日本東北9.0級(jí)大地震與臺(tái)風(fēng)的成鏈關(guān)系*

李鑫，郭安寧，趙澤賢

(中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州730000)

0 引言

自從1987年《災(zāi)害學(xué)》雜志首次發(fā)表災(zāi)害鏈的概念和4種災(zāi)害鏈的分類以來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)災(zāi)害鏈的研究有重要發(fā)展，僅災(zāi)害鏈的專業(yè)會(huì)議就已經(jīng)舉行了6次，涉及災(zāi)害鏈?zhǔn)录牡貐^(qū)范圍包括我國(guó)國(guó)境以內(nèi)以及相鄰的國(guó)家和地區(qū)。1994年郭安寧在《災(zāi)害學(xué)》雜志上曾討論過(guò)20世紀(jì)日本8級(jí)地震和造成重大災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)之間的災(zāi)害鏈問(wèn)題［1］，初步結(jié)論是8級(jí)大震在時(shí)間上的分布是與造成重大災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)在時(shí)間上的分布大致同步的。這個(gè)結(jié)果是否在時(shí)間延長(zhǎng)后仍然成立呢?這是一個(gè)值得繼續(xù)討論的問(wèn)題。2011年3月11日日本東北部發(fā)生M9.0級(jí)地震(圖1)，在其后的2011年8月31日－9月7日臺(tái)風(fēng)“塔拉斯”登陸日本。臺(tái)風(fēng)中心氣壓975 mb(臺(tái)風(fēng)中心氣壓一般用毫巴做單位)，在伊紀(jì)半島過(guò)程降雨量1 500～1 800 mm。此次臺(tái)風(fēng)造成了嚴(yán)重破壞，截至9月11日強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在日本造成的死亡人數(shù)升至62人，另有46人失蹤。這在日本今天對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)警能力和防臺(tái)能力大為提高的情況下，已經(jīng)是很?chē)?yán)重的傷亡了。另外這次臺(tái)風(fēng)造成的山崩、滑坡、塌陷、泥石流等自然災(zāi)害也很?chē)?yán)重。本文的目的是通過(guò)對(duì)2011年日本東北9.0級(jí)大震和塔拉斯臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈的討論，使地震－臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈更具事實(shí)基礎(chǔ)。另外我們還重點(diǎn)對(duì)地震－臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈的成因做進(jìn)一步的討論。

1 日本東北9.0級(jí)大地震介紹

2011年3月11 日13∶46，日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間14∶46，在日本東北部城市仙臺(tái)以東大約100 km的外海中發(fā)生9.0級(jí)地震(圖1)，地震破裂起始點(diǎn)為38.3°N，142.4°E。震源深度約10 km，屬淺源地震。隨后在震中附近發(fā)生大量余震，最大余震M7.7級(jí)。該大地震伴隨著顯著的海底形變，直接導(dǎo)致了巨大海嘯的產(chǎn)生。此次地震破裂區(qū)長(zhǎng)約500 km［2－3］，其南端停止于太平洋板塊與菲律賓板塊的交接處，北端終止于日本海溝與千島海溝的交接處，這兩個(gè)構(gòu)造交接處之間的海溝地段確定了日本東北部地震震級(jí)的上限，即此處發(fā)生的最大地震就是M9.0～9.1級(jí)。

圖1 2011年3月11日日本東北9.0級(jí)地震和臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程

2 塔拉斯臺(tái)風(fēng)介紹

2011年第12號(hào)臺(tái)風(fēng)“塔拉斯”(英文名Talas)于2011年9月3日，在日本四國(guó)高知縣登陸。9月1日08時(shí)至9月4日08時(shí)，日本列島大部出現(xiàn)了7～9級(jí)大風(fēng)，最大風(fēng)速出現(xiàn)在四國(guó)島高知縣室戶岬，達(dá)35.7m/s(12級(jí)，陣風(fēng))，日本九州東部、四國(guó)島、本州西部和南部、北海道出現(xiàn)了大到暴雨，其中四國(guó)島、本州西部和南部的部分地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨或特大暴雨，多地出現(xiàn)了打破歷史觀測(cè)記錄的極端強(qiáng)降雨，其中累計(jì)降雨量為:奈良縣上北川1 650.5 mm、三重縣宮川1 381.0 mm、奈良縣風(fēng)屋1 302.5 mm、和歌山縣西川1 088 mm。最大24小時(shí)降雨出現(xiàn)在三重縣宮川，達(dá)837.5 mm。截止9月7日受災(zāi)地區(qū)有的地方最大降雨超過(guò)1 700 mm。

