David Cyranoski

日本勇敢面對地震防備工作失誤預(yù)報(bào)、預(yù)警和海嘯防護(hù)系統(tǒng)在3月11日統(tǒng)統(tǒng)失靈＊

David Cyranoski

日本擁有全世界最密集的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、最大的海嘯防波堤、最廣泛的地震預(yù)警系統(tǒng)。相比其他任何國家,日本國民在如何應(yīng)對地震和海嘯方面受過更嚴(yán)格的訓(xùn)練。

然而,2011年3月11日發(fā)生的9.0級(jí)地震卻震驚了日本所有的預(yù)報(bào)人員。被嚴(yán)重低估的海嘯摧毀了世界上最深的海嘯防波堤,令人措手不及。地震預(yù)警系統(tǒng)也基本失靈。那么問題究竟出在哪里呢?

第一個(gè)問題是關(guān)于地震預(yù)測的。日本最新版的地震危險(xiǎn)性圖于2009年3月發(fā)布,它將日本東北部近海地區(qū)分為5個(gè)地震區(qū),并且設(shè)想了7種不同的地震場景。根據(jù)歷史地震資料,每種地震場景被賦予不同的發(fā)生概率。南三陸町附近海域(包括這次地震發(fā)生的區(qū)域)未來10年內(nèi)發(fā)生地震破裂的概率是30%～40%,未來20年內(nèi)的概率是60%～70%。

對于地震預(yù)報(bào)而言,這些數(shù)字意味著非常高的概率。負(fù)責(zé)地震危險(xiǎn)性圖編制協(xié)調(diào)工作的日本科學(xué)部防震減災(zāi)研究組的Yoshinori Suzuki說:“這基本意味著任何一天都有可能發(fā)生地震”。但他們預(yù)計(jì)那條斷層會(huì)釋放一次約7.7級(jí)的地震與該地區(qū)歷史上發(fā)生的任何一次大地震的震級(jí)相當(dāng)(見Nature,2001,471:274)。

1 不實(shí)的寬慰

對于福島第一核電站附近海域的一條獨(dú)立的斷層段,采用相同的預(yù)測方法推斷出的地震震級(jí)只有7.4級(jí),未來10年發(fā)生地震的可能性小于2%,未來50年發(fā)生地震的可能性小于10%。福島縣政府甚至依據(jù)此地震危險(xiǎn)性圖在其網(wǎng)站上宣稱:“由于具有堅(jiān)固的地質(zhì)基礎(chǔ)并且地震稀少,福島是一個(gè)適合經(jīng)商的安全可靠的地方”。然而,地震危險(xiǎn)性圖沒有預(yù)料到的是,斷層段之間的耦合使破裂傳播了約500 km,并釋放了一次9.0級(jí)地震(圖1)。

日本的地震預(yù)報(bào)有成功的實(shí)例。如2003年的8.3級(jí)十勝?zèng)_地震(Tokachi-oki earthquake)正好發(fā)生在所預(yù)測熱點(diǎn)地區(qū)的中心位置。但一般來說,日本的地震預(yù)報(bào)(真正起步于20世紀(jì)80年代和90年代)結(jié)果有好有壞,如許多破壞性地震就發(fā)生在預(yù)測區(qū)域之外。京都大學(xué)的Jamesmori說:“我們希望看到更高的命中率”。

雖然這次強(qiáng)震的規(guī)模令人驚訝,但日本的抗震建筑在地震中的表現(xiàn)堪稱良好。Mori說:“地震搖晃確實(shí)造成了建筑物的損壞,但考慮到這次地震的強(qiáng)烈程度,這種破壞還不算嚴(yán)重”。真正造成嚴(yán)重破壞的是海嘯。海嘯越過了防波堤,擊碎了這些年為應(yīng)對地震發(fā)生所做的精心準(zhǔn)備。

日本有世界上最深的海嘯防波堤,這座長達(dá)2 km的宏偉建筑位于日本東北部海岸的釜石灣(Kamaishi Bay)。它歷經(jīng)30年的建設(shè)直到2008年才全部完工,花費(fèi)超過1200億日元(約合14億美元)。防波堤深達(dá)63m,露出水面高8m,厚達(dá)20m,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為能夠抵御類似1896年三陸(Sanriku)地震引發(fā)的海嘯沖擊,那次地震引發(fā)的海嘯在有些地方浪高接近40m。

圖1 基于初始地震信號(hào)的一個(gè)預(yù)警系統(tǒng)預(yù)測強(qiáng)烈搖晃只會(huì)發(fā)生在一個(gè)有限的區(qū)域,但實(shí)際上晃動(dòng)要比預(yù)期的更為劇烈、范圍更廣

位于橫須賀(Yokosuka)的日本防衛(wèi)大學(xué)海嘯傳播專家Koji Fujima說,沿岸的這一防波堤和其他建筑給人們帶來一種錯(cuò)誤的安全感。Fujima說:“該地區(qū)可能平均每超過10年就會(huì)發(fā)生1次2m或3m高的海嘯,因此人們確信海嘯防波堤會(huì)保障他們的安全”。因?yàn)榈卣鹞ｋU(xiǎn)性圖中預(yù)報(bào)的地震震級(jí)在7.5級(jí)范圍之內(nèi),所以人們預(yù)計(jì)最大的海嘯超不過4～5m。

