钻探圣安德烈亚斯

在我抵达加利福尼亚中部撰写地震文章的当天，发生大地震的几率大约是 8030 比 1。

如果我是一名赌徒就好了。2004 年 9 月 28 日上午 10:15，我在圣安德烈亚斯断层深度观测站的一个拖车里，正咬着一块早餐棒等待，地震发生了。这个项目正在使用石油钻机深入臭名昭著的断层，让地球物理学家能够将仪器放置在地震开始的确切位置。起初，我以为是距离拖车大约 100 码的钻机使地面震动，但很快拖车的地板开始以不合常理的方式剧烈晃动。

“天哪，地震了！”地球物理学家 Naomi Boness 喊道，紧紧抓住她的桌子。我很感谢专业的确认。

地震持续了 10 秒——真是漫长的 10 秒。它摇晃、轰鸣、可怕，足以摧毁劣质房屋并杀死一些人，如果它发生在城市里的话。但在地震多发的加利福尼亚中部农村，它只导致停电几个小时，震塌了几座烟囱，并打破了当地一家酒庄的一些瓶子。没有人受伤，但这次地震对于粗工蒂姆·卡马戈来说是一生难得的惊险之旅，地震发生时他正在钻井平台上工作。“我感觉到了什么？我感觉到了剧烈的摇晃，”他迅速爬下来后说，“在上面放大了大约 10 倍。”

之后一切都变得有点疯狂。地震影响了长达 500 英里的区域，所以一大批当地新闻媒体迅速涌向人口只有 18 人的帕克菲尔德小镇，这个小镇距离地震震中和钻探地点约八英里。我开车去了那里，在尘土飞扬的街道上数了 13 辆直播电视车。电视记者试图向斯蒂芬·希克曼提出尖锐、直接的问题，他是美国地质调查局的地球物理学家，也是观测站的主要调查员之一。

电视记者：那么，是你们的钻探活动导致了这次地震吗？

希克曼：不。

与此同时，我一整天都感到震惊和异常紧张。即使在这场轻微的地震中，拖车也剧烈地摇晃和摆动，这使得自 1900 年以来地震已造成超过 180 万人死亡的事实突然变得非常容易相信。地震的间接影响同样致命，去年 12 月发生的毁灭性印度洋海啸就证明了这一点。人们不禁要问，如果他们事先知道地震即将来临，有多少人会活下来。

“地震预测是地球物理学的难题。人们甚至不喜欢谈论它，”斯坦福大学地球物理学教授、钻探地点的另一位主要调查员马克·佐巴克说。目前，科学家对地球内部运动的了解太少，无法做出可靠的地震预测，而不可靠预测的代价可能巨大：如果旧金山因等待一场可能永远不会到来的地震而关闭一周，将会损失数百万美元的商业机会。另一方面，即使是几分钟的提前预警也足以疏散人群、关闭燃气和水管，并拯救一座城市免于毁灭。

佐巴克小心翼翼地解释了他为什么要钻探圣安德烈亚斯断层。“通过这个项目，我们不是试图学习如何预测地震，而是试图了解它们是否可预测。无论我们发现什么都会很有趣，因为以前从未做过。”希克曼也表达了同样的看法：“今天发生的事情提醒我们这一切的意义。”

圣安德烈亚斯断层深度观测站位于该地点西北 25 英里处，靠近 41 号和 46 号高速公路的交汇处，詹姆斯·迪恩于 1955 年 9 月 30 日在此处撞毁了他的保时捷 Spyder 并丧生，这一事件由一位日本商人竖立的难看的不锈钢路边神龛纪念。四周是偏远、荒凉、阳光炙烤的牧牛地，点缀着活橡树、枯黄的草和饱经风霜的谷仓。最近的加油站距离 20 英里，手机服务几乎为零，四居室帕克菲尔德旅馆的前台艾丽斯让我关上身后的门，以防止野猪进入门廊。

这里的断层行为异常。圣安德烈亚斯断层由太平洋板块和北美洲板块相互摩擦形成，从墨西哥湾向上延伸 800 英里，在加利福尼亚西部划出一道浅弧。北部和南部部分被锁定在一起，很少滑动，但一旦滑动则非常剧烈，导致了像 1906 年旧金山地震那样造成 3000 人死亡的巨大地震。帕克菲尔德以北的这一段则不同。它以人类指甲生长的速度不断移动，大约每年 1.3 英寸。在那里建造一座房子，它会以慢动作被撕成两半。

