欢迎访问同济大学海洋与地球科学学院!

谁搅起了印度洋海啸

时间:2009-09-24浏览:27

板块的威力 

你是否感觉到了板块的运动威力?事实上,那毁灭人类生命财产的火山和地震、给人类带来利益的矿产资源的形成、海陆的变迁、山脉的形成、河流的布局、生命的演化……,地球上很多宏伟的自然现象,都与板块活动有关。

要是大西洋初生时的裂谷稍稍偏西一点,纽约和华盛顿这些地方就将位于大西洋彼岸的撒哈拉大沙漠西缘。要是印度次大陆的漂移改道而行,它旅行的目的地不是亚洲大陆主体,那么,巍峨的喜马拉雅山就不复存在,世界最高峰将不知在何处呢。正是因为印度次大陆与亚洲大陆主体碰撞,才形成了当今的世界屋脊,也才奠定了我国西高东低的地貌大势,发育了源远流长的黄河和长江。

板块活动甚至可以使河水倒流,世界最长的河流——亚马孙河可能就是一例。亚马孙河目前向东注入大西洋,其源头一直伸到南美洲的西缘(靠近太平洋),差不多横贯整个南美洲。据说,当大西洋尚未出世、南美洲与非洲相连的时候,亚马孙河发源于非洲,那时它向西注入太平洋。后来大西洋逐渐张开,特别是在太平洋板块的俯冲作用下,安第斯山于第三纪时急剧隆起,南美洲西端抬升,亚马孙河于是向东倒流,注入大西洋。

在风化剥蚀作用下,大陆将其表层碎屑物质源源不断地输送到洋底。然而,由于板块的活动,大陆却不会永久地失去这些物质。随着洋底板块向两侧扩展移动,岩石碎屑物质终究要被洋底这个不息的传送带运回到大陆边缘地区,或者潜入到大陆边缘地底下。

 让我们设想一下,要是板块曾在几亿年前停止活动的话,那么,山脉将不再升起。在千百万年风雨流水的剥蚀作用下,高山将被夷平,高原将逐渐降低,陆地将慢慢变得像海面一样平,最后整个世界都可能被无情的海水所吞没。在地球上就只剩下水生生物,那就根本谈不上人类的生存和繁衍。 

可见,一个没有板块活动的地球将是不可思议的。 

威力无比的板块活动,移动着大陆,撕开或关闭了大洋,升起了山脉,扩展着陆地。换句话说,板块的活动可以造洋、造山、造陆;而海陆的变迁和山系的形成又会促使气候以致生物环境发生变化。板块活动实际上控制了整个地质、地貌、气候和生物环境的演化,从而最终规定了当今世界的自然地理面貌。 

“指甲速度”何以引发9级地震

这一断层在积聚了300多年的应变能之后突然断裂,导致上千公里长的海底发生强烈错动,就像一只巨手在浴缸底部猛烈地搅动,终使印度洋掀起滔天巨浪,给人类带来了空前的灾难。 

6天前,一场9级大地震激起冲天海啸,席卷东南亚、南亚、非洲12国,波及印度洋东、北、西侧海岸,造成有史以来最大的海啸大劫难。人们不禁要问,这一近40年来最强烈的地震究竟是怎样发生的?

位于苏门答腊岛西南岸外的地震震中恰处在欧亚板块的南缘,印度洋板块(澳大利亚板块)沿印度洋东北缘的爪哇海沟俯冲于苏门答腊、爪哇等岛屿之下,其下潜速度只比一个人手指甲生长的速度稍快,约为6厘米/年,照理不会惹是生非。然而,地球上海沟俯冲带的性质并非千篇一律,有的海沟俯冲带,如马里亚纳海沟,太平洋板块沿其比较顺利地下插至西面的菲律宾海板块之下,这里就很少发生强烈地震;而苏门答腊西南缘海沟俯冲带的“脾气”却不大一样。印度洋板块向北偏东方向斜插下去,它与上覆的欧亚板块之间的接触带是一条向东北方向倾斜的巨型断层带。如果二板块沿这条断层自由地缓缓滑动的话,本不会对人类构成威胁。不幸的是,在深约5~50公里的一段断层带,上、下两侧板块紧紧地耦合在一起;尽管印度洋板块在缓慢下潜,但这一段被称为发震带的断层却被死死卡住了。断层上方的苏门答腊西南缘一带在北移的印度洋板块挤压下,年复一年,积聚起越来越大的应变能,以至于上覆板块前缘遭受向下牵引而弯曲拱起(图二,上)。当应变积累、岩石弯曲程度增大到岩石无法承受时,这段被锁住的断层终于突然断开,发生错动,苏门答腊西南缘地块反弹回到原来的位置,这就意味着一场可怕地震的降临(图二,下)。

