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地
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震
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学
中国地震学会—地球科学科普栏目
地震科普—地震暗能量
看天上的星星尽显光辉
赏地下的河水肆意奔流
19、地震暗能量
19.1 墨西哥抓住了暗能量活动
19.2 静地震、慢滑移和震颤
19.3 新成果和大陆地震区
宇宙在加速膨胀。天文观测的这一发现，超出了人们对万有引力的认知。
要承认它，就要接受一个新概念——暗能量和暗物质的斥力。这种能量并不吸收、反射、辐射可见光，现时的各种仪器一直没有观测到，但理性的思维推测了它：中微子和黑洞应该是两种暗物质。直到2019 年终于拍摄到黑洞照片（图19-1），尽管大部分问题还不甚清楚。
不了解这些，就不能说已经了解了宇宙
以观测为基础的地震学也是如此，一些极缓慢的运动信号和震前异常屡屡被发现，但是并没有记录到地震！
这又是哪个闹腾的结果呢？
应该就是地震暗能量， 虽然它不同于天体物理学的暗能量。目前的研究已经在三种载体上取得了进展：震颤、静地震和慢滑移。墨西哥、美国和加拿大还成功地预测了几次静地震。
不了解这些，同样不能说已经了解了地震。
图19-1 全球第一张黑洞图片（Messier 87 星系，2019）
19.1 墨西哥抓住了暗能量活动
2009 年， 墨西哥对静地震公开发布了预报［1］：根据2009 年夏季前的GPS 监测，已经发现Guerrero 地震空区出现过3 次静地震（Silent Earthquake）以及3 次事件前的慢滑移（Slow Slip）。这些现象都十分明显，地表位移量高达6cm，复发周期是4.5 ～ 5 年。他们认定：2010 年3—10 月将在墨西哥西海岸Cayaco 地区发生一次大型静地震，南北向地表位移量预计在3.9 ～6cm，太平洋沿岸可能会有几厘米的位移。
美国地球物理联盟的EOS 刊物公布了所依据的资料、数据和图件（图19-2 和图19-3），公开接受检验。
事后证明，预测正确！
图19-2 监测地区的历史地震和空区［1］
图19-3 对2010 年静地震的预测图［1］
以后，墨西哥于2014 年又预测了一次更大的静地震［2］，随后还引发了Papanoa的Mw7.2 地震和两次逾6.0 级的强余震（图19-4）。这里说的“静地震”和“慢滑移”，就是神不知鬼不觉、地震仪测不到的暗能量活动。
墨西哥的实践虽然只是“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头”的成绩，但对国际学术界的震撼毫不亚于一次大地震。
地震预测从暗能量、暗地震入手，就突破了“以震报震”的传统思路。这里的“复发周期”又完全是GPS 实测到的，属于多次、多台、大幅度、稳定的现象，完全不是由杂乱信号的傅里叶（Fourier）分析提取的小量谐波。此外，地震活动的弹性回跳、b 值、地震迁移、地震空区、蠕变、触发等基本特征，都是先由“板缘地震”发现，然后才应用于大陆“板内地震”的。故而墨西哥的开创性成果，不可小觑。
图19-4 墨西哥2014 年的静震引发了7.2 级大震［2］
随后，2017 年9 月8 日安赫尔的Mw8.1 地震和9 月18 日Puebla-Morelos 的Mw7.1 地震，均有损失而没预报。公众和政府的反应平和，加大了监测的投入，完善和升级了GPS 监测网（图19-5）。
图19-5 墨西哥的GPS 监测网站
19.2 静地震、慢滑移和震颤
◆ 基本观念的改变
地震暗能量，名为“地震”，却静得悄声无息；称之“滑移”，又滑得似动非动！对其认识，是近30 年间地震学的一个重大进展。
这些名不见经传的东西，究竟是什么？话，要从五六十年前的往事说起。1960 年5 月22 日智利Mw9.5 大地震，美国帕萨迪纳台的震中距为8 100km，地震仪在震前15min 记录到一次前震，随后就平静了（图19-6）。奇怪的是，就在震前10min，Benioff 石英棒线性应变仪（图19-7）竟然记录到一次周期300 ～ 600s的异常突变［3］，长期无法解释。
