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        最大的謎團:地震時地球內(nèi)部發(fā)生了什么?

        2009-05-21 05:31:28[美]羅賓·利奧迪
        飛碟探索 2009年5期

        [美]羅賓·利奧迪

        編者按:2008年5月12日14時28分,是所有中國人應該銘記一生的時刻。一年前的那場災難,每一位中國人的內(nèi)心都感受到了震顫:母親失去了孩子、妻子失去了丈夫、學生失去了老師……地震展示了自然冷酷、不可捉摸的一面,帶來情感上巨大沖擊的同時,也促使我們再次審視生命的價值。

        時隔一載,回首汶川,悲痛依然久久不能散去。在汶川地震發(fā)生一周年之際,編輯部特別策劃了《汶川一周年:關于地震》這個專題。本專題共有6篇文章,國內(nèi)外學者和專家結合一些具體的實例,從各個角度談到了地震的歷史、成因、地震學研究的進展以及汶川地震的震情、板塊構造等內(nèi)容,從專業(yè)的角度對地震的分布特征和成因做了深入分析和解釋。此外,專題還就有關地震的種種流言做了剖析,希望我們能用科學的知識去應對這個“不仁慈”的自然。

        最后我們想說:雄起,汶川!

        當發(fā)生較大的地震時,專家們可以解釋其開始的準確位置,涉及什么類型的斷層,甚至可以預測余震將持續(xù)多長時間。但是,有個奇怪的事實是,對于地震時地球內(nèi)部究竟發(fā)生了什么情況,地震學家和地球物理學家都十分不確定。

        在過去的10年中,通過實驗室實驗、更多理論以及對已發(fā)掘斷層的現(xiàn)場研究得出了一些新觀點,使得地震物理學經(jīng)歷了一次變革。但是,對于阻止斷層運動然后使其突然崩潰的力量的性質和發(fā)生機理,專家們?nèi)匀徊坏枚?。而且,至今也沒有什么證據(jù)能證明,當斷層真的運動時會產(chǎn)生如實驗室中看到的極高等級的摩擦和熔化現(xiàn)象。

        加利福尼亞理工學院的地球物理學家湯姆·海頓說:“有許多證據(jù)讓我們相信發(fā)生了一些怪異的事情。地震時摩擦滑動的問題是所有地球科學中最基本的問題之一,在有關地震的基本物理問題中,這是一個困擾了人們30年的謎團?!?/p>

        輕度地震

        大多數(shù)地震發(fā)生在各個構造板塊相互接觸和滑動的地方。當移動的摩擦應力超過巖石的強度而導致在斷層線上出現(xiàn)崩潰時,地殼隨即發(fā)生劇烈位移,導致彈性應變能量的釋放;這種能量以沖擊波的形式傳播,從而形成地震。海頓認為,這里面最關鍵的問題之一就是這種能量究竟強大到什么程度。

        例如,一些科學家認為他們已經(jīng)想出如何在實驗室中模擬小型地震。但是,當他們將實驗室中觀測到的能量按照實際斷層的大小進行放大時,實驗模型預測出斷層上會出現(xiàn)大范圍的熔化現(xiàn)象。而且,此類模型所預測的破壞遠遠超過2008年發(fā)生在秘魯?shù)膶е?00余人死亡的地震,還有2005年導致近8萬人死亡的巴基斯坦地震和2004年蘇門答臘海岸附近導致25萬余人死亡的地震。

        海頓說:“地震的強烈程度可能足以使任何生物葬身其中。”但是,他認為實際上至今還沒能模擬出一次接近真實地震的實驗結果。

        儀器設計的問題

        之所以會出現(xiàn)這種情況,部分是因為這樣一個事實:要制造一臺模擬地震期間地下數(shù)千米范圍內(nèi)所發(fā)生情況的實驗室儀器非常困難。這些情況包括高應力、高壓力、高溫和大約每秒1米的滑動速度(大致為我們走路的速度)。

