科學(xué)家審視日本地震和海嘯帶來的挑戰(zhàn)與教訓(xùn)＊

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科學(xué)家審視日本地震和海嘯帶來的挑戰(zhàn)與教訓(xùn)＊

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在2011年3月11日日本東北9.0級大地震及其引起的慘烈破壞性海嘯襲擊日本的一周后,伴隨著一系列強余震(6級以上地震已有大約50次,Eos將刊出),次生災(zāi)害仍在加劇:對失蹤者的可怕的搜尋結(jié)果死亡人數(shù)預(yù)計約1萬人;40多萬無家可歸者和100萬缺水者需要緊急援助;還有在東京東北225 km的福島第一核電站,為避免環(huán)境災(zāi)難正在慌亂地努力,而放射性物質(zhì)也正在泄漏。

根據(jù)東京大學(xué)地震研究所Kenji Satake教授利用包括全球定位系統(tǒng)(GPS)和測震數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種途徑的研究結(jié)果,確定這次日本東北部本州外海的地震(圖1)是沿日本海溝俯沖帶的板緣破裂地震,地震的震源區(qū)估計是400～500 km長,最大滑動20m。Satake指出,在有些地方海嘯高度可能超過7m這是許多海岸潮汐測量儀的量程,部分海岸區(qū)海水可能已向內(nèi)陸沖刷了5 km。國際海嘯信息中心(ITIC)指出,目擊者報告的最高海嘯波浪為13m。Satake還指出,連續(xù)GPS觀測顯示,在地震震中以西130 km的本州東北地區(qū)最大城市仙臺,其附近海岸的水平移動超過4m,下沉約0.8m。圖2為日本東北部巖沼市海岸的地震海嘯場景。

Satake的飛機偵察顯示,本次海嘯泛濫區(qū)與公元869年Jogan地震的相似,而那時大海嘯沖刷了仙臺地區(qū)。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地質(zhì)學(xué)家B rain At water告訴Eos,此次日本東北地震是自Jogan地震甚至更早以來沿日本海溝的最大已知地震。日本氣象廳(JMA)、USGS和其他機構(gòu)將此次日本東北地震定為1900年以來的世界第4大地震,同時也是自130年前開始現(xiàn)代儀器記錄以來日本最大的地震。

圖1 2011年3月11日日本本州東海岸附近9.0級地震震中位置(源自USGS)

圖2 2011年3月11日日本東北部巖沼市海岸的地震誘發(fā)海嘯(源自2011美聯(lián)社圖片/共同通訊社)

雖然此次地震是毀滅性的,但是很多科學(xué)家告訴Eos,在日本這個地震歷史很長,并且也許是世界上對地震最關(guān)注、地震儀器安裝最多的國家,監(jiān)測、減災(zāi)和公共教育措施避免了更多的地震破壞?？茖W(xué)家說,海嘯的規(guī)模很可能引發(fā)了此次地震的很多問題。根據(jù)ITIC,第一波海嘯在震后15m in內(nèi)抵達距震中最近的日本海岸。海嘯沖毀了整個社區(qū),破壞并摧毀了基礎(chǔ)設(shè)施。

1 地震量級

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,著名地震學(xué)家、加州理工學(xué)院地球物理學(xué)Jone E.&Hazel S.Smits名譽教授Hiroo Kanamori正在東京大學(xué)科學(xué)學(xué)院的一個二層會議室參加外部咨詢董事會議。Kanamori說,在東京大學(xué)科學(xué)系大樓吱吱作響并劇烈震動時,他馬上意識到這是一次大地震,可能是大約400～500 km外的8級地震?！霸谌毡?感覺到一些震動不值得大驚小怪,”他說,“但是后來當(dāng)我被告知震級為9級時,確實十分意外?！?/p>

Kanamori說,如此大的地震在本破裂區(qū)尚屬首次。他在返回加州后的一次采訪中告訴Eos說:“盡管我們知道發(fā)生地震的潛在危險,但可能很少有人能夠預(yù)料到那里能發(fā)生如此大的地震?！?/p>