图19-6 Benioff 应变仪对1960 智利地震前的反应［3］
图19-7 Benioff 和他的应变仪（1935）
1968 年，笔者在新疆地震台的观测也遇到过此类怪事。当年9 月12 日伊朗发生6.0 级地震，距乌鲁木齐水磨沟台约3 200km，置于地下室的金属水平摆倾斜仪也记录到长波信号，出现在震前8 小时（图19-8）。两套仪器突然向着背离震中的东北方倾斜，东倾0.45 角秒、北倾0.13 角秒。但地震仪纹丝没有动，只记录到随后的地震信号。
1970 年1 月5 日云南通海Ms7.7 地震前21 小时，河北红山台的地倾斜仪再次观测到同样现象，变幅0.38 角秒，震中距为1 970km，地震仪也无反应［4］。
1992 年7 月18 日日本三陆海外Mw6.9 地震， 烈度十分低弱， 却出现了滔天海啸。宫古和江刺的震中距为220 ～ 300km， 二台的伸缩仪都记录到了长波信号（图19-9）。据悉，这是日本第一次发现的大型慢地震（现已改称“静地震”）。它出现在地震之后，但比主震的地震矩要大10 倍［5］。
图19-8 1968 年伊朗6.0 级地震前的地倾斜记录［4］
图19-9 1992 年三陆地震时伸缩仪的记录［5］
如何解释这些神出鬼没的信号？
1983 年，Beavan 在《科学》上最早指出［6］：异常的根源是俯冲带上发生了不同于常规地震的“缓慢滑移”，深度在20 ～ 70km，多数出现在重力、地倾斜、地形变、GPS 长周期仪的记录中。这个论断，毫无悬念地颠覆了固有观念：地球上只有两种状态——发生地震和不发生地震！
看来，不得不考虑地震的灰色地带，即第三种状态了：
地震暗能量
暗能量的转移、释放和调节， 同样是岩层大型错动的反映，只是这个过程非常缓慢而没有激发出地震弹性波罢了。
既然英文单词Seismic（地震的）和Non-Seismic（ 非地震的） 事件，没把现象说全，那只好对原意为“抗震的”Aseismic 追加上一个新含意——“有错动而无地震波的”， 即“无震错动”（图19-10）。
一句话， 世界上除了白猫和黑猫，还有灰猫！
图19-10 地震事件的三种状态
现在看来，是人类的惯性思维障目。我们只知道世界上有白猫黑猫，几十年间一直把灰猫视为噪音、干扰、零点漂移……坚定地从记录器中把它滤波掉、删除掉！又因为“没记录到、没感觉到”地震波，便主观地否认现实，更缺少实验和理论上的基础研究。于是，关键性的“地震目录”被我们搞的“缺胳膊少腿”。
这些问题暴露后，日美墨等国已经补建起或正在建设“静地震目录”。
墨西哥的成功，恰恰是利用了“地震目录里没有”的暗能量信息，先行了一步!
◆ 三种暗能量活动
岩层或板块位错的频谱极宽，周期可以从0.001s 延续到几十年，都能够释放出应变能。地震不过是全过程中的一个局部——扩展速度在100 ～ 1 000m/s 段的脆性破裂，释放了其中的一小部分能量。
对于暗能量的释放载体，前些年迈出了一小步：曾不加区别地一概称之为慢地震（Slow Earthquake）。
严格来讲，还是不准确。
近年，国际学界的专业术语上已走向统一。位错被明确地划分成“波动域”和“滑动域”两大块——今日的“慢地震”一词仅仅限于波动域，系指“低频、或甚低频”的能够激发出波动信号的地震；对于更缓慢的运动，则称之为“慢滑移”，限定在滑动域；二者之间属于滑动域、频率相对偏高的位错，但又没有激发出弹性波动的事件为“静地震”，是一个有意让字面相左的表述。
研究的重点是三种载体（ 图19-11） —— 震颤（Tremor）、静地震（Silent Earthquake）和慢滑移（Slow Slip），它们的频谱位置、名词定义均有清晰地界定，整个频谱的分布已经排满（图19-12）。应注意：早期的各种探索性的称谓，如前兆波、临震微波动、微破裂、高频形变等，在国际学术期刊里已不再使用。
图19-11 地震、震颤、慢滑移和慢地震
名词虽繁杂，但概念已经清楚：震颤和静震是紧紧贴在“常规地震”身旁的左邻右舍，“静震- 地震- 震颤”三者构成了“地震位错的完整过程”：既收编了更加快速的破裂，也涉足了巨大的滑动位错。传统的地震学里，主角“刘备”总是单枪匹马闯天下。现在不同了：左膀有了“关羽”，右臂配了“张飞”，哥仨一起干！频域加宽了，认识就全面了。
