几十年来，地震专家梦想着能够预测世界下一次灾难性地震的时间和地点。但到了 1990 年代初期，地震多发断层的行为已被证明非常复杂，以至于他们不得不得出结论，认为地球上最大的震动是孤立的、随机的且完全不可预测的。大多数地震学家现在认为，一旦大地震及其预期的余震造成破坏，断层将保持平静，直到地球地壳中的应力有时间重建，通常需要数百年或数千年。最近的一项发现——地震以以前从未想象过的方式相互作用——正开始推翻这一假设。
这一见解证实了一种观点，即大地震会减轻某些地区的应力——从而降低第二次大震动的可能性。但它也表明，沿着断层其他地方或附近断层上发生后续地震的可能性实际上可能会跃升三倍之多。对于那些必须随时准备提供紧急服务的人员，或为保险费定价的人员来说，这些更精确的预测对于确定他们的哪些选民最容易受到伤害至关重要。
这种被称为应力触发的假设的核心是认识到，断层对邻近断层的移动和震动所产生的细微应力异常敏感。通过借鉴过去的震动记录和对断层行为的新颖计算，我的同事和我了解到，地震期间释放的应力不会简单地消散；相反，它会沿着断层移动并集中在附近的地点。这种应力的跃升会促使后续的震动。事实上，自 1992 年以来对大约二十几个断层的研究使我们中的许多人确信，即使应力膨胀量仅为给汽车轮胎充气所需压力的八分之一，也可能触发地震。
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直到最近，人们才认为大型地震之间存在如此微妙的因果关系——并且从未在地震预报中发挥作用。因此，许多科学家对接受这种作为新预报方法的基础持怀疑态度是可以理解的。然而，应力触发假设通过其解释加利福尼亚州、日本和土耳其发生的几次破坏性地震之后地震的位置和频率的能力，持续获得可信度。为这类灾难提供更好预警的希望是我们不断探索解释地震之间这些意外对话的主要动机。
余震被忽视
与几乎普遍认为大地震是随机发生的理论相矛盾，从一开始就具有挑战性——特别是考虑到数百名科学家徒劳地寻找了三十多年，以期在全球地震活动或地震活动中找到可预测的模式。一些研究人员寻找小震动频率的变化，或使用灵敏的仪器测量地球地壳，因为它以肉眼看不见的距离倾斜、伸展和迁移。其他人则追踪地下气体、液体和电磁能量的运动，或监测岩石中的微小裂缝，以观察它们是否在大地震前张开或闭合。无论研究人员检查什么，他们都发现从一次大地震到另一次大地震几乎没有一致性。
尽管存在这种差异，历史记录证实，世界上大约三分之一的记录到的震动——所谓的余震——在空间和时间上聚集。所有真正的余震都被认为发生在主震期间滑动的断层段的某个位置。根据日本地震学家大森房吉于 1894 年首次进行的观测，余震的发生时间也遵循例行模式，此后发展成为称为大森定律的基本原理。余震在主震后立即最为丰富。十天后，余震率降至初始率的 10%，100 天后降至 1%，依此类推。这种地震活动的预测性跳跃和衰减意味着初始震动会以提高后续震动前景的方式改变地球地壳，这与地震在时间上随机发生的观点相矛盾。但是，由于余震通常小于科学家希望能够预测的最具破坏性的地震，因此长期以来它们被忽视为解锁地震活动秘密的关键。
一旦将余震抛在一边，剩下的震动确实显得——至少乍一看——是随机的。但是，为什么要忽略最可预测的地震来证明其余的地震是无序的呢？我的同事和我决定转而寻找是什么使余震如此规律。我们从世界上地震活动最活跃的地区之一——贯穿加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层系统开始我们的搜索。从当地地震和余震记录中，我们知道，在 7.3 级地震发生后的第二天，100 公里范围内再次发生大地震的可能性接近 67%——是其他任何一天的可能性的 20,000 倍。第一次震动以某种方式极大地增加了后续震动的几率，但究竟是什么原因呢？
