地震可以预测吗？慢地震或许可以帮忙！

出品：科普中国

作者：地星引力

监制：中国科普博览

最近土耳其连续发生两次7级以上大地震，其余震在数十天后依然强烈且频繁，地震带来了数万人伤亡，上百万人无家可归。2月23日，塔吉克斯坦也发生了7.2级地震，震源距中国边境仅有约82千米。

频繁发生的大地震让一些人开始担忧地震灾害问题，同时也再次让人们把目光聚焦在一个老生常谈的问题上——地震可以预测吗？

土耳其-叙利亚地震部分照片

（图片来源：wikipedia）

首先要回答的是，在目前的技术条件下，地震预测是不现实的。不过，科学家们正在探索预测地震的各种方法，其中很多人认为对慢地震的研究可能有助于我们预测地震。

一、什么是慢地震？

地震是由地层中断层的突然破裂或移动导致的。在目前的板块理论中，整个地球地表的坚硬岩石圈并不是一个整体，而是破裂成15个主要板块以及更多次要板块，这些板块漂浮在地幔物质之上，随着地幔物质的运动而运动，就好像漂浮在水面的木板一样。

这些板块运动时会相互碰撞或分离，无论是碰撞或分离都会给板块边界处带来巨大的压力或拉力，一般将其称为应力，应力也会传导到板块内部，从而让板块边界或板块内部的岩层破裂形成断层，多个巨大的断层还会组成断裂带。这就是绝大多数地震的发源地了。

板块边界处往往受到巨大应力，因而成为地震的发源地

（图片来源：USGS）

断层由断层面和断盘构成，在平时，由于断层面上摩擦力巨大，以及断层上存在的凹凸体等，将两侧的断盘牢牢锁住。板块运动传来的巨大能量会被断层两侧的岩层通过变形吸收，这种变形被称为应变——是的，如果从宏观来看，坚硬的岩层其实和硬质的巨大弹簧没有区别，它们也会拉长、缩短和弯曲，能量就储存在地层的应变中。

一旦能量储存超过临界值，断层就会突然快速滑动，在滑动过程中，断面两侧的断盘中的变形就会恢复变成未变形的状态，我们可以将其想象为弯曲的弹簧被释放了，它自然就会恢复原状，在此过程中，释放出来的能量被传导到地面上，造成了地面的震动，由此引发地震，这就是地震起源的弹性回跳假说。

地震起源的弹性回跳假说

（图片来源：参考文献1）

普通地震的本质就是地震断层面的快速扩展，大约为2-3千米/秒。所谓地震断层面的扩展速度很好理解，我们假定断层面的破裂始于一个点，这种破裂状态向前传播，导致断层面的其他部分也开始破裂，这个传导的速度就被称为断层面的扩展速度。

而一个大地震的断层面的破裂长度往往超过数十乃至数百千米，比如这次土耳其地震的破裂断层的总长度就超过了360千米。用这个长度除以扩展速度，就是地震的“震源持续时间”，一般来讲，普通地震的震源持续时间很短，仅有十几秒到两百秒左右。

本次土耳其地震中第一次大地震的地震烈度图

图中红线处可以近似认为就是断层破裂的长度

（图片来源：Wikipedia）

2008年汶川地震中，断层破裂带在地面的投影

可以看到这一地震的断层破裂长度也很长，算下来超过300千米

（图片来源：参考文献2）

但是如果一个断层的扩展速度非常慢，比如只有3米/秒，甚至0.3米/秒或更低的时候，在断层破裂长度不变的时候，它们最终释放的能量与普通地震相差无几，但由于断层扩展速度变慢，导致这种地震不仅人类无法感知，就连目前最先进的地震仪也很难测量出来，这种地震就被称为慢地震。

二、为什么会发生慢地震

总结起来可以归纳为四个原因：温度、水、岩石本身的性质和周围的压力。

要说明白这几个原因，我们需要先复习一下初中物理中学到的关于摩擦力的知识：把一个滑块放在平面上，用水平方向的力拉动滑块，起初，滑块不会移动，但随着拉力增大，滑块会突然移动起来。这是因为滑块受到摩擦阻力，而且在滑块未移动时，受到的是静摩擦力（其大小与静摩擦系数有关），当滑块移动时则会受到动摩擦力（其大小与动摩擦系数有关）。

