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。部分運動發生在每天有數千人駐足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內在組成部分。基拉韋厄火山的事件是首次明確記錄到的所謂沉默地震之一，這是一種大規模的地球運動，在幾年前科學界還對此一無所知。事實上，如果我在美國地質調查局夏威夷火山觀測站的同事們沒有一直在使用敏感儀器網路來監測火山的活動，我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——對於地震來說，這簡直是龜速。在典型的震動中，斷層相對的兩側會在幾秒鐘內飛速掠過對方——速度足以產生地震波，從而引起地面隆隆作響和震動。
但是，僅僅因為地震發生得緩慢而安靜，並不意味著它無關緊要。我和我的合作研究者們立即意識到，基拉韋厄火山的沉默地震可能是災難的先兆。如果同樣巨大的岩石和碎屑體獲得動量，並以巨大的山體滑坡的形式出現——從火山的其餘部分分離出來並迅速滑入海中——後果將是災難性的。坍塌的物質會將海水推入滔天海嘯，可能會威脅到整個環太平洋地區的沿海城市。地質學家稱之為災難性山體崩塌，這是全球許多島嶼火山周圍潛在的威脅。
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意外的騷動
幸運的是，沉默地震的發現揭示的好訊息多於壞訊息。災難性山體崩塌的可能性很小，而記錄沉默地震的儀器可能會使早期預警成為可能。可能引發沉默滑動的條件的新證據表明了預防山體崩塌的大膽策略。在山體崩塌不是問題的地區，也報告了沉默地震的發生。那裡的沉默地震正在啟發人們改進對震動地面地震的預測方法。
沉默地震及其與災難性山體崩塌之間聯絡的發現，是研究其他潛在自然災害的努力的副產品。破壞性地震和火山是日本和美國太平洋西北地區關注的問題，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 20 世紀 90 年代初開始，地質學家開始在這些地區以及基拉韋厄等活火山的山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 多顆導航衛星組成的星座的訊號，這些儀器可以在任何給定時間以幾毫米的精度測量它們自身在地球表面上的位置。
部署這些 GPS 接收器的科學家們期望看到地球構造板塊外殼的緩慢、持續的運動，以及地震和火山引發的相對快速的運動。當這些儀器探測到與任何已知地震或火山爆發無關的微小地面運動時，他們感到有些驚訝。當研究人員在地圖上繪製地面運動時，所得出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 站點都朝著大致相同的方向移動了幾釐米。如果這個模式花了一年或更長時間才形成，那將不足為奇。在那種情況下，科學家們會知道一種稱為斷層蠕變的緩慢而穩定的過程是罪魁禍首。但是，以每天高達幾釐米的速度，這些神秘事件的速度比蠕變快數百倍。除了相對快速之外，這些沉默地震還與其嘈雜的對應物共享另一個屬性，這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。
當這種突然開始發生在火山島的山坡上時，就會引起對可能發生的災難性山體崩塌事件的擔憂。大多數典型的地震都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如此不穩定，以至於一旦滑動開始，重力會將整個山坡向下拉動，直到它崩解成海底的一堆碎屑。
當反覆爆發的熔岩堆積速度快於侵蝕速度時，基拉韋厄等火山的山坡就會變得陡峭且容易發生此類崩塌。在基拉韋厄火山上發現沉默地震表明，該火山的南翼正在移動——也許正朝著最終的毀滅方向發展。
目前，斷層上的摩擦力就像一個緊急制動器。但重力在過去的許多其他情況下都勝出了。科學家們長期以來一直在聲納影像中看到古代崩塌的證據，這些影像顯示了世界各地火山島周圍淺水區巨大的碎屑場，包括地中海的馬略卡島和北大西洋的加那利群島。在夏威夷群島，地質學家發現了過去五百萬年中發生的 25 次以上的單獨崩塌——在地質時間尺度上只是眨眼之間。
在典型的滑坡中，進入海洋的物質體積是聖海倫斯火山 1980 年爆發期間噴發出的部分的數百倍——足以引發巨大的海嘯。例如，在夏威夷的拉奈島上，地質學家發現了波浪作用的證據，包括豐富的海洋貝殼碎片，海拔高度為 325 米。夏威夷大學馬諾阿分校的加里·麥克默特里和他的同事們得出結論，貝殼最有可能到達如此高聳的位置的方式是在海嘯的波浪中，海嘯沿著夏威夷的一些海岸線達到了驚人的 300 米高度。現代記錄中最高的波浪大多不超過這個尺寸的十分之一。事實上，2004 年 12 月 26 日印度洋海嘯造成 20 多萬人死亡，但“僅”達到了約 20 米。
儘管這樣的事件聽起來可能令人恐懼，但必須在適當的背景下理解這種危害。火山斜坡的災難性崩塌在人類時間尺度上非常罕見——儘管遠比大型小行星或彗星與地球發生破壞性碰撞的可能性更常見。在夏威夷群島，足以產生海嘯的大規模崩塌大約每 10 萬年才發生一次。一些科學家估計，此類事件在全球範圍內每 1 萬年發生一次。由於這種危害一旦發生就具有極大的破壞性，許多科學家都認為值得為此做好準備。
