日本勇敢面对地震防备工作失误预报、预警和海啸防护系统在3月11日统统失灵＊

David Cyranoski

日本勇敢面对地震防备工作失误预报、预警和海啸防护系统在3月11日统统失灵＊

David Cyranoski

日本拥有全世界最密集的地震监测网络、最大的海啸防波堤、最广泛的地震预警系统。相比其他任何国家,日本国民在如何应对地震和海啸方面受过更严格的训练。

然而,2011年3月11日发生的9.0级地震却震惊了日本所有的预报人员。被严重低估的海啸摧毁了世界上最深的海啸防波堤,令人措手不及。地震预警系统也基本失灵。那么问题究竟出在哪里呢?

第一个问题是关于地震预测的。日本最新版的地震危险性图于2009年3月发布,它将日本东北部近海地区分为5个地震区,并且设想了7种不同的地震场景。根据历史地震资料,每种地震场景被赋予不同的发生概率。南三陆町附近海域(包括这次地震发生的区域)未来10年内发生地震破裂的概率是30%～40%,未来20年内的概率是60%～70%。

对于地震预报而言,这些数字意味着非常高的概率。负责地震危险性图编制协调工作的日本科学部防震减灾研究组的Yoshinori Suzuki说:“这基本意味着任何一天都有可能发生地震”。但他们预计那条断层会释放一次约7.7级的地震与该地区历史上发生的任何一次大地震的震级相当(见Nature,2001,471:274)。

1 不实的宽慰

对于福岛第一核电站附近海域的一条独立的断层段,采用相同的预测方法推断出的地震震级只有7.4级,未来10年发生地震的可能性小于2%,未来50年发生地震的可能性小于10%。福岛县政府甚至依据此地震危险性图在其网站上宣称:“由于具有坚固的地质基础并且地震稀少,福岛是一个适合经商的安全可靠的地方”。然而,地震危险性图没有预料到的是,断层段之间的耦合使破裂传播了约500 km,并释放了一次9.0级地震(图1)。

日本的地震预报有成功的实例。如2003年的8.3级十胜冲地震(Tokachi-oki earthquake)正好发生在所预测热点地区的中心位置。但一般来说,日本的地震预报(真正起步于20世纪80年代和90年代)结果有好有坏,如许多破坏性地震就发生在预测区域之外。京都大学的Jamesmori说:“我们希望看到更高的命中率”。

虽然这次强震的规模令人惊讶,但日本的抗震建筑在地震中的表现堪称良好。Mori说:“地震摇晃确实造成了建筑物的损坏,但考虑到这次地震的强烈程度,这种破坏还不算严重”。真正造成严重破坏的是海啸。海啸越过了防波堤,击碎了这些年为应对地震发生所做的精心准备。

日本有世界上最深的海啸防波堤,这座长达2 km的宏伟建筑位于日本东北部海岸的釜石湾(Kamaishi Bay)。它历经30年的建设直到2008年才全部完工,花费超过1200亿日元(约合14亿美元)。防波堤深达63m,露出水面高8m,厚达20m,设计标准为能够抵御类似1896年三陆(Sanriku)地震引发的海啸冲击,那次地震引发的海啸在有些地方浪高接近40m。

图1 基于初始地震信号的一个预警系统预测强烈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

位于横须贺(Yokosuka)的日本防卫大学海啸传播专家Koji Fujima说,沿岸的这一防波堤和其他建筑给人们带来一种错误的安全感。Fujima说:“该地区可能平均每超过10年就会发生1次2m或3m高的海啸,因此人们确信海啸防波堤会保障他们的安全”。因为地震危险性图中预报的地震震级在7.5级范围之内,所以人们预计最大的海啸超不过4～5m。

2 低估的海啸风险

人们对海啸防波堤的信赖似乎已经破坏了日本声名远播的海啸防备演习。在日本东北部以及其他一些地方,大学教授、科研机构、非政府组织和当地民间团体每年都要进行多次演习,以训练人们在海啸来袭时如何撤离以及向何处撤离。Fujima说:“在教育人们如何应对海啸方面我们已经竭尽全力”。

然而,人们明显放松了对海啸风险的警惕,关西大学(Kansai University)灾害管理专家Yoshiaki Kawata说。他又说,2010年发生在智利的海啸使相关部门向日本东北地区的168万人发出了撤离预警,而实际寻找避难所的却只有6.2万人。

Fujima说,人们认为有了防波堤已经足够了。他又补充道,在3·11海啸来袭时,该防波堤对于保护人们的生命财产安全也无能为力,但它确实降低了海浪的冲击力。据估计,海面上的浪高为15～20m,到达岸边之后在某些地点达到了50m,这甚至超过了1896年的那次大海啸。3·11海啸摧毁了釜石和其他地方的防波堤,导致约2万人死亡,因为他们未能找到安全的高地避难。海啸还淹没了福岛第一核电站的应急发电机组,导致冷却系统停止运转。这座核电站建成于20世纪60年代,设计标准为可以抵御不超过5.7m的海啸。

由日本气象厅(JMA)负责运行的地震预警系统当天也未达到预期效果。这个系统的设计目标为,当一次地震引发的晃动达到或超过日本地震能量强度级别5级及以上时(足以使墙倒屋裂),系统将向人们发出警报。根据地震发生后几秒钟时地震仪上的读数,该预警系统可以在最大的晃动开始之前提供长达数十秒的警报。3·11地震时,该系统向震中附近地区发出了准确的预警。但是对于大东京地区,许多地方的晃动达到了6级,却没有收到任何预警信息。按照设计,高速列车和核反应堆因为有自己的预警装置而被迅速停运。

据京都大学的Masumi Yamada介绍,问题在于该系统为地震假定了一个“点源”。在这种情况下,根据点源模型估算出的震级为7.2。但实际上三陆地震使平行于海岸的长达数百公里的断层线破裂,释放出的能量也远远高于估算值,并造成东京附近地区滑动了至少20m,而该系统却未能自我校正。频繁发生的余震也令该系统不知所措,致使它发出了数次误报,而且没有预报出几次大的余震。

Yamada说:“在8级左右的地震面前,该系统似乎完全崩溃”。2011年4月,她将与日本气象厅开始一项为期3年的合作项目,将点源预警系统转变成二维的动态系统。

日本的灾害防御水平肯定会得以提高,Fujima说。但他认为人们应该认识到,面对千年一遇或两千年一遇的地震,我们可以做的工作其实也很有限。在海啸袭击最为严重的地区,可以修建更加坚固的防波堤,但这些工作花费巨大,而且防波堤也永远不能完全抵御最大海啸的袭击。他又说:“在可能发生大海啸的地区,人们也许应该停止建设”。

然而,Kawata却坚信应该建造更好的工程。他赞同以下理念,即最有效的避损措施就是让人们生活在远离海啸的地方。但他也设想将来人们可以将房屋(和核电站)搭建在由10m高的混凝土柱子支撑的人工海岸线上。“有许多事情急需我们去做。如果我们有目标并集中精力,我们就一定会成功”。

译自:Nature,31march 2011,Vol.471,556-557

原题:Japan faces up to failure of its earthquake p reparations

(中国地震局地球物理研究所 李平恩 译;左玉玲 校)

(译者电子信箱,李平恩:pingen2000@163.com)。

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.05.003

2011-04-20。