有学者提出,在这次地震中,苏门答腊西南缘的小岛可能向西南方向移动了20米。若以6厘米/年的板块俯冲速率计,这一段发震断层已闭锁了300多年,而在强震的刹那间却完成了300多年的板块移动量。积聚了300多年的能量,在地震瞬间释放出来,难怪它会使整个地球颤抖起来,甚至使地球自转稍稍变快,使地轴有所倾斜。而最可怕的是,这一断层的突然断裂,导致上千公里长的海底发生强烈错动,就像一只巨手在浴缸底部猛烈地搅动,终使印度洋掀起滔天巨浪,给人类带来了空前的灾难。

尽管人们对苏门答腊西南缘这类俯冲逆断层型地震的发生过程已有一定程度的认识,通过全球定位系统及各种大地测量手段又可以对板块的移动作出定量的监测,但迄今为止,对于发震断层处弹性应变积累到何时才突然释放(即发生地震),依然是难以预测的。

在北美板块西缘、加拿大与美国交界地区,太平洋东北部的胡安·德富卡板块向东俯冲于北美板块之下。上世纪90年代,通过大地测量业已发现这里的地面正处于弯曲拱起、积累应变状态(相当于图二上图的情景),地震学家早在数年前已警告说,在温哥华、西雅图附近地区,一场大地震正日益迫近。但研究者尚无法提出地震发生的确切时间,不过可以肯定的是,这场大地震发生的时间推得越晚,积蓄的能量就越大,不但地震发生的几率增加了,而且所发生地震的强烈程度也将更大(最近已有学者再度发出警告)。

一项大型国际合作项目——新一轮大洋钻探计划已经作出战略部署,将选择一列板块俯冲带,从海底打一口深钻井,直抵发震断层带,同时在钻井内设置传感器,以长期监测发震带的动态,这对于了解板块间如何耦合,地震如何发生,无疑具有极其重要的意义。 

远洋船只缘何平安无事 

海啸波在深海远洋中传播时,波高不大,波陡也小,常不易察觉,因而海啸一般并不对大洋中的船只造成威胁。 

我国拥有漫长的海岸线。印度洋海啸惨痛的经历不由令人担忧:我国东、南沿海地带会否遭遇海啸的袭击? 

海啸主要由强烈的海底地震引发,这类海啸的发生包含两项基本条件,一是地震须发生在海底,二是地震要有足够的强度,以导致一定规模的海底移位和错动。下图标出了上一世纪发生的42次大于8级的俯冲逆断层型地震的分布,它们均与大洋周边的海沟分布(图三)息息相关。事实上,全球所有地震能量的90%以上是由俯冲带地震释放的;历史上引发海啸的海底大地震,大多发生在板块俯冲边界,即大洋板块俯冲的海沟附近,正是这一地质构造环境,才足以满足以上两个基本条件。  

回顾历史,1896年6月15日日本三陆外海的海底地震(7.6级),发生在日本海沟西缘,系由太平洋板块向西俯冲所引发。这次地震本身未造成重大损失,而引发的海啸吞没了27122人。1960年5月22日智利奥索尔诺附近的大地震(9.5级),位于智利海沟东侧海底,与太平洋东南部的纳兹卡板块向东俯冲有关。这次地震激起的海啸几乎波及整个太平洋沿岸地区,海啸从太平洋东南边缘横跨整个太平洋,抵达西北缘的日本,导致万里以外的日本112人丧生。海啸波在深海远洋中传播时,波高不大,波陡也小,常不易察觉,因而海啸一般并不对大洋中的船只造成威胁(这次印度洋大海啸也未对远洋运输造成重大影响)。当海啸波传至近岸,由于水深急剧变浅,特别是在港湾、河口内,能量集中,波高骤增至10米以上,构成一堵“水墙”,汹涌直扑海岸低地,造成触目惊心的深重灾难。 

