扩大地震灾害研究的效用＊

Francesco Mulargia

(Dipartimento di Fisica,Settore di Geofisica,Universit àdi Bologna,Viale Berti Pichat 8,40127 Bologna,Italy)

扩大地震灾害研究的效用＊

Francesco Mulargia

(Dipartimento di Fisica,Settore di Geofisica,Universit àdi Bologna,Viale Berti Pichat 8,40127 Bologna,Italy)

2010年1月12日,海地首都太子港发生M≈7.0地震,造成20多万人丧生,这是历史上损失最为惨重的地震之一。由于海地属于世界上最贫穷国家之列,因此这场灾难被轻易地归咎于建筑质量不达标,以及缺乏能够协助民事防护组织开展工作的现代地球物理机构。现在看来,这种看法过于简单,而且至少在某种程度上是错误的。

2009年4月6日,一次M≈6地震给意大利中部城市拉奎拉(L’Aquila)及其周边地区也带来严重破坏,并造成308人死亡。但幸运的是,较之海地地震,此次灾难造成的损失要小得多,这并非因为意大利是八国集团的成员国,也不是因为意大利具有悠久的地震学研究历史,包括拥有许多著名的大学以及得到雄厚资金支持的意大利国家地球物理与火山学研究所(INGV,该机构运行着一个技术先进的国家地震台网)。此外,也不是因为意大利有一个独特高效的民事防护部(Dipartimento di Protezione Civile),该部门曾于2005年无可挑剔地应对了400万人涌入罗马(虽然平和但规模庞大)参加教皇约翰·保罗二世葬礼的问题。拉奎拉地震造成的破坏比太子港地震小的根本原因是:一次较小的地震袭击了一个居民较少的地区。

事实上,和其他任何一次破坏性地震一样,这两起地震事件对科学界的震动绝不亚于实际的地面震动,这让我们不禁想起Ari Ben-Menahem[1]的表述:“1992年4月14日。欧洲的中心地带发生了6级地震,尽管当时已经有数百台地震仪,有计算机,也有地震学专家,但此次地震还是没能预测出来。这再一次提醒人们,虽然自1755年里斯本(Lisbon)地震以来积累了大量的地震知识,但和当时一样,我们现在对地震仍然感到十分震惊。”

预测地震是人类一个古老的梦想。科学界对地震知识了解得越多,我们就越加深刻地认识到,控制地震的物理过程是非线性的,而且对几乎无法测定的边界条件和初始条件十分敏感,因此,试图预测下一次破坏性地震事件与试图预测一个飞速旋转的轮盘赌结果没有什么区别。

但这并不意味着地震是完全不可预测的,而是如同所有非线性特征极为明显的现象一样,可以从概率风险角度对地震进行预测,这是地震灾害防御措施——抗震规范——的根本所在。

所有国家都有抗震规范,但形式各不相同。由于遭受损害的主要是最古老、最破旧的建筑,所以,不同规范间的差异通常还不如抗震规范所涉及的建筑存量重要。在许多国家,如意大利,最近几年已经开始采用日趋严格的抗震规范,但是这些规范只针对新建筑或翻新的建筑,并不包括那些古老建筑(几个世纪前建成,大多位于城市中心),其中最具代表性的高危建筑就是历史和艺术遗迹。

一般来说,地震危险性评估是防范震灾的指南。防范震灾涉及许多方面,从最初的建筑法规和一般的群众防护计划,一直到紧急行动措施(如紧急疏散)。太子港地震和拉奎拉地震都表明了这样一个事实:我们的高科技时代在很大程度上仍然无法对抗破坏性地震。而且,拉奎拉地震还暴露了一个特别明显的事实:人们不能从地震学知识中期待奇迹发生,特别是,地震危险性研究无法对短期行动起到指导性作用。其原因如下。

1995年,Boschi等[2]开展了一项地震危险性研究,并在《美国地震学会通报》(BSSA)发表了他们的研究成果。这项工作的技术基础简单明了,通过①完全正态(高斯过程)和②完全随机性(泊松过程)的渐进物理行为建立地震活动模型。这种方法被应用于独立界定的意大利的54个地震构造区,结果显示,有两个地区未来5年内发生M≥5.9地震事件的概率接近1.0。这两个地区分别是拉奎拉地区和西西里岛东南部地区。

然而,地震危险性研究也存在许多问题[3]。首先,这些研究缺乏稳固的物理学基础,而且本质上是半经验性的:大部分公式化的表述使用了统计术语,如泊松过程中的返回时间(return times);或依赖于奇想,如“时间依从性”应变补充机制;或援引“特征”地震的完全相同的复发规律;此外,最近的一些表述则仅仅依据表象对某些地震的群发特征进行描述。其次,这些半经验性的方法显然仅仅集中在人们感兴趣的大地震事件上,但实际上,大地震的发生率非常低,因此,统计推断往往是无效的。再者,与时间相关的危险性评估方法必须考虑古登堡-里克特定律(Gutenberg-Richter law),这一定律将小地震事件的高群发特征变为低概率水平,即每天至多约发生10-4次“大地震”事件[4]。

