博文
转Nature：汶川大地震暴露出中外科学家认知缺陷
|||
《自然》杂志在题为《沉睡的巨龙》(The Sleeping Dragon)的特稿中，较为详细地回顾了自汶川地震一年来，中外科学家对这一罕见而独特的大地震的思考。这篇由Alexandra Witze撰写的报道指出: 与其他地震所不同的是，中国和其他国家的科学家对于这次地震均暴露出认识上的缺陷。下面是这篇报道的内容：
by Alexandra Witze
(英文原文于2009年5月14日发表于《自然》,中译本5月28日发表于《三峡探索》)
与其它地震所不同的是，中国和其他国家的科学家对于汶川地震均暴露出认识上的缺陷。
在四川省的白鹿镇，两栋教学楼面对面地矗立在庭院的两侧，带着令人愉悦的白色或者淡蓝色的装饰。这是一个平静的四月天，凉爽而潮湿。一个企鹅形状的垃圾箱站在庭院的一侧，就像是等待着有人给它们投掷糖果，但是今天却没有人给它喂食。在庭院的右侧有一道2米多高的混凝土隆起穿过了整个院子。这正是断层的表现形式———2008年5月12日四川大地震的元凶。
这些地壳上的裂纹在一定程度上欺骗了大家。中外科学家都曾将它们绘制在地图上，却没有意识到它的厉害之处。
在庭院的另一边则是另一番景象。那里堆满了砖头瓦砾，这是在地震中倒塌的另一栋楼房的残骸。地质学家们正在挖掘一道40米深的壕沟，用来寻找地震的信息，以获知在那一天到底发生了什么。
“我对这次地震感到很惊讶。”中国地震局地质研究所的副所长徐锡伟说。2008年四川地震带来的建筑物崩塌、山体滑坡和泥石流掩埋了很多城镇并杀死至少70，000人，同时对中国西南的生态环境造成了极大的破坏。
与其他地震所不同的是，中国和其他国家的科学家，对于这次地震均暴露出认识上的缺陷。以前科学家评估地震风险，往往把重点放在那些经常移动并频繁制造地震的断层上。这一策略因很多地震遵循这些原则而取得成功。但是在四川西部，这却是一个灾难性的错误。
一年后，研究人员正在研究这个致命的断层，希望能找到办法以避免重复错误。回想起过去的种种表象，他们说，龙门山的地质状况在试图警告他们。
问题山脉
巨大的山脉横亘于平均海拔5000米以上的青藏高原和低缓的四川盆地之间。这里有着世界上最陡峭的地形坡度，麻省理工学院(MIT)的地质学家 ClarkBurchfiel说。在50公里的距离内，这里海拔高度飞一般地改变了4000多米。龙门山有着河谷切割出来的世界上最陡峭的山坡，非常容易由地震引发巨大的滑坡。如果没有强烈的地质运动，很难产生并保持这样陡峭的地形坡度。在上世纪80年代末，Burchfiel和他的同事们开始在这个地区进行填图工作，他们相信他们会发现一些证据来证实沿龙门山大规模的地面运动:高原与平原之间的挤压和山脉的抬升会使这个地带每年大概缩短10毫米。
但经过多年的研究，这个地带并没有以他们预计的尺寸缩短。通过对岩层填图，他们发现每年位移其实只有1-2毫米，而并不是预计的10毫米。“在这样低的运动速度下，如何形成这么高的山脉令人费解。”Burchfiel如是说。尽管如此，他必须遵从岩层给出的确凿证据。因此在没有人相信会有如此低速运动的情况下，他最终只发表了一个有关该区域的主要地质概况，然后转向附近其他地区的填图工作。
然而随着时间的推移，新的研究证实了他的结论。研究人员利用全球定位系统(GPS)测量地面运动，发现在垂直龙门山方向上有低速的滑动，速度正如Burchfiel所提出的那样是每年1-2毫米。
