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80万米高空俯瞰汶川大地震

http://gongyi.sina.com.cn  2009年11月11日10:54  中国青年报
80万米高空俯瞰汶川大地震

地壳的断层将原本平整的路面分解为明显的两段。

80万米高空俯瞰汶川大地震

研究人员根据卫星图像模拟的震后地表形变图。

  根据镜头里的画面,这里本来是个平静的县城。一条河流在这里转了个90度的弯,随后蜿蜒而去。沿着河滩与山地中间一道狭长的平地上,鳞次栉比立着大片的房屋。

这座依山傍水的小城,叫做汶川。

  “5·12”特大地震发生后,同一个角度的镜头里,画面发生了巨大的变化:河流依旧蜿蜒而过,可临河而立的房屋,已经尽数垮塌,变成了一地瓦砾。而在瓦砾之下,还有数以万计的生命被掩埋于此。

  即便将镜头拉远到80万米以外,这场灾难依然触目惊心。来自中国的一群科研人员,根据700到800公里高空的两颗雷达卫星所记录下来的观测数据,进行分析计算后发现,这里的地表岩石,在地震中也剧烈抬升了近6米,相当于两层楼的高度。

  根据卫星数据,研究人员还计算了整个震区在地震前后的地表变化情况,并分析了造成这一变化的地壳断层运动情况。参与研究的中国地震局地质研究所的孙建宝博士在接受记者采访时表示:“这是人们首次对一场如此巨大地震所造成的地表形变进行全面和精确地观测。”

  根据这一研究结果写成的论文题为《汶川地震中的断层破裂和障碍体逐次失稳》。在2009年第10期的《自然·地球科学》上,它被作为封面文章发表。这是《自然》杂志的子刊物之一,也是地质学界的顶级刊物之一。

就像一场巨大的“找茬”游戏

  “要理解一场地震,非常基本的问题之一是了解破碎是如何在断层面上分布的,这与地面震动的量以及它在地面可能导致的破坏具有直接关系。”孙建宝博士说。

  为了了解这个问题,孙建宝和北京大学的沈正康教授等合作者选择了雷达卫星作为主要的观测手段。在地震研究中,这是一种通用的研究方法。他们选取了欧洲空间局发射的Envisat卫星和日本宇航局所发射ALOS卫星,并将其观测结果作为研究的数据来源。

  根据这些观测数据,研究人员绘制出一张巨大的彩图:一条条像彩虹一样的色带在平面上蜿蜒扭曲,并环环相绕——看起来就像路面积水滴上汽油后所反射出来的阳光。

  这张学名叫做“彩色干涉纹图”的图片,描述的是地震后发生的地面移动状态。每一个彩虹色带代表2.36米的形变量。在图片正中,形变量最大的点达到了7米,所对应的地方,正是地震中损伤最为惨重的北川县。

  绘制这幅彩虹图案的过程,其实很像网络上流行的“找茬”游戏:在地震前,用卫星从高空俯瞰震区,拍摄一幅照片;在地震后,再从同样的角度,拍摄另一幅照片。找出了两幅照片的差异,就能够描述出地表移动的情况。

  不过,在真实的科研中,这一过程就复杂得多。首先,要实现“拍照”就是一件非常困难的事情。

  雷达卫星是这项研究的主要观测工具。这主要依靠它向地面发射电磁波的功能:当电磁波到达地面后,会再次被反射回来,卫星接收到反射回来的电磁波后,测算电磁波跑一个来回的时间,就能够推算地面的海拔高度和地形情况。

  不过,能够覆盖震区的雷达卫星中,欧洲空间局所发射卫星的C波段电磁波波长太短,遇到山区就被散射到四面八方,根本无法完成测量。日本宇航局所发射卫星的L波段电磁波波长又太长,虽然能够完成山区的测量,但却会在高空受到电离层的影响,从而发生观测错误。

  因此,研究人员只能综合两颗卫星的测量结果,同时参考GPS数据,运用地球物理的方法,将雷达观测的一组组数据转化为“照片”,并对应在实际的地图上。为了进一步防止测量偏差,沈正康带领另一组研究人员同时到震区进行田野调查,对卫星测绘的数据进行校正。

  等到“照片”拍完了,“茬”也不好“找”。最直观的问题是,图片中地表的起伏,并不一定是由地震造成的形变,还可能是地表本身就存在的地形起伏,或者地球本身表面弯曲的弧度,这些因素就要通过反复的测量、计算一一去掉。

  另一方面,雷达图像所展示出来的地表形状改变,只能描述改变的“量”,却不能确定改变的方向。“比如,通过对数据的分析,我们知道北川地区地表移动了7米。可是这个移动是水平的还是垂直的,雷达的观测就非常不准确了。”孙建宝说,“这就要依靠地球物理的模型来进一步计算、分析。”

  在地震发生后两个月,孙建宝拿到了最后一份雷达数据。团队花费了几天的时间,才将这份雷达数据的全部模拟和计算工作完成。

累积了4000年的能量瞬间爆发

  除了“找茬”,科学家还把卫星数据与GPS测量结合起来,并开发了一个模型。他们不仅希望记录地表的变化,更希望深入地下,分析地块运动和断层破裂的情况,解释地震发生的机制。