3 日本地區(qū)地震與臺(tái)風(fēng)的關(guān)系

文獻(xiàn)［1］對(duì)日本8級(jí)地震與對(duì)日本造成嚴(yán)重破壞的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系在圖2中為1930－1960年段。我們把其時(shí)間延長(zhǎng)至2011年，如圖2中后半段所示。圖2中上面的虛線表示臺(tái)風(fēng)，下面的實(shí)線表示8級(jí)以上大震。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示4個(gè)地震－臺(tái)風(fēng)群。

圖2 地震－臺(tái)風(fēng)時(shí)序圖

在1930－1960年間造成重大災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)分別是1934室戶臺(tái)風(fēng)、1945年枕崎臺(tái)風(fēng)、1959年伊勢(shì)灣臺(tái)風(fēng)、1961年2號(hào)室戶臺(tái)風(fēng)、1953年13號(hào)臺(tái)風(fēng)、1951年露絲臺(tái)風(fēng)、1958年狩野臺(tái)風(fēng)、1954年洞爺丸臺(tái)風(fēng)、1947年卡斯林臺(tái)風(fēng)和1948年阿依文臺(tái)風(fēng)。我們從1960年把時(shí)間延長(zhǎng)到2011年，則有1991年米蕾麗臺(tái)風(fēng)、2004年蝎虎臺(tái)風(fēng)、2007年的萬(wàn)宜臺(tái)風(fēng)、2009年的茉莉臺(tái)風(fēng)、2011年塔拉斯臺(tái)風(fēng)和洛克臺(tái)風(fēng)。上述在1930－1960年間與臺(tái)風(fēng)相對(duì)應(yīng)的8級(jí)地震為1933年的日本三陸8.5級(jí)地震、1944年日本東南海8.0級(jí)地震、1946年日本南海道8.0級(jí)地震、1952年日本十勝?zèng)_8.2級(jí)地震、1958年日本北海道東邊海中8級(jí)地震。在1960－2011年與臺(tái)風(fēng)相對(duì)應(yīng)的8級(jí)左右地震為1993年北海道南西7.8級(jí)地震(我國(guó)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)中心也有定為8級(jí)的)、2003年日本北海道發(fā)生8級(jí)地震和2011年日本東北9.0級(jí)地震。以上地震的震中位置如圖3所示，圖中虛線矩形區(qū)為9.0級(jí)大震的余震分布范圍。

圖3 日本地震－臺(tái)風(fēng)災(zāi)害分布圖

由圖2可以看出，1960－2011年間的地震－臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)關(guān)系與1930－1960年間的臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)關(guān)系是類似的。這個(gè)時(shí)間拉長(zhǎng)后的序列支持和豐富了文獻(xiàn)［1］中的地震與臺(tái)風(fēng)關(guān)系。這對(duì)我國(guó)今后的震－臺(tái)鏈防災(zāi)是有參考價(jià)值的。

4 地震－臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈成因討論

地震發(fā)生之后通常伴隨著大量地下熱能的產(chǎn)生，其中必有攜熱水汽逸出地表。根據(jù)全球記錄到的地震波信息，估計(jì)日本東北9.0級(jí)地震的破裂持續(xù)時(shí)間約為120 s。結(jié)合余震分布以及地震波的反演，判定此次地震破裂長(zhǎng)度約500 km。地震從起始點(diǎn)開(kāi)始，向南擴(kuò)展約300 km，幾乎到達(dá)東京附近。同時(shí)從震中向北擴(kuò)展約200 km，到日本海溝與千島海溝交界處停止。經(jīng)過(guò)對(duì)全球地震臺(tái)記錄到的大量地震波形的分析，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)及哥倫比亞大學(xué)確認(rèn)此次地震類型為逆沖型地震，矩震級(jí)為9.0～9.1。這是自2004年印尼9.3級(jí)地震以來(lái)第1次9級(jí)地震，也是近40年來(lái)第1次9級(jí)以上地震。這次地震釋放的能量大約相當(dāng)于梯恩梯炸藥爆炸釋放的能量，約為我國(guó)汶川地震釋放能量的32倍。需要指出以上能量的統(tǒng)計(jì)僅僅是主震能量的釋放，其后在周?chē)貐^(qū)發(fā)生了多次7級(jí)以上的余震，因此整個(gè)地震過(guò)程釋放的總能量是很大的，除去釋放地震波所需要的能量，剩余能量中大部分轉(zhuǎn)化為熱能形式，另外震源周?chē)鷰r體的運(yùn)動(dòng)和形變以及強(qiáng)烈的地震波等也可把地殼孔隙中的水汽擠出和震出，因此日本9.0級(jí)大地震必然在大的范圍引起地下攜熱水汽的逸出，這個(gè)攜熱水汽的逸出是能夠加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和降雨強(qiáng)度的。

