2005年01月07日14:58


地理專家解讀海嘯:海底地震與板塊運動
金性春

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            板塊的威力 

    你是否感覺到了板塊的運動威力?事實上,那毀滅人類生命財產的火山和地震、給人類帶來利益的礦產資源的形成、海陸的變遷、山脈的形成、河流的布局、生命的演化……,地球上很多宏偉的自然現象,都與板塊活動有關。

    要是大西洋初生時的裂谷稍稍偏西一點,紐約和華盛頓這些地方就將位於大西洋彼岸的撒哈拉大沙漠西緣。要是印度次大陸的漂移改道而行,它旅行的目的地不是亞洲大陸主體,那麼,巍峨的喜馬拉雅山就不復存在,世界最高峰將不知在何處呢。正是因為印度次大陸與亞洲大陸主體碰撞,才形成了當今的世界屋脊,也才奠定了我國西高東低的地貌大勢,發育了源遠流長的黃河和長江。

    板塊活動甚至可以使河水倒流,世界最長的河流——亞馬孫河可能就是一例。亞馬孫河目前向東注入大西洋,其源頭一直伸到南美洲的西緣(靠近太平洋),差不多橫貫整個南美洲。據說,當大西洋尚未出世、南美洲與非洲相連的時候,亞馬孫河發源於非洲,那時它向西注入太平洋。后來大西洋逐漸張開,特別是在太平洋板塊的俯沖作用下,安第斯山於第三紀時急劇隆起,南美洲西端抬升,亞馬孫河於是向東倒流,注入大西洋。

    在風化剝蝕作用下,大陸將其表層碎屑物質源源不斷地輸送到洋底。然而,由於板塊的活動,大陸卻不會永久地失去這些物質。隨著洋底板塊向兩側擴展移動,岩石碎屑物質終究要被洋底這個不息的傳送帶運回到大陸邊緣地區,或者潛入到大陸邊緣地底下。

    讓我們設想一下,要是板塊曾在幾億年前停止活動的話,那麼,山脈將不再升起。在千百萬年風雨流水的剝蝕作用下,高山將被夷平,高原將逐漸降低,陸地將慢慢變得像海面一樣平,最后整個世界都可能被無情的海水所吞沒。在地球上就隻剩下水生生物,那就根本談不上人類的生存和繁衍。

    可見,一個沒有板塊活動的地球將是不可思議的。

    威力無比的板塊活動,移動著大陸,撕開或關閉了大洋,升起了山脈,擴展著陸地。換句話說,板塊的活動可以造洋、造山、造陸﹔而海陸的變遷和山系的形成又會促使氣候以致生物環境發生變化。板塊活動實際上控制了整個地質、地貌、氣候和生物環境的演化,從而最終規定了當今世界的自然地理面貌。

    “指甲速度”何以引發9級地震

    這一斷層在積聚了300多年的應變能之后突然斷裂,導致上千公裡長的海底發生強烈錯動,就像一隻巨手在浴缸底部猛烈地攪動,終使印度洋掀起滔天巨浪,給人類帶來了空前的災難。

    6天前,一場9級大地震激起沖天海嘯,席卷東南亞、南亞、非洲12國,波及印度洋東、北、西側海岸,造成有史以來最大的海嘯大劫難。人們不禁要問,這一近40年來最強烈的地震究竟是怎樣發生的?
    位於蘇門答臘島西南岸外的地震震中恰處在歐亞板塊的南緣,印度洋板塊(澳大利亞板塊)沿印度洋東北緣的爪哇海溝俯沖於蘇門答臘、爪哇等島嶼之下,其下潛速度隻比一個人手指甲生長的速度稍快,約為6厘米/年,照理不會惹是生非。然而,地球上海溝俯沖帶的性質並非千篇一律,有的海溝俯沖帶,如馬裡亞納海溝,太平洋板塊沿其比較順利地下插至西面的菲律賓海板塊之下,這裡就很少發生強烈地震﹔而蘇門答臘西南緣海溝俯沖帶的“脾氣”卻不大一樣。印度洋板塊向北偏東方向斜插下去,它與上覆的歐亞板塊之間的接觸帶是一條向東北方向傾斜的巨型斷層帶。如果二板塊沿這條斷層自由地緩緩滑動的話,本不會對人類構成威脅。不幸的是,在深約5∼50公裡的一段斷層帶,上、下兩側板塊緊緊地耦合在一起﹔盡管印度洋板塊在緩慢下潛,但這一段被稱為發震帶的斷層卻被死死卡住了。斷層上方的蘇門答臘西南緣一帶在北移的印度洋板塊擠壓下,年復一年,積聚起越來越大的應變能,以至於上覆板塊前緣遭受向下牽引而彎曲拱起(圖二,上)。當應變積累、岩石彎曲程度增大到岩石無法承受時,這段被鎖住的斷層終於突然斷開,發生錯動,蘇門答臘西南緣地塊反彈回到原來的位置,這就意味著一場可怕地震的降臨(圖二,下)。

