2000年11月初，夏威夷大岛经历了十多年来最大的一次地震。基拉韦厄火山南坡约2000立方公里的区域向海洋倾斜，释放了相当于5.7级地震的能量。部分运动发生在每天有数千人驻足观看该岛最壮观的熔岩流的区域下方。然而，当地震发生时，没有人注意到——甚至地震学家也没有。
如此引人注目的事件怎么会被忽视呢？事实证明，震动并非所有地震的内在组成部分。基拉韦厄火山的事件是首次明确记录到的所谓沉默地震之一，这是一种大规模的地球运动，在几年前科学界还对此一无所知。事实上，如果我在美国地质调查局夏威夷火山观测站的同事们没有一直在使用敏感仪器网络来监测火山的活动，我永远不会发现这次地震。当我最终注意到基拉韦厄火山的南翼沿着地下断层移动了10厘米时，我也看到这种移动持续了近36个小时——对于地震来说，这简直是龟速。在典型的震动中，断层相对的两侧会在几秒钟内飞速掠过对方——速度足以产生地震波，从而引起地面隆隆作响和震动。
但是，仅仅因为地震发生得缓慢而安静，并不意味着它无关紧要。我和我的合作研究者们立即意识到，基拉韦厄火山的沉默地震可能是灾难的先兆。如果同样巨大的岩石和碎屑体获得动量，并以巨大的山体滑坡的形式出现——从火山的其余部分分离出来并迅速滑入海中——后果将是灾难性的。坍塌的物质会将海水推入滔天海啸，可能会威胁到整个环太平洋地区的沿海城市。地质学家称之为灾难性山体崩塌，这是全球许多岛屿火山周围潜在的威胁。
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意外的骚动
幸运的是，沉默地震的发现揭示的好消息多于坏消息。灾难性山体崩塌的可能性很小，而记录沉默地震的仪器可能会使早期预警成为可能。可能引发沉默滑动的条件的新证据表明了预防山体崩塌的大胆策略。在山体崩塌不是问题的地区，也报告了沉默地震的发生。那里的沉默地震正在启发人们改进对震动地面地震的预测方法。
沉默地震及其与灾难性山体崩塌之间联系的发现，是研究其他潜在自然灾害的努力的副产品。破坏性地震和火山是日本和美国太平洋西北地区关注的问题，在这些地区，构造板块不断地沿着所谓的俯冲带深入地球内部。从 20 世纪 90 年代初开始，地质学家开始在这些地区以及基拉韦厄等活火山的山坡上部署大型的连续记录全球定位系统 (GPS) 接收器网络。通过接收来自 30 多颗导航卫星组成的星座的信号，这些仪器可以在任何给定时间以几毫米的精度测量它们自身在地球表面上的位置。
部署这些 GPS 接收器的科学家们期望看到地球构造板块外壳的缓慢、持续的运动，以及地震和火山引发的相对快速的运动。当这些仪器探测到与任何已知地震或火山爆发无关的微小地面运动时，他们感到有些惊讶。当研究人员在地图上绘制地面运动时，所得出的模式非常类似于断层运动的特征。换句话说，给定断层一侧的所有 GPS 站点都朝着大致相同的方向移动了几厘米。如果这个模式花了一年或更长时间才形成，那将不足为奇。在那种情况下，科学家们会知道一种称为断层蠕变的缓慢而稳定的过程是罪魁祸首。但是，以每天高达几厘米的速度，这些神秘事件的速度比蠕变快数百倍。除了相对快速之外，这些沉默地震还与其嘈杂的对应物共享另一个属性，这使它们与断层蠕变区分开来：它们不是稳定的过程，而是突然开始和结束的离散事件。
当这种突然开始发生在火山岛的山坡上时，就会引起对可能发生的灾难性山体崩塌事件的担忧。大多数典型的地震都发生在具有内置制动器的断层上：一旦试图相互错动的两块地壳之间的应力得到释放，运动就会停止。但是，如果重力成为主要驱动力，活动可能不会停止。在最坏的情况下，断层上方的火山部分变得如此不稳定，以至于一旦滑动开始，重力会将整个山坡向下拉动，直到它崩解成海底的一堆碎屑。
