海地地震之后:一场经验教训的讨论

2010年 1月 12日的海地大地震给这个国家带来了巨大的破坏 (图 1)。在本周的 Eos会刊中,3位著名地震学家以新闻圆桌的形式回答了 Eos高级撰稿人 Randy Show stack的问题。

Pau lMann,德克萨斯大学奥斯汀分校地球物理研究所高级研究员,刚刚结束了他和一名同事在海地对断层破裂的考察工作回到美国;他们正在计划不久的将来进行一次近海断层勘察。GlenMattioli,阿肯色大学费耶特维尔 (Fayetteville)分校地球科学教授,曾参加过在海地开展的 GPS勘测工作。该小组致力于测量海地地震后的陆地形变,并架设了一组连续的 GPS站点来调查震后滑移、黏弹性弛豫和震间形变回复时间 (图 2)。Mann、Mattio li及其同事的研究工作是由美国国家科学基金会的快速反应研究 (RAPID)议案提供给普渡大学的拨款资助的,Eric Calais是这个项目的首席研究员。Caro l Prentice,美国地质调查局 (USGS)地震灾害项目工作组的地震学家,自 1991年起致力于加勒比海地区活断层的古地震学研究,包括对伊斯帕尼奥拉岛、波多黎各、特立尼达岛和牙买加等地区开展的研究项目。

更多背景信息,请参阅刊登在 Eos(91(4),30-31,26 January 2010)上的一篇文章,题为:“海地地震彰显更好地利用地震信息的必要性”(见《国际地震动态》2010年第 3期译文—编者注)。另外,美国地球物理联合会 (AGU)设立了一个博客来支持对最近发生的地震的科学方面和政策方面话题的讨论 (http://www.agu.org/blog/Haiti/)。反映海地地震中部分科学家的工作的另一个博客,请登录 http:∥haitigp s.wo rdp ress.com/。

RandyShowstack:从 2010年 1月 12日(当地时间)发生的海地地震中,科学界能够得到些什么启示?这次地震后,对海地、多米尼加共和国及其他受影响地区的地震潜势及地震危险性有哪些忧虑?你们有没有想指出的需要特别关注的地理区域?

GlenMattioli:1月 12日地震的发震断层最近一次破裂是在 1751年,因此这次地震为我们提供了一个深入了解这一特殊断层以及位于加勒比东北部的走滑断层总体情况的契机。基于 GPS和合成孔径干涉雷达 (In-SAR)测得的初始大地测量资料 (震后),将为 1月 12日MW7.0级地震事件破裂几何学及总体滑移特征提供更多的约束条件。同时地质观测资料将用来确定断层破裂是否传播至地表。类似资料也可为此次地震事件的几何学及滑移特征提供附加约束。由 Roger B ilham(科罗拉多大学波尔得分校)早些时候完成的勘测和绘图显示出地表破碎很严重,一些地区显著抬升,但显示地表断裂的证据不足。综合考虑地质地貌、大地测量和地震观测数据将有助于我们更好地理解为何一些MW7级左右的浅层走滑地震破裂至自由表面,而其他的却没有。目前我们尚不清楚为什么会出现这种情况。

连续 GPS观测台站 (包括近场和远场)的架设,将使我们进一步了解深部变形的长度尺度以及下地壳和上地幔的流变结构。目前我们对这一区域了解很少。因此,尽管此次地震的机制和震级并不独特,但像这样的事件在北美和加勒比板块边界带上还是比较罕见的。连续数据也将帮助我们确定该断层在 1月 12日破裂的那一段何时会“重新闭锁”,进入新一轮弹性应变积累的循环。

图 1 海地太子港一所倒塌的学校。照片由目前正在海地的一个科学家小组提供。更多照片及其他信息,请访问 http:∥ha itigps.wordpress.com/。摄影Andy Freed

