科學(xué)家審視日本地震和海嘯帶來的挑戰(zhàn)與教訓(xùn)＊

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科學(xué)家審視日本地震和海嘯帶來的挑戰(zhàn)與教訓(xùn)＊

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在2011年3月11日日本東北9.0級大地震及其引起的慘烈破壞性海嘯襲擊日本的一周后,伴隨著一系列強余震(6級以上地震已有大約50次,Eos將刊出),次生災(zāi)害仍在加劇:對失蹤者的可怕的搜尋結(jié)果死亡人數(shù)預(yù)計約1萬人;40多萬無家可歸者和100萬缺水者需要緊急援助;還有在東京東北225 km的福島第一核電站,為避免環(huán)境災(zāi)難正在慌亂地努力,而放射性物質(zhì)也正在泄漏。

根據(jù)東京大學(xué)地震研究所Kenji Satake教授利用包括全球定位系統(tǒng)(GPS)和測震數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種途徑的研究結(jié)果,確定這次日本東北部本州外海的地震(圖1)是沿日本海溝俯沖帶的板緣破裂地震,地震的震源區(qū)估計是400～500 km長,最大滑動20m。Satake指出,在有些地方海嘯高度可能超過7m這是許多海岸潮汐測量儀的量程,部分海岸區(qū)海水可能已向內(nèi)陸沖刷了5 km。國際海嘯信息中心(ITIC)指出,目擊者報告的最高海嘯波浪為13m。Satake還指出,連續(xù)GPS觀測顯示,在地震震中以西130 km的本州東北地區(qū)最大城市仙臺,其附近海岸的水平移動超過4m,下沉約0.8m。圖2為日本東北部巖沼市海岸的地震海嘯場景。

Satake的飛機偵察顯示,本次海嘯泛濫區(qū)與公元869年Jogan地震的相似,而那時大海嘯沖刷了仙臺地區(qū)。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地質(zhì)學(xué)家B rain At water告訴Eos,此次日本東北地震是自Jogan地震甚至更早以來沿日本海溝的最大已知地震。日本氣象廳(JMA)、USGS和其他機構(gòu)將此次日本東北地震定為1900年以來的世界第4大地震,同時也是自130年前開始現(xiàn)代儀器記錄以來日本最大的地震。

圖1 2011年3月11日日本本州東海岸附近9.0級地震震中位置(源自USGS)

圖2 2011年3月11日日本東北部巖沼市海岸的地震誘發(fā)海嘯(源自2011美聯(lián)社圖片/共同通訊社)

雖然此次地震是毀滅性的,但是很多科學(xué)家告訴Eos,在日本這個地震歷史很長,并且也許是世界上對地震最關(guān)注、地震儀器安裝最多的國家,監(jiān)測、減災(zāi)和公共教育措施避免了更多的地震破壞。科學(xué)家說,海嘯的規(guī)模很可能引發(fā)了此次地震的很多問題。根據(jù)ITIC,第一波海嘯在震后15m in內(nèi)抵達距震中最近的日本海岸。海嘯沖毀了整個社區(qū),破壞并摧毀了基礎(chǔ)設(shè)施。

1 地震量級

當?shù)卣鸢l(fā)生時,著名地震學(xué)家、加州理工學(xué)院地球物理學(xué)Jone E.&Hazel S.Smits名譽教授Hiroo Kanamori正在東京大學(xué)科學(xué)學(xué)院的一個二層會議室參加外部咨詢董事會議。Kanamori說,在東京大學(xué)科學(xué)系大樓吱吱作響并劇烈震動時,他馬上意識到這是一次大地震,可能是大約400～500 km外的8級地震。“在日本,感覺到一些震動不值得大驚小怪,”他說,“但是后來當我被告知震級為9級時,確實十分意外。”

Kanamori說,如此大的地震在本破裂區(qū)尚屬首次。他在返回加州后的一次采訪中告訴Eos說:“盡管我們知道發(fā)生地震的潛在危險,但可能很少有人能夠預(yù)料到那里能發(fā)生如此大的地震。”

