強烈地震能使斷層在幾秒內劇烈地裂開與閉合

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貫穿中亞的斷層線的鳥瞰圖。

extra_large-1493720595-cover-image ANDREWSPOTTER4/SHUTTERSTOCK

在美國地質調查局(United States Geological Survey,USGS)的官方網站上,可以發現一個相當好奇的問題:「地震期間地面會裂開嗎?」這問題讀起來,喚起了好萊塢電影的影像,地面裂開,吞噬所有的汽車和人。

「斷層」,在反應一開始,「不會在地震期間裂開。移動是沿著斷層面發生,而不是垂直於它。如果斷層裂開,地震不會發生,因為沒有摩擦將它們緊密銜接在一起。」

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然而,發表在自然期刊(Nature)一篇相當驚人的新研究,提供了證據來反駁。在地震期間,斷層不僅可以橫向地裂開和閉合,而且還能像獅子的大嘴一樣地快速而猛烈。

加州理工學院(Caltech)和巴黎高等師範學校(École Normale Supérieure,ENS)的一個工程師團隊查看在2011年產生真正破壞性海嘯的9級日本本州東北地方大地震,在這種情況下,大量的水被逆斷層(thrust fault)推向前,在那裡,一大塊的地殼被推到另一塊的上方。

有這麼多的能量涉入到這個所謂的「巨型逆斷層(megathrust)」地震,這個團隊好奇是否有可能不是這兩塊地殼相互用力擠壓,而是實際上在每一點都是分開的。標準地震模型明確地防止斷層像這樣地裂開,因為它被認為在物理學上是不可能的。

為了研究這點,他們轉而致力於加州理工學院的「地震風洞(Seismological Wind Tunnel)」,這是一個高速的先進光學設施,可以模擬和精確地觀察實驗室產生的地震。

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使用逼真的不完整透明塊(來模擬破碎的斷層線)和壓縮單元(來複製斷層的地殼構造壓力),這個團隊在中心處放置一個小型保險絲,來模擬地震的觸發。一旦引爆,他們觀察應力波(stress wave)傳遞通過透明塊,並且小心地跟蹤透明塊的反應。

 
圖示為根據電腦模型顯示在地震期間逆斷層的上盤(右)如何扭轉遠離下盤(左)。Harsha Bhat

令人驚訝的是,當應力波到達斷層表面時,高速相機在斷層快速閉合前拍攝到它的裂開。相同類型逆斷層地震的類似電腦模擬,證實了他們的懷疑。假設有足夠的能量,這些特定的斷層能夠橫向斷裂,無論它們是與大氣層接觸、還是深埋在水下。

雖然裂開與閉合發生在非常短的時間內,或許不超過幾秒鐘或更短,這讓人聯想到直接在斷層線上生活的城市,比以前所想的更為危險

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當它發生在水下時,如同2011年在日本本州東北地方的地震,這種突然的斷裂很可能比只是一般的逆向運動移動更多的水,最終產生更強大的海嘯。

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來源:IFLScience