图 2 海地和美国的科学界同事在多米尼加共和国的 Jim an i镇会面,商讨一个全球卫星定位系统(GPS)的勘测方案。(顺时针左起)A ltidor Jean Rober t(海地矿产能源局)、Roberte Biena im éMonp laisir(海地矿产能源局)、Estelle Chaussard(迈阿密大学)、D.Sarah Stam ps(普渡大学)、Eric Ca la is(普渡大学)、Glen Mat tioli(阿肯色大学 )。Chaussard、Stamps、Ca la is、Mat tioli和 Andy Freed(普渡大学,无照片)组成该 GPS测量小组。摄影 Andy Freed

余震和库仑应力传递初步模型表明,增加的应力可能存在于 1月 12日主震震中以西的区域。但是鉴于断层的几何形状和有限滑移还没有得到很好的约束,这些模型还不是非常可靠的。希望我们的震后反应小组取得的测量数据会对此关键区域有所帮助。很明显,地震中受损的结构非常脆弱,但这些问题留给地震工程界去评估较为合适。

CarolPrentice:通过对海地地震的详细研究,包括对它的余震、它对大地测量台站位置和构造面变形的影响,以及山体滑坡和液化作用等次级灾害的研究,我们将大大加深对 Enriquillo-Plantain Garden断层 (EPGF)及相关发震构造的认识。这些启示可能对全球范围内类似的板块边界走滑断层的研究都适用。此外,我们对促成这次可怕灾难的太子港的土壤条件也会有所了解。而且我们还将有机会更好地认识并降低该区以及加勒比活动板块边界上其他地区的地震危险性。

因为 1月 12日地震只是断层的一小段发生破裂引起的,所以大家都很关注 EPGF断层在不远的将来是否还会引发大地震。断层最靠近太子港的部分,即位于 1月 12日的震中位置和靠近多米尼加共和国境内 Enriquillo湖断层端点之间的区域,不仅在此次地震中没有破裂,而且至少从 18世纪以来都没有破裂过。1770年和 1751年的历史地震很可能就是 EPGF东段引发的结果,但在那之后就再没发生过大地震。详细分析沿着断层的高分辨率图像,并结合 Roger B ilham的航勘资料,我们发现断层最接近太子港的部分没有或几乎没有地表破裂。此外,大部分的早期余震都发生在主震震中以西临近主震破裂的区域,表明震中以东没有破裂。这意味着断层最接近太子港的部分仍然处于“闭锁并加载”的状态,随时有可能发生强震。

不幸的是,我们缺乏对该断层的足够认识,乃至于无法判断它究竟是按数百年的时间尺度发生地震,还是保持更长时间的闭锁状态。沿海地半岛的大部分地貌都充分显现出 EPGF断层的存在,而且地震地质学家认为,与 1月 12日 7.0级地震明显不同的是,以往地震显然造成了该断层上的地表破裂。这表明,该断层上发生过大地震,而且将来还会发生。因而需要古地震研究来帮助我们清晰地认识 EPGF的活动习性。

此外,EPGF只是直接影响伊斯帕尼奥拉岛的三大断裂带之一,认识到这一点非常重要。另一个走滑断层是 EPGF以北的 Septentrional断层 (SF),根据地质和大地测量数据,那里的板块边界运动比 EPGF更强烈。古地震研究表明:在圣地亚哥城以东,沿着SF发生过的大地震中 (破裂延至地表),距离现在最近的一次发生在 800多年前。结合目前对滑动速率的估算,这表明沿着这条断层储存的应变能足够产生比 1月 12日地震更大的地震事件。我个人更关注拥有近 200万人口的圣地亚哥,多米尼加共和国的第二大城市。虽然从海地地震得到的应力变化模型只显示出 SF上有极小的应力上升,但迄今收集到的数据表明,此断层已经造成多米尼加共和国北部存在极高的地震危险性。

