2010年 1月 12日的海地大地震給這個國家?guī)砹司薮蟮钠茐?(圖 1)。在本周的 Eos會刊中,3位著名地震學(xué)家以新聞圓桌的形式回答了 Eos高級撰稿人 Randy Show stack的問題。

Pau lMann,德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校地球物理研究所高級研究員,剛剛結(jié)束了他和一名同事在海地對斷層破裂的考察工作回到美國;他們正在計劃不久的將來進行一次近海斷層勘察。GlenMattioli,阿肯色大學(xué)費耶特維爾 (Fayetteville)分校地球科學(xué)教授,曾參加過在海地開展的 GPS勘測工作。該小組致力于測量海地地震后的陸地形變,并架設(shè)了一組連續(xù)的 GPS站點來調(diào)查震后滑移、黏彈性弛豫和震間形變回復(fù)時間 (圖 2)。Mann、Mattio li及其同事的研究工作是由美國國家科學(xué)基金會的快速反應(yīng)研究 (RAPID)議案提供給普渡大學(xué)的撥款資助的,Eric Calais是這個項目的首席研究員。Caro l Prentice,美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)地震災(zāi)害項目工作組的地震學(xué)家,自 1991年起致力于加勒比海地區(qū)活斷層的古地震學(xué)研究,包括對伊斯帕尼奧拉島、波多黎各、特立尼達島和牙買加等地區(qū)開展的研究項目。

更多背景信息,請參閱刊登在 Eos(91(4),30-31,26 January 2010)上的一篇文章,題為:“海地地震彰顯更好地利用地震信息的必要性”(見《國際地震動態(tài)》2010年第 3期譯文—編者注)。另外,美國地球物理聯(lián)合會 (AGU)設(shè)立了一個博客來支持對最近發(fā)生的地震的科學(xué)方面和政策方面話題的討論 (http://www.agu.org/blog/Haiti/)。反映海地地震中部分科學(xué)家的工作的另一個博客,請登錄 http:∥haitigp s.wo rdp ress.com/。

RandyShowstack:從 2010年 1月 12日(當(dāng)?shù)貢r間)發(fā)生的海地地震中,科學(xué)界能夠得到些什么啟示?這次地震后,對海地、多米尼加共和國及其他受影響地區(qū)的地震潛勢及地震危險性有哪些憂慮?你們有沒有想指出的需要特別關(guān)注的地理區(qū)域?

GlenMattioli:1月 12日地震的發(fā)震斷層最近一次破裂是在 1751年,因此這次地震為我們提供了一個深入了解這一特殊斷層以及位于加勒比東北部的走滑斷層總體情況的契機?；?GPS和合成孔徑干涉雷達 (In-SAR)測得的初始大地測量資料 (震后),將為 1月 12日MW7.0級地震事件破裂幾何學(xué)及總體滑移特征提供更多的約束條件。同時地質(zhì)觀測資料將用來確定斷層破裂是否傳播至地表。類似資料也可為此次地震事件的幾何學(xué)及滑移特征提供附加約束。由 Roger B ilham(科羅拉多大學(xué)波爾得分校)早些時候完成的勘測和繪圖顯示出地表破碎很嚴重,一些地區(qū)顯著抬升,但顯示地表斷裂的證據(jù)不足。綜合考慮地質(zhì)地貌、大地測量和地震觀測數(shù)據(jù)將有助于我們更好地理解為何一些MW7級左右的淺層走滑地震破裂至自由表面,而其他的卻沒有。目前我們尚不清楚為什么會出現(xiàn)這種情況。

連續(xù) GPS觀測臺站 (包括近場和遠場)的架設(shè),將使我們進一步了解深部變形的長度尺度以及下地殼和上地幔的流變結(jié)構(gòu)。目前我們對這一區(qū)域了解很少。因此,盡管此次地震的機制和震級并不獨特,但像這樣的事件在北美和加勒比板塊邊界帶上還是比較罕見的。連續(xù)數(shù)據(jù)也將幫助我們確定該斷層在 1月 12日破裂的那一段何時會“重新閉鎖”,進入新一輪彈性應(yīng)變積累的循環(huán)。

