楊 銳 李 綱 龍海云※
1) 河北省地震局,石家莊050021
2) 中國地震臺網(wǎng)中心,北京100045
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學術(shù)論文
日本南海海溝地震災害預測概述*
楊銳1)李綱2)龍海云2)※
1) 河北省地震局,石家莊050021
2) 中國地震臺網(wǎng)中心,北京100045
摘要以日本南海海溝地震為例,介紹了日本對該次地震發(fā)生概率的研究,展示了日本南海海溝地震引發(fā)的地震動災害、海嘯災害及其他方面災害評估的方法和結(jié)果,為合理應(yīng)對日本南海海溝地震以達到防震減災目的奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞地震; 災害預測; 日本
引言
地震調(diào)查研究推進本部[1]是日本文部科學省的一個特別部門,該部門于1995年7月成立,主要承擔地震調(diào)查研究,以減輕地震災害為目標,通過設(shè)置相關(guān)政策委員會、地震調(diào)查委員會等,召集各地震學相關(guān)領(lǐng)域的專家,舉辦地震調(diào)查研討會,為中央防災會議提供最具權(quán)威的調(diào)查結(jié)論。
地震調(diào)查委員會負責日本國內(nèi)各地震危險區(qū)的研究,對各地震危險區(qū)的地震發(fā)生概率進行統(tǒng)一發(fā)布。2011年東日本大地震后,委員會開始對現(xiàn)行的地震評估方法進行全面的改進完善,目前還未最終完成。利用最新的調(diào)查研究結(jié)果對該次地震的評估方法進行修改,并對以往的評估結(jié)果加以完善。
1南海海溝地震發(fā)生概率的研究
通過對地層結(jié)構(gòu)的解析,南海海溝震源區(qū)域的地震帶可分為5部分(圖1)[2],A(土佐灣海域)、B(紀伊水道海域)、C(熊野灘海域)、D(遠州灘海域)、E(駿河灣海域),每兩個地震帶間都存在不易產(chǎn)生滑動的凹凸體(asperity)*凹凸體(asperity):相鄰板塊間存在兩種區(qū)域,一種是產(chǎn)生均勻滑動的“穩(wěn)定滑動區(qū)”,另一種是由于壓力造成板塊互相緊密連接,處于難以滑動的“凹凸體”。asperity所指的就是凹凸體,在這種區(qū)域內(nèi)如果板塊發(fā)生傾斜會使板塊間壓力累計,當壓力超過板塊的承受能力時應(yīng)力大量釋放將產(chǎn)生板塊巨大滑動,從而導致板塊間地震的發(fā)生。。紀伊半島海域又分為東西兩部分,西側(cè)與南海地震震源區(qū)域(A、B)相鄰,東側(cè)從紀伊半島海域到遠州灘海域橫跨東南海地震震源區(qū)域(C、D),從遠州灘海域到駿河灣海域?qū)儆跂|海地震震源區(qū)域(E)。
從歷史地震記錄可見,南海海溝地震區(qū)域曾多次同時或在很短間隔內(nèi)發(fā)生東海、東南海、南海連鎖大地震,每次地震都涉及到多個區(qū)域,還未出現(xiàn)過上述區(qū)域單獨發(fā)生強震的實例[3],地震造成的破壞范圍廣,破壞力強,強震發(fā)生后都會引發(fā)巨型海嘯,火山爆發(fā)等次生災害。通過地層結(jié)構(gòu)和海嘯沉積物的調(diào)查可以更充分的驗證。對土佐灣海域沿岸3處湖泊的調(diào)查發(fā)現(xiàn),這些湖泊均受到歷史南海海溝地震的影響,屬于沉降地層區(qū)域,在不斷下沉的過程中,保留了連續(xù)的海嘯沉積物。通過對大分縣佐伯市龍神湖中的海嘯沉積物的解析,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)過去3500年間發(fā)生過8次海嘯事件,平均周期300~700年。高知縣須崎市正池湖地區(qū)從公元前3000年到公元700年的3700年間發(fā)生過14次海嘯事件,平均周期200~500年。唯一一處沒有受到1707年寶永地震、1854年安政東海地震、1944年昭和東南海地震影響的德島縣阿南市蒲生田大湖地區(qū)在過去3500年間唯一一次記錄海嘯發(fā)生的時間在2000年前[4]。無論從歷史記錄還是地層沉積物調(diào)查都可以看出,該區(qū)域大地震的發(fā)生具有明顯的周期性,也為計算地震發(fā)生概率提供了相應(yīng)的依據(jù)。
圖1 東海地震、東南海地震、南海地震發(fā)生歷史年表
本文涉及到的各類地震概率都是按地區(qū)對地震的危險性進行評價,以一段期間內(nèi)最大地震級別的發(fā)生概率為主,這種描述方式對地震危險性可以有比較直觀的認識(表1和表2)。
從表1可見,南海海溝各地震帶的地震類型均為板塊型地震,通過歷史地震和斷層規(guī)模的分析得到相應(yīng)地區(qū)最大震級規(guī)模,并根據(jù)該地區(qū)固有地震周期和前次地震發(fā)生時間得出一段期間內(nèi)地震再次發(fā)生的概率值。由于地震研究手段的不斷豐富,以及古地層、地質(zhì)研究的發(fā)展,原先沒有劃入南海海溝地震危險區(qū)的東海地震帶被劃歸到研究對象中,該危險區(qū)距上次地震的間隔已超出地震的復發(fā)周期[5],所以東海地區(qū)發(fā)生地震的概率最高,接近90%的數(shù)值意味著地震有可能隨時發(fā)生。