这种概率的大幅跃升解释了为什么 1992 年 6 月当加利福尼亚州南部大熊镇附近发生 6.5 级地震，而 7.3 级地震发生在 40 公里外的兰德斯附近仅三个小时后，没有人最初感到惊讶。（幸运的是，这两次事件都发生在人口稀少的沙漠中，洛杉矶毫发无损。）但与普遍看法令人费解的矛盾之处在于，大熊地震发生在远离兰德斯震动期间滑动的断层的地方。大熊在时间上符合余震的特征，但在位置上不符合。我们怀疑其神秘的位置可能蕴藏着我们正在寻找的线索。
通过绘制兰德斯、大熊和加利福尼亚州数百次其他地震的位置，我的同事和我开始注意到分布的显着模式，不仅包括真正的余震，还包括在主震后几天、几周甚至几年发生的其他较小地震。就像神秘的大熊事件一样，绝大多数这些后续震动都倾向于聚集在远离地震期间滑动的断层的地方，因此也远离了余震应该发生的地点 [参见第 88 页的方框]。我们推断，如果我们能够确定控制这种模式的因素，那么相同的特征也可能适用于主震本身。如果事实证明如此，我们可能很快就会开发出一种新的地震预报策略。
触发器和阴影
我们首先研究大地震后地球地壳内部的变化，大地震释放了随着地球移动的构造板块相互研磨而缓慢积累的一些应力。例如，沿着圣安德烈亚斯断层，携带北美洲的板块相对于位于太平洋下方的板块向南移动。当两侧朝相反方向移动时，会产生平行于断层面的剪切应力；当断层两侧的岩石相互挤压时，它们会产生垂直于断层面的第二种应力。当剪切应力超过断层上的摩擦阻力，或者当将断层两侧压在一起的应力减轻时，两侧的岩石会突然相互滑动，以地震的形式释放出巨大的能量。库仑应力的两个分量（加在一起称为库仑应力）沿着断层滑动的部分减小。但是，由于应力不会简单地消失，我们知道它必须重新分布到同一断层上的其他点或附近的断层。我们还怀疑，库仑应力的增加可能足以触发这些新位置的地震。
地球物理学家多年来一直在计算库仑应力，但科学家们从未用它们来解释地震活动。他们的理由很简单：他们认为变化太小，不足以产生影响。事实上，传递的应力通常非常小——小于 3.0 巴，或者最多为断层在地震期间通常经历的总应力变化的 10%。我怀疑这是否足以触发断层发生断裂。但是，当巴黎地球物理研究所的杰弗里·金、马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的林建和我计算了南加利福尼亚州主要地震后应力增加的区域时，我们惊讶地发现，增加量——尽管很小——与后续震动聚集的地点明显匹配。这种相关性的含义是明确无误的：应力升高的区域将容纳大多数后续地震，无论大小。我们还开始看到同样令人震惊的事情：应力的少量减少可能会抑制未来的震动。在我们的地图上，地震活动在这些所谓的应力阴影中骤降。
库仑应力分析很好地解释了过去某些地震的位置，但更重要的检验是看看我们是否可以使用这项新技术可靠地预测未来地震的地点。八年前，我与美国地质调查局的地球物理学家詹姆斯·H·迪特里希和当时在伊斯坦布尔技术大学的地质学家艾库特·A·巴尔卡一起评估了土耳其的北安纳托利亚断层，这是世界上人口最稠密的断层带之一。根据我们对过去地震导致库仑应力升高的位置的计算，我们估计在 1997 年至 2027 年之间的某个时间，伊兹密特市附近的断层段发生 7 级或更高级别地震的可能性为 12%。这看起来似乎是很低的几率，但相比之下，1,000 公里长断层的所有其他段的计算几率仅为 1% 到 2%。
我们不必等待太久就能得到证实。1999 年 8 月，一场 7.4 级地震袭击了伊兹密特，造成 25,000 人丧生，财产损失超过 65 亿美元。但这起地震仅仅是自 1939 年以来袭击北安纳托利亚断层的 12 次大地震中多米诺骨牌式序列中的最新一次。在一个特别残酷的五年期间，断层完全有 700 公里的长度在四次致命的西向震动中滑动。我们怀疑，超出每次破裂末端的应力传递触发了随后的地震，包括伊兹密特地震。
1999 年 11 月，第 13 张多米诺骨牌倒塌了。一些从伊兹密特附近断层段转移出来的库仑应力触发了 7.1 级地震，震中位于以东约 100 公里的杜兹杰镇附近。幸运的是，巴尔卡计算了伊兹密特地震造成的应力增加，并在两个月前在《科学》杂志上发表了。巴尔卡的公告鼓舞了工程师们关闭杜兹杰被第一次震动轻微损坏的校舍，尽管学校官员恳求说学生们无处可去上课。其中一些建筑物在 11 月的地震中被夷为平地。