雖然也意識到了在過去數(shù)十年中地震科學(xué)取得了顯著進步,但Kanamori說在此次地震和海嘯以來的這些天里他一直非?！熬趩省薄！翱茖W(xué)在進步,但看起來在這個特殊案例中,科學(xué)在某種程度上幾乎無能為力?！彼f,“所有地震學(xué)家一直努力工作。我們曾希望地震科學(xué)能幫助減輕地震災(zāi)害,我確信這已做到。但是此次地震的破壞如此廣泛,以致減災(zāi)的積極作用沒有那么明顯。”

Kanamori建議了幾項可以幫助提高減災(zāi)成效的措施。除了科學(xué)家繼續(xù)開展工作以增加對地震的了解外,他建議科學(xué)和政府備災(zāi)社團間增加交流。“科學(xué)家在了解地震過程方面可以做得很好,但是如果僅僅到此為止,科學(xué)調(diào)查的成果就不能有效地為社會所用。為求改進,我們需要科學(xué)團隊與處理實際問題的人群之間更好地交流?！?/p>

另外,他指出,在考慮地震事件的時間尺度時,地震學(xué)和有儀器觀測數(shù)據(jù)的歷史相對很短。“我們必須對意料之外的事情做準(zhǔn)備,這在地震學(xué)中無法避免,”他補充說,“我們的經(jīng)驗非常有限。我們畢竟無法做出很確定的預(yù)測。所以防災(zāi)策略應(yīng)該更全面而不是更單一?！被谶@些思路,他說,日本關(guān)注日本西南海岸的南海海槽很好,但是“你應(yīng)該看看更大的區(qū)域而不是過分關(guān)注特定地區(qū),從而可以將你的精力分配到其他地方”。

2 提出的重要問題

東京大學(xué)科學(xué)學(xué)院研究生院的Robert Geller在一封致Eos的電子郵件中指出,板塊構(gòu)造已經(jīng)活躍了至少10億年且很可能更久,科學(xué)家僅有約100年的“儀器地震學(xué)獲得的地震發(fā)生數(shù)據(jù)”樣本?！拔覀儾粦?yīng)該對9級地震發(fā)生在(對我們來說)未知的已發(fā)生過9級地震的地區(qū)感到驚訝(盡管這些地區(qū)很可能在地質(zhì)學(xué)上的最近,也就是過去,已經(jīng)發(fā)生過9級地震)?！?/p>

另外,Geller說他希望日本的地震學(xué)家停止有關(guān)推測地震發(fā)生在東海東京和名古屋之間太平洋海岸的外?；蚱渌魏蔚胤降臄喽?。“就我們目前的知識水平,沒有依據(jù)可斷定日本太平洋沿岸的一個地區(qū)比其他地區(qū)更安全或更危險。它們都將在未來某時發(fā)生地震?！彼a充說,使預(yù)案集中于某些特定地區(qū)(如東海)的預(yù)測,能使其他地區(qū)(如日本東北和神戶)陷入“盲目的安全”。

位于紐約帕利塞德斯的哥倫比亞大學(xué)Lamont-Doherty地球?qū)嶒炇业难芯繂TGeoffrey Abers說,與其他地區(qū)一樣,日本對其北半部分的地震活動性也投入了很多關(guān)注。他說:“監(jiān)測日本北半部分的儀器很可能比南海以外的任何俯沖帶都多?！彼赋?位于仙臺的東北大學(xué)擁有在日本領(lǐng)先的地震學(xué)計劃。他說:“在很多方面這個地方已成為全球研究最多的俯沖帶區(qū)段?！盇bers補充說,使人震驚的是在這個俯沖帶發(fā)生了如此大的地震,以前一直假設(shè)它可能發(fā)生8級而不是9級地震。

Abers說:“到目前為止,這是我們記錄最好的大地震?！彼f,日本擁有世界上最好的、在任何地方都有相當(dāng)密度的由測震儀和強震動儀組成的地震監(jiān)測臺網(wǎng)?！斑@是我們可以深入了解大地震破裂時究竟發(fā)生了什么事情的地方?！?/p>

Abers說,突出的問題有:地震如何“決定”它將成為大地震,以及地震中擴展幾百公里的破裂到底有什么不同(如果有的話);斷層如何起作用;日本東北地震破裂與之前的其他地震破裂是什么關(guān)系,以及一個地震能否觸發(fā)另一個地震。此外,還有關(guān)于橫越太平洋的海嘯、建筑標(biāo)準(zhǔn)和其他減災(zāi)措施防災(zāi)程度的考慮。

