地震可以預(yù)測嗎？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，地震帶來了數(shù)萬人傷亡，上百萬人無家可歸。2月23日，塔吉克斯坦也發(fā)生了7.2級地震，震源距中國邊境僅有約82千米。

頻繁發(fā)生的大地震讓一些人開始擔(dān)憂地震災(zāi)害問題，同時也再次讓人們把目光聚焦在一個老生常談的問題上——地震可以預(yù)測嗎？

土耳其-敘利亞地震部分照片

（圖片來源：wikipedia）

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

一、什么是慢地震？

地震是由地層中斷層的突然破裂或移動導(dǎo)致的。在目前的板塊理論中，整個地球地表的堅硬巖石圈并不是一個整體，而是破裂成15個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)動而運(yùn)動，就好像漂浮在水面的木板一樣。

這些板塊運(yùn)動時會相互碰撞或分離，無論是碰撞或分離都會給板塊邊界處帶來巨大的壓力或拉力，一般將其稱為應(yīng)力，應(yīng)力也會傳導(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，多個巨大的斷層還會組成斷裂帶。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

（圖片來源：USGS）

斷層由斷層面和斷盤構(gòu)成，在平時，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)的斷盤牢牢鎖住。板塊運(yùn)動傳來的巨大能量會被斷層兩側(cè)的巖層通過變形吸收，這種變形被稱為應(yīng)變——是的，如果從宏觀來看，堅硬的巖層其實和硬質(zhì)的巨大彈簧沒有區(qū)別，它們也會拉長、縮短和彎曲，能量就儲存在地層的應(yīng)變中。

一旦能量儲存超過臨界值，斷層就會突然快速滑動，在滑動過程中，斷面兩側(cè)的斷盤中的變形就會恢復(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，它自然就會恢復(fù)原狀，在此過程中，釋放出來的能量被傳導(dǎo)到地面上，造成了地面的震動，由此引發(fā)地震，這就是地震起源的彈性回跳假說。

地震起源的彈性回跳假說

（圖片來源：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點，這種破裂狀態(tài)向前傳播，導(dǎo)致斷層面的其他部分也開始破裂，這個傳導(dǎo)的速度就被稱為斷層面的擴(kuò)展速度。

而一個大地震的斷層面的破裂長度往往超過數(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度就超過了360千米。用這個長度除以擴(kuò)展速度，就是地震的“震源持續(xù)時間”，一般來講，普通地震的震源持續(xù)時間很短，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度

（圖片來源：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度也很長，算下來超過300千米

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

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

二、為什么會發(fā)生慢地震

總結(jié)起來可以歸納為四個原因：溫度、水、巖石本身的性質(zhì)和周圍的壓力。

要說明白這幾個原因，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：把一個滑塊放在平面上，用水平方向的力拉動滑塊，起初，滑塊不會移動，但隨著拉力增大，滑塊會突然移動起來。這是因為滑塊受到摩擦阻力，而且在滑塊未移動時，受到的是靜摩擦力（其大小與靜摩擦系數(shù)有關(guān)），當(dāng)滑塊移動時則會受到動摩擦力（其大小與動摩擦系數(shù)有關(guān)）。

滑塊實驗示意圖（上）

以及滑塊實驗中滑塊所受摩擦力的變化情況（下）

（圖片來源：上圖為作者自制，下圖來自Wikipedia）

在初中物理中，動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)都是固定的，因為物理中滑塊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)實情況中，摩擦系數(shù)并不固定，因為兩個物體無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，因此真實接觸面積可能最多只有總面積的10%，而接觸面積會隨著條件改變而變化，因此摩擦系數(shù)μ總是變化的。

對兩個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，因此真實接觸面積并不大

（圖片來源：wikipedia）

科學(xué)家對動摩擦系數(shù)研究后給出了一個經(jīng)驗公式：

μ0是以V0滑動時候的摩擦系數(shù)，可以測出來，a-b則代表物體的性質(zhì)，因為有時候物體的摩擦系數(shù)會隨著滑動速率增加而減少，換句話說，相對運(yùn)動的速度越快，摩擦越?。ㄟ@叫速度弱化），比如花崗巖，這時候a-b＜0。而有時候物體的摩擦系數(shù)會隨著滑動速率增加而增加，也就是說運(yùn)動速度越快，摩擦力越大（這叫速度強(qiáng)化），比如飽水粘土，這時候a-b＞0。而a-b=0則是二者的過渡區(qū)。

而無論是溫度、水還是巖石本身的性質(zhì)以及周圍的壓力都會影響a-b的值。比如，當(dāng)溫度大于300℃時，巖石之間的摩擦力就會急劇減小；當(dāng)?shù)V物飽水的話，就會變得柔軟，由此導(dǎo)致礦物之間摩擦力減??；有時候巖石飽水，也更容易破裂。