滑块实验示意图（上）

以及滑块实验中滑块所受摩擦力的变化情况（下）

（图片来源：上图为作者自制，下图来自Wikipedia）

在初中物理中，动摩擦系数和静摩擦系数都是固定的，因为物理中滑块与平面处于理想状态，它们充分接触了，因此摩擦系数固定。但是在现实情况中，摩擦系数并不固定，因为两个物体无论如何都不可能完全充分接触，它们之间的接触面总是凹凸不平的，因此真实接触面积可能最多只有总面积的10%，而接触面积会随着条件改变而变化，因此摩擦系数μ总是变化的。

对两个相互接触的物体的三维模拟，可以看到二者表面都是凹凸不平的，因此真实接触面积并不大

（图片来源：wikipedia）

科学家对动摩擦系数研究后给出了一个经验公式：

μ0是以V0滑动时候的摩擦系数，可以测出来，a-b则代表物体的性质，因为有时候物体的摩擦系数会随着滑动速率增加而减少，换句话说，相对运动的速度越快，摩擦越小（这叫速度弱化），比如花岗岩，这时候a-b＜0。而有时候物体的摩擦系数会随着滑动速率增加而增加，也就是说运动速度越快，摩擦力越大（这叫速度强化），比如饱水粘土，这时候a-b＞0。而a-b=0则是二者的过渡区。

而无论是温度、水还是岩石本身的性质以及周围的压力都会影响a-b的值。比如，当温度大于300℃时，岩石之间的摩擦力就会急剧减小；当矿物饱水的话，就会变得柔软，由此导致矿物之间摩擦力减小；有时候岩石饱水，也更容易破裂。

但是有时候却会发生相反的情况——水中溶解的硅元素会在岩石狭小缝隙处生长，填满缝隙，导致岩石摩擦力增加；同时，周围的压力也能影响岩石的真实接触面积，以及岩石本身的性质也是需要考虑的因素。因此，上述条件的变化都可能会导致某一地的岩层摩擦力发生改变。

由于温度、水、压力等一系列的影响，

会导致在俯冲带附近出现如上图所示的情况：

在浅层（A-B）以稳定滑动为主，也就是a-b＞0；

在中间层（B-C）是地震发生带，也就是a-b＜0；

在深层（C-D）以稳定滑动为主 ，也就是a-b＞0

（图片来源：参考文献3）

当某一断层是速度弱化区时，滑动一旦产生，摩擦力就会变小，且滑动越大，摩擦力越小，结果就是这一区域的岩层一旦开始滑动，断层滑动面就会急剧扩大，地震就产生了。

而若是某一断层处于速度强化区时，随着滑动增加，摩擦力会增加，最终滑动和摩擦力达到平衡状态，这一区域处于持续的缓慢滑动中，这就是慢地震。

三、为什么说慢地震有助于地震预测？

因为根据研究，在普通地震发生之前，一般都会发生慢地震。

有科学家用花岗岩（代表a-b＜0的区域）做了一个滑动实验，发现在花岗岩中，慢地震其实也是地震过程的一部分：

切割出长度6cm，宽度为3cm的立方体花岗岩，3个块体水平放置，对两侧的块体沿着水平方向施加压力，使其夹住中间的块体，然后给中间的块体施加一个推动的力量，中间的块体先是纹丝不动，但当推力增加超过某一界限时，中间的块体会缓慢地开始滑动，然后很快地加速，最后发生了错动。

很明显，纹丝不动代表了未发生地震的情况，缓慢地开始滑动代表了慢地震的情况，很快的加速则代表了地震发生时的情况。

用花岗岩做滑动实验的示意图

（图片来源：作者自制）

有科学家也利用计算机程序模拟了a-b=0的过渡带的情况，具体是以俯冲带为对象，将俯冲带0-30km深度的断层上盘区域设定为a-b＜0区域，30km左右为过渡带区域，断层的下盘以正常的板块俯冲速度运动。

结果发现，当上盘接近应变的临界点时，在过渡带的某处慢地震会多次发生和停止，最终，一个慢地震冲入浅部的断层上盘区域，引发大地震。

（图片来源：参考文献3）

还有科学家研究了在a-b＞0的区域中地震发生的情况，在这一区域内，由于摩擦力随速度增加，因此二者会达到平衡，所以最终这一区域会处在缓慢滑动过程中。但在这种区域内可能会存在凹凸体，这些凹凸体是a-b＜0的，随着断层两盘的相对运动，最终将凹凸体卷入其中，随着凹凸体内会不断积累应变，同时也不断有慢地震侵入凹凸体中，最终凹凸体断裂，于是地震也发生了。

