重构地震学＊

重构地震学＊

日本3·11大地震和海啸发生两个月之后,5位日本地震学家反思其从中吸取的教训与得到的启示。

1 整合所有可利用的数据

(Takeshi Sagiya,Nagoya University,Japan)

假如历史记录更完整一些,假如数据之间的差异早点被发现,那么,即使日本政府没有预见到在日本东北部会发生9级地震,我们对此次地震可能也会有所警觉。

2002年,日本政府的地震调查研究推进本部曾公布了东北部地区俯冲带地震可能性的长期评估。据估计,未来30年该区发生一次7.7～8.2级大地震的概率为80%～90%。但发生一次破坏范围达400～500 km的9级地震的概率却未特别提及。作为参与评估的该工作小组的一员,我是带着极大的遗憾来反思失误的原因。

长期评估基于对过去400年完整历史地震记录的统计分析。然而,3·11地震明确表明400年的时段对于地震活动性评估而言仍然太短。实际上,过去5年间日本地质调查局的地质学家曾报道称,公元869年一次大海啸淹没了仙台(Sendai)地区。其规模堪比3·11地震后的大海啸。很遗憾,这些调研结果来得太迟,因此在海啸的评估与对策中未予考虑。

从这次事件中吸取的一个教训是,如果我们采用经验方法来评估或预报自然灾害,那么就应考虑所有可利用的信息尽管有些记录存在很大的不确定性,而且,不管其可能性如何,还要考虑所有的概率。

长期评估的另一个缺点就是评估中所用的不同观测资料之间存在明显差异。过去10年中,全球定位系统(GPS)调研结果表明,沿日本海沟的板块边界几乎被完全闭锁在原地,没有滑动[1-2]。但长期以来,人们认识到日本海沟处大地震的累积断层滑动与板块运动之比(地震耦合系数)仅为约30%。至于其余的70%的板块运动是如何被调节的,尚无明确解释。

日本地震学家已经注意到这种差异,但我们没有认真考虑其潜在的灾难性含义。2001年,京都大学的Ichiro Kawasaki提出,很大一部分板块运动被调节为“震后滑移”地震发生后的进一步滑动和日本海沟北部的其他无震断裂行为[3]。但在日本海沟南部,即此次9级地震的主要震源区,这种不一致性却未得到消解。

那么,东日本大地震的第二个教训就是,我们不应该忽略数据的不一致性,而应该设法将观测资料与不同的时间和空间尺度结合起来分析。

地球科学是一门多边学科。日本地震学界现在需要对地震、大地测量、地貌和地质数据进行全面的审核,以发现现时评估中遗漏的信息,并解决数据中存在的任何不一致性。

2 防备不测

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

2011年东日本大地震令地震学家大为震惊,因为该区没有发生过8.5级以上地震的记载。地震发生以来进行了广泛的地震、GPS和海啸分析,结果表明大的应变和应力释放通常发生在日本海沟150 km范围内的相对较狭窄的地带(图1)。此次应变释放量比我们所见到的其他“大型逆冲区”地震几乎大一个数量级。该区的应变想必已经积累了1000年,板块会聚速率约为9 cm/a。最终,应力超过了岩石的局部强度而破裂,引发9级大地震。

尽管日本有着广泛的GPS网络,但仍然未能探测到这种局部的大应变积累,原因是该地区位于200 km外的海域。我们所吸取的一个重要教训是,很浅的板块边界居然能够积累如此之大的应变(图1)此前它曾被认为只能容纳10%～20%的3·11地震释放的应变。

图1 压力区。太平洋板块向日本下方滑动时被卡住,此时日本海沟便会积累应变

由此,要检测最终足以引发9级地震事件的大应变积累,就要加速研发海底GPS技术,对于造成如此之大的应变积累的异常孕震结构(如粗糙的板块界面),应推进其探测研究。

即使我们根据有关过程的特性能够搞清缘何会发生这么大的地震,我们也不可能明确断言地震会在什么时间发生,或地震究竟会有多大。我们只知道那将是一次罕见的事件,但一旦发生,它将产生严重后果。所以,我们必须竭尽全力为抵御不测之患做好防备工作。最重要的是建设坚固的基础设施。然而,就目前可利用的技术而言,我们能够做到的还非常有限,所以,我们必须认真考虑可接受的收益-风险平衡问题。

3 加强海底观测

(YujiYagi,University of Tsukuba,Japan)

太平洋板块向日本列岛下方俯冲的过程并不平稳。板块的某些部分会紧紧卡在上覆大陆板块上,因而不能滑动,在这些部位便会积累应变。较大的板块间地震可以释放由此产生的应变,使滑移得以继续。2011年东日本大地震释放了巨大的滑移缺陷,这一滑移缺陷起码在2004年[1],甚至早在2000年[4],就由GPS网络展现出来,1996年[5]东京大学的Yasutaka Ikeda根据地质学与大地测量学地壳形变速率之间的差异也预测到了这一滑移缺陷。

在某些区域中,板块会被卡住而不能滑动,这些区域(被称为凹凸体)的分布通常是根据地震事件数据而推测的。根据这一“特征地震模型”,未来可能发生地震的区域由日本的负责委员会(如地震调查研究推进本部)来估算。多数日本地震学家“理由充分地”假定凹凸体之外的区域很长时间不会受到地震侵袭,因为那里的应变被无震滑移释放了。这种假定还有待证实。

由于地震轮回的时间很长,我们还无法得到有关大地震发生的确切的时间和空间信息。因此,我们不能仅仅依据最近的地震活动目录就对未来大地震的概率作出评估。大地震是异常事件,是俯冲带长期形变过程的反映。要对大地震形成一个全面的认识,我们还必须考虑有关地壳形变的大地测量、地质和地貌信息。