圖 1 海地太子港一所倒塌的學(xué)校。照片由目前正在海地的一個科學(xué)家小組提供。更多照片及其他信息,請訪問 http:∥ha itigps.wordpress.com/。攝影Andy Freed

圖 2 海地和美國的科學(xué)界同事在多米尼加共和國的 Jim an i鎮(zhèn)會面,商討一個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的勘測方案。(順時針左起)A ltidor Jean Rober t(海地礦產(chǎn)能源局)、Roberte Biena im éMonp laisir(海地礦產(chǎn)能源局)、Estelle Chaussard(邁阿密大學(xué))、D.Sarah Stam ps(普渡大學(xué))、Eric Ca la is(普渡大學(xué))、Glen Mat tioli(阿肯色大學(xué) )。Chaussard、Stamps、Ca la is、Mat tioli和 Andy Freed(普渡大學(xué),無照片)組成該 GPS測量小組。攝影 Andy Freed

余震和庫侖應(yīng)力傳遞初步模型表明,增加的應(yīng)力可能存在于 1月 12日主震震中以西的區(qū)域。但是鑒于斷層的幾何形狀和有限滑移還沒有得到很好的約束,這些模型還不是非?？煽康?。希望我們的震后反應(yīng)小組取得的測量數(shù)據(jù)會對此關(guān)鍵區(qū)域有所幫助。很明顯,地震中受損的結(jié)構(gòu)非常脆弱,但這些問題留給地震工程界去評估較為合適。

CarolPrentice:通過對海地地震的詳細研究,包括對它的余震、它對大地測量臺站位置和構(gòu)造面變形的影響,以及山體滑坡和液化作用等次級災(zāi)害的研究,我們將大大加深對 Enriquillo-Plantain Garden斷層 (EPGF)及相關(guān)發(fā)震構(gòu)造的認識。這些啟示可能對全球范圍內(nèi)類似的板塊邊界走滑斷層的研究都適用。此外,我們對促成這次可怕災(zāi)難的太子港的土壤條件也會有所了解。而且我們還將有機會更好地認識并降低該區(qū)以及加勒比活動板塊邊界上其他地區(qū)的地震危險性。

因為 1月 12日地震只是斷層的一小段發(fā)生破裂引起的,所以大家都很關(guān)注 EPGF斷層在不遠的將來是否還會引發(fā)大地震。斷層最靠近太子港的部分,即位于 1月 12日的震中位置和靠近多米尼加共和國境內(nèi) Enriquillo湖斷層端點之間的區(qū)域,不僅在此次地震中沒有破裂,而且至少從 18世紀以來都沒有破裂過。1770年和 1751年的歷史地震很可能就是 EPGF東段引發(fā)的結(jié)果,但在那之后就再沒發(fā)生過大地震。詳細分析沿著斷層的高分辨率圖像,并結(jié)合 Roger B ilham的航勘資料,我們發(fā)現(xiàn)斷層最接近太子港的部分沒有或幾乎沒有地表破裂。此外,大部分的早期余震都發(fā)生在主震震中以西臨近主震破裂的區(qū)域,表明震中以東沒有破裂。這意味著斷層最接近太子港的部分仍然處于“閉鎖并加載”的狀態(tài),隨時有可能發(fā)生強震。

不幸的是,我們?nèi)狈υ摂鄬拥淖銐蛘J識,乃至于無法判斷它究竟是按數(shù)百年的時間尺度發(fā)生地震,還是保持更長時間的閉鎖狀態(tài)。沿海地半島的大部分地貌都充分顯現(xiàn)出 EPGF斷層的存在,而且地震地質(zhì)學(xué)家認為,與 1月 12日 7.0級地震明顯不同的是,以往地震顯然造成了該斷層上的地表破裂。這表明,該斷層上發(fā)生過大地震,而且將來還會發(fā)生。因而需要古地震研究來幫助我們清晰地認識 EPGF的活動習(xí)性。

