第31次南海海槽地震临近！ “地面与水”之间意想不到的关系是“预测”的关键

发布于 2020 年 9 月 30 日
Bluebacks 编辑部 Takao Nakakawa 的采访和文字

“昭和南海地震”74周年，“安政南海地震”166周年

南海海槽地震是日本列岛的下一次大地震，也是最令人恐惧的地震。

如果纪伊半岛和四国海岸之间的板块边界附近发生大地震，则被认为是 8 级地震，根据政府地震本部的数据，未来 30 年内发生 8 至 9 级大地震的可能性为 80%。

换句话说，大约30到50年内肯定会发生南海海槽地震。其依据是，在过去1400年有记录的历史中，每100到200年就会发生一次大地震。

该地区最近一次地震是昭和南海地震，发生在 74 年前的 1946 年，估计震级为 80 级。在此之前，还有发生于1854年的安政南海地震，估计震级为84级。

过去92年。也有人指出，南海及邻近的东南海有发生大地震的危险，而南海海槽地震确实是最严重的地震。

许多地震研究人员正在针对即将发生的南海海槽地震进行观测和调查，但也有一些人试图从意想不到的角度来看待这场地震。

国立产业技术综合研究所・活断层与火山研究部地质变化研究组与首席研究员 Makoto Otsubo地质信息研究部地球物理研究组我和首席研究员宫川步正在关注的是地震和水之间的关系。关键词是“石英”，一种熟悉的晶体。

到底为什么石英是探索地震奥秘的钥匙？它和水有什么关系？

我决定立即去拜访。

在地球上放一个“听诊器”

当我真正见到他们时，我被告知他们正在利用物理科学方法研究地震的机制。嗯，复杂的话题留到以后再说吧，先问问他是怎么进入地震勘探领域的。

──先生大坪显然成为一名地球科学研究人员，因为他想“触摸地球的心跳！”他还有一个梦想“预测地球的未来！”

一般人的印象是地球不动，但大坪先生却感觉到了“心跳”。这是什么意思？

“我们偶尔经历的地震意味着地下岩石受到了作用力，或者岩石相互推拉。可以说，地震是最能近距离感受到的地球的心跳。

如果从宏观上看，太平洋板块的运动正在导致夏威夷群岛逐年向日本列岛靠拢。如果我们的寿命以一千万年为单位继续下去，我们实际上会觉得夏威夷会变得离日本更近。

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──原来如此，你看地球的时间轴比一般人要长得多。我的印象是，因为地震灾害，我对地震的机理产生了兴趣。

“是的，我来自福冈县南部的八女市。八女市有很多古坟时代的遗迹，所以小时候我就对考古学很着迷。不过，我就读的高中没有社会科的日本历史选项。当时我在科学课上正好选了地球科学。我觉得地球科学老师的故事很有趣，所以我就对地球很感兴趣科学。

当我上小学时，我痴迷于挖掘废墟，但现在我正在致力于挖掘地球。覆盖的时间轴从几千年到几十万年到几百万年都有很大的扩展，但我在看老照片时突然注意到这一点。

如果把我小学生调查遗址时的我和现在做地质研究的我相比的话，我挖地的方式是一模一样的（笑）”（大坪先生）

先生大坪在八女长大，这里靠近熊本县边境，也靠近阿苏山。在他成长的环境中，可以看到 20 世纪 90 年代爆发的云仙山的全景，横跨有明海。九州是一块与地质、地震和火山活动密切相关的土地。

思考“如何利用地面”

另一方面，比大坪先生稍年轻的宫川先生来自广岛县。我在一个很少发生地震的稳定土地上长大。

“没错（笑）。就我而言，我目前的研究是一个自然的进展。我去了工程学院，主修地质工程。简单来说，这是一个从工程学角度考虑“如何利用地面”的研究领域。

为了思考“如何利用土地”，我们首先需要知道“地球是什么样的”及其起源。从那时起，我开始从物理角度了解地球，例如“地球有多坚固？”和“地面为什么会移动？”正是通过这种研究，我接触到了大坪。”（宫川先生）