中文里，哥仨的关系很好记：只有他们三位的头衔才有资格用个“震”字。
图19-12 波动域和滑动域的频谱和名称定义
◆ 震颤
它是一种垂直方向为主、高频的微弱波动，通常是火山爆发的征兆。岩石微破裂、地层结构改变、物体热膨胀、晶格位错等等都会引起。信号微弱， 震级多在1 级以下。成群出现，初动不清，定位困难。容易误为噪声而“滤掉”。
◆ 静地震
它的频段位于滑动域的高端，与波动域相接。海底火山的巨型滑坡和垮塌，就属典型的静地震。它不是脆性破裂，激发不出弹性波，地震仪记录不到它。定位困难，只能通过大范围连续的地形变监测来判定。能量强弱用“地震矩”衡量。事件后常伴有震颤和微震群，对强震危险性的影响并不确定。目前研究较好的，有两类静地震：
● 深部静震，25 ～ 40km 深，持续几分钟～几天，常导致1 ～ 2 级的极弱震颤；
● 浅部静震，5km 左右深，能引发3 ～ 4 级的震颤，伴极缓慢、极微弱、无灾害的地表位移。
当然，低频和甚低频地震也是很难观测的，有时会被混为静震。它们的震源深度非常浅，只能激发出面波，定位时可用之，机制多为逆冲型错动。大多数发生在板块边界，或者增生的楔形构造部位（Accretionary Wedge），高压流体会使之呈半脆性、半黏性状态。
◆ 慢滑移
它是一种非连续性的位错，会历时几小时、几个月甚至一年。通常伴随着流体运动和震颤，振幅不大，俯冲带的慢滑移具有十分明显而稳定的间歇周期，成为监测的标志。很多大地震之前都存在慢滑移，只是地震仪未记录到。较多出现在俯冲带的地壳段、走滑板块边界、火山侧翼正断层地区，构造环境是以韧性（而不是脆性）为主的部位。最低频的慢滑移，即为深部的蠕动（Creep）。
19.3 新成果和大陆地震区
◆ 各国的监测工作
美国- 加拿大监测了温哥华- 西雅图地区的Cascadia 俯冲带。震颤位置揭示了应力集中和迁移过程（图19-13 和图19-14），确认了间歇性慢滑（Episodic Slow Slip）。每隔13 ～ 16 个月就会出现一次2 ～ 4mm 幅度的反向位错， 引发静地震（图19-15），或者6 ～ 15 天的震颤和微震群［7］。缓解的应力并不消失，会沿着构造线迁移、汇集和调整。2018 年，他们曾经成功地预测了一次慢滑移事件。
图19-13 震颤的迁移
图19-14 俯冲带的震颤三维结构
图19-15 慢滑的间歇周期与震颤
1984—1996 年，美国在圣安德烈斯断层带捕获过1992 年12 月的一次静震，历时约1 周，应变量级为（100 ～ 500）×10-9。利用GPS 手段监测夏威夷基拉韦厄（Kilauea）火山，发现1998—2005 年间的4 次静震，GPS 的位移向量几乎相同，随后出现地震活动，确定了静震的复发区域（图19-16）。
日本也证实了西南俯冲带慢滑的间歇性特点，复发间隔约6 个月，确认了静地震的复发区域。观测系统为GEONET，1994 年后的GPS测点已逾1200 处，每天都能给出空间分辨率达20km 的全日本地壳运动图像。新西兰曾监测到2014 年9 月持续了两周的慢滑事件。对俯冲带的性质做了新划分：在闭锁段和蠕动段之间， 有一个过渡段——脆韧转换区（图19-17）。
图19-16 夏威夷的静地震复发区域
图19-17 日本和新西兰对俯冲带的划区
◆ 大陆地震区
“板缘地震”与“板内地震”的构造环境不同，俯冲带上的某些规律并不能照搬到大陆地震区。
陆地上的震颤很常见，但具有介质流变性的静震和慢滑移较少遇到，仅在大陆上的深部环境接近于俯冲带的地方（如介质Q 值偏低、低速层发育、热流值高、新构造运动强烈处等）才发现了地震暗能量活动的苗头，诸如青藏- 伊朗高原、帕米尔深震区、南北地震带地区，以及美国西部地区。
此外，观测精度还必须大大提高。GPS 的监测能力主要在低于约10Hz 的频率下测量振幅大于约1mm 的地面运动。对大陆地区的静地震和慢滑移的监测，则需要凭借合成孔径雷达（InSAR）和超长基线的激光干涉（Laser Interferometry）等高新技术，有望捕获到信息。
