当地下的巨物这样活动时，会带来较大灾难
环球科学约 3 分钟图片来源：Unsplash
撰文｜亚采克·克雷夫科（Jacek Krywko）
4月20日，日本东北部近海发生7.7级强震，当地居民感受到强烈震动。有关部门警告称，地震可能引发海啸，接下来几天还有很小的概率发生8级或以上“巨震”。就在几天后，《科学》（Science）发表的一项研究探讨了这类巨震如何发展、有哪些因素最终能阻止它，以及人们如何预测其破坏力。
地震始于地下深处。构造活动使应力沿断层逐渐积累。断层是地壳中的巨型裂缝，两侧岩体会沿它相互错动。如果累积的应力超过岩体之间的摩擦力，断层就会滑动，断裂也会沿断层快速扩张，产生强烈的地震波，导致地面震动。这一过程会持续下去，直到断裂扩张到低应力区，传播势头逐渐减弱。或者是断裂在地下撞上物理障碍，例如地下介质组成的变化，或遇到被困的高压流体，此时便会立即停止，就像高速行驶的列车撞上水泥墙。
并非所有地下障碍都能阻止断裂。但如果障碍成功拦住了断裂，这次撞击就会产生一种反向传播的特征信号，称为“停止相”（stopping phase）。研究论文共同作者、新西兰惠灵顿维多利亚大学（Victoria University of Wellington）的地球科学家杰西·基尔斯（Jesse Kearse）说：“当断裂快速传播，遇到某种障碍而突然停止时，就会发出冲击波。”站在这类障碍上方的人，会先感觉地面朝断裂传播的方向移动，随后又猛地向相反方向弹回。基尔斯说：“这就像你坐在车里，突然刹车，你整个人猛地向后弹回座椅。”
但在过去的观测数据中一直没有识别出带有这种特征的信号。基尔斯和日本京都大学（Kyoto University）的地球物理学家金子善宏（Yoshihiro Kaneko）合作，试图在全球12次大地震的地震与大地测量数据中寻找这种特征，相关数据均来自沿断裂路径布设的传感器。在其中5次地震发生时，断层沿线设有足够多的传感器，研究团队从中分离出停止相信号。他们还发现，某些近地表的构造特征会进一步放大信号，从而使地表震动更加剧烈，例如停止相上方较软的岩层。
断裂传播途中遇到的每一道障碍，都像一道关卡。如果障碍撑住了，地震断裂就会停止，最终可能只形成一次较小的局部事件。但如果向前扩展的断裂能量足够高，冲破了这道关卡，它就会蔓延到下一个断层段，甚至可能连锁发展成一头巨震“怪兽”。美国密歇根大学的地球物理学家黄一荷（未参与这项研究）说：“这项研究表明，近场观测对于理解地震为何会发展成大地震，或为何规模较小，具有极其重要的作用。”
如今，研究人员已经知道如何识别停止相的特征信号，因此可以在历史地震数据中找到这些停止相，绘制地下障碍的分布图，并评估它们能够吸收多少能量。他们还能识别附近具有放大效应的浅部构造特征。黄一荷补充说：“新的认识可能会改变地震危险性分析。”它能揭示，达到一定强度的地震可能在哪里停止，又可能在哪里被放大。
要让这些新发现帮助科学家建立更准确的地震模型，还有许多研究要做。由于相关数据较多，基尔斯和金子善宏的研究仅限于走滑型地震，也就是两个岩块彼此水平错动造成的地震。4月发生在日本的地震则是逆冲型地震，地面会上下运动，而这种运动更容易引发海啸。基尔斯说：“这项研究接下来显然应该扩展到更普遍的情况。不过我们预计，这种停止机制是地震过程的一个普遍特征，同样适用于逆冲型地震，只是目前还无法证实。”
本文节选自《环球科学》2026年9月刊前沿栏目。
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