David Cyranoski

日本勇敢面對地震防備工作失誤預報、預警和海嘯防護系統(tǒng)在3月11日統(tǒng)統(tǒng)失靈＊

David Cyranoski

日本擁有全世界最密集的地震監(jiān)測網(wǎng)絡、最大的海嘯防波堤、最廣泛的地震預警系統(tǒng)。相比其他任何國家,日本國民在如何應對地震和海嘯方面受過更嚴格的訓練。

然而,2011年3月11日發(fā)生的9.0級地震卻震驚了日本所有的預報人員。被嚴重低估的海嘯摧毀了世界上最深的海嘯防波堤,令人措手不及。地震預警系統(tǒng)也基本失靈。那么問題究竟出在哪里呢?

第一個問題是關于地震預測的。日本最新版的地震危險性圖于2009年3月發(fā)布,它將日本東北部近海地區(qū)分為5個地震區(qū),并且設想了7種不同的地震場景。根據(jù)歷史地震資料,每種地震場景被賦予不同的發(fā)生概率。南三陸町附近海域(包括這次地震發(fā)生的區(qū)域)未來10年內發(fā)生地震破裂的概率是30%～40%,未來20年內的概率是60%～70%。

對于地震預報而言,這些數(shù)字意味著非常高的概率。負責地震危險性圖編制協(xié)調工作的日本科學部防震減災研究組的Yoshinori Suzuki說:“這基本意味著任何一天都有可能發(fā)生地震”。但他們預計那條斷層會釋放一次約7.7級的地震與該地區(qū)歷史上發(fā)生的任何一次大地震的震級相當(見Nature,2001,471:274)。

1 不實的寬慰

對于福島第一核電站附近海域的一條獨立的斷層段,采用相同的預測方法推斷出的地震震級只有7.4級,未來10年發(fā)生地震的可能性小于2%,未來50年發(fā)生地震的可能性小于10%。福島縣政府甚至依據(jù)此地震危險性圖在其網(wǎng)站上宣稱:“由于具有堅固的地質基礎并且地震稀少,福島是一個適合經(jīng)商的安全可靠的地方”。然而,地震危險性圖沒有預料到的是,斷層段之間的耦合使破裂傳播了約500 km,并釋放了一次9.0級地震(圖1)。

日本的地震預報有成功的實例。如2003年的8.3級十勝沖地震(Tokachi-oki earthquake)正好發(fā)生在所預測熱點地區(qū)的中心位置。但一般來說,日本的地震預報(真正起步于20世紀80年代和90年代)結果有好有壞,如許多破壞性地震就發(fā)生在預測區(qū)域之外。京都大學的Jamesmori說:“我們希望看到更高的命中率”。

雖然這次強震的規(guī)模令人驚訝,但日本的抗震建筑在地震中的表現(xiàn)堪稱良好。Mori說:“地震搖晃確實造成了建筑物的損壞,但考慮到這次地震的強烈程度,這種破壞還不算嚴重”。真正造成嚴重破壞的是海嘯。海嘯越過了防波堤,擊碎了這些年為應對地震發(fā)生所做的精心準備。

日本有世界上最深的海嘯防波堤,這座長達2 km的宏偉建筑位于日本東北部海岸的釜石灣(Kamaishi Bay)。它歷經(jīng)30年的建設直到2008年才全部完工,花費超過1200億日元(約合14億美元)。防波堤深達63m,露出水面高8m,厚達20m,設計標準為能夠抵御類似1896年三陸(Sanriku)地震引發(fā)的海嘯沖擊,那次地震引發(fā)的海嘯在有些地方浪高接近40m。

圖1 基于初始地震信號的一個預警系統(tǒng)預測強烈搖晃只會發(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

位于橫須賀(Yokosuka)的日本防衛(wèi)大學海嘯傳播專家Koji Fujima說,沿岸的這一防波堤和其他建筑給人們帶來一種錯誤的安全感。Fujima說:“該地區(qū)可能平均每超過10年就會發(fā)生1次2m或3m高的海嘯,因此人們確信海嘯防波堤會保障他們的安全”。因為地震危險性圖中預報的地震震級在7.5級范圍之內,所以人們預計最大的海嘯超不過4～5m。