  在经过反复的计算、模拟、反演之后,那场特大地震发生的过程逐渐清晰起来。

  灾难源自汶川县西南部的地下。这个县城所在的龙门山区位于龙门山和四川平原的交界处,其中龙门山地块不断向四川平原的斜上方推来,而四川平原则不断向龙门山的斜下方俯冲下去。这种被定义为“逆冲”的地块运动,造就了大部分的高原地形——世界上最大的高原青藏高原,其生成就得益于两个板块的逆冲作用。

  不过,在“5·12”地震发生之前,龙门山地区并不是研究人员关注的热点区域。这里的地壳运动每年只有1~3毫米,甚至在有地震记录的历史中,这一区域“没有发生过大规模的地震”。“之前很多人都觉得,这是一个不十分危险的区域。”孙建宝说。

  但即使是每年几毫米运动所累积的能量,在几千年后也有可能会突然爆发。比如这次在汶川爆发的能量,根据孙建宝的估计,“这样缓慢的运动速度,要累积出这么大的能量”,大概需要4000年。

  震动的能量首先沿着龙门山地区的断层带一路向东北传播。在经过汶川县城东北部时,它击穿了靠近地表的坚硬的岩石,巨大的能量托着这一区域的地表,向斜上方抬升了近6米的距离才停了下来。

  研究人员通过比对地图判定,这个地方是汶川县的映秀镇,在地震中,全镇的房屋几乎全部垮塌,伤亡惨重。

  但积蓄千年的能量并没有就此停止运动,地下的部分暗涌继续。

  在映秀的地表岩石被击穿后,速度如同放鞭炮一样的能量很快到了北川羌族自治县,第二块地表岩石再次被击穿。这一次,积蓄的能量得到了更大的释放,地表抬升的距离达到了7米。地表抬升的同时,山体滑坡、泥石流、堰塞湖等一系列地质灾害也相继被触发。

  对于这些被击穿的地表岩石,研究组将其命名为“障碍体”。在地震没有发生的时候,它们承担着地壳运动所产生的压力,并且维系着地表的稳定。当压力逐渐累积,超过这些“障碍体”的承受能力的时候,它们就会被冲破。这时,它们不仅不再是阻挡地震的“障碍体”,反而会成为推动地震能量传播的“助推器”。

  在经过北川之后,地震的能量继续向东北传播,到了平武县的南坝镇,地表岩石第三次被冲破。这一次,能量已经有所衰减,地表抬升的距离也减小为4米左右。渐渐地,能量的传播开始转为水平方向,直到沿断裂带传递完毕。

  这段听起来惊心动魄的传递过程,其实只持续了两分钟。在此期间,地震能量沿着龙门山断裂带,传递了240公里,导致了一场4000年一遇的8.0级特大地震。

也许将来,这些资料可以用到地震预报中去

  直到现在,回忆起“5·12”地震,孙建宝还是觉得“出乎大多数人的意料”。在汶川所处的四川盆地西侧,平原和各山地地块相互挤压、交错运动,使这一区域本身已经存在着几十条大大小小的断裂。在已有的断裂带中,另一条“鲜水河断裂带”一直被认为更具有危险性,而与之相邻的龙门山断裂带,因为断裂不明显,运动速度又太慢,总是很难吸引研究人员的关注。

  预测地震也成为让大多数地质学家为难的话题。沈正康带队的研究组在一次野外考察结束后,来到震区的一个地方政府借宿。一位30来岁的女性工作人员安静地为他们准备好了帐篷和晚饭,直到快要离开时,才尽量礼貌小声地问这群地震专家:“你们预料到会发生这么大一场地震了吗?”

  后来,沈正康才知道,她的丈夫在地震中刚刚去世了。“整个野外考察,我经历过山体滑坡,经历过缺衣少粮的窘境。但唯有这一次,真正让我的情绪立刻低落了下来。”沈正康说。

  孙建宝也最怕自己的朋友们半开玩笑地发问:“地震已经结束了,你们还能做什么?”

  “地震结束了,可地块的移动还在继续。围绕断裂带,成千上万的余震也在不断发生。”孙建宝说,“我们对地震机理和地表变化的研究,不仅能够帮助我们理解地震和断层的产生的活动机制,也有助于评估这一区域未来的地震风险。”

  事实上,这次从80万米高空对地震的俯瞰,虽然增进了人们“对地震机理的了解”,但对于预测短期地震并没有什么直接的帮助。“我们现在做这个仅仅是基础性的研究,如果要对预测有帮助,那也是中长期的事情。”孙建宝说。

  他所表述的“帮助”,是指预测未来5到10年甚至更长时间会不会发生大规模的危险地震,从而建议这一地区将建筑物的抗震指数设置在合适的范围内。至于“明天会不会发生地震”这样的问题,要做出解答仍然“几乎是不可能的”。

  “在将来,我们有可能把这个资料运用到地震的预报中去。”孙建宝刚说完,马上补上一句,“不过,现在可还远远没到这一步呢!” (本报记者 付雁南)

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