科学家审视日本地震和海啸带来的挑战与教训＊

Randy Show stack

科学家审视日本地震和海啸带来的挑战与教训＊

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在2011年3月11日日本东北9.0级大地震及其引起的惨烈破坏性海啸袭击日本的一周后,伴随着一系列强余震(6级以上地震已有大约50次,Eos将刊出),次生灾害仍在加剧:对失踪者的可怕的搜寻结果死亡人数预计约1万人;40多万无家可归者和100万缺水者需要紧急援助;还有在东京东北225 km的福岛第一核电站,为避免环境灾难正在慌乱地努力,而放射性物质也正在泄漏。

根据东京大学地震研究所Kenji Satake教授利用包括全球定位系统(GPS)和测震数据在内的多种途径的研究结果,确定这次日本东北部本州外海的地震(图1)是沿日本海沟俯冲带的板缘破裂地震,地震的震源区估计是400～500 km长,最大滑动20m。Satake指出,在有些地方海啸高度可能超过7m这是许多海岸潮汐测量仪的量程,部分海岸区海水可能已向内陆冲刷了5 km。国际海啸信息中心(ITIC)指出,目击者报告的最高海啸波浪为13m。Satake还指出,连续GPS观测显示,在地震震中以西130 km的本州东北地区最大城市仙台,其附近海岸的水平移动超过4m,下沉约0.8m。图2为日本东北部岩沼市海岸的地震海啸场景。

Satake的飞机侦察显示,本次海啸泛滥区与公元869年Jogan地震的相似,而那时大海啸冲刷了仙台地区。美国地质调查局(USGS)地质学家B rain At water告诉Eos,此次日本东北地震是自Jogan地震甚至更早以来沿日本海沟的最大已知地震。日本气象厅(JMA)、USGS和其他机构将此次日本东北地震定为1900年以来的世界第4大地震,同时也是自130年前开始现代仪器记录以来日本最大的地震。

图1 2011年3月11日日本本州东海岸附近9.0级地震震中位置(源自USGS)

图2 2011年3月11日日本东北部岩沼市海岸的地震诱发海啸(源自2011美联社图片/共同通讯社)

虽然此次地震是毁灭性的,但是很多科学家告诉Eos,在日本这个地震历史很长,并且也许是世界上对地震最关注、地震仪器安装最多的国家,监测、减灾和公共教育措施避免了更多的地震破坏。科学家说,海啸的规模很可能引发了此次地震的很多问题。根据ITIC,第一波海啸在震后15m in内抵达距震中最近的日本海岸。海啸冲毁了整个社区,破坏并摧毁了基础设施。

1 地震量级

当地震发生时,著名地震学家、加州理工学院地球物理学Jone E.&Hazel S.Smits名誉教授Hiroo Kanamori正在东京大学科学学院的一个二层会议室参加外部咨询董事会议。Kanamori说,在东京大学科学系大楼吱吱作响并剧烈震动时,他马上意识到这是一次大地震,可能是大约400～500 km外的8级地震。“在日本,感觉到一些震动不值得大惊小怪,”他说,“但是后来当我被告知震级为9级时,确实十分意外。”

Kanamori说,如此大的地震在本破裂区尚属首次。他在返回加州后的一次采访中告诉Eos说:“尽管我们知道发生地震的潜在危险,但可能很少有人能够预料到那里能发生如此大的地震。”

虽然也意识到了在过去数十年中地震科学取得了显著进步,但Kanamori说在此次地震和海啸以来的这些天里他一直非常“沮丧”。“科学在进步,但看起来在这个特殊案例中,科学在某种程度上几乎无能为力。”他说,“所有地震学家一直努力工作。我们曾希望地震科学能帮助减轻地震灾害,我确信这已做到。但是此次地震的破坏如此广泛,以致减灾的积极作用没有那么明显。”

Kanamori建议了几项可以帮助提高减灾成效的措施。除了科学家继续开展工作以增加对地震的了解外,他建议科学和政府备灾社团间增加交流。“科学家在了解地震过程方面可以做得很好,但是如果仅仅到此为止,科学调查的成果就不能有效地为社会所用。为求改进,我们需要科学团队与处理实际问题的人群之间更好地交流。”

另外,他指出,在考虑地震事件的时间尺度时,地震学和有仪器观测数据的历史相对很短。“我们必须对意料之外的事情做准备,这在地震学中无法避免,”他补充说,“我们的经验非常有限。我们毕竟无法做出很确定的预测。所以防灾策略应该更全面而不是更单一。”基于这些思路,他说,日本关注日本西南海岸的南海海槽很好,但是“你应该看看更大的区域而不是过分关注特定地区,从而可以将你的精力分配到其他地方”。

2 提出的重要问题

东京大学科学学院研究生院的Robert Geller在一封致Eos的电子邮件中指出,板块构造已经活跃了至少10亿年且很可能更久,科学家仅有约100年的“仪器地震学获得的地震发生数据”样本。“我们不应该对9级地震发生在(对我们来说)未知的已发生过9级地震的地区感到惊讶(尽管这些地区很可能在地质学上的最近,也就是过去,已经发生过9级地震)。”

