在近乎瘋狂的歡呼聲中，一位名叫Rishi Khanal的尼泊爾當地男子，被搜救隊從加德滿都郊區倒塌的建築廢墟中找到並救出，他還活著，此時距離他被困在廢墟下已經過去了整整82小時。2015年4月25日發生在尼泊爾的8.1級大地震突然襲擊尼泊爾中部和東部以及中國西藏的南部，造成近9000人罹難、2.2萬人受傷、近50萬棟建築物倒塌。這場大地震讓尼泊爾這個被稱為世界上幸福指數最高的神秘的宗教之國，瞬間滿目瘡痍、陷入災難。
尤為令世界震驚的是，多達2900處文化和歷史遺址在地震中遭受破壞，包括被聯合國教科文組織列為世界遺產的加德滿都谷地（包括7處核心遺產）受到重創，在地震後再次被列入《瀕危世界遺產名錄》。
列入世界遺產的加德滿都谷地杜巴廣場（Durbar Square）上，石砌的瓦特薩拉（Vatshala）神廟在2015年的大地震中完全倒塌（左圖為地震前，右圖為地震後）。
這場自1934年發生強大地震之後尼泊爾再次遭遇的巨大地震，引起了全世界地球科學研究人員的關注、開展了大量科學研究，揭開了一個個關於這個「兇手」的謎團。這場8.1級大地震發生5周年之後的今天，讓我們一起來看看科學家們的「破案」過程。
一、科學家們是怎樣「破案」的？
為解開這個「破案」過程，我們首先利用自然科學引文資料庫WOS中的SCIE資料庫，檢索出了2015年以來與此次地震相關的438篇學術論文，並利用文獻計量在線分析平臺（https://bibliometric.com/）進行了分析：
1.關於尼泊爾大地震的論文發表數量在震後2年達到高峰。2015~2019年以來的年度論文發表量分別為33、89、143、86、74篇，展示出了先上升、在第二年達到高峰，之後緩慢下降的趨勢。這與很多致災型大地震的情況類似，反映了科學成果產出的時間周期、科學關注熱度等一般規律。
2.各國學者更注重廣泛的跨國合作。這些論文的研究者涉及39個國家，有相當比例的論文是與其他國家的學者合作共同完成。其中，美國、尼泊爾、中國學者的合作國均超過了10個（圖2）。美國、尼泊爾和法國有50%以上的論文是與其他國家學者共同合作完成，顯示了較高的國際合作程度。
不同國家間的合作研究關係圖
3.美國多個研究機構佔據了國際合作的中心位置、中國地震局與主要機構均有合作。對這些論文涉及的研究機構之間的合作關係（圖3）分析表明，美國加州理工學院（Caltech）、地質調查局（USGS）、加州大學聖地牙哥分校（UCSD）、英國劍橋大學（University of Cambridge），佔據了此次地震研究的國際合作的中心位置。值得指出的是，中國地震局、中國科學院、新加坡南洋理工大學，分列論文發表總量的前三位。但在論文的總被引用次數上，美國的Caltech、USGS和UCSD位列三甲，中國地震局排在第七位。
不同研究機構之間的合作研究關係圖。圓形在圖中的相對位置表示是否佔據國際合作的中心，圓的大小表示國際合作的規模與重要程度。圖中深藍色圓形為中國地震局，紅色標出的圓形為與中國地震局有論文合作關係的研究機構。
4．科學家們偏愛在《Tectonophysics》《JAES》和《GRL》上發表成果。在期刊發文量排序（圖4）上，主要刊登構造地質與地球動力學的《Tectonophysics》、刊登亞洲地區地球科學成果的《JAES》、快速發表地球物理學成果簡訊的《GRL》，分列發文量前三位。這可能是與尼泊爾8.1級地震更多地與構造地質和地球動力學等科學問題、區域性的減災問題相關。
按照發文總量排序的學術期刊列表
5．滑坡、主喜馬拉雅逆衝斷裂、InSAR、GPS等是熱點關鍵詞。對論文的關鍵詞分析（圖5）表明，學者們關注的熱點關鍵詞主要包括：滑坡、主喜馬拉雅逆衝斷裂、合成孔徑雷達幹涉（InSAR）、全球衛星導航系統（GPS）、災害、震源觀測、地震活動性等。這些熱點關鍵詞也很好地反映了此次大地震的重要科學問題、可利用的主要觀測手段。
圖5 論文的熱點關鍵詞分析
二、揭開了哪些科學謎團？
