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译者:Sunny,劳模Sunny,她的译作短短时间内已经达到五篇!这里这里这里,还有......那里。(原文瞧

当吉普车的车身突然发生倾斜时,雅恩·克林格尔的整个车队距离西藏昆仑断层带还有30多公里。克林格尔是一名来自于法国巴黎地球物理学研究所的地质学家。他们一路遇上了一系列平行的地面裂缝——之前发生的7.8级特大地震的产物。“就好像你是在台阶上开汽车一样。”他回忆道。

裂缝清楚地表明这片地面曾像一块海绵一样被挤压又放开,剧烈的扭曲让它开裂。但是,它们离地震所造成的断层还远得很哪。小组的成员们有些困惑,他们做了些测量,然后继续前进。

后来才知道,克林格尔和他的小组偶然间发现了“超级剪力地震”的后果。这种地震以极高速进行滑移,从而使得地表的断裂的速度超越了地震本身所产生的地震波的速度。这个结果使得地震的破坏力足以与音爆相当,能够像锤击一样垂直的摧毁其道路上的任何东西。不过有一些地震学家曾经置疑过发生这种地震的可能性,因为一直以来都缺乏支持这种动力的物理证据。

七年过去,越来越多的证据却表明这种地震可能比我们想像的要普遍得多,而且并不仅仅发生在像西藏一样的偏远地区。一系列新的地图显示出全球有大量被称为“超级高速公路”的断层带,这些地方的情况正符合地震高速撕裂地面的情形。全世界有6千万人居住在这些地带——其中许多人从未考虑过地震可能带来的危险。就算在那些建筑物被设计成能经受最大震级地震的地方,也没有人知道它们是否有能力承受“超级剪力地震”。

直到上个世纪90年代,超级剪力地震真正出现之前,地震的速度都被认为是受限的。当断层向脆弱的地层滑移时,裂缝就会沿着断层带蔓延。数学公式表明断裂不能在所谓的“禁区”速度上扩散,也就是每秒3至3.5公里。如果处于这段速度中,断层的摩擦滑动就势必将热能转化成机械能——这在热力学上是不可能发生的事。既然断裂在这个区间中不能被加速,那么地震的传播速度能超过每秒3.5公里的论断也自然被否决了。

多年以来,只有一个观测证据能够反驳这个已被广泛接受的“真理”。1984年,圣芭芭拉加州大学的拉尔夫·阿楚莱塔报告说, 1979年袭击加利福尼亚的帝王谷地震曾短暂地以高于每秒3.5公里的速度传播,而每秒3.5公里是一种被称为剪切波*的典型地震波的传播速度。(地理学研究期刊,vol 89,p 4599)

(*剪切波:地震波分为纵波和横波,横波又叫剪切波)

然而,由于这是唯一一个“超级剪力地震”曾发生过的间接证据,而且数学上认为其发生的可能性不大,再加上缺乏任何其它报告支持地震能以如此不可思议的速度传播,这篇论文几乎无人在意。“那次观测结果在地震学家中很不受赞同。”帕萨迪纳市加州科技研究所的阿瑞斯·罗萨基斯说道。

阿楚莱塔的观测结果在几近二十年的时间中郁郁地被人忽视着,直到有一天,一个工程师和一个地质学家的一次打赌让结果最终在实验室中被验证了。

罗萨基斯曾研究过在不同设定下的断裂力学,比如在人造材料下。在之前一些由美国海军投资进行的实验中,罗萨基斯一直在观察爆炸对那些曾被粘合过的材料都有着怎样的影响,随后他亲眼看见沿着粘合处表面发生了“超级剪力”断裂。既然如此,这样的情形发生在地球自己身上又有什么不行呢?然而,他那工作于加州理工大学地理系,颇具怀疑精神的同事金森博雄却不同意这点。毕竟,受到压力的断层与粘合过的表面毫无相似之处,何况地震也并不是由爆炸触发的。二人以一瓶昂贵的红酒作为赌注定下了赌约。

