編者注：本文最初發表於《大眾科學》2004年3月刊。
2000年11月初，夏威夷大島經歷了十多年來最大的一次地震。基拉韋厄火山南坡約2000立方公里的區域向海洋傾斜，釋放了相當於5.7級地震的能量。部分運動發生在一個每天有成千上萬的人停下來觀看該島最壯觀的熔岩流的區域下方。然而，當地震發生時，沒有人注意到——甚至地震學家也沒有。如此引人注目的事件怎麼會被忽視呢？
事實證明，震動並非所有地震的固有組成部分。基拉韋厄火山發生的事件是首次明確記錄的所謂“無聲地震”，這是一種大規模的地球運動型別，直到幾年前才被科學界所知。事實上，如果我美國地質調查局夏威夷火山觀測站的同事沒有一直在使用一套靈敏的儀器來監測火山的活動，我就永遠不會發現這次地震。當我最終注意到基拉韋厄火山的南翼沿著地下斷層移動了10釐米時，我也看到這種移動持續了近36個小時——這對於地震來說是龜速。在典型的震動中，斷層的相對兩側會在幾秒鐘內快速掠過，速度足以產生導致地面隆隆作響和震動的地震波。
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但是，僅僅因為地震發生得緩慢而無聲並不意味著它無關緊要。我的合作研究人員和我立即意識到，基拉韋厄火山的無聲地震可能是災難的預兆。如果同樣的大塊岩石和碎屑獲得動量並形成巨大的山體滑坡——與火山的其餘部分分離並迅速滑入海中——後果將是毀滅性的。坍塌的物質會將海水推入高聳的海嘯波中，這些海嘯波可能會威脅到整個太平洋沿岸的沿海城市。地質學家稱之為“災難性側翼破壞”的情況是世界各地許多島嶼火山周圍的潛在威脅。
意外的攪動 幸運的是，無聲地震的發現揭示的好訊息多於壞訊息。災難性側翼破壞的可能性很小，而記錄無聲地震的儀器可能會使早期預警成為可能。可能觸發無聲滑動的條件的新證據表明，可以採取大膽的策略來防止側翼坍塌。在側翼破壞不是問題的地區也報告了無聲地震的發生。在那裡，無聲地震正在啟發人們改進對它們引發地面震動的對應地震的預測方法。
對無聲地震及其與災難性側翼坍塌之間聯絡的發現，是研究其他潛在自然災害的努力的副產品。在日本和美國太平洋西北地區，破壞性地震和火山是一個令人擔憂的問題，在這些地區，構造板塊不斷地沿著所謂的俯衝帶深入地球內部。從 1990 年代初開始，地質學家開始在這些地區和基拉韋厄火山等活火山的斜坡上部署大型的連續記錄全球定位系統 (GPS) 接收器網路。透過接收來自 30 多顆導航衛星的星座的訊號，這些儀器可以在任何給定時間將其自身在地球表面上的位置測量到幾毫米之內。
部署這些 GPS 接收器的科學家預計會看到地球構造板塊外殼的緩慢、持續運動，以及地震和火山引發的相對快速的運動。當這些儀器檢測到與任何已知地震或噴發無關的微小地面運動時，這令人有些驚訝。當研究人員將地面運動繪製在地圖上時，產生的模式非常類似於斷層運動的特徵。換句話說，給定斷層一側的所有 GPS 站點都朝大致相同的方向移動了幾釐米。如果這個模式需要一年或更長的時間才能形成，那就不足為奇了。在這種情況下，科學家會知道，一種稱為斷層蠕變的緩慢而穩定的過程是導致這種情況的原因。但是，這些神秘事件的速度高達每天幾釐米，比蠕變快了數百倍。除了相對的速度之外，這些無聲地震還與它們有聲的對應地震共享另一個屬性，使它們與斷層蠕變區分開來：它們不是穩定的過程，而是突然開始和結束的離散事件。
這種突然的開始，當它發生在火山島的斜坡上時，會引起人們對可能發生的災難性側翼事件的擔憂。大多數典型的地震發生在具有內建制動器的斷層上：一旦試圖相互錯動的兩塊地殼之間的應力得到釋放，運動就會停止。但是，如果重力成為主要驅動力，活動可能不會停止。在最壞的情況下，斷層上方的火山部分變得非常不穩定，以至於一旦滑動開始，重力會將整個山坡向下拉，直到它在海底分解成一堆碎屑。