尼泊爾8.1級大地震後，關於此次地震的孕育發生和成災演化過程尚存在諸多科學問題亟待解答。回顧地震發生5年來的科學研究進展，可簡要總結如下：
1.一次罕見的極低角度逆衝型大地震。印度次大陸向北推擠、與歐亞板塊碰撞並俯衝到喜馬拉雅山底部，形成一個平緩的接觸面。這個接觸面未出露地表的部分被稱為主喜馬拉雅逆衝斷裂（MHT），尼泊爾8.1級大地震就發生在地下約18km深度的MHT上。MHT的特殊之處在於，傾角僅為約7度，這幾乎相當於斷層與地表平行。
尼泊爾大地震發震構造的剖面示意圖。圖中橙色曲線表示主喜馬拉雅逆衝斷裂，主震在有紅色圓圈表示的餘震發生的段落破裂（引自Bai et al., 2016, Geophys. Res. Lett.）。
2.地震破裂面極為複雜、控制了地震破裂的規模。尼泊爾8.1級大地震在向北平緩（傾角5度）俯衝的接觸面上，自西向東逐漸破裂。向東接近加德滿都盆地附近時，破裂面變陡（也是5度左右）加深。接下來到達盆地西側時，破裂面向北的傾角增大為10度左右。最後在東側時又變得平緩。這種俯衝斷層面的不規則，可能與印度板塊俯衝過程中的局部撕裂有關，也同時形成了破裂傳播的不規則減速、限制住了這次地震向東破裂的規模。
尼泊爾主震和Mw7.3級餘震的破裂前鋒隨時間變化示意圖。複雜的斷層面幾何形狀和耦合異質性影響了破裂傳播的速度和方向（引自Zhang et al., 2016, Geophys. Res. Lett.）。
3.引起社會不安的後續地震危險性有了初步的科學解答。尼泊爾大地震後，印度社會廣泛流傳著震區還會發生7級以上大地震、向南破裂到地表並對印度造成巨大破壞的傳言。
歷史上，在喜馬拉雅碰撞帶上發生的大地震可分成兩類（見圖8）：一類是只在地下深部破裂卻沒有撕裂地表的「盲地震」，例如2015年尼泊爾大地震；另一類是破裂撕裂到地表的震級更大的地震。研究表明，由於存在較高的摩擦力和複雜的俯衝斷層幾何形狀，「盲地震」無法將深部的應力足夠地向上傳遞、撕裂地表。此外，震後6個月內，破裂區已無明顯的地震滑動，那種擔心像推倒多米諾骨牌似的連續發生強餘震和大地震的可能性幾乎不存在了。當然這仍需要時間來檢驗。
沿喜馬拉雅碰撞帶發生的歷史大地震。黃色和藍色區域表示歷史上破裂的大地震，其中黃色區域表示俯衝接觸面已經完全破裂的大地震，藍色區域表示只破裂一部分（引自Zilio et al., 2019, Nature Communications）。
4.在工程震害上取得諸多新認識。此次地震給尼泊爾的水電設施造成嚴重破壞，損毀約20％的水電容量，主要是地震使陡峭的河谷側壁引發滑坡所造成。專家評估表明，包括尼泊爾在內的喜馬拉雅地區超過10％的河流實際上並不適合建設水電基礎設施。
此次地震的砂土液化造成的工程震害遠低於預期，主要是因為工業和生活用水量較大，造成地下水位下降較多等原因。在生命線工程震害上，儘管水利和輸電線路遭到嚴重破壞，但由於尼泊爾長期以來供水和供電能力不足，很多居民和企業自建了水井、儲水箱、柴油發電機等，由此具有了一種特殊的災害彈性。
對加德滿都谷地的文化遺產建築震害研究表明，69.2%的磚木結構和81.2%的磚石結構遭到嚴重破壞和垮塌。除場地條件、文化遺產建築的特殊構造等原因外，嚴重缺乏專業的抗震加固措施、維修措施不夠有效是損毀的主因。
5.空間對地觀測在這次地震研究中發揮了重要作用。由於InSAR等衛星遙感數據可進行空間大尺度和高精度觀測，所以在本次尼泊爾大地震中，對相關的塊體變形、斷層構造活動、災情識別等方面發揮了重要作用。這得益於近20年來空間對地觀測技術的快速發展、觀測數據的海量累積以及技術標準化程度提高。
三、結語
受到孕震環境和構造條件等多種因素影響，大地震的孕育發生與成災演化過程幾乎都有各自的特殊之處、待解的科學謎團。尼泊爾8.1級大地震發生後，科學家群體的「破案」過程和取得的科學認識，可能也僅是「管中窺豹」。通過縝密深入的科學研究來破解這些難題，將是人類不斷挑戰和戰勝自然災害的有效途徑。
來源：中國地震局地球物理研究所
原標題：《應急科普丨撥開尼泊爾8.1級大地震的科學謎團》