石耀霖院士:新冠肺炎疫情下美国爱达荷州Mw6.5地震考察记

  • 撰文 / 石耀霖院士
  • 创建于 2020-08-19

2020 3 31 日,美国爱达荷州斯坦利发生了 Mw6.5 地震,本次地震虽然没有造成人员伤亡,但远在数百千米外的华盛顿州、北加州等地都有人有感。该地震是爱达荷州有仪器记录以来第二大地震,距离爱达荷州历史最大地震 1983 10 28 日的波拉峰Borah PeakMw6.9Ms7.3地震发生已有 37 年。 

图0 西望三文河畔的斯坦利小镇和背后的锯齿山脉,2020Mw6.5坦利地震发生在小镇西北31千米锯齿断层北端

 

地震时震中区还覆盖着积雪,积雪厚处达一米多,使得设置临时台网十分困难。地震虽然没有造成建筑破坏和人员伤亡,但是多处岩石和雪崩堵塞了该地区的 21 号公路,四天清理了 1500 多立方米的碎屑后才通车。地震发生时正是美国靠近西海岸各州疫情上升之时,当时关闭了公立和私立学校,关闭了国家和州立公园,要求居家隔离。5 月份以后陆续放松管控措施,但疫情在 6 月份又显示回弹趋势。笔者把握住 6 月下旬新的高峰到来之前残余的一点时间窗口,对地震现场进行了实地考察。爱达荷州是农业州,以出产土豆为名。地质构造上,它处于著名的盆岭区(Basin and Range的北缘,盆岭区包括加利福尼亚州东部,俄勒冈州东部,华盛顿州东部,内华达州,犹他州西部,亚利桑那州南部和西部以及爱达荷州东南部的大部分地区。东边界为犹他州中部瓦萨(Wasatch)山脉西边缘的瓦萨奇断层, 西边界为加利福尼亚东部的内华达山脉山前断层。两个断层带仍处于活动状态,这意味着盆岭区依然在东西向伸展,引张总量累计达 50 % —200 %不等(Faulds Varga,1998)。这种引张主要通过大型正断层形成地垒和地堑,以及与它们相关的其他复杂断层网络系统叠加作用而实现。图 1 显示了整个盆岭区地形特征。

图1 盆岭区地形图,美国西部东西向的引张形成了大量走向接近南北的正断层切割的地垒和地堑。红色数字显示了黄石公园热柱迁徙痕迹岩浆喷发的年龄。红点为斯坦利地震震中,红星为波拉峰地震震中。

 

2020 3 31 日当地时间下午 5 52 分,Mw6.5 地震发生在爱达荷州斯坦利小城西北31 千米44.460 °N115.136°W),震源深度15 千米2)。震源机制解和InSAR 资料分析表明,地震可能发生在南北走向的左旋走滑断层上(图3)。余震频繁,笔者近三个月后去考察的期间仍感到余震发生,最大的达 M4.6USGS美国地震信息中心数据,震3 个月记录到3 级以上余震就有200个。虽然开始人们会很容易猜测地震是发生在锯齿河断层上的正断层地震,但实际地震震中比现在已知的锯齿河断层北端还要偏北,震源机制破裂面为南北走向,而不是NNW-SSE走向;地震为走滑断裂,而不是正断层。

图2 2020年斯坦利地震和1983年波拉峰地震震中位置及地形和相关断裂分布图

 

 

图3 斯坦利地震震中和余震分布图,以及同震变形造成的InSAR干涉条纹。(a)InSAR地震变形干涉条纹和(b)余震分布.

 

地震震中区人口不多,没有伤亡,地表当时冰雪覆盖,也没有观测到显著的破坏。但在冰雪融化之后,5 月份报道斯坦利镇西20  千米的斯坦利湖岸发现了沉陷。地震前后的卫星照片4)可以看到湖西岸的大片区域沉陷而被湖水淹没。照片内黄色区域曾经是沙滩休闲场所。我这次也去现场进行了考察,图 5 中湖边的道路由于沉陷而沉入湖下,沙滩的消失可能是由于饱和沉积物的液化、压实以及湖岸向湖泊深处的可能的横向滑动和扩散共同造成的。

图4 2020年斯坦利Mw6.5地震前后卫星照片的对照。(a)地震前;(b)地震后

 

 

图5 环湖道路因沉陷进斯坦利湖而中断

 