此外,EPGF只是直接影響伊斯帕尼奧拉島的三大斷裂帶之一,認識到這一點非常重要。另一個走滑斷層是 EPGF以北的 Septentrional斷層 (SF),根據(jù)地質(zhì)和大地測量數(shù)據(jù),那里的板塊邊界運動比 EPGF更強烈。古地震研究表明:在圣地亞哥城以東,沿著SF發(fā)生過的大地震中 (破裂延至地表),距離現(xiàn)在最近的一次發(fā)生在 800多年前。結(jié)合目前對滑動速率的估算,這表明沿著這條斷層儲存的應(yīng)變能足夠產(chǎn)生比 1月 12日地震更大的地震事件。我個人更關(guān)注擁有近 200萬人口的圣地亞哥,多米尼加共和國的第二大城市。雖然從海地地震得到的應(yīng)力變化模型只顯示出 SF上有極小的應(yīng)力上升,但迄今收集到的數(shù)據(jù)表明,此斷層已經(jīng)造成多米尼加共和國北部存在極高的地震危險性。

PaulMann:全世界每年發(fā)生約 18次 7級地震,大多在偏遠地區(qū),只有少數(shù)當(dāng)?shù)鼐用窈脱芯克鼈兊牡卣饘W(xué)家知道。許多這類走滑事件都有驚人的相似特征,目前我還不清楚是否海地 7級地震的后續(xù)研究將會引發(fā)關(guān)于地震“過程”的新的科學(xué)概念或見解。但是在加勒比地區(qū)像 EPGF斷層上的大地震并不多見,所以這次地震后一些以地震學(xué)、震前和震后 GPS數(shù)據(jù)、干涉測量法和建模為基礎(chǔ)的研究可能會對將來該斷層的其他區(qū)段 (可能是鄰近的)的破裂提供一些新的認識。舉個例子,海地地震是一個綿延 600 km的斷層上較長的一段發(fā)生破裂的結(jié)果,如果這個破裂長度具有典型性,那么可能還有更多的斷層段會破裂并引發(fā)同樣大小的地震。

從大的方面說,這次地震的意義在于它為科學(xué)界提供了一個重要的“學(xué)習(xí)機會”。我會向AGU的讀者提議:美國以及歐洲、亞洲和其他地區(qū)的發(fā)達國家的科學(xué)家及科學(xué)贊助人需要更積極更系統(tǒng)地重點投入到對能引起6～8級地震的斷層的研究上來,特別是在那些人口密集而建筑施工質(zhì)量很差的地區(qū)。很多這樣人口稠密地區(qū)都位于發(fā)展中國家,這些國家缺乏資源來培訓(xùn)和雇用地球科學(xué)家,特別是具備地震學(xué)、測地學(xué)、古地震學(xué)(即斷層探槽開挖方法)以及地震宣傳教育等關(guān)鍵專業(yè)技能的地球科學(xué)家。因而美國和其他發(fā)達國家的科學(xué)家需要以合作的態(tài)度考慮開展資助項目,以便更持續(xù)地、長期地支持這些國家的研究和教育工作。培養(yǎng)這種科研和教育的能力以及相應(yīng)的人才,既耗時間又費金錢。例如,多米尼加共和國有 7臺地震儀,而海地一臺都沒有;而且這兩個國家都沒有地球科學(xué)的本科學(xué)位課程。

對于我們在這些領(lǐng)域工作的人來說,最初吸引許多人對地球科學(xué)產(chǎn)生興趣的是“自然地質(zhì)學(xué)”,但我們真正從事的卻是與“自然地質(zhì)學(xué)”形成對比的“城市地質(zhì)學(xué)”研究。我們的研究領(lǐng)域包括發(fā)展中國家內(nèi)圍繞大城市的人口聚集區(qū)中受人類居住影響最嚴重的廣闊地區(qū):從煤渣塊堆砌的小屋到帳篷等凌亂的臨時居住區(qū)、社區(qū)花園、廢棄的工廠、大型垃圾填埋場、以及被水泥廠、船塢、公用設(shè)施環(huán)環(huán)包圍的港口,里面既有拋錨停泊的現(xiàn)代化貨船又有凸出在水面之上的銹跡斑斑的廢船。在這樣的小島上,未來數(shù)十年內(nèi)人口會不斷增長,那么整個陸地區(qū)域?qū)⒈幻芗某鞘小叭祟愖阚E”所覆蓋。但是“城市地質(zhì)學(xué)”的科研回報卻是至關(guān)重要的,因為這一知識庫將幫助保護擠在這些人口中心及其周圍地區(qū)的數(shù)百萬人的生命。