2 低估的海嘯風險

人們對海嘯防波堤的信賴似乎已經(jīng)破壞了日本聲名遠播的海嘯防備演習。在日本東北部以及其他一些地方,大學教授、科研機構、非政府組織和當?shù)孛耖g團體每年都要進行多次演習,以訓練人們在海嘯來襲時如何撤離以及向何處撤離。Fujima說:“在教育人們如何應對海嘯方面我們已經(jīng)竭盡全力”。

然而,人們明顯放松了對海嘯風險的警惕,關西大學(Kansai University)災害管理專家Yoshiaki Kawata說。他又說,2010年發(fā)生在智利的海嘯使相關部門向日本東北地區(qū)的168萬人發(fā)出了撤離預警,而實際尋找避難所的卻只有6.2萬人。

Fujima說,人們認為有了防波堤已經(jīng)足夠了。他又補充道,在3·11海嘯來襲時,該防波堤對于保護人們的生命財產安全也無能為力,但它確實降低了海浪的沖擊力。據(jù)估計,海面上的浪高為15～20m,到達岸邊之后在某些地點達到了50m,這甚至超過了1896年的那次大海嘯。3·11海嘯摧毀了釜石和其他地方的防波堤,導致約2萬人死亡,因為他們未能找到安全的高地避難。海嘯還淹沒了福島第一核電站的應急發(fā)電機組,導致冷卻系統(tǒng)停止運轉。這座核電站建成于20世紀60年代,設計標準為可以抵御不超過5.7m的海嘯。

由日本氣象廳(JMA)負責運行的地震預警系統(tǒng)當天也未達到預期效果。這個系統(tǒng)的設計目標為,當一次地震引發(fā)的晃動達到或超過日本地震能量強度級別5級及以上時(足以使墻倒屋裂),系統(tǒng)將向人們發(fā)出警報。根據(jù)地震發(fā)生后幾秒鐘時地震儀上的讀數(shù),該預警系統(tǒng)可以在最大的晃動開始之前提供長達數(shù)十秒的警報。3·11地震時,該系統(tǒng)向震中附近地區(qū)發(fā)出了準確的預警。但是對于大東京地區(qū),許多地方的晃動達到了6級,卻沒有收到任何預警信息。按照設計,高速列車和核反應堆因為有自己的預警裝置而被迅速停運。

據(jù)京都大學的Masumi Yamada介紹,問題在于該系統(tǒng)為地震假定了一個“點源”。在這種情況下,根據(jù)點源模型估算出的震級為7.2。但實際上三陸地震使平行于海岸的長達數(shù)百公里的斷層線破裂,釋放出的能量也遠遠高于估算值,并造成東京附近地區(qū)滑動了至少20m,而該系統(tǒng)卻未能自我校正。頻繁發(fā)生的余震也令該系統(tǒng)不知所措,致使它發(fā)出了數(shù)次誤報,而且沒有預報出幾次大的余震。

Yamada說:“在8級左右的地震面前,該系統(tǒng)似乎完全崩潰”。2011年4月,她將與日本氣象廳開始一項為期3年的合作項目,將點源預警系統(tǒng)轉變成二維的動態(tài)系統(tǒng)。

日本的災害防御水平肯定會得以提高,Fujima說。但他認為人們應該認識到,面對千年一遇或兩千年一遇的地震,我們可以做的工作其實也很有限。在海嘯襲擊最為嚴重的地區(qū),可以修建更加堅固的防波堤,但這些工作花費巨大,而且防波堤也永遠不能完全抵御最大海嘯的襲擊。他又說:“在可能發(fā)生大海嘯的地區(qū),人們也許應該停止建設”。

然而,Kawata卻堅信應該建造更好的工程。他贊同以下理念,即最有效的避損措施就是讓人們生活在遠離海嘯的地方。但他也設想將來人們可以將房屋(和核電站)搭建在由10m高的混凝土柱子支撐的人工海岸線上?！坝性S多事情急需我們去做。如果我們有目標并集中精力,我們就一定會成功”。

譯自:Nature,31march 2011,Vol.471,556-557

原題:Japan faces up to failure of its earthquake p reparations

(中國地震局地球物理研究所 李平恩 譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱,李平恩:pingen2000@163.com)。

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10.3969/j.issn.0235-4975.2011.05.003

2011-04-20。