当反复爆发的熔岩堆积速度快于侵蚀速度时，基拉韦厄等火山的山坡就会变得陡峭且容易发生此类崩塌。在基拉韦厄火山上发现沉默地震表明，该火山的南翼正在移动——也许正朝着最终的毁灭方向发展。
目前，断层上的摩擦力就像一个紧急制动器。但重力在过去的许多其他情况下都胜出了。科学家们长期以来一直在声纳图像中看到古代崩塌的证据，这些图像显示了世界各地火山岛周围浅水区巨大的碎屑场，包括地中海的马略卡岛和北大西洋的加那利群岛。在夏威夷群岛，地质学家发现了过去五百万年中发生的 25 次以上的单独崩塌——在地质时间尺度上只是眨眼之间。
在典型的滑坡中，进入海洋的物质体积是圣海伦斯火山 1980 年爆发期间喷发出的部分的数百倍——足以引发巨大的海啸。例如，在夏威夷的拉奈岛上，地质学家发现了波浪作用的证据，包括丰富的海洋贝壳碎片，海拔高度为 325 米。夏威夷大学马诺阿分校的加里·麦克默特里和他的同事们得出结论，贝壳最有可能到达如此高耸的位置的方式是在海啸的波浪中，海啸沿着夏威夷的一些海岸线达到了惊人的 300 米高度。现代记录中最高的波浪大多不超过这个尺寸的十分之一。事实上，2004 年 12 月 26 日印度洋海啸造成 20 多万人死亡，但“仅”达到了约 20 米。
尽管这样的事件听起来可能令人恐惧，但必须在适当的背景下理解这种危害。火山斜坡的灾难性崩塌在人类时间尺度上非常罕见——尽管远比大型小行星或彗星与地球发生破坏性碰撞的可能性更常见。在夏威夷群岛，足以产生海啸的大规模崩塌大约每 10 万年才发生一次。一些科学家估计，此类事件在全球范围内每 1 万年发生一次。由于这种危害一旦发生就具有极大的破坏性，许多科学家都认为值得为此做好准备。
为了探测不稳定火山岛内的变形，连续 GPS 接收器网络已开始部署在印度洋的留尼汪岛、佛得角群岛的福戈岛以及加拉帕戈斯群岛等地。例如，基拉韦厄火山的 20 多个 GPS 站点网络已经揭示，该火山经历了断层蠕变、沉默地震以及大型破坏性典型地震。然而，一些科学家提出，基拉韦厄火山目前可能受到几个水下泥土和岩石堆的保护而免受灾难性崩塌——这些堆可能是旧山体崩塌产生的碎屑——这些堆支撑着它的南翼。关于基拉韦厄火山滑动方式的新发现可以很容易地推广到其他可能没有类似支撑结构的岛屿火山。
无论岛屿的具体情况如何，从沉默滑动到突然崩塌的转变都将涉及移动坡度的突然加速。在最坏的情况下，这种加速将立即以惊人的速度进行，没有留下早期探测和预警的机会。在最好的情况下，加速将以断断续续的方式发生，在一连串的沉默地震中缓慢升级为常规地震，然后升级为灾难。连续 GPS 网络可以轻松地探测到这种断断续续的加速，远在震动地面的地震开始发生之前，并且如果运气好的话，有足够的时间发出有用的海啸预警。
然而，如果崩塌规模足够大，那么几个小时甚至几天的预警可能也无济于事，因为那时疏散所有人将非常困难。这个问题引发了当局是否可能会采取预防措施的问题。原则上，稳定摇摇欲坠的海洋火山侧翼的问题是可以解决的。然而，在实践中，所需的工作量将是巨大的。考虑简单的蛮力。如果从不稳定火山侧翼的上部移除足够的岩石，那么至少在几十万年内，驱动系统走向崩塌的重力势能就会消失。第二种可能的方法——通过一系列小型地震缓慢降低不稳定侧翼——会便宜得多，但充满了地质未知数和潜在危险。要做到这一点，科学家们可以想象利用目前可能正在驱动基拉韦厄火山沉默地震的因素作为工具来防止崩塌。
在基拉韦厄火山最近一次沉默地震发生前九天，一场暴雨在不到 36 小时内向火山倾泻了近一米深的水。地质学家早就知道，渗入断层的水会引发地震，而九天的时间大约与他们估计的水通过基拉韦厄火山破碎的玄武岩中的裂缝和孔隙到达五公里深处所需的时间相同——沉默地震就发生在那里。我和我的同事们怀疑，上覆岩石的重力使雨水加压，迫使断层两侧分开，使其更容易相互滑动。