这个占地五英亩的钻井场地，距离帕克菲尔德 12 分钟车程，位于南部锁定段和蠕动段之间的过渡区。佐巴克与美国地质调查局地震灾害小组的希克曼和威廉·埃尔斯沃思决定在这里钻探，因为这个过渡区以每隔几年一次的节律性规律产生小规模的 2 级地震，这些地震太小以至于在地表无法感觉到。这些是重复性地震，这意味着它们产生相同的地震仪模式，“一抖一抖”，佐巴克说。监测地面在不同深度反复移动的方式，将使团队能够拼凑出世界上第一个正在活动的断层三维地图，就像直接观察岩石内部一样。项目名称中的“观测站”不仅仅是一个比喻。

将地球置于显微镜下

圣安德烈亚斯断层深度观测站是“地球探测”的几个组成部分之一。“地球探测”是美国国家科学基金会一项耗资 2 亿美元的宏伟计划，旨在研究塑造北美洲大陆的地球物理力。地球探测内部的其他项目包括：

板块边界观测站——大约 1000 个站点的全球定位系统接收器，结合大约 200 个位置的应变计，正在沿着北美洲西部边缘从阿拉斯加到墨西哥安装。目标是监测大陆正在进行的收缩、膨胀和整体变形，观察从几天到几十年的时间尺度上的变化。

美国地震台阵——一个由地震台站组成的网络，包括将在 10 年内在美国全境移动的便携式台站，将绘制地震能量通过我们星球传播的细微差异，从而增进对地球深部结构的理解。

干涉合成孔径雷达——一个拟议中的卫星监测系统，如果获得资金，将通过雷达波反射地表来跟踪北美板块和太平洋板块的运动和变形。这项技术可以识别小至一毫米的地面运动。

观测站本身有一种意想不到的准军事氛围。尽管它坐落在偏远、荒凉的广阔牧场上，但仍由带刺铁丝网和一名名叫托德的坚决女性守卫。如果你不在托德的名单上，你就无法进入。当我从帕克菲尔德的媒体狂潮后开车回到那里时，托德（又名托里·奥斯本-海尔曼）说她有一种奇怪的感觉，地震即将来临：“松鼠已经消失两天了。那应该告诉我一些事情。”

182 英尺高的钻井塔在炽热的晨光中洁白耀眼，主宰着这片区域，这里充满了实验室拖车、住所拖车、从钻孔中抽出的干涸泥浆的海洋，以及堆积如山的粗糙钻井设备。地震刚发生后，钻井队便从工作平台上爬下来，坐在阴凉处，而安全检查员则爬上钻机寻找裂缝。中午时分，粗工们又开始工作了。地震过后，工作似乎变得更加重要。

该钻机由纳博斯钻探公司拥有和运营，此前曾用于寻找石油或天然气，于 2002 年 7 月首次在此处的红土中钻孔，钻了一个 1.4 英里深的先导孔，并安装了一串地震仪。利用从该工作中获得的信息，观测站团队于 2004 年 6 月开始钻探钢套主孔。它将首先垂直向下钻 1.1 英里，然后以 50 度角向东弯曲，再钻 1.8 英里，采用定向钻探技术，这种技术是为了更彻底地开采难以触及的油藏而发明的。

到今年夏天结束时，研究人员希望能够到达地下约两英里、足球场大小的断层板块区域，那是微弱的 2 级地震开始发生的应力点。大约 50 台仪器——地震仪、应变计、温度传感器和流体压力传感器——将监测断层的一切变化，并通过光纤电缆将读数发送到地表。“我们的仪器将位于距离震源数十米之内，因此在接下来的 20 年里，我们可以反复观察基本相同的地震，”佐巴克说。

他的团队将寻找任何有意义的模式。“如果我们的仪器就在断层带内，而我们确实没有看到任何预测性信号，那将说明预测性方面的问题，”他说。但他希望地震能发出预警信号。如果能，像这样的地下监测站将来有一天可以挽救数百万人的生命。即使在最坏的情况下，地震学家也将对断层滑动时发生的情况以及由此产生的运动可能造成的损害获得巨大的洞察力。

