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强烈地震能使断层在几秒内剧烈地裂开与闭合

2017年5月14日18:59 环球解密

贯穿中亚的断层线的鸟瞰图。

ANDREWSPOTTER4/SHUTTERSTOCK

在美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)的官方网站上,可以发现一个相当好奇的问题:“地震期间地面会裂开吗?”这问题读起来,唤起了好莱坞电影的影像,地面裂开,吞噬所有的汽车和人。

“断层”,在反应一开始,“不会在地震期间裂开。移动是沿着断层面发生,而不是垂直于它。如果断层裂开,地震不会发生,因为没有摩擦将它们紧密衔接在一起。”

然而,发表在自然期刊(Nature)一篇相当惊人的新研究,提供了证据来反驳。在地震期间,断层不仅可以横向地裂开和闭合,而且还能像狮子的大嘴一样地快速而猛烈。

加州理工学院(Caltech)和巴黎高等师范学校(École Normale Supérieure,ENS)的一个工程师团队查看在2011年产生真正破坏性海啸的9级日本本州东北地方大地震,在这种情况下,大量的水被逆断层(thrust fault)推向前,在那里,一大块的地壳被推到另一块的上方。

有这么多的能量涉入到这个所谓的“巨型逆断层(megathrust)”地震,这个团队好奇是否有可能不是这两块地壳相互用力挤压,而是实际上在每一点都是分开的。标准地震模型明确地防止断层像这样地裂开,因为它被认为在物理学上是不可能的。

为了研究这点,他们转而致力于加州理工学院的“地震风洞(Seismological Wind Tunnel)”,这是一个高速的先进光学设施,可以模拟和精确地观察实验室产生的地震。

使用逼真的不完整透明块(来模拟破碎的断层线)和压缩单元(来复制断层的地壳构造压力),这个团队在中心处放置一个小型保险丝,来模拟地震的触发。一旦引爆,他们观察应力波(stress wave)传递通过透明块,并且小心地跟踪透明块的反应。

 

图示为根据电脑模型显示在地震期间逆断层的上盘(右)如何扭转远离下盘(左)。Harsha Bhat

令人惊讶的是,当应力波到达断层表面时,高速相机在断层快速闭合前拍摄到它的裂开。相同类型逆断层地震的类似电脑模拟,证实了他们的怀疑。假设有足够的能量,这些特定的断层能够横向断裂,无论它们是与大气层接触、还是深埋在水下。

虽然裂开与闭合发生在非常短的时间内,或许不超过几秒钟或更短,这让人联想到直接在断层线上生活的城市,比以前所想的更为危险。

当它发生在水下时,如同2011年在日本本州东北地方的地震,这种突然的断裂很可能比只是一般的逆向运动移动更多的水,最终产生更强大的海啸。

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