为了模拟地震,罗萨基斯和金森博雄将两片一受压力便会发光的聚合厚板挤压在一起,用这样的连接代表地质学上的断层。他们将一束光射过断层区域,接着触发一小股电流脉冲沿着断层带制造断裂。灯光闪耀的方式可以让他们看出断裂通过断层时所制造出的地震波。毫无疑问,震动制造出了地震波——首先是压缩波,随之而来的是剪切波。而正如金森博雄所预测的一样,断裂在它的地震波后方紧紧相随。

眼看罗萨基斯几乎就要输掉赌注时,他们将断层压得更紧了些,好让加在聚合板上的压力再稍许提高一点。接着,当他们又触发了一次断裂时,奇怪的事情发生了:一个全新的“子”裂口突然出现在了主体“母”断裂的前方,速度还要快得多。子裂口迅速蔓延开来并且与母断裂相接,致使整个断裂的传播速度立刻比剪切波快了许多,超越了“禁速”区。

四处震荡

这些在实验室中进行的试验仅仅开始在理论上表明地震能够产生超级剪力波。而在现实世界中提供证据的正是地球自己。1999年,20世纪地震活动最活跃的大陆断层——土耳其北安那托利亚断层发生滑移,导致了艾兹密特7.6级的特大地震。与1979年加利福尼亚地震所不同的是,这回在断层附近的地震局没有任何问题地记录下了地震产生的剪切波。地表运动的测量同时提供了断层滑移速度的证据。这些证据都表明地震确实可以成为“超级剪力”地震,法国格勒诺布尔大学的麦克·布让说道,在艾兹密特地震中有两个小组分别测出了那次地震传播的速度达到了每秒5公里,而其中一个小组就是由布让带领的。(地球物理学研究成果集,vol 28,p 2723)

现在,不论是在理论还是实践上都不再有任何否认之辞了,地震确实会演变成“超级剪力地震”,全世界的地震学家们也不再期望在新的地震中寻找更多证据了。他们已经有够多了。自从艾兹密特地震成为“超级剪力地震”后,现在全世界至少又在三个大地震中看到了证据,包括在昆仑断层时,克林格尔的小组所发现的在那时看来神秘无比的裂口。幸运的是,最近这样的地震发生的不多,而且大多都发生在偏远地区。

当然,事情不会总是这样。一些地理学家现在怀疑1906年发生在旧金山的毁灭性大地震很可能就是一次“超级剪力地震”。加州帕洛阿尔托市斯坦弗大学的格利高里·贝罗萨和他的同事们提出,这样一种断裂现象可以解释一个长久以来的谜题。从地表测量中我们知道,地壳曾经滑移过一段距离,但是由相距很远的地震局所记录下的地震数据显示出地震并没有持续足够长的时间以产生如此长距离的一段位移。然而,以超级剪力波速度前进的断裂却可以更快地撕裂大地,比普通的地震在更短的时间里制造出可测的裂口。

然而,在事件之后了解地震只是战役的一半。每个人都想知道的是,下一次地震可能会发生在哪里。现在,牛津大学的地震学家大卫·罗宾逊、撒密塔·戴丝和他们的同事们认为他们已经接近了答案。他们将已知的超级剪力地震与相似的情形作比较,然后用这些数据尝试预测下一次超级剪力地震最有可能发生在世界上的哪一个地方。

目前已知唯一可以产生超级剪力地震的断层是“走向平移断层”,在这些断层中,岩石的侧壁相互之间磨擦,而极少发生垂直运动。由于这个原因,罗宾逊指出其它类型的断层,比如岩石滑移到另一块岩石之上的类型就可以忽略。接下来,他又将海底的走向平移断层排除在外,因为目前为止没有发现过它们达到超级剪力速度的现象,此外这些断层上的地震对人类造成重大危害的可能性也不大。海洋地震能造成的最大威胁是海啸,不过走向平移断层似乎不会造成海啸,因为它们不会引起海啸所特需的显著海床升高。