──地球物理学是一门什么样的科学？

“很难用一个词来全面表达整个学术领域，但我正在研究的主题是‘固体地球’。这是一种从物理角度考虑地球‘固体部分’中发生的现象的研究类型，例如地震和火山。

大坪之前提到的“夏威夷和日本列岛越来越近”的故事，除非通过观察发现这一事实并给出物理解释，否则无法真正理解。当你想到探索物理机制的研究时，是不是很容易理解？”（宫川先生）

──你们两人在进行实地考察的同时，也在实验室里从事着利用数学和物理来分析地球科学现象的机制的工作。

“嗯，我想我们研究的特点之一是我们在试图了解该领域的实际情况时使用了一点数学。” （大坪先生）

延冈海岸留下的“痕迹”

──最近，发表了一篇关于地震与地震发生地区水压关系的论文。关注“地震与水之间的关系”可能会给地震学的外行人带来令人惊讶的印象。这项研究的动力是什么？

首先，据说南海海槽地震“可能在未来30年内发生”。首先，这是针对此的研究。

南海海槽地震是一种地球现象，历史上曾在类似地点多次发生过。由于下次地震发生的可能性很大，因此有必要了解其防灾减灾机制。然而，以目前的技术水平，不可能深入到地震实际发生的地下几公里处，亲眼目睹。

如果是这样的话，我想下一个最好的办法就是根据过去发生过的类似地震的痕迹来了解大地震发生时发生了什么。”（大坪先生）

── 在进行调查的宫崎县延冈市的海岸上可以看到这种痕迹。

是的。许多研究人员认为，“延冈逆冲断层”是很久以前，即数千万年前发生的与南海海槽地震相当的地震的遗迹。这条断层暴露在延冈海岸，据说是在板块边界附近形成的，当时发生了类似于南海海槽地震的地震。

当您到达现场时，您会立即注意到有许多“石英矿脉”（由石英制成的矿脉）。由于留下了许多石英脉，我认为研究水是个好主意。”（大坪先生）

故障物理学

─地震与水……两者之间的关系，外行人很难想象。说实话，当石英脉加入其中后，就让人耳目一新。

“石英脉是表明那里曾经存在过水的痕迹。如果你调查延冈逆冲断层，特别是在主断层周围，你很少会看到白色条纹。它们都是石英脉，这表明那里有很多水。”（大坪先生）

照片中写的“V（矿脉）”一词是日语中“矿脉”的意思。白色条纹是石英矿脉，石英矿脉表明石英已插入岩石的裂缝中。当你在显微镜下观察时你可以看到这一点。在断层物理学中非常重要的是，有很多这样的地方。

石英由二氧化硅组成，是一种约占地壳 70% 的矿物，但在地震发生的地下 8 至 10 公里、200 至 250 摄氏度的极高温度环境中，二氧化硅会溶解在水中。当这里发生地震时，周围的岩石会破裂，含有溶解二氧化硅的水会渗入裂缝中。当水通过时，二氧化硅会沉淀为石英并填充间隙。

换句话说，石英脉的存在表明水穿过地震期间产生的裂缝。而且我们知道，发生大地震的地方有大量的水。”（大坪先生）

为什么轮胎在雨天容易打滑

──有人提出地震和水有关吗？

“是的。让我们将该机制与雨天驾驶进行比较。下雨时，道路会变得很滑。如您所见，水会减少摩擦。

地震也是如此，在 20 世纪 60 年代和 1970 年代就有人指出，与减少岩石之间摩擦的水的存在有关。事实上，延冈逆冲断层上残留有许多石英脉，这表明地下8至10公里处有大量的水，那里最容易发生地震。”（大坪先生）

事件发生在“过去”的场景

──对于你们两位数学和物理专家来说，实地研究仍然很重要。

是的，了解现场发生的情况非常重要。正如热门侦探剧中的那句名言，“事情就发生在现场。”

然而，侦探调查的案件存在重大差异，难以克服。这是因为，当涉及到地震等全球现象时，不可能直接看到“地下到底发生了什么”。因此，我们别无选择，只能依赖“过去的网站”。”（大坪先生）

