmore曾在这个地区进行过断层填图,他说:“已经没有很多的地方可以清晰地展示过去的历史了。”成都地质矿产研究所的地质学家陈智梁说,历史上已知的沿北川断层发生的地震都比2008年的地震小得多,其中一次发生在1958年,震级为6.2级,另一次发生在1970年。没有任何考古证据表明,自1500年前北川镇建立起来之后曾被地震摧毁过。
几乎没有人想到是龙门山造成了主要的地震灾害。MIT的地球物理学家LeighRoyden曾在这里建立了一个构造模型。“我认为这并不会引起一次大的地震。”他如是说。
事后,人们很容易意识到忽略龙门山地震的可能性是多么危险。有些事情很少发生但并不意味着它永远不会发生。这应该是明显的,沿着这个山脉的断层宛如沉睡的巨龙,它应该会在某个时候醒来。但是研究人员需要将有限的时间和经费用在对地震风险的评估上,因此他们只能将关注的重点放在那些每隔数百年就发生一次大地震的地区———而不是那些可能在5000年间都保持沉默的地区。
比如,相对于北川断层,中国的地质学家更加关注西边的两个更加活跃的断裂带:安宁河断裂带和鲜水河断裂带。这两个断裂带每年走滑的距离高达10毫米左右。中国地震局将其大部分的监测工作放在这些活跃的断层上,包括部署近300个宽频带地震仪———可以捕获较大范围的振动频率———用这个世界上最密集的监测网络绘制地壳下的地图。当北川断层发生破裂以后,地震学家将研究重心转移到龙门山。还有些研究者在考虑附近新建的水库引发地震的可能性。
现在的问题是地质学家能从四川地震中获知哪些关于未来地震风险的信息。一些人认为,更应注意地形坡度陡峭地区,即使那里只发生了很小的地表运动。Royden指出在加拿大西北地区有个类似的区域,但是那里很少人生活,所以它不可能被优先研究。在中国和其他一些人口稠密的地区,有一些明显的类似情况,研究人员一定会考虑重新审视这些山区地带。
除了表现得昏昏欲睡、不太活跃外,北川断层的另一个特征也令地球科学家放松了警惕。从表面上看,这个断层似乎被分为一些很小的破裂段,这些破裂段各自相对独立地运动,只能各自引起较小的地震。“我们习惯于单独地看待这些破裂段,并且认为地震的规模不会超过它们各自能引发的最大地震。”哈佛大学的地质学家JohnShaw说,“但是实际上,这次地震的规模远远超过预期。”
这就是去年发生的事情。北川断层破裂穿过了总长240公里的多个破裂段。在它的东南有一个次生的彭灌断层,破裂总长72公里。这些破裂段在深部相互衔接,使地震危险性的增强远大于预期。中国的地质学家现在已经开始详细绘制这些与北川断层相连的断层的地图。
尚存的危险是另一个需要关注的问题。因为北川断层几乎破坏了震中东北的所有地区,一些科学家在考虑,这些破裂段是否会向西南发育?附近的断层也是潜在的危险。一项研究暗示北川地震增加了其他地区的应力,比如鲜水河断裂带和雅安附近以及成都东南的其他断层。另一项研究甚至认为,在今后十年中该地区有8%-12％的可能发生7级以上的地震,这一可能性甚至高于地震前的2008年。