剩下需要筛检的走向平移断层还有很多。不过罗宾逊解释说,目前所观测到的所有超级剪力断裂现象都是发生在长而直的断层区域。这也许是因为断裂不能在迂回的断层路径上被加速到超级剪力速度。“我们可以把它比作沿着公路行驶,”他说——在拐角处断裂总会慢下来,就像汽车在拐弯时一样。根据以往的理论模型以及已知的类似于昆仑断层的长直断层,罗宾逊搜寻了陆地上还未经受过破坏的断层,而且它们的走向偏移不能超过5度,或者延伸距离要至少超过100公里。这样一来,范围便缩小到了11个不同断层系统下的26个区域,包括加利福尼亚州的圣安德里亚断层。罗宾逊把它们称作“超级高速路。”

令人担忧的是,当他们对分布在这些断层50公里半径范围内的人口进行累加计算后,他们发现“超级高速路”断层所形成的网络正蓄势待发地威胁着附近的大城市。26个超级高速路中有7个就分布在人口密集地区之上,每一个所带来的威胁都可能影响超过2百万人。其中一个直接横穿旧金山,而缅甸的仰光和曼德勒两座城市就坐落在最长的一个“超级高速路”两端。“我们发现在亚洲的一些地区人口的密集度极高,这真让我吃惊。”罗宾逊说道。在四月份举行的美国地震学会年会上,他公布了他的这些发现。

这些分布地图很受地质学家们的欢迎。“罗宾逊的成果太棒了,”布让说,“目前为止我们观测到的超级剪力地震都是发生在较长的走向平移断层之上,这些断层的线条都相当直而且几何结构简单。”不过,罗萨基斯指出断层表面的崎岖和断层的倾斜度也可能起着一些作用。“照我的观点,将断层的长直当作唯一的特征可能过于简单了。”他表明。

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危险地带

如果罗宾逊的地图是正确的,那意味着之前所认为的即使在最糟的情况下也能不受地震影响的地区,还有甚至根本不在地震范围内的地区,也可能出其不意地被超级剪力地震所波及。超级剪力地震的马赫波前*的幅度极广,这意味着它会比一般的剪切波沿地面传播得更远,从而多将数百万人置于危险之中。

(*波前(仅地震学中):地震波在介质中传播时,某时刻刚刚开始位移的质点构成的面,称为波前。它代表某时刻地震波能量到达的空间位置,它是运动着的。波前与地震射线成正交。因此,使用射线或波前来研究地震波是等效的。)

在美国,上世纪90年代末所制定的最新建筑规定中,对于在活跃断层5公里范围内的建筑物设计有着极高的规定。这是因为这些地区被认为是地震所谓的“近震源”的敏感地带,来自于加州理工学院地震工程模拟小组的克里什南说。不过,他又说道,对于超级剪力地震来说,在比如说旧金山或者洛杉矶某些地区的五公里区域之外,很多相对防震能力较低的建筑物也可能很危险。

与一般地震相比,超级剪力地震的马赫波前对于地面的震动方式也有很大区别,这意味着即使像在加州这样做足充份地震防备的地区,现行的建筑标准可能也不够了。实验室中的试验显示出震动波前所带来的冲击比典型的地震波要凶狠得多。建筑物可能需要瞬间承受地震累积的所有剪切波的能量。如果一个单独的地震波可以算作“温柔一掌”的话,那么马赫波前就是“万佛朝宗”了,哈撒·拜特如是解释道,他是来自于洛杉矶加利弗尼亚大学的地震学家。“那对于建筑结构来说就是一次突然的猛烈冲击。”

