最大的谜团：地震时地球内部发生了什么？

编者按：2008年5月12日14时28分，是所有中国人应该铭记一生的时刻。一年前的那场灾难，每一位中国人的内心都感受到了震颤：母亲失去了孩子、妻子失去了丈夫、学生失去了老师……地震展示了自然冷酷、不可捉摸的一面，带来情感上巨大冲击的同时，也促使我们再次审视生命的价值。

时隔一载，回首汶川，悲痛依然久久不能散去。在汶川地震发生一周年之际，编辑部特别策划了《汶川一周年：关于地震》这个专题。本专题共有6篇文章，国内外学者和专家结合一些具体的实例，从各个角度谈到了地震的历史、成因、地震学研究的进展以及汶川地震的震情、板块构造等内容，从专业的角度对地震的分布特征和成因做了深入分析和解释。此外，专题还就有关地震的种种流言做了剖析，希望我们能用科学的知识去应对这个“不仁慈”的自然。

最后我们想说：雄起，汶川!

当发生较大的地震时，专家们可以解释其开始的准确位置，涉及什么类型的断层，甚至可以预测余震将持续多长时间。但是，有个奇怪的事实是，对于地震时地球内部究竟发生了什么情况，地震学家和地球物理学家都十分不确定。

在过去的10年中，通过实验室实验、更多理论以及对已发掘断层的现场研究得出了一些新观点，使得地震物理学经历了一次变革。但是，对于阻止断层运动然后使其突然崩溃的力量的性质和发生机理，专家们仍然不得而知。而且，至今也没有什么证据能证明，当断层真的运动时会产生如实验室中看到的极高等级的摩擦和熔化现象。

加利福尼亚理工学院的地球物理学家汤姆·海顿说：“有许多证据让我们相信发生了一些怪异的事情。地震时摩擦滑动的问题是所有地球科学中最基本的问题之一，在有关地震的基本物理问题中，这是一个困扰了人们30年的谜团。”

轻度地震

大多数地震发生在各个构造板块相互接触和滑动的地方。当移动的摩擦应力超过岩石的强度而导致在断层线上出现崩溃时，地壳随即发生剧烈位移，导致弹性应变能量的释放；这种能量以冲击波的形式传播，从而形成地震。海顿认为，这里面最关键的问题之一就是这种能量究竟强大到什么程度。

例如，一些科学家认为他们已经想出如何在实验室中模拟小型地震。但是，当他们将实验室中观测到的能量按照实际断层的大小进行放大时，实验模型预测出断层上会出现大范围的熔化现象。而且，此类模型所预测的破坏远远超过2008年发生在秘鲁的导致500余人死亡的地震，还有2005年导致近8万人死亡的巴基斯坦地震和2004年苏门答腊海岸附近导致25万余人死亡的地震。

海顿说：“地震的强烈程度可能足以使任何生物葬身其中。”但是，他认为实际上至今还没能模拟出一次接近真实地震的实验结果。

仪器设计的问题

之所以会出现这种情况，部分是因为这样一个事实：要制造一台模拟地震期间地下数千米范围内所发生情况的实验室仪器非常困难。这些情况包括高应力、高压力、高温和大约每秒1米的滑动速度(大致为我们走路的速度)。

美国布朗大学的岩石力学专家戴维德·戈尔斯帕和他的同事已经设计出可以对岩石试样施加地震级高应力的仪器，用以研究地球深处的摩擦活动。他说：“我们施加的标准应力可以达到在整个地震带大约10千米深度位置上出现的等级。”虽然这对于地震科学是影响深远而又非常重要的一件事，但是戈尔斯帕认为仍有许多问题还没有解决，因为地球内部发生的情况在等级和物理原理上非常奇特。戈尔斯帕说：“世界上还没有任何装置能够符合所有这些标准。”

正常的摩擦

在地面上，摩擦是一种与运动对抗的稳定力量。像人们搓冰冷的手一样，摩擦会产生热量，并随着你在对象上施加的应力增加而增加。因此，断层滑动期间的热量会随着地球深度的增加而增加，所以理论上岩石就必然在其接触的位置上熔化。但其实在地下，两块巨大、坚硬和受重压的岩石板块在地震期间通常会出现一块滑动越过另一块的情形，因此岩石并不会熔化。戈尔斯帕说，这很不可思议，有可能是因为摩擦以及由此产生的热量比我们预计的要小得多。

海顿认为，当两块岩石没有什么相对运动时，它们之间的摩擦力就达到高峰；当地震发生岩石快速移动时，它们之间的摩擦力就骤降至零；当岩石移动慢下来之后，摩擦力又再次达到高峰。他认为地震期间摩擦作用的这种怪异特性可能就是几乎不发生熔化现象的原因。当岩石快速移动时摩擦力很小，所产生的热量也很小，因此也就不会出现可探测到的熔化现象。不过海顿认为，出现这种情况可能还因为有一些其他机制牵涉其中。

还有一种解释是急剧加热。这种理论认为各个断层由非常大的力量保持在原位，一旦断层开始滑动，假如滑动速度足够快的话，它们在微观接触点上会变得非常光滑，就像在冰面和冰刀间的情况一样。海顿说，在这种情况下会产生一些热量，但只是一种零摩擦、等离子体的高热气体，而不会产生可探测到的熔化物质。当断层移动慢下来时，它们就再次紧密地粘在一起。

戈尔斯帕说，还有一种观点认为在岩石滑动期间受压水可以降低断层上的应力，从而减小摩擦。这时断层就像在一个蒸汽垫子上，使得断层滑动时摩擦力较小，且岩石热量不会达到熔点。

地毯上的波纹

海顿说，地震中最关键的问题实际上并不是它们开始的位置，而是断裂扩散的方式，以及与地震期间摩擦作用的怪异特性密切相关的一些问题。在一篇论文中，他描述了这种断层的特性：最快的滑动速度出现在滑动的最前端，像地毯上的波纹一样快速穿过地球表面。

海顿说，我们已经清楚摩擦处于那些滑动脉冲之中。他说：“脉冲中的滑动取决于摩擦力。事实上，不管发生的滑动有多快，摩擦都能转移。这是一个数学问题，一个正回馈系统，它们是极不稳定的。如果你知道一个脉冲会有多大，就可以预测到地震的等级，但是地震期间摩擦作用的怪异特性使所有这些预测都不尽如人意。”

另外，戈尔斯帕说，地震物理学领域的革命已经产生了一些新的观点。他说：“未来10年内我们将了解到关于地震发生方式的更多知识，对于这一点我不仅怀有希望而且还很确信。这些知识将帮助我们了解如何减轻地震的破坏作用，还可能在某一天让我们探测到地震前兆。”

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