在地质学家看来，这一速度并不会产生太大的危害，因为断层对有可能引起地震的能量的积累与该区域地壳运动速度是成比例的。比如，在一个山脉两侧的两点，如果一个相对于另一个移动得很快的话，那么岩体之间的应力会很快地累积———应力需要通过岩体沿断层的运动释放。通常情况下，这种运动不太稳定但是极少发生。当应力积累到足够大，超过岩体之间的摩擦力的时候，就会忽然发生释放，这就引起了地震。
据测量的结果，四川地震的矩震级规模有7.9，沿着北川断层走向的位移大概有接近5米之多。考虑到应力的缓慢积累，经粗略计算表明，历史上发生这种大规模地震的频率应当非常小，大约每2，000至10，000年一次。
巨大的震动会在区域地质上留下印记。但是因为暴雨和很高的侵蚀速度淡化了大部分的印记，所以在龙门山很难找到这些记录。英国Durham大学的地质学家 AlecanderDensmore曾在这个地区进行过断层填图，他说:“已经没有很多的地方可以清晰地展示过去的历史了。”成都地质矿产研究所的地质学家陈智梁说，历史上已知的沿北川断层发生的地震都比2008年的地震小得多，其中一次发生在1958年，震级为6.2级，另一次发生在1970年。没有任何考古证据表明，自1500年前北川镇建立起来之后曾被地震摧毁过。
几乎没有人想到是龙门山造成了主要的地震灾害。MIT的地球物理学家LeighRoyden曾在这里建立了一个构造模型。“我认为这并不会引起一次大的地震。”他如是说。
事后，人们很容易意识到忽略龙门山地震的可能性是多么危险。有些事情很少发生但并不意味着它永远不会发生。这应该是明显的，沿着这个山脉的断层宛如沉睡的巨龙，它应该会在某个时候醒来。但是研究人员需要将有限的时间和经费用在对地震风险的评估上，因此他们只能将关注的重点放在那些每隔数百年就发生一次大地震的地区———而不是那些可能在5000年间都保持沉默的地区。
比如，相对于北川断层，中国的地质学家更加关注西边的两个更加活跃的断裂带:安宁河断裂带和鲜水河断裂带。这两个断裂带每年走滑的距离高达10毫米左右。中国地震局将其大部分的监测工作放在这些活跃的断层上，包括部署近300 个宽频带地震仪———可以捕获较大范围的振动频率———用这个世界上最密集的监测网络绘制地壳下的地图。当北川断层发生破裂以后，地震学家将研究重心转移到龙门山。还有些研究者在考虑附近新建的水库引发地震的可能性。
现在的问题是地质学家能从四川地震中获知哪些关于未来地震风险的信息。一些人认为，更应注意地形坡度陡峭地区，即使那里只发生了很小的地表运动。 Royden指出在加拿大西北地区有个类似的区域，但是那里很少人生活，所以它不可能被优先研究。在中国和其他一些人口稠密的地区，有一些明显的类似情况，研究人员一定会考虑重新审视这些山区地带。
除了表现得昏昏欲睡、不太活跃外，北川断层的另一个特征也令地球科学家放松了警惕。从表面上看，这个断层似乎被分为一些很小的破裂段，这些破裂段各自相对独立地运动，只能各自引起较小的地震。“我们习惯于单独地看待这些破裂段，并且认为地震的规模不会超过它们各自能引发的最大地震。”哈佛大学的地质学家JohnShaw 说，“但是实际上，这次地震的规模远远超过预期。”
这就是去年发生的事情。北川断层破裂穿过了总长240公里的多个破裂段。在它的东南有一个次生的彭灌断层，破裂总长72公里。这些破裂段在深部相互衔接，使地震危险性的增强远大于预期。中国的地质学家现在已经开始详细绘制这些与北川断层相连的断层的地图。
