2011年日本大地震的科學(xué)解讀

　　3·11日本大地震的基本情況
　　
　　最近發(fā)生在日本的大地震在社會(huì)上產(chǎn)生了很大的影響。這次大地震發(fā)生在3月11日下午當(dāng)?shù)貢r(shí)間14點(diǎn)46分，地點(diǎn)是38.03N、143.15E，震源深度為25公里，震級(jí)為9級(jí)。震源距仙臺(tái)鎮(zhèn)129公里、距東京373公里。震源機(jī)制是低角(14度)的俯沖型地震。斷層的長(zhǎng)度約為700公里、寬度約為200公里，斷層面上最大滑動(dòng)量是18米。
　　此次地震主要有三個(gè)特點(diǎn)：一是震級(jí)非常大，9級(jí)地震在歷史上并不多見(jiàn)；二是震動(dòng)的時(shí)間比較長(zhǎng)，約為300秒；三是引發(fā)了高達(dá)10米的海嘯，并伴有核泄漏等事故發(fā)生，這也是這次地震最大的特點(diǎn)。
　　
　　地震發(fā)生后，我跟日本的幾位朋友進(jìn)行了聯(lián)系，特別是仙臺(tái)東北大學(xué)地震火山預(yù)報(bào)中心的幾位朋友，他們都回復(fù)了。其中的一位朋友在郵件中詳細(xì)地介紹了他的親身感受。他介紹，在地震發(fā)生的時(shí)候，他相信建筑物是堅(jiān)固的，所以沒(méi)有逃出去，躲在了房間里。盡管這樣，他也不能確信這樣是安全的。因?yàn)?，這次經(jīng)歷與以往不同。以往在地震發(fā)生時(shí)，通常是十幾秒、半分鐘左右的強(qiáng)烈晃動(dòng)，覺(jué)得東西要掉下來(lái)，有一種危險(xiǎn)的感覺(jué)，然后逐漸消失、平靜。而這次地震，一次震動(dòng)之后又來(lái)一次，總共有四五次，換算成時(shí)間有兩三分鐘時(shí)間的震動(dòng)。他猜想，這次地震可能是一個(gè)地方破裂帶動(dòng)另一個(gè)地方破裂，連續(xù)破裂造成的。
　　他的這種感覺(jué)是有道理的。圖1所示是日本東京大學(xué)地震研究所在震后公布的斷層模型。左圖中圓圈部分為當(dāng)初地震震源分布，紅色五星為主地震位置。右圖為斷層分布和滑動(dòng)的分布情況，是一塊一塊的，發(fā)生地震后，大約以每秒2公里的速度從震源向四周擴(kuò)散，接連發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，這樣給人的感覺(jué)是連續(xù)的破壞行為。
　　
　　3·11地震成因與日本地震特點(diǎn)
　　
　　截止到3月21日，本次大地震一共引發(fā)了657次余震，整個(gè)日本東部到海溝都在不斷破裂，不斷發(fā)生地震。這次地震引發(fā)的海嘯、核泄漏，已經(jīng)導(dǎo)致超過(guò)1萬(wàn)人死亡，16000多人失蹤。為什么會(huì)發(fā)生這么大的地震?它的成因和背景是什么呢?
