今年是玉樹地震十週年。十年前的4月14日，7.1 級強烈地震襲擊了青海省玉樹藏族自治州，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。玉樹地震是近四十年來汶川地震之外我國大陸人員傷亡最嚴重的地震，也是青海省有歷史記載以來死亡人數最多、經濟損失最大的一次地震事件。那麼，此次地震是如何發生的？為什麼地震會發生在這裡？這次地震有什麼特點？我們通過下面這一段段文字把這些問號逐個打開。
1. 活斷層與地震
圖1 1995年日本阪神7.3級地震，由野島斷層活動產生。地震後當地專門建立博物館將斷層遺蹟加以保護。
我們通常說的地震，是由構造活動產生的。我們生活的地球，表面看似平靜，實則“暗流湧動”，從其46億年前開始形成以來，就沒有停止過活動。由於地球不斷運動和變化，地下岩石受到擠壓、拉伸等力的作用，逐漸積累應變能量，當其積累到一定程度超過岩石的強度時，在某些脆弱部位突然破裂和錯動，巨大的能量在瞬間急劇釋放出來，以地震波的形式由該處向四周傳播出去，引起地球表面的震動，這就形成了地震。岩石發生破裂和錯動的脆弱部位就是斷層（也叫斷裂），它是兩側的岩層發生相對移動的一種破裂（圖1）。地震是斷層活動的一種表現。
斷層的活動有兩種基本表現方式，上下運動和水平運動。當斷層受到垂直方向的擠壓或者拉伸時，斷層兩側作上下運動，這種斷層叫傾滑斷層（垂移斷層）（圖2a）。當斷層受到與其平行的剪切力作用時，其兩側物質沿斷層走向作方向相反的水平運動，這種斷層叫走滑斷層（平移斷層）（圖2b）。當然，自然界的斷層運動並不是簡單到只有這樣的兩種運動方式，往往是在地殼中的不同方向地應力的混合作用下產生的複合運動，而這種運動方式往往會影響因斷裂活動所釋放的地震能量的大小。地球表層發育了許多斷層，有的斷層形成於較老的地質時期，現在已不再活動，這種斷層一般不會發生大地震。發生大地震的斷層都是活斷層，是距今10萬年以來活動過，未來也可能活動的斷層，地震主要發生在這種活斷層上。
圖2 斷層活動的基本方式及實例：a, 上下運動方式。圖片來自Karl Mueller。
圖2 斷層活動的基本方式及實例：b，水平運動方式。圖片來自Karl Mueller。
2．地震，在玉樹草原切了一道傷口
在普通大眾的眼裡，地震一般是山崩地裂、房倒屋塌。確實，地震時會發生“地裂”。這是因為，地震是斷層活動引起的，斷層運動時會將斷裂兩側的地層錯開，在地表產生破裂。這就像大地被劃了一道口子。地震產生的地表破裂帶，包含了關於地震斷層的許多信息，成為我們認識斷層活動的突破口。
圖3 玉樹地震地表破裂帶（陳立春攝）。 破裂由一系列隆起的鼓包、張開的裂縫，相間排列而成。
圖4 玉樹地震地表位移（張永雙攝）。兩條破裂斜向排列，其中右側一條將田坎水平錯動20cm。
調查發現，在玉樹7.1級地震震中以東20km處，產生了一條長約30km的地表破裂（圖3），伸展方向為西北-東南向。破裂將道路、田界、溪流、堤壩、柵欄、房屋等水平錯斷（圖4），在穿過河流的地方還造成跌水。地震破裂由一條條破裂首尾疊加、斜向排列組成一條寬度10-20米的破裂帶。破裂產生的水平位移一般在0.5到1米之間，最大位移為1.8 米，小的一般不到0.5米。上述現象都顯示，這次地震為一次典型的走滑型地震。
3. 為什麼是玉樹？
玉樹所在的青藏高原是全球最高的高原，它是印度板塊和歐亞板塊在距今5500萬年前開始發生碰撞並不斷隆起的產物。青藏高原不僅號稱世界屋脊，而且是全球地震活動最強烈的地區之一，是世界三大地震帶之一的地中海--喜馬拉雅地震帶的組成部分（圖5）。另一方面，青藏高原自南向北又被大型活動斷裂帶分割成多個次一級的地塊（圖6）。這些地塊之間的邊界帶往往會發生7-8級地震。在這些次一級的地塊中，有一個近東西向的長條狀地塊，叫巴顏喀喇地塊。它位於青藏高原中部，其四周邊界均為活動斷裂帶，是青藏高原最活躍的地塊之一，近年來我國大陸7級以上的地震主要圍繞這一地塊的邊界帶發生。