    有學者提出,在這次地震中,蘇門答臘西南緣的小島可能向西南方向移動了20米。若以6厘米/年的板塊俯沖速率計,這一段發震斷層已閉鎖了300多年,而在強震的剎那間卻完成了300多年的板塊移動量。積聚了300多年的能量,在地震瞬間釋放出來,難怪它會使整個地球顫抖起來,甚至使地球自轉稍稍變快,使地軸有所傾斜。而最可怕的是,這一斷層的突然斷裂,導致上千公裡長的海底發生強烈錯動,就像一隻巨手在浴缸底部猛烈地攪動,終使印度洋掀起滔天巨浪,給人類帶來了空前的災難。

    盡管人們對蘇門答臘西南緣這類俯沖逆斷層型地震的發生過程已有一定程度的認識,通過全球定位系統及各種大地測量手段又可以對板塊的移動作出定量的監測,但迄今為止,對於發震斷層處彈性應變積累到何時才突然釋放(即發生地震),依然是難以預測的。

    在北美板塊西緣、加拿大與美國交界地區,太平洋東北部的胡安·德富卡板塊向東俯沖於北美板塊之下。上世紀90年代,通過大地測量業已發現這裡的地面正處於彎曲拱起、積累應變狀態(相當於圖二上圖的情景),地震學家早在數年前已警告說,在溫哥華、西雅圖附近地區,一場大地震正日益迫近。但研究者尚無法提出地震發生的確切時間,不過可以肯定的是,這場大地震發生的時間推得越晚,積蓄的能量就越大,不但地震發生的幾率增加了,而且所發生地震的強烈程度也將更大(最近已有學者再度發出警告)。

    一項大型國際合作項目——新一輪大洋鑽探計劃已經作出戰略部署,將選擇一列板塊俯沖帶,從海底打一口深鑽井,直抵發震斷層帶,同時在鑽井內設置傳感器,以長期監測發震帶的動態,這對於了解板塊間如何耦合,地震如何發生,無疑具有極其重要的意義。

    遠洋船隻緣何平安無事

    海嘯波在深海遠洋中傳播時,波高不大,波陡也小,常不易察覺,因而海嘯一般並不對大洋中的船隻造成威脅。

     我國擁有漫長的海岸線。印度洋海嘯慘痛的經歷不由令人擔憂:我國東、南沿海地帶會否遭遇海嘯的襲擊?

    海嘯主要由強烈的海底地震引發,這類海嘯的發生包含兩項基本條件,一是地震須發生在海底,二是地震要有足夠的強度,以導致一定規模的海底移位和錯動。右圖標出了上一世紀發生的42次大於8級的俯沖逆斷層型地震的分布,它們均與大洋周邊的海溝分布(圖三)息息相關。事實上,全球所有地震能量的90%以上是由俯沖帶地震釋放的﹔歷史上引發海嘯的海底大地震,大多發生在板塊俯沖邊界,即大洋板塊俯沖的海溝附近,正是這一地質構造環境,才足以滿足以上兩個基本條件。

    回顧歷史,1896年6月15日日本三陸外海的海底地震(7.6級),發生在日本海溝西緣,系由太平洋板塊向西俯沖所引發。這次地震本身未造成重大損失,而引發的海嘯吞沒了27122人。1960年5月22日智利奧索爾諾附近的大地震(9.5級),位於智利海溝東側海底,與太平洋東南部的納茲卡板塊向東俯沖有關。這次地震激起的海嘯幾乎波及整個太平洋沿岸地區,海嘯從太平洋東南邊緣橫跨整個太平洋,抵達西北緣的日本,導致萬裡以外的日本112人喪生。海嘯波在深海遠洋中傳播時,波高不大,波陡也小,常不易察覺,因而海嘯一般並不對大洋中的船隻造成威脅(這次印度洋大海嘯也未對遠洋運輸造成重大影響)。當海嘯波傳至近岸,由於水深急劇變淺,特別是在港灣、河口內,能量集中,波高驟增至10米以上,構成一堵“水牆”,洶涌直扑海岸低地,造成觸目驚心的深重災難。