“地震最初是一种由‘地下岩石受到作用力，导致其移动’开始的现象。”另一方面，引发地震的不仅是岩石之间的压力，还有另一种现象——水压的影响。当我们想到会发生什么时，在研究力时有必要研究岩石和水压。当我们在现场看到石英时，我们意识到了这一点，因此我们决定研究水压。”（宫川先生）

点是压力

──从雨天的道路类比，我们知道有水的存在容易引发地震。在这种情况下，水压意味着什么？

“让我用另一个类比来解释一下。您可能熟悉游戏中心的经典游戏设备“空气曲棍球”。你知道为什么空气曲棍球中互相撞击的“冰球”滑动得那么快吗？”（宫川先生）

──嗯，这是一个出乎意料的困难问题。我明白了，这不仅仅是打击的力量，而是……？

``冰球之所以滑动得这么厉害，是因为桌子下面的空气被释放出来，使冰球漂浮起来。冰球在强大的气压的作用下，以巨大的力量滑动，而不会因为与桌子的摩擦而减慢速度。

你现在明白了。如果我们将其转化为地震，那么地面会震动背包，气压相当于水压。”（宫川先生）

──什么！地面是否因水压而漂浮？

“我不能说大量的水压导致岩石漂浮，但我相信导致紧密相连的断层被撕裂的力量，即水压，在引发大地震中发挥了作用。

水压非常高，能够打开岩石之间的缝隙。我们研究的重点是其痕迹以石英的形式保留下来。”（宫川先生）

地震后的“水行为”

──水压与地震关系的研究有进展吗？

“作为一个概念，地震中涉及水的模型已经存在很长时间了。但是，在传统模型中，假设地震发生后水压会大幅下降。在空气曲棍球的例子中，一旦冰球漂浮和滑动，它就会失去空气造成的压力，冰球就会平放在桌子上。

然而，当我们仔细研究石英脉（断层周围水渗出的痕迹）的长度、宽度和方向时，我们发现即使断层移动后，仍然存在一定程度的水压。”（大坪先生）

``如果地震后水压变化变大，则剩余石英脉的宽度应该很宽，或者长度变化应该很大。但是，长度和宽度应该在一定范围内，或者方向应该相同。

换句话说，通过观察石英脉的厚度、长度和方向，我们可以追踪“过去的地震中作用了什么样的力以及水压有多大。”我们对其进行了建模。”（宫川先生）

──如图所示，我们发现即使发生大地震后，裂隙断层附近的水压也没有像之前想象的那样下降那么多。下一次大地震我们还会继续面对吗？

“人们认为，地震时地下约 8 公里处的最大水压会从约 210 MPa（兆帕）下降到约 80 MPa，但看起来在下一次地震发生之前只会下降约 10 MPa。”（大坪先生）

对地震间隔有何影响？

──这是一个相当恐怖的故事……这是否意味着南海海槽地震的频率会变短？

``这不是真的。正如古代文献中记载的那样，地震的频率保持不变，每 100 到 200 年一次。

从这项研究中我们可以看出，人们普遍认为大地震发生后，滑入地下的水会散开，水压会大幅下降，但实际情况并非如此。在我们的类比中，空气曲棍球在整个地震周期中保持漂浮状态。换句话说，我们发现只要稍微推一下，它就会立即再次开始滑动。”（大坪先生）

──持续水压与地震频率无关。我心里稍稍松了口气。

“我预测地震周期不会因水压变化的大小而变长或变短。无论是100年还是1000年，发生地震的断层周围的水压本身都不会发生太大变化。” （大坪先生）

地球科学专家也在改变他们的观点

──水压持续100年而没有明显下降这一事实意味着我们脚下、我们每天生活的地面比我们想象的更加不稳定。

“没错。包括我们在内的地球科学专家现在开始认为地面极其不稳定。除了古代文献中记录的大地震之外，小地震和慢地震（慢地震）也被越来越频繁地观测到。

为了积累足够的能量来引发大地震，地面必须变形，这需要时间。我想这与 100 年或 1000 年的周期有关。”（宫川先生）

实现地震预报的期望增加了

──如果我们能测量10兆帕的水压变化，我们是否可以预测地震何时发生、震级有多大？

“是的。我想，如果我们能在地震发生的地方埋一个水压计，并随时测量，那就很有可能了。” （大坪先生）

──比如南海海槽，您预计从海底挖多远？

“我们需要在海底挖掘约 6 公里才能安装它们。事实上，此类项目已经在进行中。目前正在进行研究，利用钻探船地球号深入南海海槽地震发生的海底，收集岩石，并在那里安装各种传感器，而不仅仅是水压。”（大坪先生）

