地球科学

地震之间的对话

高强度地震将影响同一地区发生地震的地点和时间。这一发现将改善地震学家的预测。

罗斯·斯坦 对于科学N°306
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地震学家希望有一天能预测何时何地发生致命的地震。在1990年代,可靠预测的希望逐渐消失:引发地震的地壳断层的行为是如此复杂,以至于最大的地震似乎是孤立的,随机的且完全不可预测的。大多数地震学家认为,在发生大地震之后以及在余震(余震)之后,断层一直处于静止状态,直到地壳中的应力重新出现为止,这需要几百到几千d '年份;每次地震都会使地基摆脱机械约束。最近的发现使这一理论受到质疑:地震相互作用。通过从过去的地震中获取数据,重新分析断层行为并依靠实验室实验,我们发现地震期间释放的应力仅能部分消散:在大多数情况下,它们沿着断层移动并集中在附近的地点,引起新的地震。由于这种现象,沿着同一断层或相邻断层发生后续地震的可能性会增加三倍。这样的风险不能证明立即撤离该地区是合理的,但是会使紧急服务处于戒备状态,以使它们在发生第一次电击时立即介入。

我们的理论(“应力触发”模型)基于这样的思想,即断层对邻近断层的滑动和震颤传递给它们的弱力做出反应。对大约20个断层的研究使我们确信,应力的微小增加(相当于汽车轮胎压力的八分之一)有时足以引发地震。

到现在为止,还没有怀疑这种相互作用,因此在预测地震时没有考虑到这种相互作用。地震学家一直对我们的理论保持警惕,直到我们关于应力触发地震的假设得到了各个地区地震的支持。我们的模型解释了加利福尼亚,日本和土耳其发生的几次毁灭性地震之后的地震位置和频率。我们对地震之间的这些“对话”进行解释,以期找到可靠的线索,在灾难发生之前提醒人们。

意外的余震

需要一定胆量敢于与地震是随机发生的几乎普遍的理论相矛盾。 30多年来,数百名地球物理学家一直在寻求对地震有利的土地的特征。一些人评估了小震颤频率的变化,另一些人则使用极其灵敏的仪器来测量地壳的不易察觉的倾角,伸展或位移。还有一些人研究了气体或流体的地下运动,电磁波的出现,或观察岩石中的细小裂缝,以查看它们在最强烈的地震之前是否打开或关闭。但是,地球物理学家几乎没有发现从一次大地震到另一次大地震的可重复预测因子。如果我们熟悉地震的引擎-地壳板块的位移-给定区域内地震的频率和强度分布似乎是不可预测的。

然而,对余震的历史数据(地震后发生的地震)的分析表明,这些余震的三分之一是在时间和空间上聚集的。从一开始 xx e 二十世纪,日本地震学家大森富作(Fusakuchi Omori)注意到,余震的数量以相同的方式随时间变化:在主震发生后,余震数量众多。在十天结束时,它们的数量减少了十倍; 100天后,稀有100倍,依此类推。大森定律这条规律的规律性与地震的随机性相矛盾。但是,余震的强度比灾难性地震要弱,因此已被人们长期忽略,没有人相信它们可能是地震活动的关键之一。的确,一旦消除了余震,其他小震荡似乎是随机的。但是,这样的推理带来了方法上的问题:为什么要忽略最可预测的地震,然后声称其他地震是无序的?我和我的同事调查了为什么余震如此频繁。

我们的研究始于地球上地震最频繁的地区之一:与加利福尼亚接壤的San Andreas断层系统。根据当地地震记录,在7.3级地震发生的第二天,在第一次地震100公里之内发生另一场高强度地震的可能性为67%,即20,000。是平时的两倍因此,没有人真的感到惊讶,在1992年6月,在发生7级地震后仅3个小时,南加州大熊镇附近发生了6.5级地震, 3在40公里外的Landers上(这两个事件发生在人烟稀少的沙漠地区,没有到达洛杉矶)。但是,第二次地震发生在大熊市,远离了在Landers地震期间滑落的断层。大熊地震在时间上看似复制品,但在空间特征上却有所不同。这个意外的位置是否隐藏了我们正在寻找的钥匙?

通过绘制Landers,Big Bear和加利福尼亚州发生的数百次地震的位置图,我们发现了余震分布的特定模式(与预期的一样),但还发现了几天内发生的较小地震。地震发生几周甚至几年后。与大熊一样,大多数地震发生在远离地震时滑动的断层的区域,而远离预计会发生余震的区域。

活性和惰性区域

我们首先研究了大地震后地壳内部应力的重新分布。在圣安地列斯地区,这些应力来自承载北美(正在向南移动)的板块相对于构成太平洋底部的板块的滑动。它们积聚在地壳的裂缝,断层上,有时会导致相邻的两个岩石部分沿相反的方向滑动。应力沿着断层具有两个分量:平行于断层的剪切分量是由断层两侧滑动的方向相反的摩擦所产生的;压缩分量垂直于断层作用。仅当剪切力大于摩擦力所施加的阻力时,或者当压缩松弛时,仅对这些分量之一进行修改就可以使岩石滑动。应力的两个分量(其叠加称为库仑应力)沿着断层滑动的部分减小。在地震过程中,施加在断层上的应力得以缓解。由于在滑动过程中释放出的能量不能完全转换成热量,因此应力会重新分布在同一断层或邻近断层的其他点。然后,我们假定库仑应力的这种增加足以在这些新位置引发地震。

地球物理学家很早就计算出了与断层有关的库仑应力,但是他们从未用它来解释地震活动性,他们认为应力变化太微不足道而不会产生后果:应力从断层转移到断层。其他通常小于3×105 帕斯卡,并且绝不会超过断层在地震过程中经历的应力变化的百分之十。我想知道这是否足以触发裂谷。然后,我们评估了南加州发生明显地震后应力的增加,我们发现应力的累积,无论大小如何,总是与随后发生地震的地点相对应。换句话说,约束增加的区域是大多数余震现场,无论是否强烈。相反,应力的减少都会降低余震的风险,这些余震位于一次地震的阴影区。

库仑的应力分析解释了过去发生的地震的位置,但是这种方法可以用来预测未来地震的位置吗?六年前,我与美国地质天文台的地球物理学家James Dieterich和伊斯坦布尔技术大学的地质学家Aykut 巴卡一起研究了土耳其北部断层。安纳托利亚,世界上人口最多的风险地区之一。确定了过去地震后库仑应力增加最大的区域后,我们估计1997年至2027年发生7级以上地震的概率为12%。伊兹密特市附近的断层段。这样的概率似乎相当低,但是在这1000公里长的断层的其他部分(一个除外)上,该概率从未超过1-2%。

我们不必等待很长时间即可确认我们的预测。 1999年8月,7.3级地震摧毁了伊兹密特,造成25,000人丧生,并造成超过65亿欧元的损失。这次地震实际上只是自1939年以来在北安纳托利亚断层发生的12次主要地震系列中的最新地震,其连续性类似于多米诺骨牌游戏的崩溃。在五年内连续四次地震后,700公里的断层滑了下来。我们假定,每次地震后作用在每个断层段上的应力已经转移到沿断层的相邻段上,并在那引发了下一次地震,特别是在伊兹密特。

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