北大教授用GPS等技术 还原汶川地震当时景象

汶川要发生类似的地震,能量积蓄需要约4000年左右的时间,非常不幸的是,正是在去年,断层单元的能量积蓄到了发生地震的程度。

 

 

 

图:汶川地震破裂主要发生的北川断裂带,其地表破裂长达240公里,有的断层单元分别出现了4米至7米的断层错开量 □供图/CFP

 

 

 

图:汶川及周边地区的板块构造 供图/CFP

汶川地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失,破坏无比巨大。但是,从科学研究的角度看,此次地震给全世界研究地震的科学家提供了一次非常难得的机会,可以以此为研究对象,探索地震、特别是地震发生的机理,认识其规律,从而有可能增进地震的可预测性。

9月27日,英国的《自然·地球科学》杂志上发表了北京大学地球与空间科学学院沈正康教授和他的研究团队的研究论文。在北京大学地球与空间科学学院办公室里,沈正康教授告诉《北京科技报》:“由于有关地震的研究主要在震后进行,很难准确了解地震发生瞬间的情况,所以,关于汶川地震的研究,科学家首先要研究的是地震发生的一刹那,到底发生了什么。也就是像刑事破案一样,最大可能地还原事发现场的情景。”

迄今为止,许多科学家已经发表了研究汶川地震的成果,初步揭示了地震的发生过程。与前人研究成果相比,沈正康教授认为,自己研究团队的研究成果更为清晰地给出了地震断层的空间结构与地震破裂分布,从而可以更为精确地推断地震发生时的景象。

沈正康教授说,他的研究团队之所以能够还原地震发生时的景象,主要依靠“两件高科技武器”:“全球卫星定位系统(简称GPS)”精确定位技术和“合成孔径雷达”相干分析(简称InSAR)技术。

沈正康教授说,我们都知道GPS技术可以提供定位与导航的功能,但科研人员同时发现它在地震与板块运动研究中的一个特殊用途,就是如果在地表建立GPS的监测台站,接收并分析GPS卫星发来的信号,可以非常精确地得到地表这一点的地理坐标,这个精度可以精确到几毫米的范围,相当于一根筷子的粗细。

如果连续几年不断监测,就可以得到这一点在地表非常精确的运动速度;如果在地球表面建立许许多多这样的GPS监测台站,我们可以得到一个综合的地壳运动地表速度场。

据悉,汶川地震前,我国的相关部门已在包括震源所在地龙门山断裂带在内的一些地震带设置了GPS观测站获取相关的数据。但是,由于种种原因,这些获取数据的时间间隔比较长,二、三年才观测一次,还不具备在震区进行实时观测的能力,也无从获得震前的动态观测数据进行分析。

“既便如此,我们把这些震前设置在汶川附近GPS观测站获取的数据,和我们震后获取的GPS数据进行对比,可以获得由于断层错动造成站点位置永久位移的精确数据,研究这些数据,就可以探索断层空间形态及其错动分布,以及断层带产生地震的机理。”沈正康教授说。

沈正康教授研究团队运用的另外一个高科技武器是“合成孔径雷达干涉”技术(简称InSAR),它主要是利用遥感卫星重复经过特定区域,利用雷达技术获取地面大范围区域精确至厘米级的变形图像。

在获取GPS和InSAR数据后,沈正康教授的研究团队将相关数据经过对比,最后代入他们开发的地震破裂模型中,最终还原出了汶川地震发生时的真实情景:

汶川地震涉及多个地质断层单元,而映秀、北川和南坝这3地附近为不同断层单元的连接交汇部,地震前承受着比其他地方高得多的压力。

2008年5月12日,映秀镇附近的断层首先破裂,第一个交汇部失去稳定,由此产生的地震波带来了多米诺骨牌效应,接连触发另外两个断层,共同释放出巨大的能量,导致汶川大地震的发生。

测量数据表明,这三个断层接近地表处是汶川地震中的断层破裂极大区,是大地扭曲变形最为严重的地方。

汶川地震发生后,中国地震局迅速组织观测队伍勘测地震造成的破坏与地表破裂情况。在震后现场,专家观察到地震形成的地表破裂非常惊人。破裂主要发生的北川断裂带,其地表破裂长达240公里,有的断层单元分别出现了4米至7米的断层错开量。有的断层呈现水平状的错断,比如,有的道路被水平地错开了好几米。另外,有的地方不仅发生水平错断,而且还伴随着垂直方向的错断,地震造成本来在一个水平面上的同一条道路路面被错成高低不平。

“我们研究的结果显示,北面的破裂断层几何结构呈现近垂直形状,南边的断层与地面形成40~60度倾角。”沈正康教授说,最为重要的是破裂断层空间结构也比较复杂,龙门山断裂带中部的两条平行断层——北川断层与彭灌断层同时破裂,且断层在几处产生分叉与交汇。

“就好比我们劈一块木头,一般情况下,我们很容易按照木头本身的纹理将其劈开,地壳中的断层就像木头中的纹理。但是,如果木头上有树疖子的话,我们就需要费很大的力量才能把木头劈开。”沈正康教授形象地比喻说。由于汶川龙门山断裂带内断层产生分叉和交汇,就好比同时有几个树疖子存在,板块之间形成的挤压力,在断层交汇处不能释放,长期积累。当能量蓄积到足够大时,汶川的断层发生突然破裂。

通过对断层释放的能量推断,汶川地震涉及的各个断层中,有的地方地震复发周期只有一两千年,而有的地方却可能数倍于此。由于多个断层单元的相互作用才促成了汶川大地震。总的来说,这一地区再发生类似地震的周期约为4000年。

“也就是说,汶川要发生类似的地震,能量积蓄需要4000年左右的时间,非常不幸的是,正是在去年,断层单元的能量积蓄到了发生地震的程度。”沈正康说。

 

 

(来源:北京科技报 2009-10-15)