征服地震的堡垒

当吉普车车身突然倾斜时，贾恩·克林格尔的整个车队距离*昆仑断裂带30多公里。克林格尔是巴黎地球物理研究所的地质学家。一路上，他们遇到了一系列平行的地裂缝——这是之前7.8级地震的产物。“就像你在台阶上开车一样。”他回忆道。

裂缝清楚地表明，地面像海绵一样被挤压和释放，严重的变形导致它开裂。然而，它们离地震造成的断层很远。这个小组的成员有些困惑。他们做了一些测量，然后继续前进。

直到后来才清楚，克林格尔和他的团队意外地发现了“超级剪切地震”的后果。这种地震以极高的速度滑动，从而使地表破裂的速度超过地震本身产生的地震波的速度。这一结果使得地震具有相当于音爆的破坏力，并且可以像锤子一样垂直摧毁其路径上的任何东西。然而，一些地震学家质疑这种地震的可能性，因为缺乏支持这种力量的物理证据。

在过去的七年里，越来越多的证据表明，这样的地震可能比我们想象的要普遍得多，而且它们不仅仅发生在像*这样的偏远地区。一系列新地图显示，世界上有大量被称为“高速公路”的断裂带，这些地方的情况与地震高速撕裂地面的情况相吻合。全世界有6000万人生活在这些地区，其中许多人从未考虑过地震可能带来的危险。即使在建筑被设计成能承受最大地震的地方，也没有人知道它们是否能承受“超级剪切地震”

直到20世纪90年代，当超级剪切地震实际发生时，地震的速度被认为是有限的。当断层滑入脆弱地层时，裂缝将沿断层带扩展。数学公式表明，裂缝不能以所谓的“禁区”速度扩散，即每秒3至3.5公里。如果你以这种速度前进，断层的摩擦和滑动肯定会将热能转化为机械能——这在热力学上是不可能的。由于断层在这段时间内不能加速，地震传播速度可以超过每秒3.5公里的说法自然被否定了。

多年来，只有一个观察证据可以反驳这个广为接受的“真理”。1984年，圣巴巴拉加利福尼亚大学的拉尔夫·阿丘莱塔报道说，1979年袭击加利福尼亚的帝王谷地震以高于每秒3.5公里的速度短暂传播，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。(《地理研究杂志》,第89卷，第4599页)

(*横波:地震波分为纵波和横波，也称为横波)

然而，由于这是“超级剪切地震”曾经发生过的唯一间接证据，而且从数学上来说，它被认为不太可能发生，再加上缺乏任何其他报告来支持地震以如此惊人的速度传播，这篇论文几乎没有被注意到。"地震学家非常不赞成这一观察结果。"帕萨迪纳加州科学技术研究所的阿瑞斯·萨西斯说。

不幸的是，阿丘莱塔的观察被忽视了近20年，直到有一天，一名工程师和一名地质学家打赌，结果最终在实验室得到了验证。

罗·萨奇斯研究了不同环境下的断裂力学，如人造材料。在之前由美国海军资助的实验中，罗·萨奇斯一直在观察爆炸对之前已经粘合的材料的影响，然后他看到了沿着粘合表面的“超剪切”断裂。在这种情况下，发生在地球本身有什么错？然而，他持怀疑态度的同事、加州理工学院地理系的迪金森·熊波不同意这一观点。毕竟，应力断层与粘合表面没有相似之处，地震也不是由爆炸引发的。两人打赌一瓶昂贵的红酒。

为了模拟地震，洛·萨奇斯和迪金森·熊波将两块厚的聚合物板压在一起，当受到压力时会发光，用这种连接来代表地质断层。它们通过断层带发出一束光，然后触发一个小电流脉冲，沿着断层带产生一个断层。灯光照射的方式允许他们看到断层穿过断层时产生的地震波。毫无疑问，振动会产生地震波——首先是压缩波，然后是剪切波。正如迪金森·熊波预测的那样，断层紧跟在其地震波之后。