我国沿海是否面临海啸威胁 

南海深海底的大洋型地壳沿马尼拉海沟向东俯冲于菲律宾吕宋岛之下,已导致皮纳图博火山大爆发。一旦在这里触发海底地震引起海啸,那么,我国海南、广东、福建、台湾沿海便会受到海啸威胁。密切关注和监测马尼拉海沟,应列为我国海啸预警的重点。

我国位于太平洋西岸,初看起来易于遭遇海啸的袭击,但有史以来却少有确切的海啸记录。这可能与我国几个海域外侧有数道岛链环绕围护有关。但这并不意味着我们就可以高枕无忧。有必要对我国海域外围地震海啸发生的可能性及其对我国的影响作出具体分析和评价。 

日本东侧日本海沟一带为地震海啸频发地区,但通常难以越过日本列岛抵达我国大陆东岸。琉球诸岛之间有相对开阔的水道,其外侧琉球海沟附近若发生强烈的地震海啸,就有可能波及我国海域。所幸的是,琉球海沟类似于马里亚纳海沟,为低应力俯冲带,所以发生逆断层型强震的可能性较小。 

台湾处在岛弧-大陆碰撞边界上,其东侧缺失海沟俯冲带。但自台湾南端向南延至菲律宾吕宋岛西侧,由岛弧-大陆碰撞带逐渐过渡为马尼拉海沟俯冲带。笔者认为,就中国的海啸预警而言,最值得关注的当是这一段板块边界。至于更南面的菲律宾海沟,以及造成这次大海啸的爪哇(或称巽他)海沟俯冲带,由于岛屿的阻隔,在那里引发的海啸通常难以对我国海域造成重大影响。

沿近南北向的马尼拉海沟,南海深海底的大洋型地壳(属欧亚板块)向东俯冲于菲律宾吕宋岛(属菲律宾海板块)之下,这一俯冲激起了强烈的地震火山活动,比如1991年的皮纳图博火山大爆发。地质构造分析表明,马尼拉海沟俯冲带不同于琉球海沟等低应力俯冲带;更重要的是,它并非如一般海沟那样位于菲律宾群岛的东侧,而是坐落在西侧的南海东缘。一旦在这里触发海底地震引起海啸,那么,海南、广东、福建、台湾沿海便会毫无遮拦地暴露于海啸波涛的威胁之下。

海啸波的传播速率常在每小时700~800公里左右,自地震发生至海啸抵达一般有或长或短的一段时间差,而海啸声波又比海啸本身更早到达,因而,海啸灾害并不是不可防备的。例如1960年智利大地震引发海啸时,及时发布的警报使伤亡大为减少。只要建立起海啸预警系统,严密监测有关地区海底地震的发生,利用布设在海域的探测器接收海啸传播的信息,及时、畅通地发布准确的警报,就可以避免或大大减轻海啸带来的损失。从上面的分析可见,重点关注和监测马尼拉海沟至台湾南侧的海底地震,优先在马尼拉海沟西北侧布设海啸探测器,并通过国际性协作组织,建立联合的海啸预警和警报系统,是十分必要的。

板块与地震

全球绝大多数地震都分布在板块边界上,可见板块间的相互作用(撕裂、推挤、摩擦错动等)是地震的基本成因。 

板块边界有三种类型:A.分离型边界,相当于大洋中脊(或称中央海岭);B.汇聚型边界,包括洋缘的海沟和大陆碰撞带;C.转换断层。 

从地震发生的情况还可以看出,地震的分布是很不均匀的,像我国的西藏和台湾、日本等邻近板块边界地区,常常会遭遇地震的袭击,而英国、非洲西部、西伯利亚等板块内部地区却几乎可以高枕无忧。 

板块内部一般地震活动较弱,惟有中国大陆属于例外。我国东面有向西推移的太平洋板块、菲律宾海板块,西南面有印度板块向北东推挤。日本海东缘一条挤压性板块边界使得日本东北部归属于北美板块(参见图一),我国东北、华北地区遭受来自北美板块(日本东北部)向西偏南方向的压应力。 