笔者还前往斯坦利镇东南的 1983 波拉峰地震震中区进行了考察。该地震当时在震中区造成了破坏和人员伤亡。其中11 座商业建筑和 39 座房屋遭受了严重破坏,另有 200 座房屋造成了中度至轻微的破坏。财产损失估计为 1250 万美元。有两个上学的孩子被崩塌物砸中不幸遇难,多人轻伤。该地震余震持续长达一年,最大余震为 5.4 级,发生在主震后十个月的1984 8 22 日。地震导致明显的地表断裂,迷失河山脉的山坡上有一个 34 米长的西北走向的地面破裂陡坎。在其中8 千米区域内更是发生了大面积破坏,断层破碎带宽达 100 米。断层的错断量最大达 3 米。尽管地震已经过去了 37 年,地震断层陡坎仍然清晰可见(6)。 

图6 1983年波拉峰地震形成的断裂

 

1983 年地震时在盆地一些地方,造成了地下水位变化和喷砂冒水等现象。地震和余震之后,东方约 240 千米的黄石国家公园著名的间歇泉老实泉(Old Faithful喷发间隔明显延长。但时隔 37 年,这次考察中那些喷砂冒水的痕迹已经无法找到。

这次考察正值新冠肺炎流行时期,旅途中也可以亲身体验特殊的氛围。我们选择的旅馆都是没有中央空调的旅馆,旅馆内有的不再供应早餐,有的供应简单的包装早餐,或是简单的早餐自取回房间享用。对于停留多日旅客的房间,旅馆不再进行每天打扫,如果需要打扫要特别通知旅馆。我们有一次去索要浴巾,戴着口罩的前台人员戴上一次性手套,取出浴巾放在大塑料袋内交给我们。虽然有的城市旅馆每一个客人离开后会消毒,并将房门贴上封条,三天后开封才能接待新的客人。但为了减少被传染的可能性,我们还要对房间进行再次消毒。一些城市经历了病人传播的首次高潮,因此城里的商店、饭店大多数停止营业,即使营业的饭店也不开桌餐、只买外卖,工作人员都戴口罩。城市街道上人员也不多。

斯坦利是一个海拔 1900 米,常住人口仅 69 人的小镇,其所在的县除了 3 月底有两个病人以外,一直没有新病人。来此的人员应该主要是游客,我们停留期间该旅舍天天客满,小城里总体仍然很注意防疫,但是有一个披萨店,工作人员不戴口罩,室内坐满了喝啤酒、吃披萨、聊大天的客人,我们选择远远避开。在该区域还见到声称周末有现场音乐表演的广告,想象一下这种热闹场面令人担忧。到我们离开前,虽然小镇没有疫情报告,但该县已经出现了三个新的病人。

这次考察有两个科学问题令人深思。一个是斯坦利地震震中处于锯齿山断层北端以北,而且是走滑断层而不是正断层,在盆岭区北端变形究竟如何分配?断层系统之间应力如何相互影响,是值得深入研究的问题。另一个是盆岭区的演变和黄石公园热点和岩浆活动迁移历史对爱达荷州新构造运动和地震活动的影响。

盆岭区的断层大约在 1700 万年前诞块在北美整个西海岸俯冲,对大陆上施加了向东的挤压”作用,使北美板块的内部处于压缩状态。而在 1700 万年时,这些小洋板块的俯冲运动在加利福尼亚大部分地区的沿岸停止了。太平洋板块第一次与北美板块的边缘直接接触,太平洋板块沿着其与北美的边界滑向西北(圣安德列斯断层。也就是说,太平洋板块缓慢地离开北美内部区域,沿加利福尼亚州西海岸的板块运动类型的变化因此将作用于内部的力从压缩性变为了拉伸。作为响应,形成了盆岭区。整个盆岭区东西向延伸导致了一系列正断层的形成,一系列交替的山脉和盆地地垒和地堑。而黄石公园下的热柱,大约在 1000 400 万年前扫过爱达荷州南部,形成了大规模的玄武岩浆的覆盖。这种大规模的岩浆侵入,使应力场“清零”,使周围广大区域“重启”,这种“清零”“重启”对区域构造应力场演化和地震活动性有什么影响呢?美国地质调查局绘制的美国地震灾害风险图(图7,低风险的蛇河玄武岩覆盖的平原切割了盆岭区,其南部为较低风险,北部为较高风险。我们过去模拟计算仅仅注意不同构造单元物性的差异,但这种“清零”和“重启”对初始应力状态的影响如何考虑。这是今后值得关切的科学问题。较小规模的岩浆入侵,虽然不一定影响区域构造应力场,但是对成矿等问题也可能有关键性影响,也同样需要加以注意。

7 美国地质调查局绘制的地震灾害风险图中,低风险的蛇河平原切割了盆岭区,南部是较低风险,而斯坦利地震、波拉峰地震所在盆岭北缘区域为较高风险