PaulMann:全世界每年发生约 18次 7级地震,大多在偏远地区,只有少数当地居民和研究它们的地震学家知道。许多这类走滑事件都有惊人的相似特征,目前我还不清楚是否海地 7级地震的后续研究将会引发关于地震“过程”的新的科学概念或见解。但是在加勒比地区像 EPGF断层上的大地震并不多见,所以这次地震后一些以地震学、震前和震后 GPS数据、干涉测量法和建模为基础的研究可能会对将来该断层的其他区段 (可能是邻近的)的破裂提供一些新的认识。举个例子,海地地震是一个绵延 600 km的断层上较长的一段发生破裂的结果,如果这个破裂长度具有典型性,那么可能还有更多的断层段会破裂并引发同样大小的地震。

从大的方面说,这次地震的意义在于它为科学界提供了一个重要的“学习机会”。我会向AGU的读者提议:美国以及欧洲、亚洲和其他地区的发达国家的科学家及科学赞助人需要更积极更系统地重点投入到对能引起6～8级地震的断层的研究上来,特别是在那些人口密集而建筑施工质量很差的地区。很多这样人口稠密地区都位于发展中国家,这些国家缺乏资源来培训和雇用地球科学家,特别是具备地震学、测地学、古地震学(即断层探槽开挖方法)以及地震宣传教育等关键专业技能的地球科学家。因而美国和其他发达国家的科学家需要以合作的态度考虑开展资助项目,以便更持续地、长期地支持这些国家的研究和教育工作。培养这种科研和教育的能力以及相应的人才,既耗时间又费金钱。例如,多米尼加共和国有 7台地震仪,而海地一台都没有;而且这两个国家都没有地球科学的本科学位课程。

对于我们在这些领域工作的人来说,最初吸引许多人对地球科学产生兴趣的是“自然地质学”,但我们真正从事的却是与“自然地质学”形成对比的“城市地质学”研究。我们的研究领域包括发展中国家内围绕大城市的人口聚集区中受人类居住影响最严重的广阔地区:从煤渣块堆砌的小屋到帐篷等凌乱的临时居住区、社区花园、废弃的工厂、大型垃圾填埋场、以及被水泥厂、船坞、公用设施环环包围的港口,里面既有抛锚停泊的现代化货船又有凸出在水面之上的锈迹斑斑的废船。在这样的小岛上,未来数十年内人口会不断增长,那么整个陆地区域将被密集的城市“人类足迹”所覆盖。但是“城市地质学”的科研回报却是至关重要的,因为这一知识库将帮助保护挤在这些人口中心及其周围地区的数百万人的生命。

根据我的经验,对发展中国家地震危险性的研究对于美国的基金资助机构而言在某种程度上就像个“继子”,因为危险性研究(特别是断层探槽开挖、高分辨率近海断层成像、取芯测年)是“应用性工作”,可能不会产生对“构造过程”或者地球运转基本模式的新的令人兴奋的见解。此外,据我的经验,美国科学界的看法是:发展中国家的危险性应用研究工作应该由当地政府或者与其签约的商业公司出资,无论如何都不应属于更侧重于学术研究的美国机构的关注范围。USGS国家地震减灾计划曾经资助我们 20世纪 90年代初在多米尼加共和国的研究工作(由于这些大断裂靠近波多黎各),但后来又缩减到只包括美国。

所以对于美国和其他发达国家的基金资助机构而言,取得进展的关键是承认地震对发展中国家 (比如海地)有深刻的社会影响,并加强对“地震三角”的应用性研究 (非常重要)的资助。“地震三角”指:(1)对沿岸和近海断层的地质和地球物理研究;(2)改进地震工程,包括改造危房和学校;(3)地震教育及相关项目。