美國地震協(xié)會主席、位于索科羅的新墨西哥礦產(chǎn)和技術(shù)研究所教授Richard Aster也說,這次地震和海嘯提出了很多重要問題。他說,在科學(xué)和社會方面此次地震都占有“歷史份額”。Aster指出,此次地震釋放了全球上世紀積累的總地震能量的5%,并補充說這種戲劇性的、大量能量釋放的地震是罕見的,它們“就像地震學(xué)中的超新星”。

他告訴Eos:“這個國家在地震中很好地幸存下來,但是海嘯明顯越過海岸防護并引起了巨大破壞,就在我們說話時泛濫還在繼續(xù)。關(guān)于日本的一個大話題將是海嘯規(guī)模超過預(yù)期。除了巨大的地震,這個悲劇的主要部分將是海嘯帶來的破壞?！?/p>

Aster說,研究者們也將加深對全球一些俯沖帶的可能最大可信地震的認識,應(yīng)注意到科學(xué)家之前沒有廣泛地預(yù)料到這里會發(fā)生9級地震,也沒有預(yù)料到在2004年蘇門答臘會發(fā)生如此大的地震。他說:“我們還將了解全球什么樣的俯沖帶能夠產(chǎn)生一系列的大地震,”并補充說,日本東北地震是美國西北太平洋及其他潛在地震危險地區(qū)的“警鐘”。他說:“在全球地震危險性非常高的部分地區(qū),可能發(fā)生比我們之前所預(yù)想的震級還要大的地震,我們應(yīng)該有所準(zhǔn)備。這是基于很少數(shù)據(jù)量的清晰信息”。

另外,Aster懷疑地球是否進入了數(shù)十年的大震期。通過回顧20世紀的地震目錄,他說:“在過去大約7年里,8級及以上的地震數(shù)量明顯升高。這意味著什么?這是隨機的嗎?或者強震之間通過遠程觸發(fā)相互聯(lián)系?對此我們沒有答案,但是過去7年的大地震明顯填補了我們的知識空白?！?/p>

3 監(jiān)測、公共預(yù)案和減災(zāi)

USGS地震和地質(zhì)災(zāi)害高級科學(xué)顧問David App legae指出了與地震和海嘯相關(guān)的一些重要挑戰(zhàn),包括將小概率但后果嚴重事件中獲得的教訓(xùn)集成于公共決策中。他說:“對于在執(zhí)政周期內(nèi)掌權(quán)的官員來說,去考慮在地質(zhì)時間里僅是一眨眼之前、但祖輩并無記憶的地震事件十分困難?！?/p>

App legae說,在如此規(guī)模的災(zāi)難中,認識到什么措施起到了作用很重要。例如,他指出在海嘯區(qū)以外很多結(jié)構(gòu)并未倒塌。此外,災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和教育工作也能夠挽救生命。App legae說,此次地震和海嘯已是“難以置信的糟糕。但是如果日本不采取措施

數(shù)年中在監(jiān)測能力、公共預(yù)案和減災(zāi)中做出投資可能會更糟;我們不能忽視這些?！?/p>

他指出另一個挑戰(zhàn)是我們有限的地震知識?！斑€有很多需要了解。我們需要繼續(xù)做研究。我們需要虛心地去處理已有知識?？茖W(xué)家們試圖指出哪個俯沖帶最可能產(chǎn)生9級地震,但我們已經(jīng)看到有兩次,蘇門答臘和現(xiàn)在的日本,都不在他們的名單的前列。但是另一方面,它們是俯沖帶?！彼f,“這是我想責(zé)備的:對地震在哪里發(fā)生我們確實知道很多,但我們必須虛心地考慮我們的知識范圍,以及我們可以將這些知識公開應(yīng)用到什么程度?！?/p>

他補充說,從這一地震中“我們有道德責(zé)任盡其所能學(xué)得更多”,并廣泛地開展應(yīng)用,以了解和減輕將來很可能發(fā)生在日本或其他地方的地震與海嘯災(zāi)害。

譯自:EOS.2011,92(12):97,99

原題:Scientists examine challenges and lessons from Japan earthquake and tsunami

(中國地震局地球物理研究所 王玉石 譯;李小軍 校)

(譯者電子郵箱,王玉石:w ysh.igp@gmail.com)

P315;

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10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.002

2011-06-08。