關(guān)于地震的放氣現(xiàn)象，由于地殼介質(zhì)的孔隙度和孔隙向地表的連通關(guān)系以及地溫梯度的不相同等原因，所以地震放氣的時(shí)間過(guò)程只能用實(shí)測(cè)來(lái)回答。為了估算地震引起的放氣范圍，可用爆破震動(dòng)引起的放氣范圍來(lái)類比，爆破引起的放氣的震動(dòng)強(qiáng)度約相當(dāng)于地震烈度Ⅳ度。對(duì)此可用武宦英震級(jí)M與波及范圍半徑R的公式(1990)［4］來(lái)計(jì)算Ⅳ度區(qū)的范圍。

log R=0.46M－0.51，(1)用此式計(jì)算主震放氣范圍以及其后余震的放氣范圍，綜合疊加可獲得最終放氣范圍。由于2011年3月11日日本地震已達(dá)9.0級(jí)，且余震發(fā)育范圍很廣，因此可以判斷在大的范圍內(nèi)必然有攜熱水氣逸出。

還應(yīng)指出，日本氣象廳的報(bào)告:日本東北9.0級(jí)地震后，日本全國(guó)至少有13座活火山周邊中小地震活動(dòng)趨于活躍。被觀測(cè)到地震增加的這種區(qū)域?yàn)槿毡娟P(guān)東及中部的日光白根山、富士山、箱根山、燒岳、伊豆大島，九州島阿蘇山、南西諸島的諏訪之瀨島等?；鹕礁浇≌鸹顒?dòng)表明地球內(nèi)部的熱物質(zhì)在上涌，這也從側(cè)面支持了9.0級(jí)地震引發(fā)的大范圍放熱和放氣現(xiàn)象，從而也有助于理解塔拉斯臺(tái)風(fēng)為何登陸后暴雨如此之大。

根據(jù)以上的分析可以看出，對(duì)于日本9.0級(jí)大地震不能簡(jiǎn)單地視為局部地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)，因?yàn)橹髡鹫鸺?jí)如此之大，必然牽動(dòng)日本島弧地震帶的構(gòu)造活動(dòng)(包括中小地震活動(dòng)和非震的地?zé)峄顒?dòng))。另外還有強(qiáng)烈地震波震動(dòng)，這些都會(huì)造成地震帶及其附近地下攜熱水汽進(jìn)入大氣，使大氣濕度和溫度增加以及大氣氣壓降低。當(dāng)這樣的帶和地區(qū)靠近臺(tái)風(fēng)路徑時(shí)，它就會(huì)吸引臺(tái)風(fēng)，并把自己所造成的暖濕空氣加入到臺(tái)風(fēng)中，使得臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度加強(qiáng)，遂引起大的風(fēng)暴潮和特大暴雨，造成嚴(yán)重災(zāi)害。對(duì)于這種地震和臺(tái)風(fēng)的成鏈關(guān)系還可從中等臺(tái)風(fēng)造成嚴(yán)重災(zāi)害來(lái)進(jìn)一步論證其成因。

(1)對(duì)于1960年以前的11個(gè)臺(tái)風(fēng)(圖2中Ⅰ和Ⅱ)，查閱福井英一郎主編的《日本氣候》一書(shū)［5］，其中有3個(gè)中等臺(tái)風(fēng)，中心氣壓都為960 mb，本不應(yīng)該造成重大傷亡，但死亡人數(shù)分別為838人、1 761人和2 360人。這說(shuō)明地震引起地下放出攜熱水汽增強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)致災(zāi)強(qiáng)度。至于更強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)死亡人數(shù)多，也有地震引起的地下放出攜熱水汽疊加的因素，這就不難理解了。

(2)在圖2中可以清晰地看出，發(fā)生8級(jí)地震的時(shí)間基本和傷亡嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間相吻合，其中傷亡嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)大都出現(xiàn)在大地震發(fā)生之后，但是圖2中1952年、1993年和2009年三次地震之前出現(xiàn)了造成重大災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)。根據(jù)耿慶國(guó)和陳玉瓊等人的觀點(diǎn)，孕育著的震源也可能吸引臺(tái)風(fēng)［6］，但他們沒(méi)有討論吸引臺(tái)風(fēng)的機(jī)制。我們認(rèn)為其原因是震前構(gòu)造變動(dòng)已較顯著并伴有地下攜熱水汽逸出，從而吸引臺(tái)風(fēng)和加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