伊斯帕尼奥拉岛 (海地和多米尼加共和国)上哪些地方近期可能发生地震?这次海地大地震短期内会像在其他走滑断裂带上观测到的一样在 EPGF断裂带上邻近本次地震的区段触发地震吗?Eric Calais(美国普渡大学、法国国家科学研究中心)和 Ross Stein(USGS)等正在利用应力模型对此进行研究,并运用震后 GPS数据更好地对模型进行约束。我们在 Journalof GeophysicalResearch上发表了一篇有关我们探槽开挖工作成果的文章(C.S.Prentice,et al,108(B3),2149,doi:10.1029/2001JB000442)。文中预测,位于人口稠密的 Cibao Valley的 SF断裂带 800多年来都未曾破裂,因此具有引发一次 7.5级地震的能力。圣地亚哥,一个拥有 200万人口的城市,周围遍布中、小规模的城镇,距离 SF断裂带不到 10 km,而且该城的大部都建在松散的冲积平原上。EPGF断裂带是太子港及其周围地区的“定时炸弹”,而 SF断裂带也是与 EPGF完全相同的“定时炸弹”型的板块边界走滑断层。因此,Cibao Valley中圣地亚哥及其周围的城镇都是施工管理和建筑改造工程中需重点关注的区域,包括对危房、学校、住宅等的改造。

另一个值得关注的地区是牙买加的金斯敦,这个曾在 1692年和 1907年被地震毁坏的城市现在是该国的主要门户和交通枢纽。我们现在正在从事由美国国家科学基金会支持的陆上综合 GPS和断层探槽开挖项目及金斯敦皇家港水下浅层地震勘探项目,其目的是了解 EPGF断裂带是否是这些毁灭性历史地震的发震断层,或者另有一个尚未被认识的近海断层。

总之,当密集人口面临地震威胁时,这些国家在处理地震“防御”方面所付出的力量、所奉行的一贯性以及科技支出水平应该等同于在军事防御方面所付出的一切。海地7.0级地震所释放的能量几乎和有史以来试爆过的最大的热核弹 (32Mt)所释放的能量相当,据估计已影响到太子港及其周围地区的 300万居民。同时研究支出不应该倾向于“地震三角”的任意一角,应该是三个方向同步推进。

RandyShowstack:世界上是否还有其他的特殊区域,因为有发生类似的地震灾难的可能性而被高度关注?

GlenMattioli:有超过 4000万人住在北美板块和加勒比板块的边界活动带上;虽然地震灾害和地震风险在整个区域内并不完全一致,但许多人都面临未来大地震的风险。因为海地的实体基础设施可能远低于世界平均水平,甚至低于加勒比地区的平均水平,人口中心区内的许多建筑可能无法抵御再次MW≥7级地震的袭击。ManakerDM等(Geophys.J.Int.,2008,174(3):889-903)的分块模型显示,沿伊斯帕尼奥拉岛上另一个主要走滑型贯穿断层 (即 SF)的弹性应变积累超过 EPGF的应变积累约 25%。多米尼加共和国的圣地亚哥城离这个断层很近。而波多黎各和维尔京群岛的其他近海断层没法用大地测量观测进行良好约束,因为可供大地测量观测的露出水面的陆地都远离地图上的断层边界。

PaulMann:RogerB ilham、Robert Yeats(美国俄勒冈州立大学名誉教授)以及其他作者在综述文献和教科书中讨论了世界上很多地方,详细描述了组成部分板间边界的发震断层、逆冲断层、走滑断层和正断层,以及靠近人口密集区 (或在其下方)的板内地震活动区。这些人住着建筑质量很差的房子,而且只接受过很少的地震教育。

这些历经成百上千年应力逐步积累而处在不同破裂阶段的区域都应被高度关注。所有发震断层是否已被探明?断层探槽开挖能否显示出断层处于地震周期的哪个阶段?对应于地震的潜在震级,应制订什么样的建筑规范?这些任务都很艰巨,尤其在地球科学基础设施规模很小的地区,但是美国和世界科学界将共同努力应对这一挑战。

CarolPrentice:是的,有许多这样的地方,一些在加勒比和中美洲。沿北美板块和加勒比板块边界带的大安的列斯群岛、牙买加、波多黎各、伊斯帕尼奥拉岛和古巴,都面临潜在破坏性地震的威胁。南美-加勒比板块边界是另一个需要特别关注的地区,特别是特里尼达和委内瑞拉北部。尤其是委内瑞拉首都加拉加斯危险性更高。靠近喜马拉雅前缘的印度地区是全球最为关注的地区之一,那里应变率很高,城市发展速度很快,但对地震危险性的考虑却很少。这个地区很可能会面临前所未有的地震灾难。伊朗的活断层分布很广,也是一个值得关注的地区。

RandyShowstack:对于这类灾害风险,科学工作者的责任是什么?