當重複噴發的熔岩比侵蝕作用更快地堆積起來時，基拉韋厄火山等火山的斜坡會變得陡峭且容易發生這種坍塌。在基拉韋厄火山上發現的無聲地震表明，這座火山的南翼正在移動——也許正朝著最終被摧毀的方向發展。
目前，斷層上的摩擦力就像緊急制動器一樣發揮作用。但是，在過去的許多其他情況下，重力已經獲勝。科學家們長期以來在世界各地火山島周圍的淺水區巨型碎片場的聲納影像中看到了古代坍塌的證據，包括地中海的馬略卡島和大西洋的加那利群島。在夏威夷群島，地質學家發現了過去 500 萬年間發生的 25 多次單獨的坍塌事件——這在地質時間中是轉瞬即逝的。
在典型的滑坡中，進入海洋的物質體積比 1980 年聖海倫火山噴發期間崩塌的部分大數百倍——足以引發巨大的海嘯。例如，在夏威夷的拉奈島上，地質學家發現了海拔 325 米的波浪作用的證據，包括大量的海洋貝殼碎片。夏威夷大學馬諾阿分校的加里·M·麥克默特里和他的同事得出結論，貝殼能夠到達如此高聳位置的最有可能的方式是在海嘯的浪潮中，海嘯沿著一些夏威夷海岸線達到了驚人的 300 米的高度。現代記錄的大多數最高的波浪都只有這個尺寸的十分之一。
為最壞的情況做準備
雖然這樣的事件聽起來很可怕，但必須在適當的背景下理解這種危險。火山斜坡的災難性破壞在人類時間尺度上非常罕見——儘管它比大型小行星或彗星與地球發生破壞性碰撞的可能性更為常見。足以產生海嘯的大型坍塌事件在夏威夷群島某地大約每 100,000 年才會發生一次。一些科學家估計，此類事件在世界範圍內大約每 10,000 年發生一次。由於這種危害在發生時具有極強的破壞性，因此許多科學家都認為值得為此做好準備。
為了探測不穩定的火山島內的變形，連續 GPS 接收器網路已開始部署在印度洋的留尼汪島、維德角群島的福戈島以及加拉帕戈斯群島等地。例如，基拉韋厄火山的 20 多個 GPS 站網路已經顯示，該火山會經歷蠕變、無聲地震以及大型破壞性的典型地震。然而，一些科學家認為，基拉韋厄火山目前可能受到幾個水下泥土和岩石堆的保護而免受災難性坍塌——這些泥土和岩石堆可能是舊側翼坍塌的碎片——它們支撐著該火山的南翼。關於基拉韋厄火山滑動方式的新發現可以很容易地推廣到其他可能沒有類似支撐結構的島嶼火山。
無論一個島嶼的具體情況如何，從無聲滑動到突然坍塌的過渡都將涉及移動斜坡的突然加速。在最壞的情況下，這種加速會立即以極快的速度進行，沒有機會進行早期檢測和預警。在最好的情況下，加速會以斷斷續續的方式發生，在一系列無聲地震中緩慢升級為常規地震，然後再發展為災難。在地面震動地震開始發生之前，並且如果幸運的話，在足夠的時間內發出有用的海嘯預警，連續的 GPS 網路可以很容易地檢測到這種斷斷續續的加速。
然而，如果坍塌的規模足夠大，那麼幾個小時甚至幾天的預警可能不會帶來多少安慰，因為它在那個時候疏散所有人會非常困難。這個問題引發了一個問題，即當局是否有可能實施預防措施。穩定搖搖欲墜的海洋火山側翼的問題原則上是可以解決的。然而，實際上，所需的努力將是巨大的。考慮簡單的蠻力。如果從不穩定火山側翼的上部移除足夠的岩石，那麼至少在幾十萬年內，驅動系統走向坍塌的引力勢能就會消失。第二種可能的方法——透過一系列小型地震緩慢地降低不穩定的側翼——成本會低得多，但卻充滿了地質學上的未知數和潛在的危險。為了做到這一點，科學家們可以想象地利用目前可能正在驅動基拉韋厄火山無聲地震的因素作為防止坍塌的工具。
