2019 年 7 月 4 日上午，距离加利福尼亚南部小镇里奇克莱斯特不远的莫哈韦沙漠开始发生一系列非常小的地震。

当时没有人知道这是前震，随后不久将发生两场 20 多年来袭击加利福尼亚的最大地震。7 月 4 日，该地区发生了 6.4 级地震，从商店货架上扔瓶子，打破窗户和水管，炸裂高速公路并促使疏散。

两天后，数百次小地震发生在同一地区的不同断层上，发生了 7.1 级地震(强了近 11 倍)，留下了火灾、水和煤气管道泄漏、建筑物和道路破裂，迫使人们疏散。比罗德岛还大的海军武器设施。

地质调查局报告称，加利福尼亚州有记录以来最大的地震中，大约有一半发生在前震之前。在全球范围内，任何给定的地震都有大约 6% 的可能性在三天内变成前震，然后发生更大的地震，尽管这种可能性随着初始事件的时间增加而降低。

但是前震只能在事后才被识别出来。斯坦福大学地球、能源与环境科学学院(斯坦福地球)地球物理学教授 Paul Segall 解释说：“前震只是一场地震，然后是一场更大的地震——主震。” 通常，要将前一次地震视为前震，地震学家还会寻找震中与主震位于同一大区——距离不超过主震期间移动的断层部分长度的几倍。

由于前震发生在更大的地震之前，并且随着主震的临近而变得更加频繁，因此它们长期以来一直呈现出潜在破坏性地震预警的诱人前景。“如果我们能在主震到来之前以某种方式确定给定的地震是前震，那将非常有用，”西格尔说。

前震源于粗断层

几十年来，科学家们一直试图了解驱动前震的物理过程，以及为什么有些地震序列会产生前震而另一些则没有。一个主要理论提出前震是由沿断层的滑动运动加速引起的。这种被称为抗震滑动的运动会引发小地震，因为它延伸到更大的断层区域并加速。

“另一种想法是在没有地震滑动的情况下发生一系列小地震，”塞西尔 H. 和艾达 M. 格林地球物理学教授西格尔说。“地震会重新分配地球内部的压力。在压力增加的地区，它可能会引发其他地震。这种不断增长的级最终会引发一个演变为主震的事件。”

Segall 和地震学家 Camilla Cattania 在《地球物理研究杂志：固体地球》上的最新研究表明，前震实际上是由两者之间的反馈驱动的。麻省理工学院系助理教授卡塔尼亚说：“我们发现，地震滑动和小地震引起的应力重新分布这两种机制在前震序列中都在起作用，并且它们相互加强。复杂的断层几何形状允许同时发生地震滑动和前震。”地球、大气和行星科学博士，作为斯坦福大学的研究科学家参与了这项研究。

像许多自然系统一样，断层是分形的，这意味着它们在所有尺度上都是不规则的。“当粗糙断层的两侧相互滑过时，断层两侧的某些部分被挤压在一起，形成卡塔尼亚，”卡塔尼亚解释说。“前震代表了这些卡住的补丁的破裂。” 这些破裂然后增加了周围地区的应力，逐渐“松开”断层并导致地震滑动加速。“反过来，更快的地震滑动会对附近的地震斑块施加压力并引发更多的前震。这种正反馈导致滑动区域扩大和前震越来越频繁，导致主震，”她说。

根据卡塔尼亚的说法，这意味着断层粗糙度是前震和地震滑动之间反馈的根本原因。她说：“由于所有断层都是粗糙的，因此在大多数前震序列中地震和地震滑动很可能共存。为前震提出的经典机制 - 由地震滑动驱动或完全地震级 - 每个捕获过程的一部分，但它们并不相互排斥。”

模拟地震序列

由加速的地震滑动和小地震级相结合导致的前震想法的证据来自计算机建模。Cattania 和 Segall 在粗糙断层上建立了地震循环的数值模拟，其几何形状与现场和实验室的数据一致。

该团队的模拟显示前震加速导致主震，这与真实世界前震数据平均值中看到的模式一致——这证明了模型的准确性。将来，该模型的预测有可能用于从现有数据集中收集有关前震序列的新见解，并发现以前遗漏或误解的抗震滑动实例。“我们的结果为前震提供了物理解释，”卡塔尼亚说。“但在将这些知识转化为预测之前，还有很多工作要做。”