重構地震學＊

日本3·11大地震和海嘯發(fā)生兩個月之后,5位日本地震學家反思其從中吸取的教訓與得到的啟示。

1 整合所有可利用的數據

(Takeshi Sagiya,Nagoya University,Japan)

假如歷史記錄更完整一些,假如數據之間的差異早點被發(fā)現,那么,即使日本政府沒有預見到在日本東北部會發(fā)生9級地震,我們對此次地震可能也會有所警覺。

2002年,日本政府的地震調查研究推進本部曾公布了東北部地區(qū)俯沖帶地震可能性的長期評估。據估計,未來30年該區(qū)發(fā)生一次7.7～8.2級大地震的概率為80%～90%。但發(fā)生一次破壞范圍達400～500 km的9級地震的概率卻未特別提及。作為參與評估的該工作小組的一員,我是帶著極大的遺憾來反思失誤的原因。

長期評估基于對過去400年完整歷史地震記錄的統計分析。然而,3·11地震明確表明400年的時段對于地震活動性評估而言仍然太短。實際上,過去5年間日本地質調查局的地質學家曾報道稱,公元869年一次大海嘯淹沒了仙臺(Sendai)地區(qū)。其規(guī)模堪比3·11地震后的大海嘯。很遺憾,這些調研結果來得太遲,因此在海嘯的評估與對策中未予考慮。

從這次事件中吸取的一個教訓是,如果我們采用經驗方法來評估或預報自然災害,那么就應考慮所有可利用的信息盡管有些記錄存在很大的不確定性,而且,不管其可能性如何,還要考慮所有的概率。

長期評估的另一個缺點就是評估中所用的不同觀測資料之間存在明顯差異。過去10年中,全球定位系統(GPS)調研結果表明,沿日本海溝的板塊邊界幾乎被完全閉鎖在原地,沒有滑動[1-2]。但長期以來,人們認識到日本海溝處大地震的累積斷層滑動與板塊運動之比(地震耦合系數)僅為約30%。至于其余的70%的板塊運動是如何被調節(jié)的,尚無明確解釋。

日本地震學家已經注意到這種差異,但我們沒有認真考慮其潛在的災難性含義。2001年,京都大學的Ichiro Kawasaki提出,很大一部分板塊運動被調節(jié)為“震后滑移”地震發(fā)生后的進一步滑動和日本海溝北部的其他無震斷裂行為[3]。但在日本海溝南部,即此次9級地震的主要震源區(qū),這種不一致性卻未得到消解。

那么,東日本大地震的第二個教訓就是,我們不應該忽略數據的不一致性,而應該設法將觀測資料與不同的時間和空間尺度結合起來分析。

地球科學是一門多邊學科。日本地震學界現在需要對地震、大地測量、地貌和地質數據進行全面的審核,以發(fā)現現時評估中遺漏的信息,并解決數據中存在的任何不一致性。

2 防備不測

(Hiroo Kanamori,California Institute of Technology,Pasadena,California)

2011年東日本大地震令地震學家大為震驚,因為該區(qū)沒有發(fā)生過8.5級以上地震的記載。地震發(fā)生以來進行了廣泛的地震、GPS和海嘯分析,結果表明大的應變和應力釋放通常發(fā)生在日本海溝150 km范圍內的相對較狹窄的地帶(圖1)。此次應變釋放量比我們所見到的其他“大型逆沖區(qū)”地震幾乎大一個數量級。該區(qū)的應變想必已經積累了1000年,板塊會聚速率約為9 cm/a。最終,應力超過了巖石的局部強度而破裂,引發(fā)9級大地震。

盡管日本有著廣泛的GPS網絡,但仍然未能探測到這種局部的大應變積累,原因是該地區(qū)位于200 km外的海域。我們所吸取的一個重要教訓是,很淺的板塊邊界居然能夠積累如此之大的應變(圖1)此前它曾被認為只能容納10%～20%的3·11地震釋放的應變。

圖1 壓力區(qū)。太平洋板塊向日本下方滑動時被卡住,此時日本海溝便會積累應變

由此,要檢測最終足以引發(fā)9級地震事件的大應變積累,就要加速研發(fā)海底GPS技術,對于造成如此之大的應變積累的異常孕震結構(如粗糙的板塊界面),應推進其探測研究。

