编者注：本文最初发表于《大众科学》2004年3月刊。
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。部分运动发生在一个每天有成千上万的人停下来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固有组成部分。基拉韦厄火山发生的事件是首次明确记录的所谓“无声地震”，这是一种大规模的地球运动类型，直到几年前才被科学界所知。事实上，如果我美国地质调查局夏威夷火山观测站的同事没有一直在使用一套灵敏的仪器来监测火山的活动，我就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——这对于地震来说是龟速。在典型的震动中，断层的相对两侧会在几秒钟内快速掠过，速度足以产生导致地面隆隆作响和震动的地震波。
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但是，仅仅因为地震发生得缓慢而无声并不意味着它无关紧要。我的合作研究人员和我立即意识到，基拉韦厄火山的无声地震可能是灾难的预兆。如果同样的大块岩石和碎屑获得动量并形成巨大的山体滑坡——与火山的其余部分分离并迅速滑入海中——后果将是毁灭性的。坍塌的物质会将海水推入高耸的海啸波中，这些海啸波可能会威胁到整个太平洋沿岸的沿海城市。地质学家称之为“灾难性侧翼破坏”的情况是世界各地许多岛屿火山周围的潜在威胁。
意外的搅动 幸运的是，无声地震的发现揭示的好消息多于坏消息。灾难性侧翼破坏的可能性很小，而记录无声地震的仪器可能会使早期预警成为可能。可能触发无声滑动的条件的新证据表明，可以采取大胆的策略来防止侧翼坍塌。在侧翼破坏不是问题的地区也报告了无声地震的发生。在那里，无声地震正在启发人们改进对它们引发地面震动的对应地震的预测方法。
对无声地震及其与灾难性侧翼坍塌之间联系的发现，是研究其他潜在自然灾害的努力的副产品。在日本和美国太平洋西北地区，破坏性地震和火山是一个令人担忧的问题，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 1990 年代初开始，地质学家开始在这些地区和基拉韦厄火山等活火山的斜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 多颗导航卫星的星座的信号，这些仪器可以在任何给定时间将其自身在地球表面上的位置测量到几毫米之内。
部署这些 GPS 接收器的科学家预计会看到地球构造板块外壳的缓慢、持续运动，以及地震和火山引发的相对快速的运动。当这些仪器检测到与任何已知地震或喷发无关的微小地面运动时，这令人有些惊讶。当研究人员将地面运动绘制在地图上时，产生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 站点都朝大致相同的方向移动了几厘米。如果这个模式需要一年或更长的时间才能形成，那就不足为奇了。在这种情况下，科学家会知道，一种称为断层蠕变的缓慢而稳定的过程是导致这种情况的原因。但是，这些神秘事件的速度高达每天几厘米，比蠕变快了数百倍。除了相对的速度之外，这些无声地震还与它们有声的对应地震共享另一个属性，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。
这种突然的开始，当它发生在火山岛的斜坡上时，会引起人们对可能发生的灾难性侧翼事件的担忧。大多数典型的地震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非常不稳定，以至于一旦滑动开始，重力会将整个山坡向下拉，直到它在海底分解成一堆碎屑。
当重复喷发的熔岩比侵蚀作用更快地堆积起来时，基拉韦厄火山等火山的斜坡会变得陡峭且容易发生这种坍塌。在基拉韦厄火山上发现的无声地震表明，这座火山的南翼正在移动——也许正朝着最终被摧毁的方向发展。
目前，断层上的摩擦力就像紧急制动器一样发挥作用。但是，在过去的许多其他情况下，重力已经获胜。科学家们长期以来在世界各地火山岛周围的浅水区巨型碎片场的声纳图像中看到了古代坍塌的证据，包括地中海的马略卡岛和大西洋的加那利群岛。在夏威夷群岛，地质学家发现了过去 500 万年间发生的 25 多次单独的坍塌事件——这在地质时间中是转瞬即逝的。
在典型的滑坡中，进入海洋的物质体积比 1980 年圣海伦火山喷发期间崩塌的部分大数百倍——足以引发巨大的海啸。例如，在夏威夷的拉奈岛上，地质学家发现了海拔 325 米的波浪作用的证据，包括大量的海洋贝壳碎片。夏威夷大学马诺阿分校的加里·M·麦克默特里和他的同事得出结论，贝壳能够到达如此高耸位置的最有可能的方式是在海啸的浪潮中，海啸沿着一些夏威夷海岸线达到了惊人的 300 米的高度。现代记录的大多数最高的波浪都只有这个尺寸的十分之一。
为最坏的情况做准备
虽然这样的事件听起来很可怕，但必须在适当的背景下理解这种危险。火山斜坡的灾难性破坏在人类时间尺度上非常罕见——尽管它比大型小行星或彗星与地球发生破坏性碰撞的可能性更为常见。足以产生海啸的大型坍塌事件在夏威夷群岛某地大约每 100,000 年才会发生一次。一些科学家估计，此类事件在世界范围内大约每 10,000 年发生一次。由于这种危害在发生时具有极强的破坏性，因此许多科学家都认为值得为此做好准备。
