俯冲带大地震：地球深处的力量与地质变迁
俯冲带大地震：地球深处的力量与地质变迁
1964年3月27日，美国阿拉斯加州南部威廉王子湾发生了一场震惊世界的地震。这场地震震级高达9.2级，持续时间长达5分钟，是美国历史上震级最高的一次地震，也是全球有现代地震仪器记录以来的第二大震。地震造成大面积的工程设施和建筑物破坏，引发了大规模的冰崩、山崩、地表断裂和泥石流，使距震中160千米以内的铁路、公路、城镇和村庄遭受剧烈破坏。这场地震不仅是一场巨大的自然灾害，更是地质科学研究的一次重大突破。
这场地震使长近1000千米、宽300千米的广阔区域内的地壳产生形变，震中西南320千米的科迪亚克岛被永久性抬升了9米，安克雷奇市东南区域下沉了2.4米。位于威廉王子湾的鲸鱼湾甚至被抬升了两米多。基奈半岛上的一条公路由于沉降被海水淹没。蒙塔古岛克里尔角原本位于威廉王子湾的海底，是一片非常平缓的平坦岩石表面，地震发生后成为此次地震陆地上最大的构造抬升区域。
这场地震为科学家认识和研究地震提供了难得的机遇。地震发生后，科学家采用新的理论体系——板块构造学说来审视这次地震，并借此认识到了板块俯冲的强大威力。事实上，只有板块构造学说中的“俯冲带地震”才能解释这次大地震的发生。此次地震产生了有关俯冲带地震发生机理及其带来的危害的大量数据，使科学家们第一次达成共识：板块错动沿着大型逆冲断层发生，海洋板块向下俯冲，同时密度较小的陆地板块被抬升。
研究发现，大型俯冲带发生地震时，在一定程度上将改变地表形态：在断裂带靠近海的一侧会发生隆起，相反在离断裂带较远的内陆区域则会发生沉降。之后在几十年甚至数个世纪的时间里，随着地球外力和内力的共同作用慢慢恢复至地震前的形态。这种地表形态循环往复的模式在此次阿拉斯加9.2级地震后首次被科学家揭示。
科学家们在震后第一时间到达受灾现场，沿阿拉斯加南部海岸绘制了震后的地形变化图。结果显示：科迪亚克岛和基奈半岛的临海一侧发生了大规模的隆起，最高处达11.58米；部分沿海地区则发生了沉降，最多达2.44米。不仅如此，大地测量研究结果还表明，阿拉斯加沿海大部分区域向海方向推进了至少15米。
除了地震本身，板块俯冲还引发了海啸和火山活动。这次地震及其次生灾害共造成131人遇难，其中122人死于海啸。俯冲带地震的特大推力可以导致海底表面变形，引发海啸，还有一些地震会通过引发水下山体滑坡来引发海啸。阿拉斯加大地震后20分钟左右，威廉王子湾瓦尔迪兹港水下发生山体滑坡，引发海啸，产生的巨浪使直径达24英寸、海拔88至101英尺的树木破碎。当时正值大潮，据记载在瓦尔迪兹港入海口处的海啸波高达30多米。海啸还波及到美洲的太平洋沿岸、夏威夷和日本等国家与地区，造成了不同程度的灾难与损失。
阿拉斯加大多数的火山活动是与板块俯冲相伴生的，阿留申群岛几乎每年都有火山喷发，而俯冲带之外的火山活动则较少，所幸此次地震并没有引起火山喷发。阿拉斯加全新世火山活动分布图显示，俯冲带地震与火山活动之间存在密切联系。
这场地震不仅改变了地表形态，更推动了地质科学的发展。它提供了大量有关俯冲带地震及其造成危害的数据，使人们对相关学科的认识有了实质性的飞跃，使得近半个世纪内的地球科学学科有了重大突破。这是解决板块构造发展理论关键机制的一次重大飞跃，是全球地球科学研究的重大突破。
俯冲带是地球上板块构造活动最为活跃的区域之一。在这里，冷的大洋板片下沉消亡，参与到深部地幔对流中，为全球性板块运动提供关键驱动力，并发育全球最大、最多和最深的地震。这些地震不仅会引起地表震动及海啸、滑坡等次生灾害，同时也“点亮”固体地球深部结构和性质，是研究现今板块构造动力学和地震机理的重要抓手。
在这些地震中，能量释放最多、最强烈的地震发生在40-50公里以浅，最大矩震级可达9.5级，其能量释放量是陆内最大地震的上千倍，也是人类观测史上最强地震。研究表明，俯冲大地震（Mw>8）的能量积累和释放具有上百年的周期性，导致地壳发生显著周期性（包括震间、同震和震后期）形变。这些形变可以通过现代大地测量技术，如全球卫星导航系统（GNSS）和干涉合成孔径雷达（InSAR），以毫米级的精度进行测量，为刻画其时空变化特征、探究其动力学机制提供观测约束。