这种状态所导致的结果首先是不同危险性评估结果的可靠性十分有限,这一点可以通过对其进行比较分析而得到认证。在定量分析的情况下,这意味着有效概率比其表面价值要低得多:在拉奎拉地震实例中,估计的概率在地震实际发生时间以前15年时约为1.0,因此,其后验有效概率可以被确定为每日2×10-4,或每小时10×10-5,相当于根据群发特征推断的概率。这些概率值很低,还不至于引发扰乱社会生活的行为。

拉奎拉地震揭示出这样一个问题:虽然上述研究论文的第一作者自论文发表以来一直担任INGV(掌管地球物理学的意大利国家机构,负责意大利的地震监测)主席,而且自2009年1月以来,拉奎拉地区一直有震群发生,但这里并没有采取实际行动,这是因为,与地震事件发生的低有效概率相比,紧急疏散造成的损失被估计过高。

由此看来,地震危险性研究对于102年的建筑物寿命而言可以显示其效用,而对于10-2～10-1年(即数天至数月)的社会时间尺度而言,其效用不会充分显现出来。从积极的方面来看,拉奎拉地震表明,我们可以在100～101年(1～10年)的中等时间尺度上发挥危险性研究的效用。事实上,海地地震和拉奎拉地震事件都再次提醒我们,地震破坏源自两个基本因素的组合:地震灾害和易损性。而易损性又主要源自地震的局部放大作用和拙劣的建筑质量。拉奎拉地震强有力地证实了局部放大(主要是一维的)起着主导作用:相隔只有几公里的震中附近的村庄中,同样的建筑遭受的破坏程度却不相同,位于沉积层上的建筑被彻底摧毁,而位于新鲜岩石上的建筑却只受到轻微破坏。场地效应的另一个突出的例子就是拉奎拉历史名城的损毁,这主要源于片状亚土层结构,强烈共振出现在3 Hz或0.6 Hz,其中0.6 Hz的共振由软层上的刚性表面引发[5]。

为防御地震来袭,可以对古老的历史建筑进行改造,但这主要牵涉到费用问题。对所有危险建筑物都进行加固显然成本太高,令人无法承受,但“相对较高而实际上却很低”的危险性研究的概率水平可以用于单一建筑物的地震易损性研究,同时也对土壤结构动态特性进行了实验研究,这似乎是确定结构损坏的最关键因素[6]。

事实上,土壤和建筑的模态分析现在已经非常迅速,而且并不昂贵,这主要应归因于被动(或自然输入)技术的发展,这些技术利用地震微颤作为随机宽带激发函数来测定动态响应[7-8]。通过这样的分析可以有效地识别最脆弱的结构,并告诉人们哪里是最迫切需要加固的地方,这实际上大大扩展了与时间无关的长期危险性评估的效用,同时也为时间相关的危险性评估提供了一个存在的理由。

[1] Ben-Menahem A.A concise histo ry of mainstream seismology:Origins,legacy,and perspectives.Bull.Seismol.Soc.Am.,1995,85:1202-1225

[2] Boschi E,Gasperini P,M ulargia F.Fo recasting w here larger crustal earthquakesare likely to occur in Italy in the near future.Bull.Seismol.Soc.Am.,1995,85:1475-1482

[3] M ulargia F,Geller R J.Earthquake Science and Seismic Risk Reduction.Dordrecht and Boston:Kluwer Academic Publishers,2003:338 pps

[4] Kagan Y Y,Jackson D D.Long-term p robabilistic fo recasting of earthquakes.Journal of Geophysical Research,1994,99:685-700

[5] De Luca G,M arcucci S,M ilana G,et al.Evidence of low-frequency amp lification in the city of L’Aquila,central Italy,through amultidiscip linary app roach including strong-and weak-motion data,ambient noise,and numericalmodeling.Bull.Seismol.Soc.Am.,2005,95:1469-1481

[6] Erlingsson S.Three-dimensional dynamic soil analysisof a live load in U llevi stadium.Soil Dynamics and Earthquake Engineering,1999,18:373-386

[7] Lachet C,Bard P-Y.Numerical and theo retical investigations on the possibilities and limitation of Nakamura’s technique.Journal of the Physical Earth,1994,42:377-397

[8] Huang C S,Lin H L.Modal identification of structures from ambient vibration,free vibration,and seismic response data via a subspace app roach.Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2001,30:1857-1878

P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.02.002

2010-11-03。

译自:Seismological Research Letters,Vol.81,No.3,May/June 2010,423-424

原题:Extending the usefulness of seismic hazard studies

(杨景宁 译;赵纪东,左玉玲 校)