圣安德烈亚斯断层中埋藏的线索使地震模型发生重大变化

圣安德烈亚斯断层绵延 750 英里，贯穿整个加州。两大板块——北美板块和太平洋板块——在这里相互挤压。当这些板块崩塌滑动时，生活在上面的人类可能会遭受毁灭性的​​地震。

了解这些地震的关键可能在于断层的危险区，位于旧金山半岛郊区门洛帕克一栋不起眼的办公楼的玻璃墙内。那里是美国地质调查局的区域办事处，负责保管地震灾害数据。在一定程度上要感谢在那栋大楼里工作的地质学家，这个断层是地球上研究最深入的断层之一。

然而，我们对地球表面下如何运作的理解还远未完成。为了拼凑这个谜团，科学家们正在回顾数百万年前的历史。两组人发现的结果——发表在《科学进展》和《地质学》上的两篇论文——可能有助于我们更好地了解地震发生的地点。

模拟山脉如何移动

门洛帕克位于圣克鲁斯山脉的阴影下。这些以葡萄园闻名的山峰如龙脊般崎岖，将硅谷与太平洋分隔开来。

从地质时间上看，这些山脉还处于幼年时期：地质学家认为这些山脉大约在 400 万年前开始隆起。它们坐落在圣安德烈亚斯断层弯曲的“结点”上。地质学家认为，在一系列地震中，弯曲将山脉推向上方。然而，地震究竟是如何导致山脉隆起的，目前仍不清楚。

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幸运的是，湾区的科学家几十年来一直在测量地震并收集岩石样本。尽管并非所有数据都吻合，但它们仍使该地区“成为解答这些问题的首屈一指的天然实验室之一”，斯坦福大学地质学家、 《科学进展》论文作者之一乔治·希利 (George Hilley) 表示。该小组还收集了自己的数据：他们从岩石中取样以检测氦元素，这种元素可以告诉地质学家岩石是在什么温度下形成的，以及形成于多久以前。

利用这些数据，希利、他的研究生之一柯蒂斯·巴登和他们的同事创建了一个计算模型，这是第一个依赖动态物理学的地质模型，用来展示山脉是如何形成的。他们利用工程师使用的软件来研究材料如何承受各种负载。因此，他们的模型可以显示地震导致山脉上升时岩石如何弯曲、断裂和变形。

他们的模拟结果令人吃惊。“至少如果模型可信的话，大部分造山运动实际上可能发生在地震之间，而不是地震期间，”希利说。

在大多数断层中，移动的板块会试图挤过对方。数年、数十年甚至数个世纪以来，它们会默默地不断推挤，在边界处积聚能量。

不可避免地，有些东西会断裂。所有这些能量都会在突然的震动中释放出来：地震。但根据这些模拟，在地震之间，这些能量也可能用于造山。

作者表示，这些模拟的数据可以帮助填补其他观察结果无法匹配的空白。

地震考古的壮举

从湾区向东南方向飞行大约一百英里，到达尖峰国家公园附近的地区，圣安德烈亚斯断层的性质发生了变化。这里的大地震并不像北部或更南部那么常见，那里的断层经过洛杉矶、内陆帝国和棕榈泉。

这是因为圣安德烈亚斯断层的这一部分与其他部分不同。在这里，北美板块和太平洋板块不断相互挤压，但并未形成导致强烈地震的压力。地球物理学家称之为“蠕动”断层。

圣安德烈亚斯中部可能会发生一些相对无害的小型地震，但有记录以来从未发生过大地震——至少在 2000 年内没有发生过。但圣安德烈亚斯中部如今是蠕动断层并不意味着它一直如此。科学家们想剥开岩石，一窥它的过去。

他们依靠的是生物标记：生物体的残留物，被困在岩石记录中，在高温下发生化学转化。这就是石油和天然气的形成方式，化石燃料搜寻者非常熟悉使用生物标记作为搜索工具的想法。

“我们所做的就是将这个想法颠倒过来，”加州大学圣克鲁斯分校的地震学家、地质学论文的作者 Heather Savage 说道。“如果断层带中有一些有机分子，它们在地震期间可能只会经历几秒钟的高温，但温度可能会变得非常高，所以我们仍然应该能看到一些这样的反应发生。”

在地下近 10,500 英尺（3,200 米）深处进行钻探后，这些科学家发现了生物标记，表明该断层曾发生过相当剧烈的历史。这个平静的断层曾被无数次地震所撕裂。这些科学家发现了至少 100 次地震的证据，其中一些地震的震级可能高达里氏 7 级：比加州近期记忆中的 1989 年洛马普里塔地震和 1994 年北岭地震还要强烈。

“据我们所知，直到进行这项研究之前，我们并不知道在蠕动段这么远的地方会发生如此大的地震，”萨维奇说。

这些地震可能发生在几千年到 320 万年前的任何地方；萨维奇和她的同事们现在正在努力确定这些地震的确切日期。但这表明这个断层远没有看上去那么平静。如果它过去能够剧烈断裂，那么它再次剧烈断裂的条件也存在。

从地震学到抗震加固

了解圣安德烈亚斯断层的历史不仅仅是为了描绘出数百万年前地懒和剑齿虎在加州漫游时的景象。该断层横穿北美最大的两个城市地区，其地震使数千万人处于危险之中。

地质学家希望，他们的研究能够在美国地质调查局办公室内为更好地评估地震如何威胁建筑物和生命提供参考。

当地质构造专家评估某一地区的地震危险时，他们会考虑几种不同类型的数据：地球形状的卫星测量数据、过去的地震模式或断层的长期历史。有时——比如今天的圣克鲁斯山脉——这些数据并不一致。希利希望他的团队的模型能够通过展示这些数据如何与相同的过程相关联来调和这些分歧。

而圣安德烈亚斯中部的研究可能会为加州中部的风险模型增添一些细节。“我想我们的工作可以告诉我们，事实上，我们确实看到了地震，并且有证据表明这一地区发生了许多地震，”萨维奇说。