斯坦弗大学的艾力克·邓汉姆与拜特最近一起进行的研究也表明,建筑物很有可能快速被两股马赫波前连续袭击,一股来自于剪切波,随后而来的是累积起的瑞利波,一种以3公里每秒的速度沿地表传播的地震波。“现在要判断哪个的马赫波前更具毁灭性还言时过早。”拜特道。

不幸的是,大多数城市规划和民用工程师似乎都对这些地震学家们所发出的,建立在实验室试验基础上的警告不以为然。“工程师们都是实践性生物,”克里什南说,“可我们还没有足够的数据支持这些理论。”

这正是克里什南目前与罗萨基斯共同展开了一个项目的原因,在这个项目中他们用一个三维电脑模型来模拟当不同规模的建筑物被马赫波前袭击时会发生的状况。“如果我们的模拟所展现出的后果很严重,那就会带来许多讨论。”他说。然而,邓汉姆却指出能够证明马赫波前危害力的血证将会来自于一次真正的地震中。“观测结果将最具说服力,”他说,“为了能真正作出这个结论,我们需要许多相当接近的地震观测台。”

现在所需要的是更多来自于现实中、真的演变成了“超级剪力”地震的数据。当地质学家们正等待着下一次大地震的袭来时,他们同时也希望着能够证明他们正确的证据发生在一片荒无人烟的沙漠中——当然,别靠近任何一个大城市。

理查德·弗舍尔是新科学家杂志的新闻副总编

译后记:首先万分感谢空错对这篇文章进行的专业性指导和校对!!是你让这篇文章更加完整和顺畅。

(另外,8月16号超从电视上看到了苏门达腊6.9级地震的新闻,心里一动,翻查刚译完的本文图表,果然苏门达腊赫然在图上闪烁(只是不知道是不是一次级剪力地震)。

科学和我们的生活本来就是如此的紧密,一点也不遥远,实在值得每个人的关注和了解。

只是以这篇文章的内容来说,这样的紧密实在是让人有些又幸又忧罢了。)

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12 Responses to “[小红猪]袭来的隆隆声:征服地震的堡垒”

  1. Meredith说道:

    撒花 小红猪向sunny看齐!

  2. [...] 小红猪翻译小分队新一期:听远处传来那隆隆的声音——《征服地震的堡垒》。 [...]

  3. 海天说道:

    走向平移断层=走滑断层
    这篇文章有意思,多谢sunny
    汶川地震也是具有走滑性质的大断裂快速断裂破坏的产物

  4. 孤竹牧狼人说道:

    出生在一个每年夏天都会谣传地震的城市......
    小时候一直觉得会有一种“波”比地震的传播速度要快......
    可能是声音可能是震动......
    动物们因此会有震前异常反应......

    • 海天说道:

      动物异常反应的来源很多
      震前小范围的随机破裂造成的次声波
      异常的地磁地电效应等等。
      甚至干脆,它就能感觉到微小的纵波从而获得几秒到几分钟的提前反应时间,这也是地震预警系统的原理。

  5. 行空天牛。说道:

    这个马赫波前不知道是不是和超声速飞行形成的马赫锥的原理类似?

    • 海天说道:

      应该是类似的原理。断层破裂的速度超过了地震波的传播速度,导致多个地震波的能量发生重叠,这样波前路径上的物体等于要承受几倍的地震动效应。
      地震波其实分为两种,面波(纵波、横波)和体波(瑞利波、勒夫波)。一般的破坏都是由横波造成的。但是地震震级较大且震中距较近的时候,体波造成的危害甚至更大些。他们的表现一个是蛇形传播,一个是滚动传播。
      我很好奇瑞利波形成马赫波前会是什么样子……

  6. 海天说道:

    为什么我觉得这个标题有点标题党……

  7. 很好奇你们的主旨和目标说道:

    路过

  8. 李雳说道:

    我讨厌地震!

  9. new说道:

    地球物理学家不等于地理学家

  10. [...] 一般海洋地震能造成的最大威胁是海啸,而引起海啸可能必须要有显著的海床升高。 [...]

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