雖然也意識到了在過去數(shù)十年中地震科學(xué)取得了顯著進步,但Kanamori說在此次地震和海嘯以來的這些天里他一直非常“沮喪”。“科學(xué)在進步,但看起來在這個特殊案例中,科學(xué)在某種程度上幾乎無能為力。”他說,“所有地震學(xué)家一直努力工作。我們曾希望地震科學(xué)能幫助減輕地震災(zāi)害,我確信這已做到。但是此次地震的破壞如此廣泛,以致減災(zāi)的積極作用沒有那么明顯。”

Kanamori建議了幾項可以幫助提高減災(zāi)成效的措施。除了科學(xué)家繼續(xù)開展工作以增加對地震的了解外,他建議科學(xué)和政府備災(zāi)社團間增加交流。“科學(xué)家在了解地震過程方面可以做得很好,但是如果僅僅到此為止,科學(xué)調(diào)查的成果就不能有效地為社會所用。為求改進,我們需要科學(xué)團隊與處理實際問題的人群之間更好地交流。”

另外,他指出,在考慮地震事件的時間尺度時,地震學(xué)和有儀器觀測數(shù)據(jù)的歷史相對很短。“我們必須對意料之外的事情做準備,這在地震學(xué)中無法避免,”他補充說,“我們的經(jīng)驗非常有限。我們畢竟無法做出很確定的預(yù)測。所以防災(zāi)策略應(yīng)該更全面而不是更單一。”基于這些思路,他說,日本關(guān)注日本西南海岸的南海海槽很好,但是“你應(yīng)該看看更大的區(qū)域而不是過分關(guān)注特定地區(qū),從而可以將你的精力分配到其他地方”。

2 提出的重要問題

東京大學(xué)科學(xué)學(xué)院研究生院的Robert Geller在一封致Eos的電子郵件中指出,板塊構(gòu)造已經(jīng)活躍了至少10億年且很可能更久,科學(xué)家僅有約100年的“儀器地震學(xué)獲得的地震發(fā)生數(shù)據(jù)”樣本。“我們不應(yīng)該對9級地震發(fā)生在(對我們來說)未知的已發(fā)生過9級地震的地區(qū)感到驚訝(盡管這些地區(qū)很可能在地質(zhì)學(xué)上的最近,也就是過去,已經(jīng)發(fā)生過9級地震)。”

另外,Geller說他希望日本的地震學(xué)家停止有關(guān)推測地震發(fā)生在東海東京和名古屋之間太平洋海岸的外海或其他任何地方的斷定。“就我們目前的知識水平,沒有依據(jù)可斷定日本太平洋沿岸的一個地區(qū)比其他地區(qū)更安全或更危險。它們都將在未來某時發(fā)生地震。”他補充說,使預(yù)案集中于某些特定地區(qū)(如東海)的預(yù)測,能使其他地區(qū)(如日本東北和神戶)陷入“盲目的安全”。

位于紐約帕利塞德斯的哥倫比亞大學(xué)Lamont-Doherty地球?qū)嶒炇业难芯繂TGeoffrey Abers說,與其他地區(qū)一樣,日本對其北半部分的地震活動性也投入了很多關(guān)注。他說:“監(jiān)測日本北半部分的儀器很可能比南海以外的任何俯沖帶都多。”他指出,位于仙臺的東北大學(xué)擁有在日本領(lǐng)先的地震學(xué)計劃。他說:“在很多方面這個地方已成為全球研究最多的俯沖帶區(qū)段。”Abers補充說,使人震驚的是在這個俯沖帶發(fā)生了如此大的地震,以前一直假設(shè)它可能發(fā)生8級而不是9級地震。

Abers說:“到目前為止,這是我們記錄最好的大地震。”他說,日本擁有世界上最好的、在任何地方都有相當密度的由測震儀和強震動儀組成的地震監(jiān)測臺網(wǎng)。“這是我們可以深入了解大地震破裂時究竟發(fā)生了什么事情的地方。”

Abers說,突出的問題有:地震如何“決定”它將成為大地震,以及地震中擴展幾百公里的破裂到底有什么不同(如果有的話);斷層如何起作用;日本東北地震破裂與之前的其他地震破裂是什么關(guān)系,以及一個地震能否觸發(fā)另一個地震。此外,還有關(guān)于橫越太平洋的海嘯、建筑標準和其他減災(zāi)措施防災(zāi)程度的考慮。