圖5 地中海--喜馬拉雅地震帶的位置。紅色圓點代表一個個地震的位置，許許多多紅色圓點疊置顯示了地震帶的存在。圖中同時顯示了另外兩大地震帶的局部。
研究發現，印度板塊向北推擠，青藏高原地塊持續隆升，造成次一級的巴顏喀喇活動地塊向東擠出。地塊的擠出運動導致斷裂活動，這是巴顏喀喇地塊邊界帶上大地震頻繁發生的原因。玉樹地震之前，在該地塊的四個邊界分別發生了1997年瑪尼7.9級、2001年崑崙山8.1級、2008年于田7.3級和2008年汶川8.0級地震（圖6）。
玉樹地震發生在巴顏喀喇地塊的南邊界，該邊界主要由甘孜-玉樹和鮮水河兩大活動斷裂帶構成。鮮水河斷裂帶是我國著名的地震活動帶之一，它的所有段落歷史上均發生過7級以上大地震。甘孜-玉樹斷裂帶位於鮮水河斷裂帶西側, 二者首尾相接。甘孜-玉樹斷裂帶也是一條活動性很強的斷層，有文字記錄以來，該斷裂帶的其他段落都發生過大地震，只有玉樹斷裂沒有記錄到強震發生（圖6）。2010 年玉樹7.1 級地震填補了該斷裂帶上的這一空段。從這方面來說，地震在玉樹發生並不意外。
圖6，甘孜-玉樹斷裂帶與其所處的巴顏喀喇地塊。左下與右上角分別顯示青藏高原地區的地塊劃分和主要斷裂帶分佈。左下圖中，藍色粗線代表地塊邊界，藍色與紅色圓點代表地震；右上圖中，藍色線條代表斷裂帶。二者中邊界與斷裂帶是重合的。黃色、紅色五角星均為玉樹地震震中位置。
那麼，產生玉樹地震的是怎樣的一條斷層？讓我們一起揭開它的面紗。
4．玉樹活動斷裂---玉樹地震的元兇
玉樹地震地表破裂沿著玉樹斷裂發生，其破裂形跡疊加在玉樹斷裂的活動遺蹟之上，充分說明玉樹斷裂是造成此次玉樹地震的元兇。
玉樹斷裂與其東、西兩側的甘孜斷裂和當江斷裂一起組成了甘孜-玉樹斷裂帶（圖6）。甘孜-玉樹斷裂帶總長約500km，沿西北-東南方向延伸，為走滑斷層。在2010年之前，玉樹地區由於沒有發生強震的記錄，人們對於其關注比較少，甚至認為它是一條弱活動或者不活動斷層。玉樹地震後10年來，隨著工作的開展讓我們逐漸對這條斷裂有了一些認識。沿著2010年地震地表破裂的調查，發現更早之前斷裂上重複發生地震的地貌證據，表明這條斷裂是一條一直在活動的斷層。那麼，它的活動能力如何？一般首先看它的滑動速率。斷層的滑動速率是指某個時段內斷層發生錯動的速度，一般用毫米/年表示，就是每年運動多少毫米。2010年地震後，我們利用無人機測量技術和放射性炭測年對玉樹斷裂的滑動速率進行了測定（圖7）。我們選取小型河流廢棄的河床，通過測量獲得它們經歷多次地震後沿斷層產生的總位移（也叫累積位移）；同時，採集這些廢棄河床沉積物的放射性炭年齡樣品，得到河床發生這一位移需要的時間。利用位移與時間的比值，獲得玉樹斷裂的走滑速率約為6.6毫米/年。這個數值比其東側更為活動的甘孜斷裂要小，近年來的研究結果認為甘孜斷裂的水平滑動速率為8-10毫米/年。
圖7 玉樹斷裂的位移測量與採樣。T1與T2代指兩個不同時期的廢棄河床，T2更早。
問題來了。斷層的滑動速率越高，是不是意味著它發生的地震會越大？答案並不是肯定的。比如，同是走滑斷層的海原斷裂帶，曾發生了1920年海原8.6級大地震，它的滑動速率才5毫米/年左右。那麼，一條斷層的滑動速率高，是不是說明它發生地震的頻率也高？這個是有關係的，但還需要同時考慮另外一個數據，斷裂的同震位移（斷層在一次地震中發生的位移）。這個數據重要在哪裡？
5. 2010年地震，玉樹斷裂的一次非典型活動
一條斷層上可能會發生各種震級的地震，這是由於斷層有時會是整體活動，有時只是其中一部分活動。一條斷層上如果重複發生震級相近的地震，我們稱這種地震為特徵地震（圖8）。怎麼理解呢？比如，一個跳遠運動員通常能跳7米遠，7米就是他的特徵距離，而如果他跳5米或者6米就不是正常表現。特徵地震也是如此，反映一條斷層通常發生的地震大小。特徵地震的產生往往是整條斷層發生了活動。由特徵地震產生的同震位移每次也是大小相近的，叫特徵同震位移。利用同震位移和斷層滑動速率的比值，可以得到一次地震發生的時間。因此，斷裂的滑動速率需要與同震位移一起討論，才能確定地震的發生頻率。另一方面，通過比較特徵同震位移與累積位移的關係，也可以認識斷裂長期的地震行為。