    我國沿海是否面臨海嘯威脅

    南海深海底的大洋型地殼沿馬尼拉海溝向東俯沖於菲律賓呂宋島之下,已導致皮納圖博火山大爆發。一旦在這裡觸發海底地震引起海嘯,那麼,我國海南、廣東、福建、台灣沿海便會受到海嘯威脅。密切關注和監測馬尼拉海溝,應列為我國海嘯預警的重點。

    我國位於太平洋西岸,初看起來易於遭遇海嘯的襲擊,但有史以來卻少有確切的海嘯記錄。這可能與我國幾個海域外側有數道島鏈環繞圍護有關。但這並不意味著我們就可以高枕無憂。有必要對我國海域外圍地震海嘯發生的可能性及其對我國的影響作出具體分析和評價。

    日本東側日本海溝一帶為地震海嘯頻發地區,但通常難以越過日本列島抵達我國大陸東岸。琉球諸島之間有相對開闊的水道,其外側琉球海溝附近若發生強烈的地震海嘯,就有可能波及我國海域。所幸的是,琉球海溝類似於馬裡亞納海溝,為低應力俯沖帶,所以發生逆斷層型強震的可能性較小。

    台灣處在島弧-大陸碰撞邊界上,其東側缺失海溝俯沖帶。但自台灣南端向南延至菲律賓呂宋島西側,由島弧-大陸碰撞帶逐漸過渡為馬尼拉海溝俯沖帶。筆者認為,就中國的海嘯預警而言,最值得關注的當是這一段板塊邊界。至於更南面的菲律賓海溝,以及造成這次大海嘯的爪哇(或稱巽他)海溝俯沖帶,由於島嶼的阻隔,在那裡引發的海嘯通常難以對我國海域造成重大影響。

    沿近南北向的馬尼拉海溝,南海深海底的大洋型地殼(屬歐亞板塊)向東俯沖於菲律賓呂宋島(屬菲律賓海板塊)之下,這一俯沖激起了強烈的地震火山活動,比如1991年的皮納圖博火山大爆發。地質構造分析表明,馬尼拉海溝俯沖帶不同於琉球海溝等低應力俯沖帶﹔更重要的是,它並非如一般海溝那樣位於菲律賓群島的東側,而是坐落在西側的南海東緣。一旦在這裡觸發海底地震引起海嘯,那麼,海南、廣東、福建、台灣沿海便會毫無遮攔地暴露於海嘯波濤的威脅之下。

    海嘯波的傳播速率常在每小時700∼800公裡左右,自地震發生至海嘯抵達一般有或長或短的一段時間差,而海嘯聲波又比海嘯本身更早到達,因而,海嘯災害並不是不可防備的。例如1960年智利大地震引發海嘯時,及時發布的警報使傷亡大為減少。隻要建立起海嘯預警系統,嚴密監測有關地區海底地震的發生,利用布設在海域的探測器接收海嘯傳播的信息,及時、暢通地發布准確的警報,就可以避免或大大減輕海嘯帶來的損失。從上面的分析可見,重點關注和監測馬尼拉海溝至台灣南側的海底地震,優先在馬尼拉海溝西北側布設海嘯探測器,並通過國際性協作組織,建立聯合的海嘯預警和警報系統,是十分必要的。

    板塊與地震
    全球絕大多數地震都分布在板塊邊界上,可見板塊間的相互作用(撕裂、推擠、摩擦錯動等)是地震的基本成因。

    板塊邊界有三種類型:A.分離型邊界,相當於大洋中脊(或稱中央海嶺)﹔B.匯聚型邊界,包括洋緣的海溝和大陸碰撞帶﹔C.轉換斷層。

    從地震發生的情況還可以看出,地震的分布是很不均勻的,像我國的西藏和台灣、日本等鄰近板塊邊界地區,常常會遭遇地震的襲擊,而英國、非洲西部、西伯利亞等板塊內部地區卻幾乎可以高枕無憂。

    板塊內部一般地震活動較弱,惟有中國大陸屬於例外。我國東面有向西推移的太平洋板塊、菲律賓海板塊,西南面有印度板塊向北東推擠。日本海東緣一條擠壓性板塊邊界使得日本東北部歸屬於北美板塊(參見圖一),我國東北、華北地區遭受來自北美板塊(日本東北部)向西偏南方向的壓應力。

