圣安德烈亚斯断层中埋藏的线索使地震模型发生重大变化

圣安德烈亚斯断层绵延 750 英里，贯穿整个加州。两大板块——北美板块和太平洋板块——在这里相互挤压。当这些板块崩塌滑动时，生活在上面的人类可能会遭受毁灭性的地震。

了解这些地震的关键可能在于断层的危险区，位于旧金山半岛郊区门洛帕克一栋不起眼的办公楼的玻璃墙内。那里是美国地质调查局的区域办事处，负责保管地震灾害数据。在一定程度上要感谢在那栋大楼里工作的地质学家，这个断层是地球上研究最深入的断层之一。

然而，我们对地球表面下如何运作的理解还远未完成。为了拼凑这个谜团，科学家们正在回顾数百万年前的历史。两组人发现的结果——发表在《科学进展》和《地质学》上的两篇论文——可能有助于我们更好地了解地震发生的地点。

模拟山脉如何移动

门洛帕克位于圣克鲁斯山脉的阴影下。这些以葡萄园闻名的山峰如龙脊般崎岖，将硅谷与太平洋分隔开来。

从地质时间上看，这些山脉还处于幼年时期：地质学家认为这些山脉大约在 400 万年前开始隆起。它们坐落在圣安德烈亚斯断层弯曲的“结点”上。地质学家认为，在一系列地震中，弯曲将山脉推向上方。然而，地震究竟是如何导致山脉隆起的，目前仍不清楚。

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幸运的是，湾区的科学家几十年来一直在测量地震并收集岩石样本。尽管并非所有数据都吻合，但它们仍使该地区“成为解答这些问题的首屈一指的天然实验室之一”，斯坦福大学地质学家、 《科学进展》论文作者之一乔治·希利 (George Hilley) 表示。该小组还收集了自己的数据：他们从岩石中取样以检测氦元素，这种元素可以告诉地质学家岩石是在什么温度下形成的，以及形成于多久以前。

卡里索平原上的圣安德烈亚斯断层，这是洛杉矶西北部一个人烟稀少的山谷。美国宇航局喷气推进实验室

利用这些数据，希利、他的研究生之一柯蒂斯·巴登和他们的同事创建了一个计算模型，这是第一个依赖动态物理学的地质模型，用来展示山脉是如何形成的。他们利用工程师使用的软件来研究材料如何承受各种负载。因此，他们的模型可以显示地震导致山脉上升时岩石如何弯曲、断裂和变形。

他们的模拟结果令人吃惊。“至少如果模型可信的话，大部分造山运动实际上可能发生在地震之间，而不是地震期间，”希利说。

在大多数断层中，移动的板块会试图挤过对方。数年、数十年甚至数个世纪以来，它们会默默地不断推挤，在边界处积聚能量。

不可避免地，有些东西会断裂。所有这些能量都会在突然的震动中释放出来：地震。但根据这些模拟，在地震之间，这些能量也可能用于造山。

作者表示，这些模拟的数据可以帮助填补其他观察结果无法匹配的空白。

地震考古的壮举

从湾区向东南方向飞行大约一百英里，到达尖峰国家公园附近的地区，圣安德烈亚斯断层的性质发生了变化。这里的大地震并不像北部或更南部那么常见，那里的断层经过洛杉矶、内陆帝国和棕榈泉。

这是因为圣安德烈亚斯断层的这一部分与其他部分不同。在这里，北美板块和太平洋板块不断相互挤压，但并未形成导致强烈地震的压力。地球物理学家称之为“蠕动”断层。

圣安德烈亚斯中部可能会发生一些相对无害的小型地震，但有记录以来从未发生过大地震——至少在 2000 年内没有发生过。但圣安德烈亚斯中部如今是蠕动断层并不意味着它一直如此。科学家们想剥开岩石，一窥它的过去。

他们依靠的是生物标记：生物体的残留物，被困在岩石记录中，在高温下发生化学转化。这就是石油和天然气的形成方式，化石燃料搜寻者非常熟悉使用生物标记作为搜索工具的想法。

“我们所做的就是将这个想法颠倒过来，”加州大学圣克鲁斯分校的地震学家、地质学论文的作者 Heather Savage 说道。“如果断层带中有一些有机分子，它们在地震期间可能只会经历几秒钟的高温，但温度可能会变得非常高，所以我们仍然应该能看到一些这样的反应发生。”

在地下近 10,500 英尺（3,200 米）深处进行钻探后，这些科学家发现了生物标记，表明该断层曾发生过相当剧烈的历史。这个平静的断层曾被无数次地震所撕裂。这些科学家发现了至少 100 次地震的证据，其中一些地震的震级可能高达里氏 7 级：比加州近期记忆中的 1989 年洛马普里塔地震和 1994 年北岭地震还要强烈。

显微镜下看到的地震期间结构发生变化的沉积岩。断层滑动时，绿色层被加热。凯利·布拉德伯里/犹他州立大学

“据我们所知，直到进行这项研究之前，我们并不知道在蠕动段这么远的地方会发生如此大的地震，”萨维奇说。

这些地震可能发生在几千年到 320 万年前的任何地方；萨维奇和她的同事们现在正在努力确定这些地震的确切日期。但这表明这个断层远没有看上去那么平静。如果它过去能够剧烈断裂，那么它再次剧烈断裂的条件也存在。