圖8 美國聖安德列斯斷裂上的累積位移與同震位移（Robert E. Wallace攝）。聖安德列斯斷層是世界上著名的活斷層，該斷裂上地震重複發生，每次地震產生的位移均為10米左右，為特徵位移。A與A’點對應的溪溝在1857年大地震中發生了10米的位移，A與A’在該地震之前本是同一個點。 B與B’點原來也是同一個點，隨著斷層的不斷滑動相距越來越遠，現在二者之間的距離為130米，大約由12次地震所形成。紅色箭頭位置及其延伸方向為斷層。
圖9 玉樹斷裂上的位移。 a, 小溪溝被斷層錯動產生7m位移，為測量斷層位移中最小的一組數值，兩個相對的紅色箭頭連接起來的位置為斷層，白色箭頭為小溪溝位置。b, 洪積扇被斷層錯動26m，為最大一組位移，白色箭頭指示洪積扇的邊緣，A與A’原本為同一點。紅色箭頭位置及其延伸方向為斷層，黃色箭頭指示斷層右側物質的運動方向。
我們根據野外實測並結合衛星影像測量，沿玉樹斷裂獲得了年輕地貌體被斷裂斷錯產生的位移量（不含2010年地震位移）。這些年輕地貌體發育較晚，它們記錄的只是最新幾次地震的位移。測量結果顯示，位移明顯分為幾組，最小一組為6-8米，是由一次地震形成（圖9a）。而其他幾組分別是這個數值的不同倍數，代表了不同次數地震的累積位移（圖9b）。這些位移分組特徵顯示，在玉樹斷裂上曾經以6-8米的相同位移發生過多次地震。6-8米的位移是玉樹斷裂的特徵位移，其對應的地震是玉樹斷裂上的特徵地震，是由整條斷裂同時活動產生的。而2010年玉樹7.1級地震的同震位移一般為1米左右，相對特徵地震來說是一次具有小位移的“小”地震事件，不是玉樹斷裂上的特徵地震，是玉樹斷裂的一次非典型活動。它的發生可能是近期巴顏喀喇地塊各個邊界的活動對玉樹斷裂的觸發作用所造成。
6. 玉樹斷裂多久會發生一次大地震？
要回答這一問題，需要了解玉樹斷裂以前發生過的地震信息。根據斷裂上地震發生的歷史，就可以得知其發生一次地震的時間。但是，從一次地震之後到下一次地震的發生，其時間間隔往往比我們人類有歷史記載的時間要長很多。於是，研究者們想到利用地震“考古”的方法，也就是古地震研究的方法來進行研究。通過發掘保存在地質記錄中的地震信息，就能夠在一個更長的時間範圍內研究地震活動的歷史。研究古地震最常用的方法是開挖探槽（圖10）。通過選擇合適的地點，在地表挖開一個深度為幾米的長方體凹槽，揭露和識別沉積地層中保存下來的地震遺蹟，由此恢復之前已發生的強震的歷史。
玉樹地震發生以後，研究者們在玉樹斷裂的不同段落開挖了十幾個探槽來揭露斷裂上的古地震事件（圖11）。結果發現, 在這次地震破裂的下面，保存著多次史前地震的遺蹟。綜合所開展的這些古地震研究，對玉樹斷裂的古地震事件進行了逐次界定。研究表明，玉樹斷裂上在距今6,000年以來共發生過四次古地震，這些地震之間相隔的時間為1150-1800年不等。也就是說，玉樹斷裂發生一次大地震的時間間隔為一千多年。同時，從探槽揭露的古地震特徵看，這些地震均為玉樹斷裂上的特徵地震。利用斷裂長度與震級的經驗公式分析，這樣一次地震的震級大約是7.5-8.0級。
古地震研究結果同時說明, 玉樹斷裂在地質歷史時期就一直是地震活躍地帶。這無疑也給我們一個重要的警示，工程建設和防災規劃中必須對活斷層有足夠的重視，才能預防和減輕它可能給我們帶來的危害。
圖10 古地震研究的探槽。1999年臺灣集集7.6級地震後，在發生地震的車籠埔斷層上開挖了探槽，以研究它的古地震歷史。圖片來自Karl Mueller。
圖11 玉樹斷裂上的古地震探槽剖面。紅色線條代表斷層，黃色三角為年齡樣品點。
地震是一個十分複雜的自然現象，我們對它的認識還很有限。這一方面需要加強科學研究，逐漸加深對它的瞭解，另一方面，要強化全社會的防震減災意識，學會如何更好地與自然災害共處，最大限度地減輕地震災害所造成的損失。
閱讀更多 應急管理部 的文章