　　在半個(gè)世紀(jì)以前，科學(xué)家已經(jīng)提出地球是板塊構(gòu)造，并且板塊之間存在相互運(yùn)動(dòng)。GPS等現(xiàn)代觀測(cè)技術(shù)都證明了這一點(diǎn)?；旧?，地球可以分為六大板塊，還有一些小的板塊。六大板塊之間的運(yùn)動(dòng)速度是非常大的，有的達(dá)到每年8厘米、5厘米、3厘米等。在這樣的板塊構(gòu)造背景下，就會(huì)產(chǎn)生很多的能量積累，當(dāng)能量積累到一定程度時(shí)便以地震的形式釋放。這就是地震的基本成因。
　　
　　圖2給出的不同板塊的年齡，顯示了世界地震分布的基本構(gòu)造背景。紅色是最“年輕”的板塊，集中在洋脊，是大洋里中心的地方，是洋脊地震帶的區(qū)域。這里產(chǎn)生了新的板塊向兩邊移動(dòng)，這就是所謂的板塊漂移。移動(dòng)到陸地邊緣，就向下面俯沖，產(chǎn)生了現(xiàn)在最大的地震帶：環(huán)太平洋地震帶。另一個(gè)大地震帶是歐亞地震帶，中國(guó)基本上處于歐亞地震帶上。具體來(lái)講，比如太平洋板塊，洋脊產(chǎn)生板塊以后，向兩邊移動(dòng)，然后沖入大陸的下面。沖撞的部位就是地震產(chǎn)生的地方，叫做俯沖帶型地震帶。
　　日本東邊是太平洋板塊，南面是菲律賓板塊，基本上日本整個(gè)列島都是在板塊俯沖帶的上面，即處于世界三大地震帶的環(huán)太平洋地震帶上。該地震帶上的地震大多屬于低角俯沖帶型地震。太平洋板塊運(yùn)動(dòng)的速度是每年8.5厘米左右，基本上都俯沖到日本的島嶼下面，這就是一個(gè)大的構(gòu)造背景，也是產(chǎn)生地震的能量或者動(dòng)力來(lái)源。
　　在日本列島上，震源深度大約在0～150公里。從立體空間可以看到，按照板塊俯沖的方向，沿著邊界上發(fā)生了大量的地震。
　　日本列島的地震類(lèi)型基本上可以分為三類(lèi)：一個(gè)是內(nèi)陸型地震，這也是受板塊俯沖作用發(fā)生的；再一個(gè)最主要的類(lèi)型就是板間的地震；最后就是板內(nèi)地震。內(nèi)陸地震和板內(nèi)地震能量一般都不太大，一般為六七級(jí)，板間地震通常較大，世界上9級(jí)以上大地震幾乎都屬于板間地震。
　　這個(gè)地方為什么會(huì)發(fā)生地震?我們知道，板塊向下移動(dòng)的時(shí)候，如果是慢慢滑動(dòng)，兩個(gè)板塊之間隨著板塊推移也在逐漸相互運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候，能量通過(guò)熱或者其他形式已經(jīng)釋放出來(lái)了，不發(fā)生地震。
　　
　　如圖4所示，太平洋板塊與歐亞板塊(部分北美板塊)相互運(yùn)動(dòng)，太平洋板塊向西位移突然收斂的地方(深藍(lán)色的條帶)為日本海溝(五星表示這次地震震中)。這個(gè)海溝深十多公里，其深度大干喜馬拉雅山的高度。在太平洋板塊剛剛向下俯沖的部分是沒(méi)有地震的，因?yàn)橛泻Ｋ淖饔?，板塊之間是慢慢滑動(dòng)的，在非常深的地方也沒(méi)有地震，因?yàn)槟抢锉容^熱、比較軟，通常也可以自由地滑動(dòng)。但是中間有一部分，平時(shí)是耦合不動(dòng)的，英文叫Asperity，漢語(yǔ)叫做凹凸體或者是障礙體，因?yàn)榘鍓K不斷向下俯沖，這個(gè)地區(qū)可以累積非常大的能量，到一定時(shí)候突然破裂，就是地震，這次地震就是這樣發(fā)生的。
　　板塊的慢滑動(dòng)可以通過(guò)GPS的觀測(cè)或者其他手段測(cè)出來(lái)，也可以反演出這個(gè)地方的滑動(dòng)。如果有的地方耦合不動(dòng)，就是危險(xiǎn)區(qū)，這里發(fā)生地震之后，破裂的范圍或者大小和慢滑動(dòng)是互補(bǔ)的。