为了探测不稳定的火山岛内的变形，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 站网络已经显示，该火山会经历蠕变、无声地震以及大型破坏性的典型地震。然而，一些科学家认为，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坍塌——这些泥土和岩石堆可能是旧侧翼坍塌的碎片——它们支撑着该火山的南翼。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。
无论一个岛屿的具体情况如何，从无声滑动到突然坍塌的过渡都将涉及移动斜坡的突然加速。在最坏的情况下，这种加速会立即以极快的速度进行，没有机会进行早期检测和预警。在最好的情况下，加速会以断断续续的方式发生，在一系列无声地震中缓慢升级为常规地震，然后再发展为灾难。在地面震动地震开始发生之前，并且如果幸运的话，在足够的时间内发出有用的海啸预警，连续的 GPS 网络可以很容易地检测到这种断断续续的加速。
然而，如果坍塌的规模足够大，那么几个小时甚至几天的预警可能不会带来多少安慰，因为它在那个时候疏散所有人会非常困难。这个问题引发了一个问题，即当局是否有可能实施预防措施。稳定摇摇欲坠的海洋火山侧翼的问题原则上是可以解决的。然而，实际上，所需的努力将是巨大的。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，驱动系统走向坍塌的引力势能就会消失。第二种可能的方法——通过一系列小型地震缓慢地降低不稳定的侧翼——成本会低得多，但却充满了地质学上的未知数和潜在的危险。为了做到这一点，科学家们可以想象地利用目前可能正在驱动基拉韦厄火山无声地震的因素作为防止坍塌的工具。
在基拉韦厄火山最近一次无声地震发生前九天，一场暴雨在不到 36 小时内给火山带来了近一米的水。地质学家早就知道，渗入断层的水会引发地震，而九天大约是他们估计水通过基拉韦厄火山破碎的玄武岩岩石中的裂缝和孔隙向下渗透到 5 公里深度所需的时间——无声地震就是发生在那里。我和我的同事怀疑，上覆岩石的压力使雨水加压，迫使断层的两侧分开，使其更容易相互滑过。
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触发释放应力的地震的争议性想法提供了可信度，这些地震是让其缓慢下降所必需的。这种人为诱发的滑动在所有地热发电厂和其他将水泵入地下的场所都以非常小的规模发生。
但是，当涉及到火山时，极端的困难在于将适量的液体注入到正确的位置，以免无意中产生旨在避免的坍塌。一些地球物理学家将此策略视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，因为担心它会产生比解决的问题更多的问题。
水楔除了提醒人们注意火山侧翼灾难性坍塌的现象外，无声地震的发现正迫使科学家重新考虑断层运动的各个方面，包括地震危险性评估。在美国太平洋西北地区，研究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上观察到许多无声地震。这些无声地震的一个奇特特征是它们以有规律的间隔发生——事实上，如此有规律，以至于科学家现在能够成功地预测它们的发生。
这种可预测性很可能源于这样一个事实：从俯冲带下方流出的水可能对这些断层何时何地发生无声滑动施加重大控制。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，从而释放出大量被困在板块内富含水的矿物质中的水。当一批来自板块的流体向上运动时，可能会发生无声地震——当流体通过时，它会稍微松开断层带，或许会允许一些缓慢的滑动。
更重要的是，加拿大地质调查局的加里·罗杰斯和赫伯·德拉格特去年六月报告说，这些无声震颤甚至可能是一些该地区大型、震动地面的震动的先兆。由于缓慢滑动发生在深处且以离散的间隔发生，它们调节了断层带较浅部分应力积累的速度，而断层带较浅部分会以间歇的方式运动。在这个浅层、锁定的断层段，通常需要数年甚至数百年才能积聚引发大震所需的应力。然而，罗杰斯和德拉格特认为，无声滑动可能会显著加速这种应力的积累，从而增加无声地震发生后数周和数月内发生正常地震的风险。
无声地震也正迫使科学家重新思考世界其他地区的地震预报。在日本一些所谓的地震空白区（在其他地震活动频繁的地区，发生正常地震的次数少于预期）附近的地区，被认为已经过了发生破坏性震动的“截止日期”。但是，如果无声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这一点，那么危险程度实际上可能比他们认为的要低。同样，如果在迄今为止被认为不活跃的断层上发现无声滑动，则需要仔细评估这些结构，以确定它们是否也能够引发破坏性地震。
如果未来的研究表明无声地震是大多数大型断层的普遍特征，那么科学家们将被迫重新审视关于所有地震的长期教条。例如，对断层滑动速度的多种观察结果给试图用基本物理定律来解释断层过程的理论家提出了真正的挑战。现在人们认为，观察到的地震的数量和大小可以用一个相当简单的摩擦定律来解释。但是，这个定律也能解释无声地震吗？到目前为止，还没有找到明确的答案，但研究仍在继续。
无声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，有时距离震源很远。无声地震的存在为科学家们提供了一个关于滑动过程的全新角度，允许他们详细研究断层带在其运动的每个阶段。