美國地震協(xié)會主席、位于索科羅的新墨西哥礦產(chǎn)和技術(shù)研究所教授Richard Aster也說,這次地震和海嘯提出了很多重要問題。他說,在科學(xué)和社會方面此次地震都占有“歷史份額”。Aster指出,此次地震釋放了全球上世紀積累的總地震能量的5%,并補充說這種戲劇性的、大量能量釋放的地震是罕見的,它們“就像地震學(xué)中的超新星”。

他告訴Eos:“這個國家在地震中很好地幸存下來,但是海嘯明顯越過海岸防護并引起了巨大破壞,就在我們說話時泛濫還在繼續(xù)。關(guān)于日本的一個大話題將是海嘯規(guī)模超過預(yù)期。除了巨大的地震,這個悲劇的主要部分將是海嘯帶來的破壞。”

Aster說,研究者們也將加深對全球一些俯沖帶的可能最大可信地震的認識,應(yīng)注意到科學(xué)家之前沒有廣泛地預(yù)料到這里會發(fā)生9級地震,也沒有預(yù)料到在2004年蘇門答臘會發(fā)生如此大的地震。他說:“我們還將了解全球什么樣的俯沖帶能夠產(chǎn)生一系列的大地震,”并補充說,日本東北地震是美國西北太平洋及其他潛在地震危險地區(qū)的“警鐘”。他說:“在全球地震危險性非常高的部分地區(qū),可能發(fā)生比我們之前所預(yù)想的震級還要大的地震,我們應(yīng)該有所準備。這是基于很少數(shù)據(jù)量的清晰信息”。

另外,Aster懷疑地球是否進入了數(shù)十年的大震期。通過回顧20世紀的地震目錄,他說:“在過去大約7年里,8級及以上的地震數(shù)量明顯升高。這意味著什么?這是隨機的嗎?或者強震之間通過遠程觸發(fā)相互聯(lián)系?對此我們沒有答案,但是過去7年的大地震明顯填補了我們的知識空白。”

3 監(jiān)測、公共預(yù)案和減災(zāi)

USGS地震和地質(zhì)災(zāi)害高級科學(xué)顧問David App legae指出了與地震和海嘯相關(guān)的一些重要挑戰(zhàn),包括將小概率但后果嚴重事件中獲得的教訓(xùn)集成于公共決策中。他說:“對于在執(zhí)政周期內(nèi)掌權(quán)的官員來說,去考慮在地質(zhì)時間里僅是一眨眼之前、但祖輩并無記憶的地震事件十分困難。”

App legae說,在如此規(guī)模的災(zāi)難中,認識到什么措施起到了作用很重要。例如,他指出在海嘯區(qū)以外很多結(jié)構(gòu)并未倒塌。此外,災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和教育工作也能夠挽救生命。App legae說,此次地震和海嘯已是“難以置信的糟糕。但是如果日本不采取措施

數(shù)年中在監(jiān)測能力、公共預(yù)案和減災(zāi)中做出投資可能會更糟;我們不能忽視這些。”

他指出另一個挑戰(zhàn)是我們有限的地震知識。“還有很多需要了解。我們需要繼續(xù)做研究。我們需要虛心地去處理已有知識。科學(xué)家們試圖指出哪個俯沖帶最可能產(chǎn)生9級地震,但我們已經(jīng)看到有兩次,蘇門答臘和現(xiàn)在的日本,都不在他們的名單的前列。但是另一方面,它們是俯沖帶。”他說,“這是我想責(zé)備的:對地震在哪里發(fā)生我們確實知道很多,但我們必須虛心地考慮我們的知識范圍,以及我們可以將這些知識公開應(yīng)用到什么程度。”

他補充說,從這一地震中“我們有道德責(zé)任盡其所能學(xué)得更多”,并廣泛地開展應(yīng)用,以了解和減輕將來很可能發(fā)生在日本或其他地方的地震與海嘯災(zāi)害。

譯自:EOS.2011,92(12):97,99

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

(中國地震局地球物理研究所 王玉石 譯;李小軍 校)

(譯者電子郵箱,王玉石:w ysh.igp@gmail.com)

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.002

2011-06-08。