前几年,中、日两国学者合作,测得上海与东京之间正以每年2厘米的速率相互靠拢,这一结果有力地支持了两地分属于不同板块、二者之间存在着挤压性板块边界的观点。这样,中国大陆处在西南(印度板块)、东南(菲律宾海板块)、东北(北美板块)三面夹击之中,这一全球独一无二的构造环境,使得中国大陆成为板内地震最活跃的地区。但板块活动很少波及的湖南、江西西部、浙江中部等地,仍属于比较安全的地区。 

 “透视”潜入地球内部的板块

近年来兴起的地震层析技术,就像检查身体用的CT技术,可以描绘地球内部的三维结构。右图就是由此得出的一幅图像。可以清晰地看到,原在地球表面,因而温度较低的太平洋板块,其西端已斜插入地球内部。由于岩石的热传导效率极低,进入地幔的大洋板块内部在一定时期仍能保持较低的温度,相应地,其地震波的传播速率较高,从而能在图像中将它鉴别出来。由此可以认为,我们已经“看”到了潜入地球内部的板块。 

从地球断面上的地震层析图像还可以看出,太平洋塔希提岛下方存在着大范围高温区,在那里有超级地幔柱从地幔-地核边界向上涌升,而在日本群岛附近下潜的冷板块在700公里的上、下地幔界面处可能层层相叠,然后一起快速沉落至地幔最深处。这种下降的冷地幔柱与上涌的热地幔柱之间,构成了地球内部大规模的物质对流运动。正是这种对流,驱动着地球表面的刚性岩石圈板块东奔西突,激起了给人类带来深重灾难的地震、海啸和火山活动。 

太平洋西南缘汤加海沟下地震波速度成像,可见到右侧太平洋板块约以45度俯角向西下潜至600多公里深处

板块运动与手指甲的生长速率 

得到共识的大地构造板块学说认为:全球可划分为七大板块和若干面积较小的板块(参见图一)。板块并不是平板状,特别是那些大型板块,宏观上呈球面状,有点像形状不规则的西瓜皮。球面帽盖状的板块贴伏在地幔软流圈上,沿着球面滑动,因而板块运动可以运用球面几何学的方法加以描绘。通过计算,已经定量获得全球各板块运动的速度值。板块的运动速率相当缓慢,以至于我们通常难以觉察到板块或大陆在移动。 

一些板块的移动速率大致相当于一个人手指甲的生长速率,即每天0.1毫米(3.65厘米/年)。运动速度较慢的板块(一般是带有庞大大陆的板块,如欧亚板块),其速度与脚趾甲的生长速度相近,仅为手指甲生长速度的一半或三分之一。移动得特别快的板块,如太平洋板块,其速度可与头发的生长速度相比,约为手指甲生长速度的3倍。

同一板块内部的两点,如北京与上海之间的距离不会随时间发生显著变化;而不同板块上两点之间的距离,通过重复测量应发现有明显的变化。上海与太平洋中夏威夷岛之间,北京与印度新德里之间的距离都会不断缩短,因为两者之间存在着汇聚型边界。纽约与伦敦之间的距离却在增加,因为两者之间展布着分离型边界(大西洋中脊)。

大陆(或板块)是不是真的在漂移,大地测量成果拥有最终的裁决权。20世纪80年代以来,运用甚长基线干涉仪测量几千公里长的距离,误差仅几个毫米。布设两个测点同时接收来自特定星体发出的射电波,根据到达两地极微的时间差,可以计算出两地之间的距离。经过若干年的重复测量,便可以得出距离的变化。现已测出,夏威夷与日本之间正以每年8厘米以上的速率相互靠拢(二者所在板块之间分布着俯冲带),美国马里兰与英国的测站之间则以每年1.7厘米的速率相互分离。全球定位系统也测出全球不同板块之间正以每年1~12厘米的速率发生相对位移。有人说,我们仿佛亲眼见到了大陆漂移。大陆(或板块)漂移已是活生生的事实。

作者简介

金性春,同济大学海洋与地球科学学院教授,长期从事海洋地质与板块构造等领域的教学与研究工作。著有《漂移的大陆》《板块构造学基础》《地球》《大洋钻探与中国地球科学》等著作。其中由上海科技出版社出版的《漂移的大陆》一书被多次再版,曾获全国优秀科普作品奖等奖项。

  日期:2005-01-02 作者:金性春 来源:文汇报

最后更新 (2009-09-24 15:20)

 
返回原图
/