一般说来,要预测长期地震活动,就必须研发出能够从观测数据中提取弹性和滞弹性应变信息的方法。目前迫在眉睫的是,必须加强海底观测能力,以对滑移缺陷沿板块边界的分布情况作出高分辨率估测。

4 预警发挥了作用,但必须做得更好

(Masum i Yamada,Disaster Prevention Research Institute,Kyoto University)

日本气象厅(JMA)拥有世界上最先进的能够提供海啸和地震强震动信息的实时预警系统之一。该地震预警系统在地震发生的几秒钟之内就可提供有关强震动的信息,它是在2007年安装到位的,迄今已通过手机、电视、广播和当地社区扬声器系统提供了10多次强震预警。但还可以做得更好一些。

该系统探测到了日本东北部太平洋沿岸附近海域发生的大地震,并且在P波最初到达最近的地震台站约8 s之后就向震中附近区域的公众发出了预警。27列高速火车在该区紧急刹车,而且没有出轨。3分钟后,该系统又向岩手、宮城和福岛3个县发布了大海啸预警。极具破坏性的海浪于15～20min后到达了最近的海岸。

然而,该系统的总体表现仍不能令人满意,主要是因为这次破裂的复杂性及其相对较小的振幅。系统低估了地面运动和海啸高度,因此,范围更大的东京地区的众多居民却没有收到任何预警,而这一地区的许多地方都经历了强烈的、破坏力很强的地震动(图2)。话虽如此,随着后来可利用的信息越来越多,系统也对其信息进行了更新。

有关余震的强震预警播放了70多次。对于这些较小事件,该系统表现良好,但在地震定位方面还是出现了一些错误,这是由同时发生的地震事件的复杂性而致。

地震起始时地震数据的不可预测性欺骗了预警系统的运算法则。但如果技术得以改进,可以快速识别出大地震,那么下一次大地震(如普遍预期的关西地区南海地震)来临时,该系统可能会有良好表现。在日本这样一个已经接受了这种信息,并且学会了预期此类信息的社会,其地震预警系统应该成为一个真正有效的减灾工具。

黄斌主席在开班讲话中指出，多年来，各级工会帮扶工作紧紧围绕各级工会的工作重点，不断创新工作机制，采取各种措施扩大工会工作的影响力，提升工会组织的凝聚力和号召力，并得到了各级党政和工会领导的充分肯定以及社会各界的广泛赞誉。

5 建筑设防目标应考虑抵御更大震动

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

图2 不实的宽慰。基于初始地震信号的一个预警系统预测摇晃只会发生在一个有限的区域,但实际上晃动要比预期的更为剧烈、范围更广

日本的地震学家本以为他们可以预测出沿日本俯冲带的板块边界地震的大致位置和规模,而东日本大地震的发生令他们感到非常震惊和沮丧。事实证明,约400年的历史记载所涉及的时段还太短,对于大地震的发生不具有可靠的指导意义即使在这一地震异常活跃的地区也是如此。事后看来,我们必须重新审查震级类似的地震事件的日本地质数据。

在地震学中,未来地震发生的预期速率大都源于断层上重复事件的统计数据。

然而,2011年的大地震却表明,更为罕见的、震级更大的地震也可以和较小事件发生在同一断层带内。因此,过去的统计数据有时还不够充分。为提高认识能力,我们可采取的一种手段就是设法测定断层附近的应力积累状况,并估算出地震发生时的绝对应力和应变水平。

例如,应力可直接在钻孔内测定;摩擦强度可由大震后的温度测定结果推知;区域应力场的方向可根据GPS台阵记录的地面位移模式确定。

利用这些技术,我们或许可以确定一条断层接近破裂的程度,并由此更直接地估算出地震风险。即将来临的事件规模依然很难确定,但最大震级或许可根据应力测定结果估算出来。现在正在对日本东部的区域形变进行研究,以确定2011年大地震以前该区的应力和应变状态究竟如何。

对来自大地震的强烈震动作出估测是一个非常重要的涉及多种因素的问题尤其是对于全球建筑安全性标准而言但现在还缺乏源于过去地震的精确地面运动的长期记录。随着最近几十年来测定技术水平的提高,我们对地面运动剧烈程度的预测能力也稳步增强。也许我们从未见过如此剧烈的震动。强烈震动,尤其是周期为数秒的长周期震动,是灾害危险性区划中必须予以考虑的事情。类似信息也是现代城市高层建筑安全设计中必不可少的。

译自:Nature,12may 2011,Vol.473:146-148

原题:Rebuilding seismology

(中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译)

(译者电子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

[1]Nishimura T,Hirasawa T,M iyazaki S,et al.Temporal change of inter plate coup ling in northeastern Japan during 1995—2002 estimated from continuous GPS observations.Geophys.J.Int.,2004,157(2):901-916

[2]Hashimoto C,Noda A,Sagiya T,et al.Interplate seismogenic zones along the Kuril--Japan trench inferred from GPS data inversion.Nature Geosci.,2009,2:141-144

[3]Kawasaki I,Asai Y,Tamura Y.Space-time distribution of interplate moment release including slow earthquakes and the seismo-geodetic coupling in the Sanriku-oki region along the Japan trench.Tectonophysics,2001,330(3-4):267-283

[4]Nishimura T.Spatiotemporal change of interplate coupling in northeastern Japan inferred from GPS data(in Japanese).PhD thesis,Tohoku Univ.,(2000);http:∥go.nature.com/7ikqir

[5]Ikeda Y.Implications of active fault study for the present-day tectonics of the Japan arc.Active Fault Research,1996,15:93-99

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.001

2011-05-26。