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地震能否“見微知著”

發布日期:2019-05-08 來源:《國土資源科普與文化 》 2019-5-8 作者:

 過去10年中,美國南加州地震統計可能“漏掉”了180萬次極小規模的地震。這些地震最小至0.3級,人們在地表幾乎無法察覺。但加州理工學院地震實驗室地球物理學家Zachary E. Ross認為,找出這些極小地震能填補地震記錄中的空白,并幫助人們了解造成地震的地球物理過程。

 “我們應該尋找隱藏的地震,因為它們提供了地震學家研究地震序列演化的大部分可用信息。大地震的周期很長,每次地震之間的周期跨度在幾百年到幾千年之間。而小地震形成的詳細時空模式可以告訴我們關于地震物理學的新信息。”Ross在接受《中國科學報》采訪時說。

 近日,《科學》刊登了Ross團隊及合作者發布的南加州迄今為止最全面的地震統計數據。數據顯示,在2008年至2017年間南加州出現超過180萬次地震,比原先南加州地震網(SCSN)記載的地震次數多了10倍,這里每天會發生約495次地震,大約每174秒發生1次。

 小到找不著

 在地震規模與頻率間存在著眾所周知的經驗關系,即地震級數下降1個單位,地震發生頻率會增加近10倍。然而,編目低級數地震頗為困難,因為其地震信號和近乎同時發生的交疊地震能量常常與背景噪音難以區分。例如,這些地震非常小,可能與來自汽車交通或建筑施工的震動相混淆。

 “我們并非不知道這些小地震正在發生。問題是,在所有的噪音中,它們很難被發現。”Ross同樣十分無奈。

 為了克服低信噪比的問題,研究小組采用了一種被稱為“模板匹配”的算法搜尋南加州的隱匿地震,因為該算法能從連續地震數據流中梳理出隱微的地震波形。

 具體而言,在這種技術中,稍微大一點、更容易識別的地震被用作模板,以說明給定位置的地震信號通常應該是什么樣的。當找到一個可能與之匹配的波形時,研究人員就會掃描附近地震儀的記錄,看看地震信號是否在其他地方被記錄下來,并得到獨立的驗證。

 研究人員表示,模板匹配在地震檢波器間隔較近的地區效果最好,因為地震事件通常只與半徑在1至2英里范圍內的其他地震相互關聯。此外,由于該研究是計算密集型的,所以過去一直受限于數據集過小。

 牽一發動全身

 研究人員使用了SCSN 2008~2017年期間收集的連續地震數據。雖然,SCSN的站點成員隨著時間的推移而變化,但是總共有513個站點在某個時間點被使用。為了提高計算效率,研究人員使用巴特沃斯濾波器對波形數據進行了濾波,且數據集被組織成24小時連續的文件,所有間隙都用0填充。

 在計算中,研究人員依靠200個強大的圖形處理單元連續工作數周,以便掃描目錄,探測新的地震并驗證他們的發現。

 該研究合作者、加州理工學院地球物理學家Egill Hauksson說,這是值得努力的。“沿著一條斷層的地震活動,會影響其周圍的斷層和晃動,而這幅新近繪制出來的南加州地震活動圖,將讓我們對其如何運作有新的認識。”

 擴展的地震目錄揭示了以前未被發現的大地震的前震以及地震群的演化。更豐富的數據集將使科學家更清楚地了解地震如何影響和通過該地區。

 “我們發現了160多萬次新地震,從這些事件中,我們可以更好地了解地表以下斷層的位置和幾何形狀,更清楚地看到地震如何在空間和時間上與其他地震溝通和觸發,并更好地弄清地震序列如何開始。”Ross說。

 “Ross和同事的成果已經從根本上改變了我們在密集地震網絡中探測地震的方式。他們打開了一扇窗戶,讓我們能夠看到數以百萬計之前從未見過的地震,這改變了我們描述大地震前后發生的事情的能力。”加州理工學院地震實驗室主任Michael Gurnis說。

 風險圖景

 不過,記錄這些小型地震可能不會對地震預測有所幫助。“我們無法推測該研究是否能提高地震的可預測性。”Ross告訴《中國科學報》。

 但2016年刊登于《科學》的一項日本地震活動研究提出,密集小地震或為大地震前兆。

 在俯沖到一塊大陸下方的海底的許多地方都會發生小型地震,例如美國太平洋西北海域。研究人員表示,這些小地震會定期發生,并且這些事件可以被視為一次更大型地震的前兆。

 《中國科學報》曾報道,日本東北大學地震學家Naoki Uchida團隊使用了覆蓋該國大部分地區的地震儀提供的數據,分析了1984年至2011年間6126次震級為2.5或者更大的成群出現的地震。這些重復的地震往往發生在兩個地殼板塊相遇的地質斷層上。它們表明,地殼板塊正在彼此緩慢地越過對方,這一幾乎不知不覺的運動被稱為慢滑。通常情況下,慢滑過后一場更大的地震便會發生。

 此外,2018年年底,非營利組織“全球地震模型”發布了3幅全球地震圖,通過整合來自美國地質調查局和中國地震局等機構的30多個國家和地區模型,描繪了地球上最容易發生地震的地區、建筑物可能被地震破壞的地區,以及全球暴露地圖。

 “全球地震模型”風險協調員Vitor Silva表示,地球上2/3的建筑最終只分布在15個國家,了解哪里的建筑物比較脆弱可以幫助地方官員決定在哪里分配資源從而加強建設。

 回到南加州,上世紀30年代,加州理工學院的Charles Francis Richter和Beno Gutenberg提出了地震強度等級劃分規則——“里氏震級”,并把地震學發展成為一門國際性學科。

 現在,Ross正沿著同事鋪就的道路繼續前進:“未來,我們將著眼于使用這個新目錄更好地了解地震物理的更多細節。”

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