即使我們根據有關過程的特性能夠搞清緣何會發(fā)生這么大的地震,我們也不可能明確斷言地震會在什么時間發(fā)生,或地震究竟會有多大。我們只知道那將是一次罕見的事件,但一旦發(fā)生,它將產生嚴重后果。所以,我們必須竭盡全力為抵御不測之患做好防備工作。最重要的是建設堅固的基礎設施。然而,就目前可利用的技術而言,我們能夠做到的還非常有限,所以,我們必須認真考慮可接受的收益-風險平衡問題。

3 加強海底觀測

(YujiYagi,University of Tsukuba,Japan)

太平洋板塊向日本列島下方俯沖的過程并不平穩(wěn)。板塊的某些部分會緊緊卡在上覆大陸板塊上,因而不能滑動,在這些部位便會積累應變。較大的板塊間地震可以釋放由此產生的應變,使滑移得以繼續(xù)。2011年東日本大地震釋放了巨大的滑移缺陷,這一滑移缺陷起碼在2004年[1],甚至早在2000年[4],就由GPS網絡展現出來,1996年[5]東京大學的Yasutaka Ikeda根據地質學與大地測量學地殼形變速率之間的差異也預測到了這一滑移缺陷。

在某些區(qū)域中,板塊會被卡住而不能滑動,這些區(qū)域(被稱為凹凸體)的分布通常是根據地震事件數據而推測的。根據這一“特征地震模型”,未來可能發(fā)生地震的區(qū)域由日本的負責委員會(如地震調查研究推進本部)來估算。多數日本地震學家“理由充分地”假定凹凸體之外的區(qū)域很長時間不會受到地震侵襲,因為那里的應變被無震滑移釋放了。這種假定還有待證實。

由于地震輪回的時間很長,我們還無法得到有關大地震發(fā)生的確切的時間和空間信息。因此,我們不能僅僅依據最近的地震活動目錄就對未來大地震的概率作出評估。大地震是異常事件,是俯沖帶長期形變過程的反映。要對大地震形成一個全面的認識,我們還必須考慮有關地殼形變的大地測量、地質和地貌信息。

一般說來,要預測長期地震活動,就必須研發(fā)出能夠從觀測數據中提取彈性和滯彈性應變信息的方法。目前迫在眉睫的是,必須加強海底觀測能力,以對滑移缺陷沿板塊邊界的分布情況作出高分辨率估測。

4 預警發(fā)揮了作用,但必須做得更好

(Masum i Yamada,Disaster Prevention Research Institute,Kyoto University)

日本氣象廳(JMA)擁有世界上最先進的能夠提供海嘯和地震強震動信息的實時預警系統之一。該地震預警系統在地震發(fā)生的幾秒鐘之內就可提供有關強震動的信息,它是在2007年安裝到位的,迄今已通過手機、電視、廣播和當地社區(qū)揚聲器系統提供了10多次強震預警。但還可以做得更好一些。

該系統探測到了日本東北部太平洋沿岸附近海域發(fā)生的大地震,并且在P波最初到達最近的地震臺站約8 s之后就向震中附近區(qū)域的公眾發(fā)出了預警。27列高速火車在該區(qū)緊急剎車,而且沒有出軌。3分鐘后,該系統又向巖手、宮城和福島3個縣發(fā)布了大海嘯預警。極具破壞性的海浪于15～20min后到達了最近的海岸。

然而,該系統的總體表現仍不能令人滿意,主要是因為這次破裂的復雜性及其相對較小的振幅。系統低估了地面運動和海嘯高度,因此,范圍更大的東京地區(qū)的眾多居民卻沒有收到任何預警,而這一地區(qū)的許多地方都經歷了強烈的、破壞力很強的地震動(圖2)。話雖如此,隨著后來可利用的信息越來越多,系統也對其信息進行了更新。

有關余震的強震預警播放了70多次。對于這些較小事件,該系統表現良好,但在地震定位方面還是出現了一些錯誤,這是由同時發(fā)生的地震事件的復雜性而致。

地震起始時地震數據的不可預測性欺騙了預警系統的運算法則。但如果技術得以改進,可以快速識別出大地震,那么下一次大地震(如普遍預期的關西地區(qū)南海地震)來臨時,該系統可能會有良好表現。在日本這樣一個已經接受了這種信息,并且學會了預期此類信息的社會,其地震預警系統應該成為一個真正有效的減災工具。

