重構(gòu)地震學(xué)＊

重構(gòu)地震學(xué)＊

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

1 整合所有可利用的數(shù)據(jù)

(Takeshi Sagiya,Nagoya University,Japan)

假如歷史記錄更完整一些,假如數(shù)據(jù)之間的差異早點(diǎn)被發(fā)現(xiàn),那么,即使日本政府沒有預(yù)見到在日本東北部會(huì)發(fā)生9級(jí)地震,我們對(duì)此次地震可能也會(huì)有所警覺。

2002年,日本政府的地震調(diào)查研究推進(jìn)本部曾公布了東北部地區(qū)俯沖帶地震可能性的長(zhǎng)期評(píng)估。據(jù)估計(jì),未來30年該區(qū)發(fā)生一次7.7～8.2級(jí)大地震的概率為80%～90%。但發(fā)生一次破壞范圍達(dá)400～500 km的9級(jí)地震的概率卻未特別提及。作為參與評(píng)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(zhǎng)期評(píng)估基于對(duì)過去400年完整歷史地震記錄的統(tǒng)計(jì)分析。然而,3·11地震明確表明400年的時(shí)段對(duì)于地震活動(dòng)性評(píng)估而言仍然太短。實(shí)際上,過去5年間日本地質(zhì)調(diào)查局的地質(zhì)學(xué)家曾報(bào)道稱,公元869年一次大海嘯淹沒了仙臺(tái)(Sendai)地區(qū)。其規(guī)?？氨?·11地震后的大海嘯。很遺憾,這些調(diào)研結(jié)果來得太遲,因此在海嘯的評(píng)估與對(duì)策中未予考慮。

從這次事件中吸取的一個(gè)教訓(xùn)是,如果我們采用經(jīng)驗(yàn)方法來評(píng)估或預(yù)報(bào)自然災(zāi)害,那么就應(yīng)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(zhǎng)期評(píng)估的另一個(gè)缺點(diǎn)就是評(píng)估中所用的不同觀測(cè)資料之間存在明顯差異。過去10年中,全球定位系統(tǒng)(GPS)調(diào)研結(jié)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(dòng)[1-2]。但長(zhǎng)期以來,人們認(rèn)識(shí)到日本海溝處大地震的累積斷層滑動(dòng)與板塊運(yùn)動(dòng)之比(地震耦合系數(shù))僅為約30%。至于其余的70%的板塊運(yùn)動(dòng)是如何被調(diào)節(jié)的,尚無明確解釋。

日本地震學(xué)家已經(jīng)注意到這種差異,但我們沒有認(rèn)真考慮其潛在的災(zāi)難性含義。2001年,京都大學(xué)的Ichiro Kawasaki提出,很大一部分板塊運(yùn)動(dòng)被調(diào)節(jié)為“震后滑移”地震發(fā)生后的進(jìn)一步滑動(dòng)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(jí)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(gè)教訓(xùn)就是,我們不應(yīng)該忽略數(shù)據(jù)的不一致性,而應(yīng)該設(shè)法將觀測(cè)資料與不同的時(shí)間和空間尺度結(jié)合起來分析。

地球科學(xué)是一門多邊學(xué)科。日本地震學(xué)界現(xiàn)在需要對(duì)地震、大地測(cè)量、地貌和地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的審核,以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)時(shí)評(píng)估中遺漏的信息,并解決數(shù)據(jù)中存在的任何不一致性。

2 防備不測(cè)

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

2011年東日本大地震令地震學(xué)家大為震驚,因?yàn)樵搮^(qū)沒有發(fā)生過8.5級(jí)以上地震的記載。地震發(fā)生以來進(jìn)行了廣泛的地震、GPS和海嘯分析,結(jié)果表明大的應(yīng)變和應(yīng)力釋放通常發(fā)生在日本海溝150 km范圍內(nèi)的相對(duì)較狹窄的地帶(圖1)。此次應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)。該區(qū)的應(yīng)變想必已經(jīng)積累了1000年,板塊會(huì)聚速率約為9 cm/a。最終,應(yīng)力超過了巖石的局部強(qiáng)度而破裂,引發(fā)9級(jí)大地震。

盡管日本有著廣泛的GPS網(wǎng)絡(luò),但仍然未能探測(cè)到這種局部的大應(yīng)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(gè)重要教訓(xùn)是,很淺的板塊邊界居然能夠積累如此之大的應(yīng)變(圖1)此前它曾被認(rèn)為只能容納10%～20%的3·11地震釋放的應(yīng)變。