PaulMann:第一,迅速行动,特别是在一些稍纵即逝的环境中,比如,许多对于刻画某次地震很重要的相关特征会在第一场雨中消失殆尽。第二,向民众和急救人员提供基于事实的对未来地震的评估。第三,开车四处转转,我们会听到 Eric Calais正在通过海地广播节目安抚民心。第四,提供有关重建和城市是否搬迁等问题的至关重要的科学资料。第五,我们需要搞清未来潜在地震的大小,以设计更安全的建筑。虽然结构工程志愿者小组正在评估受损建筑物的安全性,但是这个城市实在是太大,许多建筑都被毁坏、许多流离失所的人急于摆脱处处是帐篷的现状。

在哪里重建,需要了解地质情况和该城市地下场地响应因素,包括地震动的山顶放大效应、河道覆盖情况以及可液化的隐埋沙层等。一旦开始重建,就必须对建造者进行培训,因为施工质量不好大大增加了这次地震的死亡率和破坏程度。例如,被广泛作为加固使用的普通圆钢,由于其表面光滑,就没有紧紧地凝固到混凝土中。未洗过的河沙也同样广泛使用,导致混凝土脆弱易碎。从简陋的单层房屋到总统府,倒塌的软层建筑随处可见。还有很多这种需要科学家快速反应的情况。我们需要让军队和政府认识到促进这种快速反应型的科学工作的重要性。我们曾临时抱佛脚,依赖“好心的陌生人”完成我们的工作,但实践证明这样做既没速度又没效率。

GlenMattioli:这是个很好的问题。虽然针对区域内由地震及其他自然现象引起的实质性灾害和风险进行有效的沟通非常重要,但总体上而言,公众和民政当局在许多情况下对我们的认识和模型的有限性缺乏准备。引用最近我为活跃在这次地震灾害研究区域的科学家们所写的消息,“我们从海地的地震及其余波中得到的认识……是良好的科学构想和工程设计必须通过下列辅助因素来实现,即对地震灾害的充分准备、适当的政策,以及对民用基础设施设计和建造有意义的法规。”有一件事情非常明确:新的工程和关键基础设施必须适当设计和选址,以减轻未来不可避免的地震事件所带来的影响。

CarolPrentice:科学家有责任说明事实真相:力求利用科学信息给出最真实的情况。与地震危险性相关的工作很难做,这是一个年轻的交叉学科,有许多未知因素和不确定性,当我们谈论的都是可能性而不是确定性,或者我们又修饰言辞,说我们会尽力解开这些真正的未知因素时,公众听着就像我们在胡扯。此外,要说服人们承担为可能发生也可能不发生的地震做准备而支出的费用是件很困难的事情,因为一个人一辈子甚至子辈、孙辈都未必会遇上一次地震。

然而,科学上还是有一些东西可以确定,这一点我们能够而且必须向公众表明:板块边界断层上会发生大地震,即使是数百年没有发生过地震的地方也会发生;过去的100年中,沿这些板块边界的人口密度显著增大;随着适当的建筑和工程设计规范的应用,那些不可避免的 (如果仍是不可预测的)大地震的毁灭性后果将会大大降低。

我相信这是一个基本人权问题:科学和工程知识所提供的信息是属于全人类的,而不仅仅属于我们这些有幸生活在发达国家的人们,在这些地方 7级地震不会肆虐,不会造成类似海地的地震灾难。尽管有今天的科学知识和工程专业知识,但一次 7级地震还是带来了这么多苦难,真是应该受到谴责,这场灾难应当唤起地球科学和工程技术界的警觉。