凹凸体在真实条件下也是存在的

图中即为日本东北区域的凹凸体分布图

（图片来源：参考文献3）

总结一下就是，在这些实验的情况中，普通地震发生之前，均有慢地震的发生。所以如果对慢地震进行仔细研究，了解了各地慢地震的波形特点及其历史特征，可能就有助于进行大地震的预测。但是，目前我们最大的问题是，现有的地震仪很难识别慢地震。

四、为什么慢地震难以识别？

人类从19世纪中期就开始研究地震以及地震波，并在19世纪末期设计出了能记录地震波的地震仪，自此以后一直到现代，人类记录并研究地震波有近200年的时间，但却一直没能发现慢地震的存在，这是因为慢地震的地震波周期很长，普通地震仪难以发现。

如前文所述，普通地震发生时，断层破裂面的扩展速度极快，因此震源持续时间很短，这反映在地震波的形态上就是持续时间很短的波动，而慢地震的断层破裂面的扩展速度很慢，因此其波动持续时间很长，且波动很小。

普通地震地震波波形（a）到慢地震地震波波形(e)对比图

（图片来源：参考文献3）

而我们所说的地震仪的原理其实很简单，简单来说就相当于一架单摆，摆末端是一支铅笔，单摆会随着地震的震动而左右摇晃，同时，铅笔也会随之摆动。在铅笔之下有一个纸卷，纸卷匀速运动（因为速度已知，纸卷长度也已知，所以时间也是已知的），那么在纸卷上就会记录下地震波随时间的变化情况。

在普通地震下，单摆的摆动很剧烈，但是在慢地震下，由于地球震动速度很慢，单摆压根反应不过来，所以在纸上记录下的几乎是一条直线。我们用手就能复制这个实验：用手拿一个单摆，快速摆动手，单摆会剧烈摆动，这是普通地震的情况；若是极为缓慢地左右移动手，会发现单摆根本不动，这就是慢地震的情况。

普通地震（a）就如同拿着单摆快速摆动，地震仪会记下剧烈的地震波；

而慢地震（b）就如同拿着单摆缓慢左右移动手，地震仪记下的就几乎是直线

（图片来源：参考文献3）

正是因为慢地震的这种特点，所以一直到2000年之前，科学家都并不了解慢地震，直到2001年以后，随着环太平洋俯冲带一系列慢地震的发现，慢地震的研究才引起了人们的重视。

但在研究过程中也遇到一个大问题，那就是虽然目前的地震仪精度越来越高，但是这些地震仪本身并不是为慢地震测量而设计的，目前的绝大部分地震仪，都只能观测持续时间200秒以下的地震波，超过这一时间就精度大大下降，而慢地震的地震波持续时长往往长达数千秒甚至数天。

典型的普通地震波，可以看到其持续时间基本上以秒为单位（横坐标）

（图片来源：wikipedia）

而且，慢地震的地震波常常被噪音覆盖。在自然界中，地球的自由振荡、台风等多种事件均能导致地震仪中出现低频长周期信号，这些信号在以往会被认为是噪音而被剔除掉，但如果考虑到慢地震也会引起此种信号，那么如何从种种噪音中识别慢地震的地震波又成了一个很大的问题。

不过，随着科技进步，有些科学家正在研究利用机器学习进行滤波，有些科学家正在考虑设计新的监测设备并且建设更多监测台网，相信在不久的将来，我们对慢地震的认识会更加深刻，或许到那时，我们就能够实现对地震的预测了。

编辑：孙晨宇

参考文献：

[1]（美）塞思·斯坦，（美）迈克尔·维瑟逊著. 地震学、震源及地球结构概论. 北京：科学出版社, 2020.03.

[2] 王卫民, 赵连锋, 李娟, 等. 四川汶川 8.0 级地震震源过程[J]. 地球物理学报, 2008, 51(5): 1403-1410.

[3] (日)川崎一郎著 陈会忠等译.何谓慢地震：探索巨大地震预报的可能性 [M]. 北京:地震出版社, 2013.

[4] 周聪. 地震前兆性慢滑移事件研究[D].中国地震局地质研究所,2021.DOI:10.27489/d.