尚存的危险是另一个需要关注的问题。因为北川断层几乎破坏了震中东北的所有地区，一些科学家在考虑，这些破裂段是否会向西南发育?附近的断层也是潜在的危险。一项研究暗示北川地震增加了其他地区的应力，比如鲜水河断裂带和雅安附近以及成都东南的其他断层。另一项研究甚至认为，在今后十年中该地区有 8%-12％的可能发生7级以上的地震，这一可能性甚至高于地震前的2008年。
灾难如何袭来
在这个受到威胁的地区最大的城市是成都，现在拥有1000万人口。拥挤的交通和旺盛的需求使得在工作时间甚至很难打到车。那些来自北京或上海，更乐于享受悠闲生活的年轻专业人士骑着电动自行车穿过拥挤的人流和车流。
成都也聚集了四川省最顶尖的地震科学家，他们将5月12日的地震简称为“5·12”，就像美国人提到“9·11”一样。
在成都整洁的办公室里，他手边放着一本中文版的《物种的起源》，对面的墙上贴着一张爱因斯坦的画像，陈先生以这样方式回忆起5月12日下午2:28的那一刻。办公室开始剧烈地晃动，他在这个城市生活了四十多年，从来没有感受过这样的颤动。人们迅速撤出了大楼并涌入街道。陈先生尝试着给他的儿子打电话，但是电话已经打不通了，他赶紧跑到附近的中学寻找他的孙女，随后他又回到自己的办公楼。
当地震来袭的时候，城区另一边的杜芳 (DuFang)一直藏在四川省地震局她的办公室的书桌下面。作为地震预报中心的副主任，杜说当地震来袭的时候，她确实感到不知所措。虽然之前有些关于四川某地的蛤蟆涌上街道的报道，但是她更相信科学数据，因为沿着北川断层布置的地震检波器并没有记录到不断增加的颤动。
中国政府一直在不遗余力地进行抗震救灾工作。政府迅速派出救援队伍赶赴灾区的快速反应获得了一致的赞扬，但是随后就不得不面对那么多学校倒塌的质疑。映秀镇是最接近震中的地方，那里80％的人口都在这次地震中失去了生命。一些简易房被搭建起来，用来安置漩口中学的55个幸存者，其中包括43个学生。政府正在非常迅速地进行重建工作，很多新的房子正在兴建或者已经完工。
龙门山沿线新修的房子要求至少能够抵抗8度(烈度)地震，而之前成都的建筑规则只要求抵抗7度地震。但是在很多地方，重建工作正在如火如荼地进行，没人能保证所有的建筑都能按照这个规定的标准严格执行。村民们推着手推车到山坡上，利用碎石重建房屋。大堆的砖块被收集起来用于重建，而这其实是最差的抗震建筑材料。
成都山地灾害与环境研究所的地貌学家崔鹏说，有超过五分之一的人在地震中被山体滑坡和泥石流杀死。虽然难以统计出精确的数据，但是山体滑坡和泥石流大概影响了51个县13万平方公里的区域；估计一共至少发生了5万次的山体滑坡，极有可能超过10万次。其中有在王家堰的一次滑坡，一下子吞噬了1600条生命。而另一次在北川高级中学，将400个学生埋葬在地下。其他的一些地区，滑坡和泥石流虽然没有直接伤害生命，但是它们却阻塞河道，产生了二十多个堰塞湖，对下游居民的生命财产安全构成了巨大的威胁。
崔鹏说，山体滑坡在雨季尤其危险。地震造就了很多的陡坡，它们很容易在雨后发生垮塌。比如，在去年9月的一场暴雨就带来巨大的泥石流，再次席卷了已经空无人烟的北川。如果继续砍伐森林或者盲目开矿破坏山体的话，这个问题将越来越严重。崔鹏同时指出，如果靠着山坡重建房屋的话，再高的抗震标准也形同虚设，因此选择新建住房的位置非常重要。他的研究组正向政府建议一些好的重建地区，以避免二次重建。
海量的数据