圖1 壓力區(qū)。太平洋板塊向日本下方滑動(dòng)時(shí)被卡住,此時(shí)日本海溝便會(huì)積累應(yīng)變

由此,要檢測(cè)最終足以引發(fā)9級(jí)地震事件的大應(yīng)變積累,就要加速研發(fā)海底GPS技術(shù),對(duì)于造成如此之大的應(yīng)變積累的異常孕震結(jié)構(gòu)(如粗糙的板塊界面),應(yīng)推進(jìn)其探測(cè)研究。

即使我們根據(jù)有關(guān)過程的特性能夠搞清緣何會(huì)發(fā)生這么大的地震,我們也不可能明確斷言地震會(huì)在什么時(shí)間發(fā)生,或地震究竟會(huì)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(chǎn)生嚴(yán)重后果。所以,我們必須竭盡全力為抵御不測(cè)之患做好防備工作。最重要的是建設(shè)堅(jiān)固的基礎(chǔ)設(shè)施。然而,就目前可利用的技術(shù)而言,我們能夠做到的還非常有限,所以,我們必須認(rèn)真考慮可接受的收益-風(fēng)險(xiǎn)平衡問題。

3 加強(qiáng)海底觀測(cè)

(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(huì)緊緊卡在上覆大陸板塊上,因而不能滑動(dòng),在這些部位便會(huì)積累應(yīng)變。較大的板塊間地震可以釋放由此產(chǎn)生的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出來,1996年[5]東京大學(xué)的Yasutaka Ikeda根據(jù)地質(zhì)學(xué)與大地測(cè)量學(xué)地殼形變速率之間的差異也預(yù)測(cè)到了這一滑移缺陷。

在某些區(qū)域中,板塊會(huì)被卡住而不能滑動(dòng),這些區(qū)域(被稱為凹凸體)的分布通常是根據(jù)地震事件數(shù)據(jù)而推測(cè)的。根據(jù)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(fù)責(zé)委員會(huì)(如地震調(diào)查研究推進(jìn)本部)來估算。多數(shù)日本地震學(xué)家“理由充分地”假定凹凸體之外的區(qū)域很長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)受到地震侵襲,因?yàn)槟抢锏膽?yīng)變被無震滑移釋放了。這種假定還有待證實(shí)。

由于地震輪回的時(shí)間很長(zhǎng),我們還無法得到有關(guān)大地震發(fā)生的確切的時(shí)間和空間信息。因此,我們不能僅僅依據(jù)最近的地震活動(dòng)目錄就對(duì)未來大地震的概率作出評(píng)估。大地震是異常事件,是俯沖帶長(zhǎng)期形變過程的反映。要對(duì)大地震形成一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),我們還必須考慮有關(guān)地殼形變的大地測(cè)量、地質(zhì)和地貌信息。

一般說來,要預(yù)測(cè)長(zhǎng)期地震活動(dòng),就必須研發(fā)出能夠從觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取彈性和滯彈性應(yīng)變信息的方法。目前迫在眉睫的是,必須加強(qiáng)海底觀測(cè)能力,以對(duì)滑移缺陷沿板塊邊界的分布情況作出高分辨率估測(cè)。

4 預(yù)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(jìn)的能夠提供海嘯和地震強(qiáng)震動(dòng)信息的實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)之一。該地震預(yù)警系統(tǒng)在地震發(fā)生的幾秒鐘之內(nèi)就可提供有關(guān)強(qiáng)震動(dòng)的信息,它是在2007年安裝到位的,迄今已通過手機(jī)、電視、廣播和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)揚(yáng)聲器系統(tǒng)提供了10多次強(qiáng)震預(yù)警。但還可以做得更好一些。

該系統(tǒng)探測(cè)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(dá)最近的地震臺(tái)站約8 s之后就向震中附近區(qū)域的公眾發(fā)出了預(yù)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(tǒng)又向巖手、宮城和福島3個(gè)縣發(fā)布了大海嘯預(yù)警。極具破壞性的海浪于15～20min后到達(dá)了最近的海岸。

然而,該系統(tǒng)的總體表現(xiàn)仍不能令人滿意,主要是因?yàn)檫@次破裂的復(fù)雜性及其相對(duì)較小的振幅。系統(tǒng)低估了地面運(yùn)動(dòng)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(yù)警,而這一地區(qū)的許多地方都經(jīng)歷了強(qiáng)烈的、破壞力很強(qiáng)的地震動(dòng)(圖2)。話雖如此,隨著后來可利用的信息越來越多,系統(tǒng)也對(duì)其信息進(jìn)行了更新。