黃斌主席在開班講話中指出，多年來，各級工會幫扶工作緊緊圍繞各級工會的工作重點，不斷創(chuàng)新工作機制，采取各種措施擴大工會工作的影響力，提升工會組織的凝聚力和號召力，并得到了各級黨政和工會領導的充分肯定以及社會各界的廣泛贊譽。

5 建筑設防目標應考慮抵御更大震動

(Jimm ori,D isaster Preven tion Research Institute,Kyoto University)

圖2 不實的寬慰?；诔跏嫉卣鹦盘柕囊粋€預警系統預測搖晃只會發(fā)生在一個有限的區(qū)域,但實際上晃動要比預期的更為劇烈、范圍更廣

日本的地震學家本以為他們可以預測出沿日本俯沖帶的板塊邊界地震的大致位置和規(guī)模,而東日本大地震的發(fā)生令他們感到非常震驚和沮喪。事實證明,約400年的歷史記載所涉及的時段還太短,對于大地震的發(fā)生不具有可靠的指導意義即使在這一地震異?；钴S的地區(qū)也是如此。事后看來,我們必須重新審查震級類似的地震事件的日本地質數據。

在地震學中,未來地震發(fā)生的預期速率大都源于斷層上重復事件的統計數據。

然而,2011年的大地震卻表明,更為罕見的、震級更大的地震也可以和較小事件發(fā)生在同一斷層帶內。因此,過去的統計數據有時還不夠充分。為提高認識能力,我們可采取的一種手段就是設法測定斷層附近的應力積累狀況,并估算出地震發(fā)生時的絕對應力和應變水平。

例如,應力可直接在鉆孔內測定;摩擦強度可由大震后的溫度測定結果推知;區(qū)域應力場的方向可根據GPS臺陣記錄的地面位移模式確定。

利用這些技術,我們或許可以確定一條斷層接近破裂的程度,并由此更直接地估算出地震風險。即將來臨的事件規(guī)模依然很難確定,但最大震級或許可根據應力測定結果估算出來?，F在正在對日本東部的區(qū)域形變進行研究,以確定2011年大地震以前該區(qū)的應力和應變狀態(tài)究竟如何。

對來自大地震的強烈震動作出估測是一個非常重要的涉及多種因素的問題尤其是對于全球建筑安全性標準而言但現在還缺乏源于過去地震的精確地面運動的長期記錄。隨著最近幾十年來測定技術水平的提高,我們對地面運動劇烈程度的預測能力也穩(wěn)步增強。也許我們從未見過如此劇烈的震動。強烈震動,尤其是周期為數秒的長周期震動,是災害危險性區(qū)劃中必須予以考慮的事情。類似信息也是現代城市高層建筑安全設計中必不可少的。

譯自:Nature,12may 2011,Vol.473:146-148

原題:Rebuilding seismology

(中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯)

(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

[1]Nishimura T,Hirasawa T,M iyazaki S,et al.Temporal change of inter plate coup ling in northeastern Japan during 1995—2002 estimated from continuous GPS observations.Geophys.J.Int.,2004,157(2):901-916

[2]Hashimoto C,Noda A,Sagiya T,et al.Interplate seismogenic zones along the Kuril--Japan trench inferred from GPS data inversion.Nature Geosci.,2009,2:141-144

[3]Kawasaki I,Asai Y,Tamura Y.Space-time distribution of interplate moment release including slow earthquakes and the seismo-geodetic coupling in the Sanriku-oki region along the Japan trench.Tectonophysics,2001,330(3-4):267-283

[4]Nishimura T.Spatiotemporal change of interplate coupling in northeastern Japan inferred from GPS data(in Japanese).PhD thesis,Tohoku Univ.,(2000);http:∥go.nature.com/7ikqir

[5]Ikeda Y.Implications of active fault study for the present-day tectonics of the Japan arc.Active Fault Research,1996,15:93-99

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.001

2011-05-26。