当罗沙奇斯几乎输掉赌注时，他们把故障压得更紧，这样聚合板上的压力可以稍微增加。然后，当他们触发另一次骨折时，一个奇怪的事情发生了:一个全新的“儿子”骨折突然以更快的速度出现在主体的“母亲”骨折前面。次裂缝迅速扩展并与母裂缝相连，使整个裂缝的传播速度比剪切波快得多，超过了“无速度”区。

这些实验室测试只是开始从理论上表明地震可以产生超剪切波。在现实世界中，是地球本身提供了证据。1999年，土耳其安纳托利亚北部断层(20世纪地震最活跃的大陆断层)的滑动导致了伊兹米特7.6级地震。与1979年加州地震不同，这次断层附近的地震局记录的剪切波没有任何问题。地表移动的测量也提供了断层滑动速度的证据。法国格勒诺布尔大学的迈克·布尔乔亚说，所有这些证据都表明地震确实可以变成“超级剪切”地震。在伊兹米特地震中，两个小组分别测量到地震以每秒5公里的速度传播，其中一个小组由布尔乔亚领导。(地球物理研究结果集，第28卷，第2723页)

现在，在理论和实践上都没有更多的否认。地震确实会变成“超级剪切地震”，世界各地的地震学家不再期望在新的地震中找到更多的证据。他们已经够了。自从伊兹米特地震变成“超级剪切地震”以来，世界上至少有三次大地震的证据，包括克林格尔的团队在昆仑断层时发现的神秘裂缝。幸运的是，最近很少发生这样的地震，而且大多数发生在偏远地区。

当然，情况不会总是如此。一些地理学家现在怀疑1906年发生在旧金山的毁灭性地震可能是“超级剪切地震”。加州帕洛阿尔托斯坦福大学的格雷戈里·贝洛沙和他的同事们认为，这种断裂现象可以解释一个长期存在的难题。我们从地表勘测中知道，地壳已经滑动了一定的距离，但是远在天边的地震局记录的地震数据表明，地震持续的时间不够长，不足以产生如此长的位移。然而，以超剪切波速度推进的裂缝可以更快地撕裂地球，在比普通地震更短的时间内产生可测量的裂缝。

然而，了解地震后的事件只是成功的一半。每个人都想知道下一次地震可能发生在哪里。现在，牛津大学地震学家大卫·罗宾逊、萨曼莎·戴斯和他们的同事认为他们已经接近答案了。他们将已知的超级剪切地震与类似的情况进行了比较，然后用这些数据试图预测下一次超级剪切地震最有可能发生在世界的哪个地方。

目前，已知唯一产生超剪切地震的断层是“走向平移断层”。在这些断层中，岩石的侧壁相互摩擦，但很少垂直移动。出于这个原因，罗宾逊指出，其他类型的断层，如滑动到另一个岩石上的岩石类型，可以忽略不计。其次，他排除了海底的走滑断层，因为迄今为止还没有发现它们达到超剪切速度的现象，而且这些断层上发生地震对人类造成巨大伤害的可能性也很小。海洋地震可能造成的最大威胁是海啸，但走滑断层似乎不会引发海啸，因为它们不会导致海啸所需的显著海底隆起。

仍有许多走滑断层有待筛选。然而，罗宾逊解释说，迄今观察到的所有超剪切断裂都发生在长而直的断层区域。这可能是因为断裂不能在迂回的断层路径上加速到超剪切速度。“我们可以把它比作沿着高速公路行驶，”他说——在拐角处休息总是会慢下来，就像汽车转弯一样。根据以往的理论模型和已知的与昆仑断层相似的长直断层，罗宾逊在陆地上寻找未被破坏的断层，其走向偏差不应超过5度，或者延伸距离至少应大于100公里。结果，范围缩小到11个不同断层系统下的26个区域，包括加利福尼亚的圣安地列斯断层。罗宾逊称之为“超级高速公路”

令人担忧的是，当他们把分布在这些断层半径50公里范围内的人口加起来时，他们发现由“高速公路”断层形成的网络正威胁着附近的大城市。26条高速公路中有7条位于人口稠密地区，每一条都构成威胁，可能影响200多万人。其中一个直接穿过旧金山，而缅甸的仰光和曼德勒市位于最长的“超级公路”的两端。“我非常惊讶地发现，亚洲一些地区的人口密度非常高。”罗宾逊说。他在4月份的美国地震学会年会上宣布了他的发现。