──这是一个从2018年到2019年进行的项目，挖掘到海底以下2800米。

“没错。当时海底的基岩比想象中的坚硬，所以我们没能挖到目标位置，但我希望下一个项目开始后，我们也能提出水压测量的建议。” （大坪先生）

捕捉“地球的呼吸”

──先生大坪说：“我想对地球进行一次健康检查。”尝试监测水压的变化可以被视为一次健康检查。

“是的。我们相信，所有的变化，不仅仅是水压，都是‘地球的呼吸’。因此，找到一位候选者是我们长期以来想要努力的事情之一。

我们生活在地球上，我想很多人每天思考的就是经济、政治和生活本身。然而，了解地球如何呼吸对于我们生活在地球上的人们来说至关重要。在日本这样的地震多发国家尤其如此。

在这种情况下，人们会期望得到高度准确的地震预测，但不幸的是，不可能达到这一水平。现在更有可能的是，水压必须上升才能满足地震发生的条件，但说实话，何时发生仍然很难预测。”（大坪先生）

尝尝“土味”！？

──听说他们去调查故障时，用收集到的粘土制作了酒杯。

“是的，没错。断层移动的岩石会变脆，但那里可以形成非常细的粘土。每次我们进行断层调查时，我们都会用在那里收集的粘土制作 choko 杯来玩。

如果你用花岗岩断层制作它，你会得到白色的choko，如果你用蛇纹岩制作它，你会得到绿色粘土。 choko 的颜色因地点的地质情况而异。我想如果喝了色彩缤纷的choko酒，就会尝到泥土的味道（笑）。”（大坪先生）

──到底味道如何？

“不幸的是，这是一个geto（笑）。这就是为什么我从来没有尝过它。

顺便说一下，一位陶瓷专家告诉我不要这样做。由断层产生的粘土颗粒非常细，适合制作陶器，但由于粘土没有充分揉捏以排除空气，我想，“如果这样烘烤它，它就会破裂”（苦笑）。我学习不够。”（大坪先生）

──你将来想从事什么样的研究？

“我认为我们能够通过这项研究提出一个关于水压变化的新问题，但我想研究它与慢地震的关系。此外，当地球号进行下一次航行时，我很想能够参与一个项目，挖掘地震巢穴，研究水压变化，并观察地下新形成的石英。” （大坪先生）

研究地球的真正快感

──“新鲜石英”？

``构成岩石的矿物质通常需要数万年的时间才能形成。然而，在地震发生的地下，石英脉只需要大约50年的时间就能从水中沉淀出来并变成石头。这是因为含有溶解二氧化硅的高压水涌入由地震引起的裂缝所形成的岩石中。

上一次南海海槽地震发生在 1946 年，所以如果我们现在挖掘，我们希望能找到新形成的石英来填补 1946 年地震造成的裂缝（笑）。”（大坪先生）

──从海底挖掘5到6公里是很困难的。

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──研究地球本身的真正刺激是什么？

“地球是一个真正复杂的系统。有瞬间发生的现象，例如地震，也有岩石形成数万年的永恒过程。我们需要密切关注从短时间尺度到长时间尺度的一切。

而且，规模上也有差异，从矿物这样的非常小的世界到整个地球，最近据说生物的运动对地球有很大的影响。乐趣之一就是处理复杂的事情并尽你所能。”（宫川先生）

从地球的过去看到未来

“在研究地球的过程中了解过去，就像从后面观看连环画一样。从现在开始，我们回到过去，揭开地球的形状。地震和火山爆发并不是地球上现在首先发生的事情；它们在过去自然发生过。

回顾过去与展望未来是一样的。我认为地球科学的吸引力之一是你可以在倒回或前进时间的同时详细观察地球。

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这两个人以“地球健康检查”为目标的挑战还将继续。