(3)在圖2的第Ⅳ群中，2011年的12號(hào)塔拉斯臺(tái)風(fēng)只是中等臺(tái)風(fēng)，中心氣壓為975 Mb，陣風(fēng)速度為35 m/s。但在紀(jì)伊半島上的奈良和和歌山造成的暴雨為歷史之最。這種暴雨過(guò)分大的原因可認(rèn)為是:仙臺(tái)東邊海中發(fā)生9.0級(jí)地震引起的構(gòu)造變動(dòng)和強(qiáng)烈地震波達(dá)及伊紀(jì)半島使該地區(qū)地下逸出攜熱水汽并疊加在臺(tái)風(fēng)中形成的。這就是本文特別選擇塔拉斯臺(tái)風(fēng)討論災(zāi)害鏈的原因。因?yàn)樘貜?qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸破壞嚴(yán)重究竟是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)造成的，還是有地下逸出攜熱水汽疊加在臺(tái)風(fēng)中造成的，我們不易論證。中等臺(tái)風(fēng)則易于論證這個(gè)問(wèn)題。這和上面第Ⅱ群中三次中等臺(tái)風(fēng)的情況是一致的。

(4)1933年3月2日日本仙臺(tái)東邊海中的三陸地震，震級(jí)達(dá)到8.5級(jí)(圖3)，次年發(fā)生室戶臺(tái)風(fēng)，在室戶地區(qū)和周?chē)斐? 036人死亡。2011年3月11日仙臺(tái)東邊海中發(fā)生9.0級(jí)地震(其極震區(qū)包括三陸在內(nèi))后，當(dāng)年9月初室戶地區(qū)和東邊伊紀(jì)半島又遭塔拉斯臺(tái)風(fēng)的嚴(yán)重破壞。雖死亡和失蹤人數(shù)僅108人，但現(xiàn)今臺(tái)風(fēng)預(yù)警和防臺(tái)防暴雨的能力遠(yuǎn)大于往昔，所以108人已經(jīng)是嚴(yán)重的損失了。1933年室戶臺(tái)風(fēng)和2011年塔拉斯臺(tái)風(fēng)造成了巨大災(zāi)害的地區(qū)范圍在圖3中以虛線圓表示。這說(shuō)明2011年9.0級(jí)地震和1933年8.5級(jí)地震所在的地段發(fā)生大震后對(duì)日本島弧的構(gòu)造變動(dòng)影響甚大，因之易于造成日本島弧別處嚴(yán)重臺(tái)風(fēng)災(zāi)害。

(5)2011年9月20日前后，有強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“洛克”在日本本州島靜岡縣登陸，向東北方向移動(dòng)，過(guò)東京后奔向9.0級(jí)地震極震區(qū)陸地一側(cè)的福島地區(qū)(對(duì)福島地區(qū)早先因地震造成的核泄漏有何影響現(xiàn)不清楚)，然后走向北海道東側(cè)消失。這次臺(tái)風(fēng)穿過(guò)9.0級(jí)地震極震區(qū)陸地一側(cè)，也支持上述由塔拉斯中等臺(tái)風(fēng)所論證的地下攜熱水汽吸引臺(tái)風(fēng)和加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的觀點(diǎn)。在極震區(qū)陸地一側(cè)這種效應(yīng)更強(qiáng)。

5 結(jié)論

(1)本文從地震和臺(tái)風(fēng)的事實(shí)統(tǒng)計(jì)上支持和豐富了文獻(xiàn)［1］中的研究結(jié)果。其中大多為震后引起嚴(yán)重臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，少數(shù)發(fā)生在震前。但地震和臺(tái)風(fēng)在時(shí)間上都靠得較近。

(2)地震與臺(tái)風(fēng)成鏈的原因是地震引起地下放出攜熱水氣造成的。由于臺(tái)風(fēng)特強(qiáng)時(shí)我們不易證明它登陸造成的破壞和人員傷亡慘重是臺(tái)風(fēng)本來(lái)特強(qiáng)造成的還是地下放出攜熱水氣作用于臺(tái)風(fēng)造成的。故本文選擇中等強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)登陸后造成過(guò)分嚴(yán)重破壞和傷亡論證其中有地下攜熱水氣進(jìn)入臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)災(zāi)害的因素。

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