这些分布图很受地质学家的欢迎。“罗宾逊的成绩非常出色，”布伦说。“到目前为止，我们观察到的超剪切地震都发生在长走滑断层上，这些断层具有相当直的直线和简单的几何结构。”然而，罗沙奇斯指出，断层的凹凸不平的表面和断层的倾斜度也可能起作用。“在我看来，把断层的长度和平直度视为唯一特征可能太简单了。”他说。

危险区域如果罗宾森的地图是正确的，这意味着以前认为即使在最坏的情况下也不受地震影响的区域，甚至根本不在地震范围内的区域，也可能意外地受到超级剪切地震的影响。超级剪切地震的马赫波阵面*非常宽，这意味着它将比正常的剪切波沿地面传播得更远，从而将数百万人置于危险之中。

(*波阵面(仅限地震学):当地震波在介质中传播时，在某一时刻刚刚开始移动的粒子形成的表面称为波阵面。它代表了地震波能量在某一时刻到达的空间位置，并且在移动。波前与地震射线正交。因此，用射线或波前来研究地震波是等效的。)

在美国，在20世纪90年代末制定的最新建筑法规中，对活动断层5公里以内的建筑设计有极高的规定。加州理工学院地震工程模拟小组的克里斯·南说，这是因为这些地区被认为是地震“近源”的敏感地区。然而，他补充说，对于超剪切地震，许多抗震能力相对较低的建筑在5公里以外的地区也可能是危险的，比如旧金山或洛杉矶。

与普通地震相比，超剪切地震的马赫波阵面在地面振动的方式上也有很大的不同，这意味着即使在像加利福尼亚这样完全抗震的地区，现行的建筑标准也可能不够。实验室试验表明，由地震波阵面引起的冲击比典型的地震波要严重得多。建筑物可能需要承受地震瞬间积累的所有剪切波的能量。洛杉矶加利福尼亚大学的地震学家哈扎·贝特解释说，如果单个地震波可以算作“温柔之手”，那么马赫的波前就是“万佛朝宗”。"这是对建筑结构的突然而猛烈的冲击。"

斯坦福大学的埃里克·邓纳姆(Eric Dunham)和贝特(Beit)最近的一项研究还表明，建筑物很可能连续受到两个马赫波阵面的撞击，一个来自剪切波，接着是累积瑞利波，一种以每秒3公里的速度沿地表传播的地震波。"现在判断哪个马赫波前更具破坏性还为时过早."贝特路。

不幸的是，大多数城市规划和土木工程师似乎不同意这些地震学家基于实验室测试发出的警告。“工程师都是实用的生物，”克里斯南说，“但是我们没有足够的数据来支持这些理论。”

这就是为什么南克里斯和萨奇斯目前正在启动一个项目，在这个项目中，他们使用一个三维计算机模型来模拟当不同大小的建筑受到马赫锋面攻击时会发生什么。"如果我们的模拟显示出严重的后果，将会引起许多讨论."他说。然而，邓纳姆指出，能够证明马赫波阵面危害性的血液证据将来自一场真正的地震。“观察结果将是最有说服力的，”他说。"为了真正得出这个结论，我们需要许多非常近的地震观测站."

现在需要的是更多来自真正演变成“超级剪切力”的真实地震的数据。当地质学家们在等待下一次大地震来临的时候，他们也希望能证明他们正确的证据会发生在一个荒凉的沙漠里——当然，不要靠近任何大城市。

理查德·费舍尔是《新科学家》杂志的副总编辑。首先，非常感谢您对本文的专业指导和校对。！你让这篇文章更加完整和流畅。

(另外，8月16日，晁在电视上看到了苏门答腊6.9级地震的消息。他心里感动，浏览了一下这篇文章新翻译的图表。事实上，苏门答腊岛在图上闪烁着(只是不知道这是不是一次剪切地震)。

科学和我们的生活离得如此之近，以至于它真的值得每个人的关注和理解。

就本文的内容而言，这种亲密确实是一种祝福和担忧。)