但是有時候卻會發(fā)生相反的情況——水中溶解的硅元素會在巖石狹小縫隙處生長，填滿縫隙，導(dǎo)致巖石摩擦力增加；同時，周圍的壓力也能影響巖石的真實接觸面積，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)定滑動為主 ，也就是a-b＞0

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

當(dāng)某一斷層是速度弱化區(qū)時，滑動一旦產(chǎn)生，摩擦力就會變小，且滑動越大，摩擦力越小，結(jié)果就是這一區(qū)域的巖層一旦開始滑動，斷層滑動面就會急劇擴(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，隨著滑動增加，摩擦力會增加，最終滑動和摩擦力達(dá)到平衡狀態(tài)，這一區(qū)域處于持續(xù)的緩慢滑動中，這就是慢地震。

三、為什么說慢地震有助于地震預(yù)測？

因為根據(jù)研究，在普通地震發(fā)生之前，一般都會發(fā)生慢地震。

有科學(xué)家用花崗巖（代表a-b＜0的區(qū)域）做了一個滑動實驗，發(fā)現(xiàn)在花崗巖中，慢地震其實也是地震過程的一部分：

切割出長度6cm，寬度為3cm的立方體花崗巖，3個塊體水平放置，對兩側(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推動的力量，中間的塊體先是紋絲不動，但當(dāng)推力增加超過某一界限時，中間的塊體會緩慢地開始滑動，然后很快地加速，最后發(fā)生了錯動。

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

用花崗巖做滑動實驗的示意圖

（圖片來源：作者自制）

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

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上盤接近應(yīng)變的臨界點時，在過渡帶的某處慢地震會多次發(fā)生和停止，最終，一個慢地震沖入淺部的斷層上盤區(qū)域，引發(fā)大地震。

（圖片來源：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，因此二者會達(dá)到平衡，所以最終這一區(qū)域會處在緩慢滑動過程中。但在這種區(qū)域內(nèi)可能會存在凹凸體，這些凹凸體是a-b＜0的，隨著斷層兩盤的相對運(yùn)動，最終將凹凸體卷入其中，隨著凹凸體內(nèi)會不斷積累應(yīng)變，同時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

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

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

四、為什么慢地震難以識別？

人類從19世紀(jì)中期就開始研究地震以及地震波，并在19世紀(jì)末期設(shè)計出了能記錄地震波的地震儀，自此以后一直到現(xiàn)代，人類記錄并研究地震波有近200年的時間，但卻一直沒能發(fā)現(xiàn)慢地震的存在，這是因為慢地震的地震波周期很長，普通地震儀難以發(fā)現(xiàn)。

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

普通地震地震波波形（a）到慢地震地震波波形(e)對比圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

而我們所說的地震儀的原理其實很簡單，簡單來說就相當(dāng)于一架單擺，擺末端是一支鉛筆，單擺會隨著地震的震動而左右搖晃，同時，鉛筆也會隨之?dāng)[動。在鉛筆之下有一個紙卷，紙卷勻速運(yùn)動（因為速度已知，紙卷長度也已知，所以時間也是已知的），那么在紙卷上就會記錄下地震波隨時間的變化情況。

在普通地震下，單擺的擺動很劇烈，但是在慢地震下，由于地球震動速度很慢，單擺壓根反應(yīng)不過來，所以在紙上記錄下的幾乎是一條直線。我們用手就能復(fù)制這個實驗：用手拿一個單擺，快速擺動手，單擺會劇烈擺動，這是普通地震的情況；若是極為緩慢地左右移動手，會發(fā)現(xiàn)單擺根本不動，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，地震儀會記下劇烈的地震波；

而慢地震（b）就如同拿著單擺緩慢左右移動手，地震儀記下的就幾乎是直線

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

正是因為慢地震的這種特點，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。

但在研究過程中也遇到一個大問題，那就是雖然目前的地震儀精度越來越高，但是這些地震儀本身并不是為慢地震測量而設(shè)計的，目前的絕大部分地震儀，都只能觀測持續(xù)時間200秒以下的地震波，超過這一時間就精度大大下降，而慢地震的地震波持續(xù)時長往往長達(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)時間基本上以秒為單位（橫坐標(biāo)）

（圖片來源：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、臺風(fēng)等多種事件均能導(dǎo)致地震儀中出現(xiàn)低頻長周期信號，這些信號在以往會被認(rèn)為是噪音而被剔除掉，但如果考慮到慢地震也會引起此種信號，那么如何從種種噪音中識別慢地震的地震波又成了一個很大的問題。

不過，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)計新的監(jiān)測設(shè)備并且建設(shè)更多監(jiān)測臺網(wǎng)，相信在不久的將來，我們對慢地震的認(rèn)識會更加深刻，或許到那時，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)對地震的預(yù)測了。

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作者：地星引力