2 低估的海嘯風(fēng)險(xiǎn)

人們對海嘯防波堤的信賴似乎已經(jīng)破壞了日本聲名遠(yuǎn)播的海嘯防備演習(xí)。在日本東北部以及其他一些地方,大學(xué)教授、科研機(jī)構(gòu)、非政府組織和當(dāng)?shù)孛耖g團(tuán)體每年都要進(jìn)行多次演習(xí),以訓(xùn)練人們在海嘯來襲時(shí)如何撤離以及向何處撤離。Fujima說:“在教育人們?nèi)绾螒?yīng)對海嘯方面我們已經(jīng)竭盡全力”。

然而,人們明顯放松了對海嘯風(fēng)險(xiǎn)的警惕,關(guān)西大學(xué)(Kansai University)災(zāi)害管理專家Yoshiaki Kawata說。他又說,2010年發(fā)生在智利的海嘯使相關(guān)部門向日本東北地區(qū)的168萬人發(fā)出了撤離預(yù)警,而實(shí)際尋找避難所的卻只有6.2萬人。

Fujima說,人們認(rèn)為有了防波堤已經(jīng)足夠了。他又補(bǔ)充道,在3·11海嘯來襲時(shí),該防波堤對于保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全也無能為力,但它確實(shí)降低了海浪的沖擊力。據(jù)估計(jì),海面上的浪高為15～20m,到達(dá)岸邊之后在某些地點(diǎn)達(dá)到了50m,這甚至超過了1896年的那次大海嘯。3·11海嘯摧毀了釜石和其他地方的防波堤,導(dǎo)致約2萬人死亡,因?yàn)樗麄兾茨苷业桨踩母叩乇茈y。海嘯還淹沒了福島第一核電站的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組,導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這座核電站建成于20世紀(jì)60年代,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為可以抵御不超過5.7m的海嘯。

由日本氣象廳(JMA)負(fù)責(zé)運(yùn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)當(dāng)天也未達(dá)到預(yù)期效果。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為,當(dāng)一次地震引發(fā)的晃動(dòng)達(dá)到或超過日本地震能量強(qiáng)度級(jí)別5級(jí)及以上時(shí)(足以使墻倒屋裂),系統(tǒng)將向人們發(fā)出警報(bào)。根據(jù)地震發(fā)生后幾秒鐘時(shí)地震儀上的讀數(shù),該預(yù)警系統(tǒng)可以在最大的晃動(dòng)開始之前提供長達(dá)數(shù)十秒的警報(bào)。3·11地震時(shí),該系統(tǒng)向震中附近地區(qū)發(fā)出了準(zhǔn)確的預(yù)警。但是對于大東京地區(qū),許多地方的晃動(dòng)達(dá)到了6級(jí),卻沒有收到任何預(yù)警信息。按照設(shè)計(jì),高速列車和核反應(yīng)堆因?yàn)橛凶约旱念A(yù)警裝置而被迅速停運(yùn)。

據(jù)京都大學(xué)的Masumi Yamada介紹,問題在于該系統(tǒng)為地震假定了一個(gè)“點(diǎn)源”。在這種情況下,根據(jù)點(diǎn)源模型估算出的震級(jí)為7.2。但實(shí)際上三陸地震使平行于海岸的長達(dá)數(shù)百公里的斷層線破裂,釋放出的能量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于估算值,并造成東京附近地區(qū)滑動(dòng)了至少20m,而該系統(tǒng)卻未能自我校正。頻繁發(fā)生的余震也令該系統(tǒng)不知所措,致使它發(fā)出了數(shù)次誤報(bào),而且沒有預(yù)報(bào)出幾次大的余震。

Yamada說:“在8級(jí)左右的地震面前,該系統(tǒng)似乎完全崩潰”。2011年4月,她將與日本氣象廳開始一項(xiàng)為期3年的合作項(xiàng)目,將點(diǎn)源預(yù)警系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成二維的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

日本的災(zāi)害防御水平肯定會(huì)得以提高,Fujima說。但他認(rèn)為人們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,面對千年一遇或兩千年一遇的地震,我們可以做的工作其實(shí)也很有限。在海嘯襲擊最為嚴(yán)重的地區(qū),可以修建更加堅(jiān)固的防波堤,但這些工作花費(fèi)巨大,而且防波堤也永遠(yuǎn)不能完全抵御最大海嘯的襲擊。他又說:“在可能發(fā)生大海嘯的地區(qū),人們也許應(yīng)該停止建設(shè)”。

然而,Kawata卻堅(jiān)信應(yīng)該建造更好的工程。他贊同以下理念,即最有效的避損措施就是讓人們生活在遠(yuǎn)離海嘯的地方。但他也設(shè)想將來人們可以將房屋(和核電站)搭建在由10m高的混凝土柱子支撐的人工海岸線上。“有許多事情急需我們?nèi)プ觥Ｈ绻覀冇心繕?biāo)并集中精力,我們就一定會(huì)成功”。

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

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

(中國地震局地球物理研究所 李平恩 譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱,李平恩:pingen2000@163.com)。

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10.3969/j.issn.0235-4975.2011.05.003

2011-04-20。