　　為什么有的地方是慢滑動(dòng)，有的地方是耦合不動(dòng)的，目前還不十分清楚。但有一種可能，就是海洋下面的所謂海山。海底跟陸地上一樣，也有山和丘陵。這些山隨著俯沖，最后進(jìn)入到陸地板塊下面，和陸地板塊有一個(gè)很強(qiáng)的摩擦力，不太容易滑動(dòng)，這就是地震容易發(fā)生的地方。地震不斷地發(fā)生，并且有一個(gè)明確的時(shí)間規(guī)律，例如，在茨城附近大致以20年為一周期。所以，1940年發(fā)生比較集中的地震，到1960年又會(huì)發(fā)生地震，按下來(lái)是1980年，等等。因此，日本研究地震的時(shí)候，基本找到了俯沖帶型地震的基本規(guī)律。因?yàn)槟睦锫瑒?dòng)發(fā)生，哪個(gè)地方不滑動(dòng)，是可以觀測(cè)出來(lái)的，沒(méi)有滑動(dòng)的地方，就是地震的危險(xiǎn)區(qū)。當(dāng)能量積累到一定的時(shí)間，根據(jù)滑動(dòng)的速率、不滑動(dòng)區(qū)域的大小，基本上可以確定震級(jí)的大小，所以地震的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)或者趨勢(shì)性預(yù)報(bào)，相對(duì)來(lái)講要容易得多。
　　海山作為耦合體或者兩個(gè)板塊之間耦合不動(dòng)的地方，研究者在日本四國(guó)島的海域處找到了證據(jù)。所以，海山的前后段，就是危險(xiǎn)區(qū)，就是地震發(fā)生的地方。
　　和中國(guó)相比，日本基本上是以俯沖帶型地震為主，中國(guó)則是以?xún)?nèi)陸型地震為主。日本地震多伴隨海嘯，但不是所有的地震都發(fā)生海嘯。中國(guó)的地震，除了臺(tái)灣地區(qū)，基本上無(wú)海嘯。還有，日本地震多數(shù)發(fā)生在海域，但是陸地上也有，相對(duì)來(lái)講震級(jí)不是那么大。中國(guó)的地震大都發(fā)生在陸域。日本地震次生災(zāi)害比較大。所謂次生災(zāi)害就是除了地震直接震塌或者倒塌的災(zāi)害以外，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)、海嘯，這些造成的災(zāi)害往往比地震直接造成的災(zāi)害多；而中國(guó)地震直接造成的災(zāi)害比較多。日本地震引起的死傷人數(shù)，這次比較大，但相對(duì)來(lái)講比中國(guó)地震產(chǎn)生的傷亡小一些。中國(guó)是因地震造成死亡人數(shù)最多的國(guó)家。僅在上世紀(jì)，或者過(guò)去100年中，超過(guò)20萬(wàn)人死亡的3次大地震都發(fā)生在中國(guó)。
　　
　　3·11地震預(yù)報(bào)失敗的原因
　　
　　地震預(yù)報(bào)失敗的原因是什么呢?地震的孕育或者發(fā)生是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，人類(lèi)對(duì)它的認(rèn)識(shí)還處于初級(jí)階段，這是最根本的原因。日本地區(qū)超過(guò)8級(jí)的地震不多，雖然歷史上也有過(guò)8.6級(jí)、8.3級(jí)，但是9級(jí)的地震確實(shí)出乎所有人意料。另外歷史地震統(tǒng)計(jì)表明，下一個(gè)8級(jí)地震可能發(fā)生在日本東海地區(qū)。
　　圖5為日本預(yù)測(cè)30年內(nèi)發(fā)生強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)可能的分布圖，紅色表示概率最大的地方，也就是說(shuō)在日本東海地方或者南海地方，是非常有可能發(fā)生地震的。北海道發(fā)生地震的可能性也比較大，但是這個(gè)地區(qū)人少，可能引起的災(zāi)難并不太大。日本根據(jù)研究成果對(duì)地震進(jìn)行了預(yù)測(cè)。1978年日本制定了《大規(guī)模地震對(duì)策特別措施法》，據(jù)此在東海地區(qū)21處設(shè)置探測(cè)地下板塊運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，不斷完善大地震預(yù)測(cè)系統(tǒng)。2003年，東海大地震對(duì)策專(zhuān)門(mén)調(diào)查委員會(huì)還預(yù)測(cè)，大地震將導(dǎo)致最多1萬(wàn)人死亡。同年5月29日，日本中央防災(zāi)會(huì)議出臺(tái)了《東海地震對(duì)策大綱》，針對(duì)東海大地震進(jìn)行預(yù)想并制定應(yīng)對(duì)措施。2009年，日本政府再發(fā)預(yù)測(cè)，30年內(nèi)東海地區(qū)發(fā)生大地震的幾率為87％。