        美國布朗大學的巖石力學專家戴維德·戈爾斯帕和他的同事已經(jīng)設計出可以對巖石試樣施加地震級高應力的儀器,用以研究地球深處的摩擦活動。他說:“我們施加的標準應力可以達到在整個地震帶大約10千米深度位置上出現(xiàn)的等級。”雖然這對于地震科學是影響深遠而又非常重要的一件事,但是戈爾斯帕認為仍有許多問題還沒有解決,因為地球內(nèi)部發(fā)生的情況在等級和物理原理上非常奇特。戈爾斯帕說:“世界上還沒有任何裝置能夠符合所有這些標準?!?/p>

        正常的摩擦

        在地面上,摩擦是一種與運動對抗的穩(wěn)定力量。像人們搓冰冷的手一樣,摩擦會產(chǎn)生熱量,并隨著你在對象上施加的應力增加而增加。因此,斷層滑動期間的熱量會隨著地球深度的增加而增加,所以理論上巖石就必然在其接觸的位置上熔化。但其實在地下,兩塊巨大、堅硬和受重壓的巖石板塊在地震期間通常會出現(xiàn)一塊滑動越過另一塊的情形,因此巖石并不會熔化。戈爾斯帕說,這很不可思議,有可能是因為摩擦以及由此產(chǎn)生的熱量比我們預計的要小得多。

        海頓認為,當兩塊巖石沒有什么相對運動時,它們之間的摩擦力就達到高峰;當?shù)卣鸢l(fā)生巖石快速移動時,它們之間的摩擦力就驟降至零;當巖石移動慢下來之后,摩擦力又再次達到高峰。他認為地震期間摩擦作用的這種怪異特性可能就是幾乎不發(fā)生熔化現(xiàn)象的原因。當巖石快速移動時摩擦力很小,所產(chǎn)生的熱量也很小,因此也就不會出現(xiàn)可探測到的熔化現(xiàn)象。不過海頓認為,出現(xiàn)這種情況可能還因為有一些其他機制牽涉其中。

        還有一種解釋是急劇加熱。這種理論認為各個斷層由非常大的力量保持在原位,一旦斷層開始滑動,假如滑動速度足夠快的話,它們在微觀接觸點上會變得非常光滑,就像在冰面和冰刀間的情況一樣。海頓說,在這種情況下會產(chǎn)生一些熱量,但只是一種零摩擦、等離子體的高熱氣體,而不會產(chǎn)生可探測到的熔化物質。當斷層移動慢下來時,它們就再次緊密地粘在一起。

        戈爾斯帕說,還有一種觀點認為在巖石滑動期間受壓水可以降低斷層上的應力,從而減小摩擦。這時斷層就像在一個蒸汽墊子上,使得斷層滑動時摩擦力較小,且?guī)r石熱量不會達到熔點。

        地毯上的波紋

        海頓說,地震中最關鍵的問題實際上并不是它們開始的位置,而是斷裂擴散的方式,以及與地震期間摩擦作用的怪異特性密切相關的一些問題。在一篇論文中,他描述了這種斷層的特性:最快的滑動速度出現(xiàn)在滑動的最前端,像地毯上的波紋一樣快速穿過地球表面。

        海頓說,我們已經(jīng)清楚摩擦處于那些滑動脈沖之中。他說:“脈沖中的滑動取決于摩擦力。事實上,不管發(fā)生的滑動有多快,摩擦都能轉移。這是一個數(shù)學問題,一個正回饋系統(tǒng),它們是極不穩(wěn)定的。如果你知道一個脈沖會有多大,就可以預測到地震的等級,但是地震期間摩擦作用的怪異特性使所有這些預測都不盡如人意?!?/p>

        另外,戈爾斯帕說,地震物理學領域的革命已經(jīng)產(chǎn)生了一些新的觀點。他說:“未來10年內(nèi)我們將了解到關于地震發(fā)生方式的更多知識,對于這一點我不僅懷有希望而且還很確信。這些知識將幫助我們了解如何減輕地震的破壞作用,還可能在某一天讓我們探測到地震前兆。”

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