如果美国地质调查局的帕森斯、日本活断层研究中心的户田慎司、巴尔卡、迪特里希和我的后续计算是正确的，那么这可能不是伊兹密特地震余波的最后一次。在那次地震期间转移的应力也使未来几年伊斯坦布尔附近发生强烈震动的可能性从每年 2% 增加到 4%。在未来 30 年内，我们估计发生大地震的几率为 62%；如果我们假设大地震是随机发生的，那么几率仅为 20% [参见对面页面的方框]。
应力触发假设在带来一些安慰的同时，也带来了一些厄运和悲观。当某些地区对地震发出高度警报时，其他地区的危险必然会降低。在土耳其，相对于伊斯坦布尔，关注度降低的地区恰好人口稀少。但有时情况恰恰相反。最引人注目的例子之一是旧金山湾区自 1906 年 7.9 级大地震以来地震活动相对匮乏，该地区现在是 600 万人的家园。我的美国地质调查局同事露丝·A·哈里斯和罗伯特·W·辛普森在 1998 年进行的一项分析表明，1906 年地震的应力阴影落在湾区圣安德烈亚斯断层的几条平行分支上，而应力增加发生在更北和更南的地方。这可以解释为什么与 1906 年之前的 75 年相比，湾区破坏性地震的发生率下降了一个数量级。据计算，随着断层应力的重建，湾区的地震活动将缓慢地从这种阴影中浮现出来；1989 年洛马普里塔地震造成的公路坍塌和其他破坏——以及自 2000 年以来沿海沃德、罗杰斯克里克和卡拉维拉斯断层发生的一系列小地震——可能是这种复苏的先兆。
支持该假设
对土耳其和南加利福尼亚州地震的检查加强了我们的主张，即即使是微小的应力变化也可能产生重大影响，既能平静也能带来灾难。但是，尽管我们有越来越多的例子来支持这一观点，但一个关键点很难解释：我们检查的地震中大约有四分之一发生在应力降低的区域。我们的持怀疑态度的同事很容易辩称，阴影区不应发生任何地震活动，因为主震至少会减轻一些应力，从而使这些断层段进一步远离断裂。我们现在有了一个答案。地震活动永远不会在阴影区完全停止，也不会在触发区完全开启。相反，地震活动的速率——单位时间内地震的数量——只是相对于该地区之前的速率，在阴影区下降，在触发区攀升。
我们将应力触发的这种有说服力的扩展归功于迪特里希在 1994 年提出的理论。该理论被称为速率/状态摩擦，它抛弃了将摩擦视为一种只能在两个值之间变化的舒适概念——材料静止时摩擦力高，滑动时摩擦力较低。相反，随着断层沿线运动速率的变化以及运动历史或状态的演变，断层可能会变得更粘或更滑。这些结论源于实验室实验，在实验中，迪特里希的团队将一个微型断层锯入一块大众汽车大小的花岗岩板中，并触发了微小的地震。
当使用摩擦作为变量而不是固定值来计算地震行为时，很明显，大森定律不仅是所谓余震的基本属性，而且是所有地震的基本属性。该定律预测震动率将首先跳跃，然后随着时间推移而减少，这解释了为什么一个区域不会永远保持应力增加导致的较高地震活动率。但这只是故事的一半。迪特里希的理论揭示了大森定律完全遗漏的地震活动特征。在主震减轻应力的区域，地震活动率立即骤降，但会以可预测的方式缓慢恢复到震前值。这些点可能看起来很微妙，但速率/状态摩擦使我们首次能够预测地震活动的跳跃或下降将如何随时间变化。当仅计算库仑应力时，我们可以定义新地震的大概位置，但不能定义其发生时间。
我们关于应力触发地震的位置和时间的初步想法在 2005 年发表的一项全球研究中得到了进一步证实。帕森斯考虑了过去 25 年全球发生的 100 多次 7 级或更高级别地震，然后检查了每次 7 级地震 250 公里范围内发生的所有后续至少 5 级地震。在这份清单中的 2,000 多次震动中，有 61% 发生在先前震动增加了应力的地点，即使增加量很小。这些触发的震动中很少有足够接近主震以被视为余震，并且在所有情况下，这些触发的震动的速率都在速率/状态摩擦和大森定律预测的时间段内下降。