在基拉韋厄火山最近一次無聲地震發生前九天，一場暴雨在不到 36 小時內給火山帶來了近一米的水。地質學家早就知道，滲入斷層的水會引發地震，而九天大約是他們估計水透過基拉韋厄火山破碎的玄武岩岩石中的裂縫和孔隙向下滲透到 5 公里深度所需的時間——無聲地震就是發生在那裡。我和我的同事懷疑，上覆岩石的壓力使雨水加壓，迫使斷層的兩側分開，使其更容易相互滑過。
這一發現為將水或蒸汽強行注入不穩定側翼底部的斷層以觸發釋放應力的地震的爭議性想法提供了可信度，這些地震是讓其緩慢下降所必需的。這種人為誘發的滑動在所有地熱發電廠和其他將水泵入地下的場所都以非常小的規模發生。
但是，當涉及到火山時，極端的困難在於將適量的液體注入到正確的位置，以免無意中產生旨在避免的坍塌。一些地球物理學家將此策略視為緩解加利福尼亞州臭名昭著的聖安地列斯斷層應力的一種方法，但他們最終放棄了這個想法，因為擔心它會產生比解決的問題更多的問題。
水楔除了提醒人們注意火山側翼災難性坍塌的現象外，無聲地震的發現正迫使科學家重新考慮斷層運動的各個方面，包括地震危險性評估。在美國太平洋西北地區，研究人員在北美板塊和俯衝的胡安·德富卡板塊之間巨大的卡斯卡迪亞斷層帶上觀察到許多無聲地震。這些無聲地震的一個奇特特徵是它們以有規律的間隔發生——事實上，如此有規律，以至於科學家現在能夠成功地預測它們的發生。
這種可預測性很可能源於這樣一個事實：從俯衝帶下方流出的水可能對這些斷層何時何地發生無聲滑動施加重大控制。隨著俯衝板塊向地球深處下沉，它會遇到越來越高的溫度和壓力，從而釋放出大量被困在板塊內富含水的礦物質中的水。當一批來自板塊的流體向上運動時，可能會發生無聲地震——當流體透過時，它會稍微鬆開斷層帶，或許會允許一些緩慢的滑動。
更重要的是，加拿大地質調查局的加里·羅傑斯和赫伯·德拉格特去年六月報告說，這些無聲震顫甚至可能是一些該地區大型、震動地面的震動的先兆。由於緩慢滑動發生在深處且以離散的間隔發生，它們調節了斷層帶較淺部分應力積累的速度，而斷層帶較淺部分會以間歇的方式運動。在這個淺層、鎖定的斷層段，通常需要數年甚至數百年才能積聚引發大震所需的應力。然而，羅傑斯和德拉格特認為，無聲滑動可能會顯著加速這種應力的積累，從而增加無聲地震發生後數週和數月內發生正常地震的風險。
無聲地震也正迫使科學家重新思考世界其他地區的地震預報。在日本一些所謂的地震空白區（在其他地震活動頻繁的地區，發生正常地震的次數少於預期）附近的地區，被認為已經過了發生破壞性震動的“截止日期”。但是，如果無聲滑動一直在緩解這些斷層上的應力，而科學家們沒有意識到這一點，那麼危險程度實際上可能比他們認為的要低。同樣，如果在迄今為止被認為不活躍的斷層上發現無聲滑動，則需要仔細評估這些結構，以確定它們是否也能夠引發破壞性地震。
如果未來的研究表明無聲地震是大多數大型斷層的普遍特徵，那麼科學家們將被迫重新審視關於所有地震的長期教條。例如，對斷層滑動速度的多種觀察結果給試圖用基本物理定律來解釋斷層過程的理論家提出了真正的挑戰。現在人們認為，觀察到的地震的數量和大小可以用一個相當簡單的摩擦定律來解釋。但是，這個定律也能解釋無聲地震嗎？到目前為止，還沒有找到明確的答案，但研究仍在繼續。
無聲地震才剛剛開始進入公眾的詞彙。這些微妙的事件預示著我們對斷層滑動的方式和原因的理解將呈指數級增長。破譯斷層滑動的重要性怎麼強調都不為過，因為當斷層快速滑動時，它們會造成巨大的破壞，有時距離震源很遠。無聲地震的存在為科學家們提供了一個關於滑動過程的全新角度，允許他們詳細研究斷層帶在其運動的每個階段。