这一发现为将水或蒸汽强行注入不稳定侧翼底部的断层以引发缓解应力的地震这一有争议的想法提供了依据，这些地震是缓慢放下侧翼所必需的。这种人为诱发的滑动在所有地热发电厂和其他向地球中泵水的地点都以非常小的规模不断发生。但是，当涉及到火山时，极大的困难在于将适量的流体放入正确的位置，以免在无意中产生旨在避免的崩塌。一些地球物理学家曾考虑将这种策略作为缓解加利福尼亚州臭名昭著的圣安地列斯断层应力的一种方法，但他们最终放弃了这个想法，因为担心它会产生的问题多于解决的问题。
水的楔形作用
除了引起人们对火山侧翼灾难性崩塌现象的关注外，沉默地震的发现还在促使科学家们重新考虑断层运动的各个方面——包括地震危险评估。在美国太平洋西北地区，调查人员在北美板块和俯冲的胡安·德富卡板块之间巨大的卡斯卡迪亚断层带沿线观察到许多沉默地震。这些沉默地震的一个奇怪特征是它们以规律的间隔发生——事实上，规律到科学家们现在可以成功预测它们的发生。
这种可预测性很可能源于来自俯冲带下方的水流可能对这些断层何时何地发生沉默滑动施加重大控制。随着俯冲板块向地球深处下沉，它会遇到越来越高的温度和压力，这会释放出富水矿物中捕获的大量水，这些富水矿物存在于板块内部。然后，当来自板块的一批流体向上运行时，可能会发生沉默地震——当流体通过时，它会稍微松开断层带，也许允许一些缓慢滑动。
更重要的是，加拿大地质调查局的加里·罗杰斯和赫伯·德拉格特在 2003 年 6 月报告说，这些沉默震颤甚至可能作为该地区一些大型震动地面地震的前兆。由于缓慢滑动发生在深处且以离散的间隔发生，因此它们调节了应力在断层带较浅部分累积的速度，而断层带较浅部分以断断续续的方式移动。在断层的这个浅层、锁定的部分，通常需要数年甚至数个世纪才能积累起引发大震所需的应力。然而，罗杰斯和德拉格特认为，沉默滑动可能会极大地加速这种应力的积累，从而增加沉默地震发生后几周和几个月内发生常规地震的风险。
沉默地震正在迫使科学家们重新思考世界其他地区的地震预报。日本几个所谓的地震空区附近的地区——在其他地震活跃地区，常规地震发生次数少于预期的地区——被认为迟早会发生破坏性地震。但是，如果沉默滑动一直在缓解这些断层上的应力而科学家们没有意识到，那么危险程度实际上可能比他们想象的要小。同样，如果在以前被认为不活跃的断层上发现了沉默滑动，那么将需要仔细评估这些结构，以确定它们是否也可能发生破坏性地震。
重新思考信条
如果未来的研究表明沉默地震是大多数大型断层的常见特征，那么科学家们必须重新审视关于所有地震的长期以来的信条。例如，对许多不同断层滑动速度的观察对试图用基本物理定律解释断层过程的理论家提出了真正的挑战。现在人们认为，可以用相当简单的摩擦定律来解释观测到的地震的数量和大小。但是，这个定律也能解释沉默地震吗？到目前为止，还没有找到明确的答案，但研究仍在继续。
沉默地震才刚刚开始进入公众的词汇。这些微妙的事件预示着我们对断层滑动的方式和原因的理解将呈指数级增长。破译断层滑动的重要性怎么强调都不为过，因为当断层快速滑动时，它们会造成巨大的破坏，有时甚至在远离震源的地方也会造成破坏。沉默地震的存在为科学家们提供了一个全新的角度来研究滑动过程，从而可以详细研究断层带运动的每个阶段。
作者彼得·切尔韦利是美国地质调查局阿拉斯加火山观测站的研究地球物理学家，也是阿拉斯加大学费尔班克斯地球物理研究所的附属教授。他曾担任夏威夷火山观测站的地壳形变项目负责人。切尔韦利在攻读博士学位期间发现了 2000 年 11 月袭击基拉韦厄火山南翼的沉默地震，他于 2001 年获得斯坦福大学博士学位。