那么我们那天早上感觉到的 6 级地震呢？那次地震来自南部几英里外的一个断层区，自 19 世纪中叶以来，该断层区平均每 22 年就会产生一次类似的强烈震动。（22 年大约等于 8030 天，这就是我粗略计算概率的方法。）

“当我感觉到时，我从淋浴间出来跑到外面。甚至没关水，”那天下午帕克菲尔德咖啡馆的厨师辛迪·范霍恩告诉我，“我认真对待地震。1966 年大地震时我 9 岁，房子在我周围倒塌了。”

与此同时，佐巴克欣喜若狂。他是一位专注、语速快的研究员，热爱自己的工作，早上的地震只会进一步激发他的热情。他当时不在现场，但一听到消息就以极快的速度赶到了那里。“地震科学领域的一些人已经不再提出大问题了。这很不幸。我认为这将重振这个领域，”他说。他迫不及待地想看到钻头最终钻入两个板块相互摩擦的地方。“穿透断层将是大事。到目前为止，这只是前戏。”

海啸的伴生观测站

去年 12 月 26 日，在非洲和南亚造成数十万人死亡的巨大海啸是由俯冲断层引起的，这种断层是在海洋板块潜入大陆板块下方时形成的。为了研究这一过程，研究人员启动了一个钻探项目，与圣安德烈亚斯断层深度观测站的项目惊人地相似。

俯冲断层与水平方向呈 10 到 15 度角，与垂直断层（如圣安德烈亚斯断层）有显著不同。“对于俯冲断层，你会得到一个更大的锁定区域，所以地震可能更大，”斯坦福大学地球物理学教授马克·佐巴克说。虽然垂直断层地震，如 1906 年袭击旧金山的地震，震级峰值约为 8 级，“俯冲地震可以是 9 级。请记住，8 级和 9 级之间能量相差 30 倍。”

作为由日本和美国主要资助的综合大洋钻探计划的一部分，地震学家计划使用“地球”号钻探船钻探南海海槽，这是一个与日本南部海岸线平行的俯冲带。然后他们将用地震仪、热传感器和其他与圣安德烈亚斯项目计划的阵列类似的仪器填充钻孔。于 2002 年 1 月下水的“地球”号正在进行试航，预计钻探将于 2007 年开始。

佐巴克强调，安全措施不必等待这项工作的结果，因为海啸比引发它们的地震更容易预测。“通常，从地震探测到海啸来袭之间有几个小时的预警时间，”他说，“你所需要做的就是建立基础设施来挽救生命。”在去年 12 月的灾难之后，印度、泰国和印度尼西亚政府表示，他们将着手建立这样的基础设施。——B.L.

地震是脱离语境的自然灾害。在飓风中，没有人会疑惑：“天哪，这是强风吗？”在洪水期间，没有人会凝视上涨的水位并问道：“河水溢出来了吗？”但地震在不可见的深处无预兆地开始，在任何一个地点，大地震相对于人类寿命而言都是罕见的。这两个事实决定了每个被地震困住的人都会在前 10 秒疑惑到底发生了什么，接下来的 10 秒则互相喊着“地震了！”。当地震发生时，几乎每个人都搞清楚这是什么的时候，它就已经结束了。

地震的短暂和不可及性也使其难以研究，并且迄今为止无法预测。即使是最先进的地震台阵也只能从根本上是内部的事件中读取外部信号，而这个信号被能量波的散射所扭曲。这就是为什么研究人员至少从 20 世纪 70 年代就开始考虑钻探圣安德烈亚斯断层，以了解其运作机制。“地表一片混乱，”佐巴克说，“所有断层在地表都很脆弱，因为没有围压，所以我们不得不对每次地震的深部起源进行推断。”将仪器放置在地下，就在板块开始相互滑动的地方，将为成核区（地震开始的地方）提供关键信息。