虽然到处都是令人沮丧的消息，但是科学家表示，这次地震所积累的数据将从根本上提高这一地区的地质学水平。这些数据的存在正是因为在最近几年里，中国政府已经花了很多钱更新设备，力图使中国的地球科学在世界舞台上具有极强的竞争力。
政府项目的一个亮点是建立一个拥有近300台宽频带地震仪的地震台网，这是由中国地震局的刘启元和他的团队在四川西部部署的。如此密集的地震台网可以与世界上任何大型地震台网相媲美，它迄今已经取得了超过7万亿字节的数据，这样的成果令西方科学家也羡慕不已。MIT的地球物理学家 RobvanderHilst在这个区域部署了25个工作站，他称中国的这个地震台网是“独门绝技”。从2006年10月最早开始部署的这些太阳能地震工作站，平均间隔5-30公里，覆盖了37万平方公里的山区，有专人每四个月去每个工作站收集数据。最初由科技部和四川省政府分别资助了6000万和800 多万人民币，刘现在每年用180万元维持这一网络的运行。
去年5月，大地震毁坏了地震台网的三个工作站，其中有一个是被巨石压扁了。但是它周围的台站却记录了大地震发生瞬间的信息，之前从来没有一个地震被地震 台网如此及时和详细地记录下来。“这在世界上是一个非常难得的机会，”刘说，“ 这次地震会在地震学的历史上发挥重要作用。”
初步的数据显示，地表以下20公里处发生了显著的地质变化，那些相对脆性岩石让位于更深更软的岩石。刘说:“这将有助于解释为什么地震及其所有余震发生在20公里的上地壳。”
刘现在和MIT的Hilst以及法国JosephFourier大学的MichelCampillo合作，通过新的地震分析技术研究这些数据。他还与来自台湾的科学家合作，将这次地震与台湾1999年集集地震对比，看有什么类似的地方。
最早建立这个地震台网的目的是为了监视这个地区的最大威胁:安宁河和鲜水河断裂带。2008年的大地震之后，刘启元把他的一些工作站转向了北方和东方，以监测北川断层。这些工作站会在那里停留一年以获取必要的数据，然后大部分工作站将转移到别的地方。
同时，其他的研究者想出别的方法研究龙门山的地质历史。在一个由国土资源部牵头的项目中，一组人将沿着断层打四个钻孔以获取4公里深的连续岩芯。该项目的总地质师、中科院地质与地球物理研究所的李海兵说，在虹口村的钻孔已经钻到650米深，并且可能已经穿过了断层带。研究人员还打算把地震设备放入这个钻孔中进行长期监测。
在已经关闭的白鹿书院，古地震的挖掘越来越深。工人们从沟里挖出一担一担的矿渣，能够证明过去大地的震动。弧状的煤渣层标志着在1958-1970年之间的小型地震引发的火灾。从壕沟里挖出的这些证据，连同没有倒塌的建筑物，可能有助于对未来的规划。徐锡伟说政府可能在全国范围内加强对活动断层的测绘，希望以更精确的知识来挽救生命。
回首过去的地震，中国乃至全世界的地球科学家还在为他们的缺乏前瞻性而备受煎熬。虽然他们不可能意识到每隔数千年才发生一次的灾害，但是这样的灾难能够让研究者重新审视他们之前的设想，特别是地质力量明显起作用的地区。在未来他们会减少诸如此类的结论:这个地区显示出很少的运动，因此不可能发生大地震。
在一个春季的一天，一群小孩在废墟旁边的篮球场比赛。呐喊声和欢呼声响彻天边，树上的鸟儿祈祷着好运。这也许会给灾难中的白鹿人民带来些许的安慰。
https://blog.sciencenet.cn/blog-475-234954.html
上一篇：转：怒江大峡谷的水电开发之争
下一篇：邓玉娇案合理终结彰显中国网民走向成熟
