科普|拨开尼泊尔8.1级大地震的科学谜团

在近乎疯狂的欢呼声中，一位名叫Rishi Khanal的尼泊尔当地男子，被搜救队从加德满都郊区倒塌的建筑废墟中找到并救出，他还活着，此时距离他被困在废墟下已经过去了整整82小时。2015年4月25日发生在尼泊尔的8.1级大地震突然袭击尼泊尔中部和东部以及中国西藏的南部，造成近9000人罹难、2.2万人受伤、近50万栋建筑物倒塌。这场大地震让尼泊尔这个被称为世界上幸福指数最高的神秘的宗教之国，瞬间满目疮痍、陷入灾难。

尤为令世界震惊的是，多达2900处文化和历史遗址在地震中遭受破坏，包括被联合国教科文组织列为世界遗产的加德满都谷地（包括7处核心遗产）受到重创，在地震后再次被列入《濒危世界遗产名录》。

列入世界遗产的加德满都谷地杜巴广场（Durbar Square）上，石砌的瓦特萨拉（Vatshala）神庙在2015年的大地震中完全倒塌（左图为地震前，右图为地震后）。

这场自1934年发生强大地震之后尼泊尔再次遭遇的巨大地震，引起了全世界地球科学研究人员的关注、开展了大量科学研究，揭开了一个个关于这个“凶手”的谜团。这场8.1级大地震发生5周年之后的今天，让我们一起来看看科学家们的“破案”过程。

一、科学家们是怎样“破案”的？

为解开这个“破案”过程，我们首先利用自然科学引文数据库WOS中的SCIE数据库，检索出了2015年以来与此次地震相关的438篇学术论文，并利用文献计量在线分析平台（https://bibliometric.com/）进行了分析：

1.关于尼泊尔大地震的论文发表数量在震后2年达到高峰。2015~2019年以来的年度论文发表量分别为33、89、143、86、74篇，展示出了先上升、在第二年达到高峰，之后缓慢下降的趋势。这与很多致灾型大地震的情况类似，反映了科学成果产出的时间周期、科学关注热度等一般规律。

2.各国学者更注重广泛的跨国合作。这些论文的研究者涉及39个国家，有相当比例的论文是与其他国家的学者合作共同完成。其中，美国、尼泊尔、中国学者的合作国均超过了10个（图2）。美国、尼泊尔和法国有50%以上的论文是与其他国家学者共同合作完成，显示了较高的国际合作程度。

不同国家间的合作研究关系图

3.美国多个研究机构占据了国际合作的中心位置、中国地震局与主要机构均有合作。对这些论文涉及的研究机构之间的合作关系（图3）分析表明，美国加州理工学院（Caltech）、地质调查局（USGS）、加州大学圣地亚哥分校（UCSD）、英国剑桥大学（University of Cambridge），占据了此次地震研究的国际合作的中心位置。值得指出的是，中国地震局、中国科学院、新加坡南洋理工大学，分列论文发表总量的前三位。但在论文的总被引用次数上，美国的Caltech、USGS和UCSD位列三甲，中国地震局排在第七位。

不同研究机构之间的合作研究关系图。圆形在图中的相对位置表示是否占据国际合作的中心，圆的大小表示国际合作的规模与重要程度。图中深蓝色圆形为中国地震局，红色标出的圆形为与中国地震局有论文合作关系的研究机构。

4．科学家们偏爱在《Tectonophysics》《JAES》和《GRL》上发表成果。在期刊发文量排序（图4）上，主要刊登构造地质与地球动力学的《Tectonophysics》、刊登亚洲地区地球科学成果的《JAES》、快速发表地球物理学成果简讯的《GRL》，分列发文量前三位。这可能是与尼泊尔8.1级地震更多地与构造地质和地球动力学等科学问题、区域性的减灾问题相关。

按照发文总量排序的学术期刊列表

5．滑坡、主喜马拉雅逆冲断裂、InSAR、GPS等是热点关键词。对论文的关键词分析（图5）表明，学者们关注的热点关键词主要包括：滑坡、主喜马拉雅逆冲断裂、合成孔径雷达干涉（InSAR）、全球卫星导航系统（GPS）、灾害、震源观测、地震活动性等。这些热点关键词也很好地反映了此次大地震的重要科学问题、可利用的主要观测手段。