    前幾年,中、日兩國學者合作,測得上海與東京之間正以每年2厘米的速率相互靠攏,這一結果有力地支持了兩地分屬於不同板塊、二者之間存在著擠壓性板塊邊界的觀點。這樣,中國大陸處在西南(印度板塊)、東南(菲律賓海板塊)、東北(北美板塊)三面夾擊之中,這一全球獨一無二的構造環境,使得中國大陸成為板內地震最活躍的地區。但板塊活動很少波及的湖南、江西西部、浙江中部等地,仍屬於比較安全的地區。

    “透視”潛入地球內部的板塊 

    近年來興起的地震層析技術,就像檢查身體用的CT技術,可以描繪地球內部的三維結構。右圖就是由此得出的一幅圖像。可以清晰地看到,原在地球表面,因而溫度較低的太平洋板塊,其西端已斜插入地球內部。由於岩石的熱傳導效率極低,進入地幔的大洋板塊內部在一定時期仍能保持較低的溫度,相應地,其地震波的傳播速率較高,從而能在圖像中將它鑒別出來。由此可以認為,我們已經“看”到了潛入地球內部的板塊。

    從地球斷面上的地震層析圖像還可以看出,太平洋塔希提島下方存在著大范圍高溫區,在那裡有超級地幔柱從地幔-地核邊界向上涌升,而在日本群島附近下潛的冷板塊在700公裡的上、下地幔界面處可能層層相疊,然后一起快速沉落至地幔最深處。這種下降的冷地幔柱與上涌的熱地幔柱之間,構成了地球內部大規模的物質對流運動。正是這種對流,驅動著地球表面的剛性岩石圈板塊東奔西突,激起了給人類帶來深重災難的地震、海嘯和火山活動。

    太平洋西南緣湯加海溝下地震波速度成像,可見到右側太平洋板塊約以45度俯角向西下潛至600多公裡深處

    板塊運動與手指甲的生長速率

    得到共識的大地構造板塊學說認為:全球可劃分為七大板塊和若干面積較小的板塊(參見圖一)。板塊並不是平板狀,特別是那些大型板塊,宏觀上呈球面狀,有點像形狀不規則的西瓜皮。球面帽蓋狀的板塊貼伏在地幔軟流圈上,沿著球面滑動,因而板塊運動可以運用球面幾何學的方法加以描繪。通過計算,已經定量獲得全球各板塊運動的速度值。板塊的運動速率相當緩慢,以至於我們通常難以覺察到板塊或大陸在移動。

    一些板塊的移動速率大致相當於一個人手指甲的生長速率,即每天0.1毫米(3.65厘米/年)。運動速度較慢的板塊(一般是帶有龐大大陸的板塊,如歐亞板塊),其速度與腳趾甲的生長速度相近,僅為手指甲生長速度的一半或三分之一。移動得特別快的板塊,如太平洋板塊,其速度可與頭發的生長速度相比,約為手指甲生長速度的3倍。

    同一板塊內部的兩點,如北京與上海之間的距離不會隨時間發生顯著變化﹔而不同板塊上兩點之間的距離,通過重復測量應發現有明顯的變化。上海與太平洋中夏威夷島之間,北京與印度新德裡之間的距離都會不斷縮短,因為兩者之間存在著匯聚型邊界。紐約與倫敦之間的距離卻在增加,因為兩者之間展布著分離型邊界(大西洋中脊)。

    大陸(或板塊)是不是真的在漂移,大地測量成果擁有最終的裁決權。20世紀80年代以來,運用甚長基線干涉儀測量幾千公裡長的距離,誤差僅幾個毫米。布設兩個測點同時接收來自特定星體發出的射電波,根據到達兩地極微的時間差,可以計算出兩地之間的距離。經過若干年的重復測量,便可以得出距離的變化。現已測出,夏威夷與日本之間正以每年8厘米以上的速率相互靠攏(二者所在板塊之間分布著俯沖帶),美國馬裡蘭與英國的測站之間則以每年1.7厘米的速率相互分離。全球定位系統也測出全球不同板塊之間正以每年1∼12厘米的速率發生相對位移。有人說,我們仿佛親眼見到了大陸漂移。大陸(或板塊)漂移已是活生生的事實。

  作者簡介

    金性春,同濟大學海洋與地球科學學院教授,長期從事海洋地質與板塊構造等領域的教學與研究工作。著有《漂移的大陸》《板塊構造學基礎》《地球》《大洋鑽探與中國地球科學》等著作。其中由上海科技出版社出版的《漂移的大陸》一書被多次再版,曾獲全國優秀科普作品獎等獎項。

(責任編輯:馬麗)

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