另外,Geller说他希望日本的地震学家停止有关推测地震发生在东海东京和名古屋之间太平洋海岸的外海或其他任何地方的断定。“就我们目前的知识水平,没有依据可断定日本太平洋沿岸的一个地区比其他地区更安全或更危险。它们都将在未来某时发生地震。”他补充说,使预案集中于某些特定地区(如东海)的预测,能使其他地区(如日本东北和神户)陷入“盲目的安全”。

位于纽约帕利塞德斯的哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球实验室的研究员Geoffrey Abers说,与其他地区一样,日本对其北半部分的地震活动性也投入了很多关注。他说:“监测日本北半部分的仪器很可能比南海以外的任何俯冲带都多。”他指出,位于仙台的东北大学拥有在日本领先的地震学计划。他说:“在很多方面这个地方已成为全球研究最多的俯冲带区段。”Abers补充说,使人震惊的是在这个俯冲带发生了如此大的地震,以前一直假设它可能发生8级而不是9级地震。

Abers说:“到目前为止,这是我们记录最好的大地震。”他说,日本拥有世界上最好的、在任何地方都有相当密度的由测震仪和强震动仪组成的地震监测台网。“这是我们可以深入了解大地震破裂时究竟发生了什么事情的地方。”

Abers说,突出的问题有:地震如何“决定”它将成为大地震,以及地震中扩展几百公里的破裂到底有什么不同(如果有的话);断层如何起作用;日本东北地震破裂与之前的其他地震破裂是什么关系,以及一个地震能否触发另一个地震。此外,还有关于横越太平洋的海啸、建筑标准和其他减灾措施防灾程度的考虑。

美国地震协会主席、位于索科罗的新墨西哥矿产和技术研究所教授Richard Aster也说,这次地震和海啸提出了很多重要问题。他说,在科学和社会方面此次地震都占有“历史份额”。Aster指出,此次地震释放了全球上世纪积累的总地震能量的5%,并补充说这种戏剧性的、大量能量释放的地震是罕见的,它们“就像地震学中的超新星”。

他告诉Eos:“这个国家在地震中很好地幸存下来,但是海啸明显越过海岸防护并引起了巨大破坏,就在我们说话时泛滥还在继续。关于日本的一个大话题将是海啸规模超过预期。除了巨大的地震,这个悲剧的主要部分将是海啸带来的破坏。”

Aster说,研究者们也将加深对全球一些俯冲带的可能最大可信地震的认识,应注意到科学家之前没有广泛地预料到这里会发生9级地震,也没有预料到在2004年苏门答腊会发生如此大的地震。他说:“我们还将了解全球什么样的俯冲带能够产生一系列的大地震,”并补充说,日本东北地震是美国西北太平洋及其他潜在地震危险地区的“警钟”。他说:“在全球地震危险性非常高的部分地区,可能发生比我们之前所预想的震级还要大的地震,我们应该有所准备。这是基于很少数据量的清晰信息”。

另外,Aster怀疑地球是否进入了数十年的大震期。通过回顾20世纪的地震目录,他说:“在过去大约7年里,8级及以上的地震数量明显升高。这意味着什么?这是随机的吗?或者强震之间通过远程触发相互联系?对此我们没有答案,但是过去7年的大地震明显填补了我们的知识空白。”

3 监测、公共预案和减灾

USGS地震和地质灾害高级科学顾问David App legae指出了与地震和海啸相关的一些重要挑战,包括将小概率但后果严重事件中获得的教训集成于公共决策中。他说:“对于在执政周期内掌权的官员来说,去考虑在地质时间里仅是一眨眼之前、但祖辈并无记忆的地震事件十分困难。”

App legae说,在如此规模的灾难中,认识到什么措施起到了作用很重要。例如,他指出在海啸区以外很多结构并未倒塌。此外,灾害预警系统和教育工作也能够挽救生命。App legae说,此次地震和海啸已是“难以置信的糟糕。但是如果日本不采取措施

数年中在监测能力、公共预案和减灾中做出投资可能会更糟;我们不能忽视这些。”

他指出另一个挑战是我们有限的地震知识。“还有很多需要了解。我们需要继续做研究。我们需要虚心地去处理已有知识。科学家们试图指出哪个俯冲带最可能产生9级地震,但我们已经看到有两次,苏门答腊和现在的日本,都不在他们的名单的前列。但是另一方面,它们是俯冲带。”他说,“这是我想责备的:对地震在哪里发生我们确实知道很多,但我们必须虚心地考虑我们的知识范围,以及我们可以将这些知识公开应用到什么程度。”

他补充说,从这一地震中“我们有道德责任尽其所能学得更多”,并广泛地开展应用,以了解和减轻将来很可能发生在日本或其他地方的地震与海啸灾害。

译自:EOS.2011,92(12):97,99

原题:Scientists examine challenges and lessons from Japan earthquake and tsunami

(中国地震局地球物理研究所 王玉石 译;李小军 校)

(译者电子邮箱,王玉石:w ysh.igp@gmail.com)

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.002

2011-06-08。