现在我们定期将速率/状态摩擦的概念纳入我们的地震分析中，我们已经开始发现比单独的库仑应力分析所能阐明的更复杂的地震相互作用示例。直到最近，我们还只解释了相对简单的情况，例如加利福尼亚州和土耳其的情况，在这些情况下，大地震刺激了某些地区的地震活动，并使另一些地区的地震活动变得迟缓。我们知道，应力触发假设更有说服力的例子是，连续的、大小相似的震动被认为在同一地点上下调节地震频率，就像电灯上的调光开关一样。
户田和我发现了一个这种现象的壮观例子，我们称之为切换地震活动。2002 年，我们开始分析 1997 年在日本鹿儿岛发生的异常一对 6.5 级地震。在 3 月份发生的第一次地震之后，地震活动突然爆发，出现在断层失效段西端以外的 25 平方公里区域内。当我们计算出最初的地震传递应力的地方时，我们发现它落在与地震活动增强的区域相同的区域内。我们还发现，速率立即开始衰减，正如速率/状态摩擦预测的那样。但是，当第二次震动在七周后仅向南三公里处发生时，地震活动增强的区域经历了突然的额外下降，降幅超过 85%。在这种情况下，第一次地震的触发区落入了第二次地震的阴影区。换句话说，第一次地震调高了地震活动，第二次地震又将其调低。
新一代预报
窃听地震之间的对话至少揭示了地震活动是高度互动的。尽管应力传递以外的现象可能会影响这些相互作用，但我的同事和我相信，现有足够的证据来保证彻底改革传统的概率地震预报。通过改进危险震动的可能性以反映应力的细微跳跃和下降，这些新的评估将帮助政府、保险业和公众更好地评估其地震风险。传统的策略已经可以在一定程度上确定优先顺序，推动加强某些城市或地区的建筑物和其他预防措施，而牺牲其他城市或地区。但我们的分析表明，考虑到应力触发，与仅使用传统方法相比，会将不同的断层提升到高度警报列表的顶部。同样，传统实践认为危险的断层实际上可能风险要低得多。
无论考虑哪些因素，机会在大地震是否发生中都起着巨大的作用，就像特定天气模式是否会产生暴雨一样。气象学家相对于地震科学家的优势在于，他们获得了数百万个有助于改进其预测的关键测量值。
这就是为什么我的团队正在为伊斯坦布尔、兰德斯、旧金山和神户等易发生震动的城市附近的特大地震建立预测清单。我们还在为南加利福尼亚州 [参见第 83 页的插图] 和东京进行评估，那里发生大地震可能会造成巨大的生命损失和万亿美元的破坏。
2004 年 12 月 26 日的印度尼西亚地震提醒我们，当特大地震引发大海啸时，其死亡人数可能会远远超出强烈震动的范围。这场灾难性地震也留下了地震遗产：沿着印度尼西亚的苏门答腊断层和与之平行的巽他海沟，库仑应力大幅增加。为了说明应力触发假设如何在地震预报中发挥作用，我的同事约翰·麦克洛斯基、苏莱曼·S·纳尔班特和北爱尔兰阿尔斯特大学的桑迪·斯蒂西在 2005 年 3 月 17 日的《自然》杂志上警告说，这些应力可能会在这些断层中的任何一个上引发另一次特大地震。仅仅 11 天后，巽他海沟发生 8.7 级地震。
最终，任何概率预报在多大程度上能够保护人民和财产仍然是不确定的。但科学家们有充分的理由继续追求这个梦想：数亿人生活和工作在世界上最活跃的断层带沿线。考虑到其中利害攸关，应力触发——或任何其他有可能提高破坏性地震几率的现象——都不应被忽视。
作者 罗斯·S·斯坦 是美国地质调查局加利福尼亚州门洛帕克地震灾害小组的地球物理学家。他于 1981 年加入该调查局，此前于 1980 年在斯坦福大学获得博士学位。斯坦的研究一直致力于提高科学家评估地震灾害的能力，并获得了美国机构（如外国灾害援助办公室）和包括欧洲保险公司瑞士再保险在内的私营公司的资助。对于本文概述的工作，斯坦获得了美国地质调查局 2000 年的尤金·M·休梅克杰出成就奖。他还于 2001 年在美国地球物理联合会年会上发表了地球物理学前沿讲座的结果。斯坦曾出现在多部电视纪录片中，包括《大地震：土耳其》（学习频道，2001 年）和 2004 年 IMAX 电影《自然的力量》。