21世纪以来，通过海底GNSS等新的观测和新的理论研究，已在理解处于不同地震周期子时期的水平形变特征方面取得重要进展，但对于大地震的地震周期形变完整演化过程，还缺乏系统性、框架性认识。另一方面，全球气候变化下的表生过程研究（如海平面上升、地面沉降等），需要更精细的地震形变模型定量分离固体地球垂向形变分量，克服垂向形变观测信噪比相对低、量值相对较小但蕴含物理过程相对复杂等问题，进而深入研究圈层耦合下的表生过程。
针对上述两方面问题和需求，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变重点实验室李绍阳特聘研究员和陈凌研究员在前人工作的基础上，总结俯冲大地震震后四个子时期水平形变特征的最新认识（图1a），并设计仅与时间和空间相关的两个无量纲参数（即地震复发周期与黏弹性松弛时间之比T/tM、发震层厚度与上覆板块弹性厚度之比D/Hc），进而构建由这两个参数控制的普适性黏弹性地震周期模型。该模型预测的地表形变连续时空变化特征能自洽地解释所有水平观测（图1b），证明虽然不同俯冲带现今可能处于地震周期的不同子时期（即图1中的I-IV），但它们都遵循相同的地震周期性演化物理过程，即俯冲大断层周期性锁滑过程及与此耦合的地幔黏弹性松弛过程。基于该普适性模型，研究者进一步预测出时空连续的水平和垂向地震周期形变特征，进而：1）绘制出大地震震后/震间持续时间相图（图2a），发现现今俯冲带观测存在关键时空空白（图2b）；2）揭示3个关键垂向形变特征（图3）及其时空变化（图4），从而提出俯冲带黏弹性地震周期形变及其动力学内涵的新认识。
俯冲大地震之后，俯冲系统在板片俯冲的持续加载下，俯冲带不可避免地从震后期再次向震间期转变（即从I，II到III，IV，图1）。该转变是衡量俯冲系统应力状态（即挤压或拉张状态）、标识系统开始为下一个大地震积累能量、及其相应地震危险性显著增加的重要指标。然而，由于现代仪器观测时间相对较短（通常最长一二十年），该转变很难直接被观测。通过约束不同俯冲带的取值范围，进一步模拟水平形变的时空演化（如图1b），从而预测这些俯冲带的震后期/震间期相对时长tB（图2a）。结果显示，俯冲大地震（Mw>8）震后期约为0.2-0.4倍的平均地震复发时长，该时期相同震级大地震的发震危险低，为全球俯冲带的长期地震危险性规划提供指导。另外，通过对比典型俯冲带形变观测的时空范围，对比参考模型结果，发现现今俯冲带形变观测有3个关键的时空空白（图2b，Gap 1-3）。该图像在整体对比不同俯冲带地壳形变异同、指导不同俯冲带未来仪器布设、并展望填补数据空白后解决的关键地震周期科学问题等方面具有重要意义。
由于垂向形变信号弱、信噪比低、物理过程复杂，俯冲带垂向地震周期形变的时空变化图像还远不清楚。基于上述普适性模型，研究者选择俯冲断层闭锁相对较浅的（D/Hc≈0.5）北美西部Cascadia和闭锁相对较深的（D/Hc≈1.0）日本西南部Nankai俯冲带为典型案例着重展示（图3a、图3b）。两者未来都有大震的危险性，且研究程度相对较高，因此具有较强科学和社会价值，且具有推广意义。研究发现两者垂向黏弹性地震周期形变具有明显的相似性和差异性，并揭示海岸线附近的沉降-抬升边界（CPL）、位于断层闭锁下边界上方的抬升区（UZ）、和弧后区的抬升-沉降边界(IPL)或沉降区（SSZ）等3个共同的垂向形变特征（图3c、图3d）。这些特征与两个俯冲带现今GNSS垂向速度场有很好的一一对应关系，证明垂向和水平向形变观测受控于共同的黏弹性地震周期动力学过程。该结果纠正了以往的一些认识，将引发学界进一步研究。例如，有研究认为Cascadia弧后现今沉降信号（SSZ）完全来自上次冰川消融后的地幔冰后回弹过程，而无俯冲带地震周期的贡献。
研究者进一步系统研究了对上述3个垂向特征时空变化的控制作用，结果显示：1）CPL的迁移速率主要受控于D/Hc，而与T/tM关系不大；2）UZ的时空演化特征主要受控于T/tM，而与D/Hc关系不大；3）IPL/SSZ的时空演化特征同时受控于T/tM和D/Hc。这些发现为理解俯冲带地震周期的完整演化过程提供了新的视角，也为预测未来地震风险提供了科学依据。
俯冲带地震的研究不仅揭示了地球内部的奥秘，也为防灾减灾提供了重要的科学依据。通过监测地壳形变，科学家可以预测地震周期，评估地震风险，为人类社会的可持续发展提供保障。随着科技的进步，我们相信对俯冲带地震的认识将更加深入，人类应对自然灾害的能力也将不断提高。