根據(jù)我的經(jīng)驗,對發(fā)展中國家地震危險性的研究對于美國的基金資助機構(gòu)而言在某種程度上就像個“繼子”,因為危險性研究(特別是斷層探槽開挖、高分辨率近海斷層成像、取芯測年)是“應(yīng)用性工作”,可能不會產(chǎn)生對“構(gòu)造過程”或者地球運轉(zhuǎn)基本模式的新的令人興奮的見解。此外,據(jù)我的經(jīng)驗,美國科學(xué)界的看法是:發(fā)展中國家的危險性應(yīng)用研究工作應(yīng)該由當(dāng)?shù)卣蛘吲c其簽約的商業(yè)公司出資,無論如何都不應(yīng)屬于更側(cè)重于學(xué)術(shù)研究的美國機構(gòu)的關(guān)注范圍。USGS國家地震減災(zāi)計劃曾經(jīng)資助我們 20世紀 90年代初在多米尼加共和國的研究工作(由于這些大斷裂靠近波多黎各),但后來又縮減到只包括美國。

所以對于美國和其他發(fā)達國家的基金資助機構(gòu)而言,取得進展的關(guān)鍵是承認地震對發(fā)展中國家 (比如海地)有深刻的社會影響,并加強對“地震三角”的應(yīng)用性研究 (非常重要)的資助?！暗卣鹑恰敝?(1)對沿岸和近海斷層的地質(zhì)和地球物理研究;(2)改進地震工程,包括改造危房和學(xué)校;(3)地震教育及相關(guān)項目。

伊斯帕尼奧拉島 (海地和多米尼加共和國)上哪些地方近期可能發(fā)生地震?這次海地大地震短期內(nèi)會像在其他走滑斷裂帶上觀測到的一樣在 EPGF斷裂帶上鄰近本次地震的區(qū)段觸發(fā)地震嗎?Eric Calais(美國普渡大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心)和 Ross Stein(USGS)等正在利用應(yīng)力模型對此進行研究,并運用震后 GPS數(shù)據(jù)更好地對模型進行約束。我們在 Journalof GeophysicalResearch上發(fā)表了一篇有關(guān)我們探槽開挖工作成果的文章(C.S.Prentice,et al,108(B3),2149,doi:10.1029/2001JB000442)。文中預(yù)測,位于人口稠密的 Cibao Valley的 SF斷裂帶 800多年來都未曾破裂,因此具有引發(fā)一次 7.5級地震的能力。圣地亞哥,一個擁有 200萬人口的城市,周圍遍布中、小規(guī)模的城鎮(zhèn),距離 SF斷裂帶不到 10 km,而且該城的大部都建在松散的沖積平原上。EPGF斷裂帶是太子港及其周圍地區(qū)的“定時炸彈”,而 SF斷裂帶也是與 EPGF完全相同的“定時炸彈”型的板塊邊界走滑斷層。因此,Cibao Valley中圣地亞哥及其周圍的城鎮(zhèn)都是施工管理和建筑改造工程中需重點關(guān)注的區(qū)域,包括對危房、學(xué)校、住宅等的改造。

另一個值得關(guān)注的地區(qū)是牙買加的金斯敦,這個曾在 1692年和 1907年被地震毀壞的城市現(xiàn)在是該國的主要門戶和交通樞紐。我們現(xiàn)在正在從事由美國國家科學(xué)基金會支持的陸上綜合 GPS和斷層探槽開挖項目及金斯敦皇家港水下淺層地震勘探項目,其目的是了解 EPGF斷裂帶是否是這些毀滅性歷史地震的發(fā)震斷層,或者另有一個尚未被認識的近海斷層。