為了探測不穩定火山島內的變形，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 站點網路已經揭示，該火山經歷了斷層蠕變、沉默地震以及大型破壞性典型地震。然而，一些科學家提出，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崩塌——這些堆可能是舊山體崩塌產生的碎屑——這些堆支撐著它的南翼。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。
無論島嶼的具體情況如何，從沉默滑動到突然崩塌的轉變都將涉及移動坡度的突然加速。在最壞的情況下，這種加速將立即以驚人的速度進行，沒有留下早期探測和預警的機會。在最好的情況下，加速將以斷斷續續的方式發生，在一連串的沉默地震中緩慢升級為常規地震，然後升級為災難。連續 GPS 網路可以輕鬆地探測到這種斷斷續續的加速，遠在震動地面的地震開始發生之前，並且如果運氣好的話，有足夠的時間發出有用的海嘯預警。
然而，如果崩塌規模足夠大，那麼幾個小時甚至幾天的預警可能也無濟於事，因為那時疏散所有人將非常困難。這個問題引發了當局是否可能會採取預防措施的問題。原則上，穩定搖搖欲墜的海洋火山側翼的問題是可以解決的。然而，在實踐中，所需的工作量將是巨大的。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，驅動系統走向崩塌的重力勢能就會消失。第二種可能的方法——透過一系列小型地震緩慢降低不穩定側翼——會便宜得多，但充滿了地質未知數和潛在危險。要做到這一點，科學家們可以想象利用目前可能正在驅動基拉韋厄火山沉默地震的因素作為工具來防止崩塌。
在基拉韋厄火山最近一次沉默地震發生前九天，一場暴雨在不到 36 小時內向火山傾瀉了近一米深的水。地質學家早就知道，滲入斷層的水會引發地震，而九天的時間大約與他們估計的水透過基拉韋厄火山破碎的玄武岩中的裂縫和孔隙到達五公里深處所需的時間相同——沉默地震就發生在那裡。我和我的同事們懷疑，上覆岩石的重力使雨水加壓，迫使斷層兩側分開，使其更容易相互滑動。
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引發緩解應力的地震這一有爭議的想法提供了依據，這些地震是緩慢放下側翼所必需的。這種人為誘發的滑動在所有地熱發電廠和其他向地球中泵水的地點都以非常小的規模不斷發生。但是，當涉及到火山時，極大的困難在於將適量的流體放入正確的位置，以免在無意中產生旨在避免的崩塌。一些地球物理學家曾考慮將這種策略作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，因為擔心它會產生的問題多於解決的問題。
水的楔形作用
除了引起人們對火山側翼災難性崩塌現象的關注外，沉默地震的發現還在促使科學家們重新考慮斷層運動的各個方面——包括地震危險評估。在美國太平洋西北地區，調查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沿線觀察到許多沉默地震。這些沉默地震的一個奇怪特徵是它們以規律的間隔發生——事實上，規律到科學家們現在可以成功預測它們的發生。
這種可預測性很可能源於來自俯衝帶下方的水流可能對這些斷層何時何地發生沉默滑動施加重大控制。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，這會釋放出富水礦物中捕獲的大量水，這些富水礦物存在於板塊內部。然後，當來自板塊的一批流體向上執行時，可能會發生沉默地震——當流體透過時，它會稍微鬆開斷層帶，也許允許一些緩慢滑動。
更重要的是，加拿大地質調查局的加里·羅傑斯和赫伯·德拉格特在 2003 年 6 月報告說，這些沉默震顫甚至可能作為該地區一些大型震動地面地震的前兆。由於緩慢滑動發生在深處且以離散的間隔發生，因此它們調節了應力在斷層帶較淺部分累積的速度，而斷層帶較淺部分以斷斷續續的方式移動。在斷層的這個淺層、鎖定的部分，通常需要數年甚至數個世紀才能積累起引發大震所需的應力。然而，羅傑斯和德拉格特認為，沉默滑動可能會極大地加速這種應力的積累，從而增加沉默地震發生後幾周和幾個月內發生常規地震的風險。
沉默地震正在迫使科學家們重新思考世界其他地區的地震預報。日本幾個所謂的地震空區附近的地區——在其他地震活躍地區，常規地震發生次數少於預期的地區——被認為遲早會發生破壞性地震。但是，如果沉默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，那麼危險程度實際上可能比他們想象的要小。同樣，如果在以前被認為不活躍的斷層上發現了沉默滑動，那麼將需要仔細評估這些結構，以確定它們是否也可能發生破壞性地震。
重新思考信條
如果未來的研究表明沉默地震是大多數大型斷層的常見特徵，那麼科學家們必須重新審視關於所有地震的長期以來的信條。例如，對許多不同斷層滑動速度的觀察對試圖用基本物理定律解釋斷層過程的理論家提出了真正的挑戰。現在人們認為，可以用相當簡單的摩擦定律來解釋觀測到的地震的數量和大小。但是，這個定律也能解釋沉默地震嗎？到目前為止，還沒有找到明確的答案，但研究仍在繼續。
沉默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，有時甚至在遠離震源的地方也會造成破壞。沉默地震的存在為科學家們提供了一個全新的角度來研究滑動過程，從而可以詳細研究斷層帶運動的每個階段。
作者彼得·切爾韋利是美國地質調查局阿拉斯加火山觀測站的研究地球物理學家，也是阿拉斯加大學費爾班克斯地球物理研究所的附屬教授。他曾擔任夏威夷火山觀測站的地殼形變專案負責人。切爾韋利在攻讀博士學位期間發現了 2000 年 11 月襲擊基拉韋厄火山南翼的沉默地震，他於 2001 年獲得斯坦福大學博士學位。