图5 论文的热点关键词分析

二、揭开了哪些科学谜团？

尼泊尔8.1级大地震后，关于此次地震的孕育发生和成灾演化过程尚存在诸多科学问题亟待解答。回顾地震发生5年来的科学研究进展，可简要总结如下：

1.一次罕见的极低角度逆冲型大地震。印度次大陆向北推挤、与欧亚板块碰撞并俯冲到喜马拉雅山底部，形成一个平缓的接触面。这个接触面未出露地表的部分被称为主喜马拉雅逆冲断裂（MHT），尼泊尔8.1级大地震就发生在地下约18km深度的MHT上。MHT的特殊之处在于，倾角仅为约7度，这几乎相当于断层与地表平行。

尼泊尔大地震发震构造的剖面示意图。图中橙色曲线表示主喜马拉雅逆冲断裂，主震在有红色圆圈表示的余震发生的段落破裂（引自Bai et al., 2016, Geophys. Res. Lett.）。

2.地震破裂面极为复杂、控制了地震破裂的规模。尼泊尔8.1级大地震在向北平缓（倾角5度）俯冲的接触面上，自西向东逐渐破裂。向东接近加德满都盆地附近时，破裂面变陡（也是5度左右）加深。接下来到达盆地西侧时，破裂面向北的倾角增大为10度左右。最后在东侧时又变得平缓。这种俯冲断层面的不规则，可能与印度板块俯冲过程中的局部撕裂有关，也同时形成了破裂传播的不规则减速、限制住了这次地震向东破裂的规模。

尼泊尔主震和Mw7.3级余震的破裂前锋随时间变化示意图。复杂的断层面几何形状和耦合异质性影响了破裂传播的速度和方向（引自Zhang et al., 2016, Geophys. Res. Lett.）。

3.引起社会不安的后续地震危险性有了初步的科学解答。尼泊尔大地震后，印度社会广泛流传着震区还会发生7级以上大地震、向南破裂到地表并对印度造成巨大破坏的传言。

历史上，在喜马拉雅碰撞带上发生的大地震可分成两类（见图8）：一类是只在地下深部破裂却没有撕裂地表的“盲地震”，例如2015年尼泊尔大地震；另一类是破裂撕裂到地表的震级更大的地震。研究表明，由于存在较高的摩擦力和复杂的俯冲断层几何形状，“盲地震”无法将深部的应力足够地向上传递、撕裂地表。此外，震后6个月内，破裂区已无明显的地震滑动，那种担心像推倒多米诺骨牌似的连续发生强余震和大地震的可能性几乎不存在了。当然这仍需要时间来检验。

沿喜马拉雅碰撞带发生的历史大地震。黄色和蓝色区域表示历史上破裂的大地震，其中黄色区域表示俯冲接触面已经完全破裂的大地震，蓝色区域表示只破裂一部分（引自Zilio et al., 2019, Nature Communications）。

4.在工程震害上取得诸多新认识。此次地震给尼泊尔的水电设施造成严重破坏，损毁约20％的水电容量，主要是地震使陡峭的河谷侧壁引发滑坡所造成。专家评估表明，包括尼泊尔在内的喜马拉雅地区超过10％的河流实际上并不适合建设水电基础设施。

此次地震的砂土液化造成的工程震害远低于预期，主要是因为工业和生活用水量较大，造成地下水位下降较多等原因。在生命线工程震害上，尽管水利和输电线路遭到严重破坏，但由于尼泊尔长期以来供水和供电能力不足，很多居民和企业自建了水井、储水箱、柴油发电机等，由此具有了一种特殊的灾害弹性。

对加德满都谷地的文化遗产建筑震害研究表明，69.2%的砖木结构和81.2%的砖石结构遭到严重破坏和垮塌。除场地条件、文化遗产建筑的特殊构造等原因外，严重缺乏专业的抗震加固措施、维修措施不够有效是损毁的主因。

5.空间对地观测在这次地震研究中发挥了重要作用。由于InSAR等卫星遥感数据可进行空间大尺度和高精度观测，所以在本次尼泊尔大地震中，对相关的块体变形、断层构造活动、灾情识别等方面发挥了重要作用。这得益于近20年来空间对地观测技术的快速发展、观测数据的海量累积以及技术标准化程度提高。

三、结语

受到孕震环境和构造条件等多种因素影响，大地震的孕育发生与成灾演化过程几乎都有各自的特殊之处、待解的科学谜团。尼泊尔8.1级大地震发生后，科学家群体的“破案”过程和取得的科学认识，可能也仅是“管中窥豹”。通过缜密深入的科学研究来破解这些难题，将是人类不断挑战和战胜自然灾害的有效途径。