總之,當(dāng)密集人口面臨地震威脅時,這些國家在處理地震“防御”方面所付出的力量、所奉行的一貫性以及科技支出水平應(yīng)該等同于在軍事防御方面所付出的一切。海地7.0級地震所釋放的能量幾乎和有史以來試爆過的最大的熱核彈 (32Mt)所釋放的能量相當(dāng),據(jù)估計已影響到太子港及其周圍地區(qū)的 300萬居民。同時研究支出不應(yīng)該傾向于“地震三角”的任意一角,應(yīng)該是三個方向同步推進。

RandyShowstack:世界上是否還有其他的特殊區(qū)域,因為有發(fā)生類似的地震災(zāi)難的可能性而被高度關(guān)注?

GlenMattioli:有超過 4000萬人住在北美板塊和加勒比板塊的邊界活動帶上;雖然地震災(zāi)害和地震風(fēng)險在整個區(qū)域內(nèi)并不完全一致,但許多人都面臨未來大地震的風(fēng)險。因為海地的實體基礎(chǔ)設(shè)施可能遠低于世界平均水平,甚至低于加勒比地區(qū)的平均水平,人口中心區(qū)內(nèi)的許多建筑可能無法抵御再次MW≥7級地震的襲擊。ManakerDM等(Geophys.J.Int.,2008,174(3):889-903)的分塊模型顯示,沿伊斯帕尼奧拉島上另一個主要走滑型貫穿斷層 (即 SF)的彈性應(yīng)變積累超過 EPGF的應(yīng)變積累約 25%。多米尼加共和國的圣地亞哥城離這個斷層很近。而波多黎各和維爾京群島的其他近海斷層沒法用大地測量觀測進行良好約束,因為可供大地測量觀測的露出水面的陸地都遠離地圖上的斷層邊界。

PaulMann:RogerB ilham、Robert Yeats(美國俄勒岡州立大學(xué)名譽教授)以及其他作者在綜述文獻和教科書中討論了世界上很多地方,詳細描述了組成部分板間邊界的發(fā)震斷層、逆沖斷層、走滑斷層和正斷層,以及靠近人口密集區(qū) (或在其下方)的板內(nèi)地震活動區(qū)。這些人住著建筑質(zhì)量很差的房子,而且只接受過很少的地震教育。

這些歷經(jīng)成百上千年應(yīng)力逐步積累而處在不同破裂階段的區(qū)域都應(yīng)被高度關(guān)注。所有發(fā)震斷層是否已被探明?斷層探槽開挖能否顯示出斷層處于地震周期的哪個階段?對應(yīng)于地震的潛在震級,應(yīng)制訂什么樣的建筑規(guī)范?這些任務(wù)都很艱巨,尤其在地球科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模很小的地區(qū),但是美國和世界科學(xué)界將共同努力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

CarolPrentice:是的,有許多這樣的地方,一些在加勒比和中美洲。沿北美板塊和加勒比板塊邊界帶的大安的列斯群島、牙買加、波多黎各、伊斯帕尼奧拉島和古巴,都面臨潛在破壞性地震的威脅。南美-加勒比板塊邊界是另一個需要特別關(guān)注的地區(qū),特別是特里尼達和委內(nèi)瑞拉北部。尤其是委內(nèi)瑞拉首都加拉加斯危險性更高。靠近喜馬拉雅前緣的印度地區(qū)是全球最為關(guān)注的地區(qū)之一,那里應(yīng)變率很高,城市發(fā)展速度很快,但對地震危險性的考慮卻很少。這個地區(qū)很可能會面臨前所未有的地震災(zāi)難。伊朗的活斷層分布很廣,也是一個值得關(guān)注的地區(qū)。

RandyShowstack:對于這類災(zāi)害風(fēng)險,科學(xué)工作者的責(zé)任是什么?

