科学家札记
2016年10月

解开地震和深海之谜

杨宏峰教授
理学院地球系统科学课程

地震会造成重大破坏和人命伤亡,有时候还会引发巨大海啸,2004年苏门答腊和2011年日本东北的地震就是明证。要减少地震带来的损失,就要对这种自然灾害的物理学有根本的了解。

<em>杨宏峰教授</em>

地震为什么会发生?第一个原因是地球太热。地球内部储存了大量热能,这股热能会慢慢传到地表,地震是地球内部能量释放的表现。第二个原因是地球外壳分为几组坚固的块体,称为板块。这些板块会沿着板块边界相对移动。长期来说,板块以平均每年几厘米的速度移动,大约和手指甲生长的速度差不多。不过,板块移动有时可以加快至每秒以米计的速度。

为什么板块间的运动有时候会突然加速,以致引发地震?这是因为板块边界有些部分的移动速度,不如其他部分快,甚至完全静止不动,结果导致沿着板块边界的摩擦阻力就不平均。那些移动较慢或者静止的部分,就出现距离上的亏损(称为滑移亏损)。这些有滑移亏损的部分,最终会以较短时间和较快速度来追回这段距离,因为一个坚固板块要整体运动。这就是地震每隔一段时间重覆出现在板块边界的原因。

板块移动的速度可以用全球卫星定位来测量。经过小心测量和谨慎计算,科学家可以估计锁定值,这个词是指有滑动亏损的部分的运动情况(数值1代表完全锁定不动)。如果我们发现锁定值接近1的板块边界,那里未来肯定会发生地震。这种锁定分析常用于俯冲带。俯冲带是指汇聚板块边界,较重的海洋板块俯冲至密度较低的大陆板块之下(图1)。俯冲带也是全球最大地震发生之处,有些还会触发大海啸。

<em>图 1:俯冲带示意图。紫色线表示可能发生大地震的孕震带。</em>
<em>图2:马里亚纳俯冲带的地点和形状。格子所示是2017年将要进行的科学考察的目标区域。</em>

我们能够预测下次地震的大小吗?这极为艰巨,但却是我们中文大学地震学小组正努力做的工作。要较准确地预测日后地震的大小,需要精确的锁定情况分布、深入了解岩石的摩擦特性,并进行精密的数值计算。我们现时正在研究哥斯达黎加的尼科亚半岛,它位于中美洲的俯冲带。选择这个地点不只因为尼科亚半岛拥有世界上最清楚的锁定情况分布,还因为2012年这里发生了7.6级地震,这使我们可以系统地验证我们的模型预测。成果令人寄予厚望,根据锁定情况分布,我们能成功估计未来地震的规模,不过下次地震的确切时间则仍无从预测。

相较于尼科亚半岛,世界上许多其他俯冲带的锁定情况分布,就欠缺严谨测定,人们对它们了解也不多,部分原因是它们位于深海。马里亚纳群岛的俯冲带就是一例(图2),该处远离大陆,又缺乏足够全球定位测量,所以缺乏锁定情况分布资料。虽然当地不乏震级六或以上的地震,但因为孕震带宽度有限,马里亚纳俯冲带被认为是「无震」俯冲带的典型。不过,如果不去做近场观测,我们就无法详细了解马里亚纳群岛的浅层孕震带,因而无法深入了解为什么科学家以「无震」来形容马里亚纳俯冲带。

在2017年,笔者将到马里亚纳群岛,与中国科学院南海海洋研究所的合作者一同领导一次科学考察。这次考察的主要目的,是在挑战者深渊这个地球最深处(10.9公里)附近首次放置海底地震仪(图3),用来测量海底震动。我们期望利用这些仪器记录的数据,清晰勾画出南马里亚纳浅层孕震带的范围。等待我们的将是未知的困难和惊喜。但是,探索未知之物,正是科学研究的驱动力。

<em>图 3:南马里亚纳海沟和挑战者深渊。海底地震仪(OBS)是放置在海床上,用来测量地表运动的仪器。</em>

 

《续绿中大》电子通讯由香港中文大学资讯处校园规划及可持续发展处出版。