1998 年， 伊朗的一次静震被欧洲遥感卫星（European Remote Sensing，ERS）的InSAR 捕捉到。当年3 月14 日伊朗发生6.6 级地震，Shahdad 主断层位于图19-18山脉远方一侧的山谷，震后的外应力向东侧转移。半年后，主断层东侧10 ～ 30km 处发生了一次大型静地震，地表微形变横跨了两条小山脊（图19-18 下图），相当于一次6.0级地震，但地震仪没有反应［8］。
Benioff 地应变仪发明于1935 年，石英棒长20m，这项技术现在已被激光应变仪取代（图19-19）。测距多在600m 以内，构成两个正交的测量装置，纳米（nm）量级的精度。西班牙与英法意合作，已在西班牙比利牛斯山脉的地下隧道同时开展暗物质、中微子、引力波、高精度地应变的观测。
图19-18 伊朗1998 年静地震的微形变影像［8］
图19-19 激光应变仪观测原理
2016 年， 日本在神冈架设了激光应变仪， 跨距高达1 500m［9］， 测量方差为3×10-13，干涉仪的所有光路都装在真空管中，观察到振幅微小到6.4×10-7 的地震波。1994 年，美国在南加州圣安德列斯断层旁也建立了超长基线的激光应变仪，曾捕捉到2009 年一次地震强活动前的断层应变信息（图19-20）。
我国在这个领域的研究成果非常有限，目前仅在理论上做了一些探讨，主要的弱点是没有突破传统的观测理念，虽然有宽频带地震仪、GPS 和InSAR 资料，但在数据连续性、大跨距和台网密度上都还达不到捕捉微弱信号的要求。今后，我们还有很大的发展空间。
图19-20 激光应变仪和监测结果
○参考文献
［1］ Cotte N，Walpersdorf A，Kostoglodov V，et al. Anticipating the next large silent earthquake in Mexico［J］.EOS，2009，90（21）：181-182.
［2］ Radiguet M，Perfettini H，Cotte N. Triggering of the 2014 MW7.3 Papanoa earthquake by a slow slip event in Guerrero Mexico［J］. Nature Geoscience，2016，9（11）：829-833.
［3］ 金森博雄，博斯基. 地震：观测、理论和解释［M］. 柳百琪，译. 北京：地震出版社，1992.
［4］冯锐. 地倾斜与地震［M］. 北京：地震出版社，1978.
［5］ 川崎一郎. 何谓慢地震，探索巨大地震预报的可能性［M］. 陈会忠，黄伟，黄建平，等译. 北京：
地震出版社，2013.
［6］ Beavan J，Hauksson E，McNutt S R，et al. Tilt and seismicity changes in thr Shumagin seismic gap［J］.Science，1983，222（4621）：322-325.
［7］ Garry R，Dragert H. Episodic tremor and slip on the Cascadia subduction zone：the chatter of silentslip［J］. Science，2003，300（5627）：1942-1943.
［8］ Fielding E J，Wright T J，Muller J，et al. Aseismic deformation of a fold-and-thrust belt imaged bySAR interferometry near Shahdad，southeast Iran［J］. Geology，2004，32（7）：577-580.
［9］ Araya A.，Takamori A，Morii W，et al. Design and operation of a 1500-m laser strainmeter installed at an underground site in Kamioka. Japan Earth Planets Space，2017，69（77）. https：//d°i. org /10.1186/s40623-017-0660-0
图文来源：《趣味地震学》
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