有關(guān)余震的強(qiáng)震預(yù)警播放了70多次。對(duì)于這些較小事件,該系統(tǒng)表現(xiàn)良好,但在地震定位方面還是出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤,這是由同時(shí)發(fā)生的地震事件的復(fù)雜性而致。

地震起始時(shí)地震數(shù)據(jù)的不可預(yù)測(cè)性欺騙了預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)算法則。但如果技術(shù)得以改進(jìn),可以快速識(shí)別出大地震,那么下一次大地震(如普遍預(yù)期的關(guān)西地區(qū)南海地震)來臨時(shí),該系統(tǒng)可能會(huì)有良好表現(xiàn)。在日本這樣一個(gè)已經(jīng)接受了這種信息,并且學(xué)會(huì)了預(yù)期此類信息的社會(huì),其地震預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該成為一個(gè)真正有效的減災(zāi)工具。

黃斌主席在開班講話中指出，多年來，各級(jí)工會(huì)幫扶工作緊緊圍繞各級(jí)工會(huì)的工作重點(diǎn)，不斷創(chuàng)新工作機(jī)制，采取各種措施擴(kuò)大工會(huì)工作的影響力，提升工會(huì)組織的凝聚力和號(hào)召力，并得到了各級(jí)黨政和工會(huì)領(lǐng)導(dǎo)的充分肯定以及社會(huì)各界的廣泛贊譽(yù)。

5 建筑設(shè)防目標(biāo)應(yīng)考慮抵御更大震動(dòng)

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

圖2 不實(shí)的寬慰?；诔跏嫉卣鹦盘?hào)的一個(gè)預(yù)警系統(tǒng)預(yù)測(cè)搖晃只會(huì)發(fā)生在一個(gè)有限的區(qū)域,但實(shí)際上晃動(dòng)要比預(yù)期的更為劇烈、范圍更廣

日本的地震學(xué)家本以為他們可以預(yù)測(cè)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(shí)證明,約400年的歷史記載所涉及的時(shí)段還太短,對(duì)于大地震的發(fā)生不具有可靠的指導(dǎo)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(jí)類似的地震事件的日本地質(zhì)數(shù)據(jù)。

在地震學(xué)中,未來地震發(fā)生的預(yù)期速率大都源于斷層上重復(fù)事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

然而,2011年的大地震卻表明,更為罕見的、震級(jí)更大的地震也可以和較小事件發(fā)生在同一斷層帶內(nèi)。因此,過去的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有時(shí)還不夠充分。為提高認(rèn)識(shí)能力,我們可采取的一種手段就是設(shè)法測(cè)定斷層附近的應(yīng)力積累狀況,并估算出地震發(fā)生時(shí)的絕對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變水平。

例如,應(yīng)力可直接在鉆孔內(nèi)測(cè)定;摩擦強(qiáng)度可由大震后的溫度測(cè)定結(jié)果推知;區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的方向可根據(jù)GPS臺(tái)陣記錄的地面位移模式確定。

利用這些技術(shù),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(fēng)險(xiǎn)。即將來臨的事件規(guī)模依然很難確定,但最大震級(jí)或許可根據(jù)應(yīng)力測(cè)定結(jié)果估算出來?，F(xiàn)在正在對(duì)日本東部的區(qū)域形變進(jìn)行研究,以確定2011年大地震以前該區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)究竟如何。

對(duì)來自大地震的強(qiáng)烈震動(dòng)作出估測(cè)是一個(gè)非常重要的涉及多種因素的問題尤其是對(duì)于全球建筑安全性標(biāo)準(zhǔn)而言但現(xiàn)在還缺乏源于過去地震的精確地面運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期記錄。隨著最近幾十年來測(cè)定技術(shù)水平的提高,我們對(duì)地面運(yùn)動(dòng)劇烈程度的預(yù)測(cè)能力也穩(wěn)步增強(qiáng)。也許我們從未見過如此劇烈的震動(dòng)。強(qiáng)烈震動(dòng),尤其是周期為數(shù)秒的長(zhǎng)周期震動(dòng),是災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中必須予以考慮的事情。類似信息也是現(xiàn)代城市高層建筑安全設(shè)計(jì)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)

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2011-05-26。