　　俯沖帶型地震往往是單個(gè)障礙體的破裂，為什么這次是大范圍地發(fā)生地震?為什么多個(gè)耦合區(qū)同時(shí)破裂?其原因目前還不是很清楚，這是今后一個(gè)很重要的研究課題。
　　
　　3·11地震災(zāi)害與地球物理場(chǎng)變化
　　
　　這次地震引發(fā)了巨大的海嘯。海嘯作為地震的伴隨現(xiàn)象不奇怪，這是自然現(xiàn)象。海嘯預(yù)警比地震預(yù)警花的時(shí)間長(zhǎng)，需要時(shí)間計(jì)算，然后發(fā)出預(yù)警。由于日本東海岸在此次地震時(shí)普遍下沉了很多，最大的地方超過(guò)1米，助長(zhǎng)了海嘯災(zāi)害的擴(kuò)大。
　　據(jù)日本方面用GPS觀測(cè)網(wǎng)觀測(cè)，水平位移結(jié)果是5.2米，下降的最大值是1.2米。我們實(shí)驗(yàn)室用理論根據(jù)斷層計(jì)算的結(jié)果也表明，日本沿海處都是在下沉的，產(chǎn)生了位移場(chǎng)，對(duì)中國(guó)的最東部會(huì)產(chǎn)生約2厘米的變化，對(duì)中國(guó)東北地區(qū)普遍產(chǎn)生大約5毫米的位移。這是不是意味著日本一定向東移呢?不一定。因?yàn)樘窖蟀鍓K的俯沖引起的通常是向西的移動(dòng)，這種移動(dòng)是不發(fā)生地震的，一旦能量積累到一定程度的時(shí)候，就發(fā)生地震，向東移動(dòng)，這兩個(gè)移動(dòng)大體上是平衡的。
　　如圖6所示，這次地震同時(shí)引發(fā)了重力場(chǎng)的變化。左圖為空間固定點(diǎn)的重力變化分布圖，達(dá)到約正負(fù)300微伽；右圖為經(jīng)過(guò)300公里平滑后的重力場(chǎng)變化結(jié)果，達(dá)到約正負(fù)10微伽，這樣大的重力變化完全可以被重力衛(wèi)星GRACE觀測(cè)到。待幾個(gè)月后GRACE數(shù)據(jù)公開(kāi)后，這個(gè)結(jié)論便會(huì)得到證實(shí)。
　　社會(huì)上關(guān)注，地震是否使地球旋轉(zhuǎn)加快。理論來(lái)說(shuō)是這樣的，但沒(méi)有實(shí)際意義，對(duì)我們的生活、對(duì)人類(lèi)的生存沒(méi)有任何影響。地球扁率(J2)變化觀測(cè)曲線見(jiàn)圖7。近年來(lái)發(fā)生地震所產(chǎn)生的影響也繪于其中，結(jié)果是產(chǎn)生的地球旋轉(zhuǎn)變化乘上100倍。圖中也顯示了2006年蘇門(mén)答臘地震產(chǎn)生的變化，乘上100之后，變化也是非常微小。所以地震產(chǎn)生的地球旋轉(zhuǎn)的變化是微乎其微的，一點(diǎn)兒不用擔(dān)心。
　　
　　3·11地震帶給我們的啟示
　　
　　通過(guò)這次地震可以得到的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。首先，地震是不可避免的自然現(xiàn)象，今后還會(huì)發(fā)生大地震，甚至還會(huì)發(fā)生9級(jí)以上的地震，這是不可避免的，是地球動(dòng)態(tài)變化的自然結(jié)果。其次，地震預(yù)報(bào)還需要進(jìn)一步探索，加強(qiáng)地震科普教育也很重要。大家通過(guò)電視可以看到日本民眾對(duì)地震的反應(yīng)態(tài)度非常平靜，這說(shuō)明平時(shí)的科普教育非常重要。另外，要加強(qiáng)地震科學(xué)基礎(chǔ)研究和地震應(yīng)急的研究。最后是要加強(qiáng)抗震救災(zāi)?，F(xiàn)在中國(guó)富裕了，有些建筑的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、抗震標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該提高。我們的標(biāo)準(zhǔn)和世界上建筑強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)相比，目前還比較