PaulMann:第一,迅速行動,特別是在一些稍縱即逝的環(huán)境中,比如,許多對于刻畫某次地震很重要的相關(guān)特征會在第一場雨中消失殆盡。第二,向民眾和急救人員提供基于事實的對未來地震的評估。第三,開車四處轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),我們會聽到 Eric Calais正在通過海地廣播節(jié)目安撫民心。第四,提供有關(guān)重建和城市是否搬遷等問題的至關(guān)重要的科學(xué)資料。第五,我們需要搞清未來潛在地震的大小,以設(shè)計更安全的建筑。雖然結(jié)構(gòu)工程志愿者小組正在評估受損建筑物的安全性,但是這個城市實在是太大,許多建筑都被毀壞、許多流離失所的人急于擺脫處處是帳篷的現(xiàn)狀。

在哪里重建,需要了解地質(zhì)情況和該城市地下場地響應(yīng)因素,包括地震動的山頂放大效應(yīng)、河道覆蓋情況以及可液化的隱埋沙層等。一旦開始重建,就必須對建造者進行培訓(xùn),因為施工質(zhì)量不好大大增加了這次地震的死亡率和破壞程度。例如,被廣泛作為加固使用的普通圓鋼,由于其表面光滑,就沒有緊緊地凝固到混凝土中。未洗過的河沙也同樣廣泛使用,導(dǎo)致混凝土脆弱易碎。從簡陋的單層房屋到總統(tǒng)府,倒塌的軟層建筑隨處可見。還有很多這種需要科學(xué)家快速反應(yīng)的情況。我們需要讓軍隊和政府認識到促進這種快速反應(yīng)型的科學(xué)工作的重要性。我們曾臨時抱佛腳,依賴“好心的陌生人”完成我們的工作,但實踐證明這樣做既沒速度又沒效率。

GlenMattioli:這是個很好的問題。雖然針對區(qū)域內(nèi)由地震及其他自然現(xiàn)象引起的實質(zhì)性災(zāi)害和風(fēng)險進行有效的溝通非常重要,但總體上而言,公眾和民政當(dāng)局在許多情況下對我們的認識和模型的有限性缺乏準備。引用最近我為活躍在這次地震災(zāi)害研究區(qū)域的科學(xué)家們所寫的消息,“我們從海地的地震及其余波中得到的認識……是良好的科學(xué)構(gòu)想和工程設(shè)計必須通過下列輔助因素來實現(xiàn),即對地震災(zāi)害的充分準備、適當(dāng)?shù)恼?以及對民用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和建造有意義的法規(guī)?！庇幸患虑榉浅Ｃ鞔_:新的工程和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施必須適當(dāng)設(shè)計和選址,以減輕未來不可避免的地震事件所帶來的影響。

CarolPrentice:科學(xué)家有責(zé)任說明事實真相:力求利用科學(xué)信息給出最真實的情況。與地震危險性相關(guān)的工作很難做,這是一個年輕的交叉學(xué)科,有許多未知因素和不確定性,當(dāng)我們談?wù)摰亩际强赡苄远皇谴_定性,或者我們又修飾言辭,說我們會盡力解開這些真正的未知因素時,公眾聽著就像我們在胡扯。此外,要說服人們承擔(dān)為可能發(fā)生也可能不發(fā)生的地震做準備而支出的費用是件很困難的事情,因為一個人一輩子甚至子輩、孫輩都未必會遇上一次地震。

然而,科學(xué)上還是有一些東西可以確定,這一點我們能夠而且必須向公眾表明:板塊邊界斷層上會發(fā)生大地震,即使是數(shù)百年沒有發(fā)生過地震的地方也會發(fā)生;過去的100年中,沿這些板塊邊界的人口密度顯著增大;隨著適當(dāng)?shù)慕ㄖ凸こ淘O(shè)計規(guī)范的應(yīng)用,那些不可避免的 (如果仍是不可預(yù)測的)大地震的毀滅性后果將會大大降低。

我相信這是一個基本人權(quán)問題:科學(xué)和工程知識所提供的信息是屬于全人類的,而不僅僅屬于我們這些有幸生活在發(fā)達國家的人們,在這些地方 7級地震不會肆虐,不會造成類似海地的地震災(zāi)難。盡管有今天的科學(xué)知識和工程專業(yè)知識,但一次 7級地震還是帶來了這么多苦難,真是應(yīng)該受到譴責(zé),這場災(zāi)難應(yīng)當(dāng)喚起地球科學(xué)和工程技術(shù)界的警覺。