1985年美国联邦地质调查局曾预报,在1993年之前,很可能就在1988年1月左右,加利福尼亚Parkfield附近的圣 · 安德鲁斯断层上将发生一次6级地震。其根据是那儿曾发生过的地震的规律性。在历史上,大沏地震曾分别于1857年、1881年、1901年、1922年、1934年和1966年在那儿爆发,而且虽然早期各次地震的规模和地点都是不确定的,但根据最近期地震的完好记录,却发现它们之间存在着惊人的相似之处。如1966年和1934年的两次地震,或还有1922年的一次,它们的震中以及传播方向和距离都是相同的。再者,1966年和1934年的两d地震,在主震前17分钟都曾在同一地区出现前兆震。但尽管存在着这个规律性,Parkfield地区的地震预报仍未真正的实现。而然仍保持着每隔近3年一次的预报工作,但许多地震学专家对震动模式的预报价值提出了疑问。尤其是他们已经开始怀疑为什么要把地震的发生看作是许多非线性动态系统所呈现的“确立性无序”的范例呢?最近Huang and Turcotte在其论文中指出,用一个非常简单——虽然对前述理由来说是高度理想化的——以想象的断层模型来模拟,实际上就可能显示出典型的毫无规律的行为来。
地震的发生通常是一个极其复杂的过程——在Parkfield观察到的这种周期性是罕见的。作为预报将来再次发生地震的模式的推断方法已经证明是有问题的,而且为大地震提供的预兆现象(比如沉寂、活性增强以及统计资料的频数的变化等)的数目可以同研究人员的数目相比。地震再次发生的无规律性通常被归因于其根本的发生机制的复杂性,尤其是地球的地质不均一性。但值得注意的是,这却是和认为地震的发生是毫无规律的是完全不同的,因为这之中意指地震的发生是受一个简单的规则所控制的。如果地震的发生确实是无规律的,那么地震的非短时期的预报当是很容易的。但另一方面,因为无序系统对最初状态是非常敏感的,而这最初状态是随时间按指数增长变化的,那么要像天气预报那样预报将来某时会发生地震将受到绝对的限制。
在断裂面上,两盘之间的摩擦阻力随着滑移和滑移速度的增大而减小,当其阻力减小到一定程度时,两盘便发生迅速而不稳定的大滑动,随之发生了地震。Burridge and Knopoff指出,许多人都曾做过断层的模型,其就像用弹簧彼此连结着的块体系统,在其表面有一个同样用弹簧连结的能缓慢滑动的“驱动装置”。虽然许多这样的研究都被复杂化了,其包括许多块体、空间不均一性或物理性质的多样性,但即使是简单的模型也有可能显示出令人惊奇的复杂的行为效果。Nussbaum and Ruina认为在这种情况下,只是两个用同一“驱动”弹簧连结的完全相同的双块体系统,而且是由简单的静/动摩擦准则来控制的。当时间和距离被测量时,该模型将由单个参数来描述:即连结与“驱动”弹簧的硬度比率。系统的动态性质将通过滑移前瞬间的和固有的两“驱动”弹簧的伸长量之间的差异的关系得到分析。这样就会发现系统的行为是随着断距而变化的,即使系统是同质的也是如此。这个空间依存性——其中的一个块体的滑距总是小于另一块的——要么是固定的,要么是随着时间而变化的,即“滑距较小者”相互转化。这表明从实际断裂当中观察到的空间不对称性,比如恒定的蠕变同固定部分之间的两分关系,并非需要由地质结构或岩石的物理性质的变化而引起,而是由断层的暂时行为的质的变化引起的。
然而,对称的双块体模型的与静/动摩擦有关的行为并非毫无秩序的:所有的连结弹簧的变化率和初始状态,以及块体的运动都逐渐变为周期性的了。Huang and Turcotte通过引入两块体的摩擦系数的不对称性来消除了复杂性同实际无秩序行为之间的不协调性。这个双块体系统将显示出稳步的滑移,而且是周期性的滑移现象,或无序的运动。如果开始时参数都是对称的(显示周期性的行为),而且逐步引入摩擦阻力的不对称性,在块体运动过程中,一系列次声波将随之出现,这导致更加复杂的周期性和最终的无序性。那么这样一个标准的“双重周期”的阶梯状路线作为非线性系统经历从周期性向无序行为转变的最普通的路线形式。对于由许多块体构成的相似系统或连续弹性介质。无序行为同样是可能的。再者,如果一个更加实际的摩擦准则和两个依赖于时间的“状态变项”被应用,那么无序的行为可能只对一个滑动块体有效。
那么地震真的不像模型那样而是毫无规律的吗?这个问题仅在最近才进行着探讨。 Horowitz对Parkfield地区的从1980年~1986年中期的15196次微震做了详细调查,探索隐藏在确立性行为之后的证据。通过对所有观察到的可能相关的微震的量(比如震源的等同性、震级以及事件中的境况等)整理成多维系列,以便提供给以计算机为基础的方法来检验这些点子是否随机的散布在“观察空间”内或是否在于低维的次空间中,这表明在描述其行为时一些变量是需要的。Horowitz对Parkfield地区的资料建立了一个15维的参数空间,结果表明——尽管意义并不明确——存在一个只有6个自由度的结构,这样的话,一个只用6个变量来描述的动态系统将模仿这一地区的地震行为。如果这样简单的系统能够产生像地震记录中的那样复杂的行为,那么这将为其包含了无序过程提供了有力的证据。将来的模拟和观察研究能否产生出这一效果仍将拭目以待。
[Nature,1990年6月7日]