长微震可导致强震?

近十年来地震学家开始对长微震产生高度兴趣,主要原因是长微震对微小的应力变化极为敏感。

文/阿树《震识:那些你想知道的震事》副总编辑 

( 编按:本文参考自此新闻进行编修,由于研究者为台湾科学家,提供了较详细的说明)

地震真的无从预测吗?目前纯就科学的角度,的确还做不到。然而相关领域的科学家却未曾放弃对地震前兆的研究。一份由美国西北大学为首的地震团队最新公布的长微震研究结果,让未来的地震预报(forecast)见到一线曙光,最特别的是,这项由跨越多国学者、八个研究机构合作作出的研究,采用的地震资料来自于台湾。

微震?

在细谈本篇研究之前,我们必须先认识一种特别的地震现象:长微震(tremor),如果用google搜寻”tremor ”,你会看到这个名词在医学上所指的是一种颤抖症,换句话说长微震和我们一般感受到的地震不同,它多半只会产生极微弱且连续的地震波,不至于造成地面摇晃。这种微震在火山区一般被认为和岩浆或热水活动有关,称之为火山长微震(volcanic tremor);而如果是在非火山地区,则多见于板块隐没带的边界深处,一般称为非火山长微震(non-volcanic tremor)。长微震属于慢地震的一种( 注1) ,慢地震的震源一般位于快速破裂的普通地震和持续移动的无震滑移(注2) 间的断层带上。

非火山长微震首次被侦测到,是在2002年日本西南部的南海(Nankai)地区,之后在全球主要板块交界处都被陆续侦测到这种现象。而台湾最早则是在2008年才在中央山脉南段发现到触发型长微震(triggered tremor),其后学者才开始展开对台湾自发型长微震(ambient tremor)的研究(注3) 。

近十年来地震学家开始对长微震产生高度兴趣,主要原因是长微震对微小的应力变化极为敏感。例如长微震可以被地球潮汐或数千公里之遥的地震产生的极小应力变化所诱发,此力道远小于一个大气压力或约等同用手掌互相推挤的力量。科学家研判透过观察长微震,有机会能推测邻近断层发生地震的可能性。

所以这个研究到底有什么值得关注的地方?

长微震可导致强震?

,此研究所锁定的区域与该地区的长微震,星号为较大的地震,其中黄色星号图例中以蓝色文字标记是此研究发现与长微震活动有关联的地震,而黄色圆圈是自发型长微震。图片来自此研究发表在期刊上的文章(Chao, et al., 2017) 

这篇发表在美国地球物理研究期刊 ( Journal of Geophysical Research: SolidEarth ) 上的研究,主要在分析2010年3月高雄规模6.4的甲仙地震前后,能否侦测到长微震的异常变化(图1) 。该研究的第一作者赵子凯(Kevin Chao) 为美国西北大学的数据科学家(Data Scientist),他与多名国内外著名的研究团队( 注4)合作发现,该次地震前约2 个月和3周前,长微震的模式产生了变化(图2a 绿色部分长微震累加率cumulative tremor rate及图2b 蓝色部分长微震现象的再现周期tremor recurrence;垂直虚线与红线之间) ,GPS(全球卫星定位系统) 的位移观测资料也同时出现了巧合的关联性(图2a 黑色空心圈的观测值)。

长微震可导致强震?

,此研究的长微震变化行为。(a) 为长微震累加率和GPS 位移关系。(b) 为长微震再现周期的变化。图片由研究第一作者赵子凯提供。

过去几年早有科学家观察到大地震前长微震会产生异常的现象,但大多仅从分布上探讨,而这篇研究则成功地连结了地表GPS的观测资料,利用第二种资料的佐证,让我们得以进一步分析这些长微震和大地震的的关联。研究中除了选择2010 年甲仙地震的主震(3a) ,也选了其它几个较大的余震分析,发现在隔年一月底规模4.2的甲仙余震发生之前,也可观察到长微震异常的现象,GPS讯号中同时也看到位移方向的变化(3d) 。不过,在另一个2010 7月规模5.7的余震前后却没有发现微地动异常的情况,研究团队倾向认为这次地震距离主震时间较近,长微震的分布可能还是受到先前甲仙主震的影响仍较活跃,而到了隔年其影响较低,而使得规模5.7地震震前产生的应力变化无法影响到长微震的活动度。

长微震可导致强震?

,此研究所观测的五次地震与长微震活动/GPS 资料的关系。图例与图2(a) 类似,绿色线段为长微震累加率,长条图为长微震的活动程度持续时间,白色空心圆圈为GPS 的位移资料。图片来自此研究发表在期刊上的文章(Chao, et al., 2017) 

有些研究慢地震的科学家希望把长微震及慢滑移事件(slow slip event,亦为慢地震的一种) 作为侦测地下应力状态的应力仪(stress meters) ,只要找到方式量化此种现象,并找出与大地震有规律且具统计意义的关联性,某程度上就能作短期预测及预报,但事实上统计处理并不容易,就算是这篇研究也还没办法完全解决这问题。不过这项研究至少找到两者之间的关联,并成功从物理上解释结果,仍然在某种程度上提高短期地震危害评估的精确度,举例来说:

  • 已知某断层在未来数年(中期预报范畴) 有高机率发生规模6.0以上的的地震,如果其邻近断层开始观察到长微震出现异常,GPS资料也出现异常变化(甲仙地震当年情况即是如此),则可推论该区域短期( 大约数个月内) 发生地震的机率高 (当然,类似的地震预报仅在科学研究而非实用阶段)。

虽然前述必要条件使得此推论模型无法试用在多数的地震带,但对于具有许多长微震与强震高风险的区域,例如北美的卡斯卡迪亚(Cascadia) 、日本的南海(Nankai)地区,则提供了短期地震预测评估的珍贵参考指标。

参与此研究的学者专长领域包括数据科学、地震学、大地测量学、地球物理等等,我们也可想见未来研究地震预测的议题会需要更多跨领域的专家携手合作。虽然这项研究还称不上已找到解决地震预报的最佳方法,但却是一项结合力学理论和观测统计的新尝试。


注1 :一般地震持续的时间长度约数十秒到数十分钟,而慢地震(slow earthquake) 的长度则可长达数小时到数个月不等,也就是能量的释放方式较为和缓,但仪器仍可观测到讯号。慢地震可简单区分为两种类别:一是能被地震仪记录到的长微震、低频地震(low-frequency earthquake)及超低频地震(very low-frequency earthquake);另一类是仅能被GPS或其它大地测量仪器观测到的慢滑移事件(slow slip event)。
注2 :简单来说就是断层稳定滑移(stable sliding)且不会有地震,参见本站对潜移断层的介绍
注3 :台湾的长微震的研究以国立台湾师范大学的研究团队为主。
注4:共同合作单位包含了我国的中央研究院、中央气象局、成功大学,日本东京大学、美国乔治亚理工学院、曼菲斯大学及美国地质调查局。
注5:关于地震危害(earthquake hazard)与风险(earthquake risk) ,可篇科月刊的文章
参考文献:
Chao, K., Z. Peng, Y.-J. Hsu, K. Obara, C. Wu, K.-E. Ching, S. van der Lee, H.-C. Pu, P.-L. Leu , and A. Wech (2017), Temporal Variation of Tectonic Tremor Activity in Southern Taiwan Around the 2010 ML6.4 Jiashian Earthquake, J. Geophys. Res. Solid Earth, 122, 5417-5434, DOI: 10.1002/2016JB013925 .

(本文授权转自 震识


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