佐巴克和希克曼在 20 世纪 90 年代初就这项研究提出了正式提案。他们的目标是读取地震的所有生命体征——不仅是断层运动，还包括成核区矿物的精确压力、温度、应变和化学成分，以及对通过钻孔提取的岩石和流体进行分析。这项工作的费用使其无法实现，直到 2002 年，美国国家科学基金会从国会获得了超过 2 亿美元的资金，用于资助 EarthScope，这是一个复杂的地球科学伞状项目，旨在阐明塑造北美洲的地质力量。通过 EarthScope，圣安德烈亚斯观测站到 2008 年将获得约 2000 万美元。“经过 12 年的会议，看到它正在发生真是太令人兴奋了，”佐巴克笑着说。

在夕阳西下、气温迅速下降的傍晚，我爬上钢制楼梯，登上钻井平台的作业台。地表处，钢套井口宽 36 英寸。随着深度的增加，它变得越来越窄，因为每个后续衬管都必须滑入前一个衬管内；在断层深度，它将只有 8.5 英寸宽。今天井深 10,100 英尺，宽 9 5/8 英寸——已完成一半以上。四名戴着安全帽的工人默契配合，用巨大的橙色扳手连接 90 英尺长的钻杆。钻杆穿过已安装的衬管，将井口钻得更深。然后，加压流体将钻出的泥土推到地表，为下一批越来越窄的钢套筒腾出空间。这项工作异常艰苦。“它会把你搞得筋疲力尽，”粗工乔·梅森在休息时说，他卷起袖子，露出一块黑色的压迫绷带。“我们都被砸过、割伤过、打伤过。我上周撕裂了二头肌。”

佐巴克和他的同事们将确保这些牺牲不会白费。这个观测站应该帮助回答的一个大问题是，为什么像圣安德烈亚斯断层这样，地球地壳的两大板块相互摩擦的断层，会表现得如此奇怪。

“如果你观察一个板块内的断层，你会发现它非常符合实验室定律，”佐巴克说。如果研究人员从单个板块内的断层带中提取一英寸的岩石样本，并在实验室中对其施加压缩和剪切力直至其滑动，它将表现出与地下岩石非常相似的行为。

但由于某种原因，圣安德烈亚斯断层和其他板间断层在非常低的剪切应力下就会滑动，远低于实验室中使岩石样本滑动所需的应力：这里的岩石在实验室测试表明它应该保持不动时却会滑动。“说出来似乎很疯狂——你知道，强大的圣安德烈亚斯断层等等——但它实际上是一个脆弱的断层。为什么？”佐巴克问道。

在他看来，至少有三个原因。一个可能是成核地点岩石的组成或结构存在某种奇特之处，使其异常滑溜。（以前没有人从实际的成核区提取过物质；研究人员不得不假设那里的岩石与靠近地表的岩石相似。）另一个可能是地下水压力高于预期，将板块推开，使其容易滑动，就像高油压的发动机比低油压的发动机工作效率更高一样。最后，可能存在某种未知的动力学机制，使得板块在滑动时相互跳动，就像汽车打滑的轮胎在路面上产生微小的跳动一样。

“事实是，没人知道，”佐巴克坦言。“我们现在拥有的是史蒂夫·希克曼所说的‘不断增加的假设’。”

圣安德烈亚斯观测站应该有助于找出最佳解释。当断层弱点问题解决后，还有更多问题等待解决：那个深度的流体源自何处——是雨水还是其他物质？什么控制着地震波的起源和传播？最重要的是，标记地震发生地零点的板块结构是什么？“目前，每一种理论都同样好，因为我们只是不知道，”佐巴克说。

下午 6:30，太阳西沉，棕色的山丘迅速冷却下来。佐巴克和希克曼那天总共接受了大约 50 次采访，两人都显得精疲力尽。我突然意识到我那天只吃了一根代餐棒。

开车回帕克菲尔德旅馆，嚼着另一根能量棒，我想到地震长期以来是如何肆意伤害无辜人民的。人类历史上最大的自然灾害发生在 1556 年 1 月 23 日的中国山西省，当时一场地震导致 83 万人死亡。此后建筑有所改善，但地球也比 1556 年拥挤得多。没有理由说明一场同样致命的地震明天早上不会发生。

我开车经过旅馆，下了租来的车，在一个沿着圣安德烈亚斯断层蠕动段延伸的干涸河床里站了一会儿。现在，在黑暗中，我几乎能感觉到它在移动。