通過進一步對南海海溝地震的關(guān)聯(lián)性研究,地震調(diào)查研究推進本部在2013年公布了南海海溝地震的整體預測結(jié)果(表2),即未來30年南海海溝地震發(fā)生的概率為60~70%,50年內(nèi)的概率為90%。根據(jù)這項結(jié)果,日本內(nèi)閣府中央防災會議設(shè)置了“東南海南海地震專門調(diào)查委員會”,對可能發(fā)生的大地震以及巨型海嘯進行了研究分析,得到的結(jié)論是南海海溝區(qū)域每100~200年都會發(fā)生一次大規(guī)模地震[4]。
表1 地震調(diào)查研究推進本部對南海海溝各地震帶發(fā)生地震概率的分析[6]
表2 地震調(diào)查研究推進本部對南海海溝地震發(fā)生概率的分析[7]
根據(jù)高知縣室津港周邊的地質(zhì)調(diào)查和基于歷史地震發(fā)生間隔的時間預測模型推算[8],下次南海海溝地震帶發(fā)生地震的規(guī)模為M8~9,最嚴重的情況是東海、東南海、南海地震短時間內(nèi)接連發(fā)生,震級最大將超過M9[9]。在如此大的破壞力影響下,不僅在南海海溝區(qū)域,有可能會波及到琉球海溝,造成全長1000 km以上的斷層破裂,M9規(guī)模的連鎖性地震,甚至M9規(guī)模的兩次超大地震發(fā)生的可能性都存在[10]。
2南海海溝地震的災害評估
震前災害評估相當重要,首先根據(jù)地震類型判斷災害發(fā)生的種類。在此基礎(chǔ)上制定地震對策綱要、地震防災戰(zhàn)略、應(yīng)急對策要領(lǐng)等國家層面的方針政策,來推進防震減災工作。其次通過災害進行整體評估,明確各相關(guān)災害的具體規(guī)模,不僅可以作為各地區(qū)具體實施救援方案的參考依據(jù),也可通過防災教育和宣傳使民眾直觀了解地震災害的破壞程度,提高國民的防震減災意識[11]。對于南海海溝地震來說,地震和海嘯災害是進行災害評估的主要對象。
2.1地震動災害評估
對南海海溝地震來說,利用中央防災會議制定的強震斷層模型(2003),結(jié)合2011年東日本大地震的經(jīng)驗教訓及世界其他地區(qū)發(fā)生巨大地震的特征,將強震動區(qū)域分為4種情況,分別為基本區(qū)域、東側(cè)強震動區(qū)域、西側(cè)強震動區(qū)域、陸地近海強震動區(qū)域,并針對每種情況分別進行了250 m2單位面積的烈度計算(圖2)。當網(wǎng)格的計算結(jié)果出現(xiàn)偏差時,使用烈度衰減經(jīng)驗公式結(jié)果進行補充[12]。
以上4種情況中,基本區(qū)域是根據(jù)地震調(diào)查研究推進本部的研究結(jié)果所劃定的區(qū)域范圍(圖2a); 東側(cè)強震動區(qū)域是將強震動發(fā)生范圍向東側(cè)偏移,即東海地震震源區(qū)域為地震主要災害區(qū)域(圖2b); 西側(cè)強震動區(qū)域是將強震動發(fā)生范圍向西側(cè)偏移,即南海地震震源區(qū)域為地震主要災害區(qū)域(圖2c); 陸地近海強震動區(qū)域是將強震動發(fā)生范圍設(shè)定為板塊邊界區(qū)域,即陸地近海區(qū)域為地震主要災害區(qū)域(圖2d)。
2.2海嘯災害評估
鑒于該區(qū)域內(nèi)巨大地震發(fā)生后均伴有海嘯災害的發(fā)生[13],需要對于海嘯到達海岸時海面的高度及海水侵襲陸地的范圍做出評估。2011年東日本大地震前使用的海嘯斷層模型未能反映真實地層結(jié)構(gòu)[14],導致對震前災害評估結(jié)果偏低,而實際海嘯造成的破壞極其嚴重。吸取以往經(jīng)驗教訓,利用海岸線10 m2單位面積的微地形數(shù)據(jù),將評估模型設(shè)定為巨大地震MW9時引發(fā)的海嘯[15]。通過計算矩震級MW8以上的大海嘯地震中海嘯斷層的平均應(yīng)力下降量,得到2.2 MPa的平均值,中央防災會議通過計算包含矩震級MW8以下海嘯地震的結(jié)果,將南海海溝地震帶的平均應(yīng)力下降量設(shè)定為3.0 MPa[15]。根據(jù)斷層滑動位移的衰減公式可以得到不同區(qū)域海嘯到達海岸時海面的高度(圖3),海水侵襲陸地的范圍和漫過地面水深的結(jié)果。海嘯評估的分類也是按照不同強震動區(qū)域,根據(jù)斷層滑動的位錯量不同分為一般滑動區(qū)域、大型滑動區(qū)域和超大型滑動區(qū)域。大型滑動區(qū)域是指發(fā)生海嘯斷層平均錯動位移2倍以上的滑動區(qū)域,一般來說該區(qū)域占全部斷層滑動區(qū)域的20%; 而超大型滑動區(qū)域是指平均錯動位移4倍以上的滑動區(qū)域,2011年東日本大地震中超大型滑動區(qū)域占總體滑動面積的5%[16]。
(a)基本區(qū)域; (b)東側(cè)強震動區(qū)域; (c)西側(cè)強震動區(qū)域; (d)陸地近海強震動區(qū)域
圖3是對于大型滑動區(qū)域和超大型滑動區(qū)域在同一區(qū)域內(nèi)的情況下進行評估的結(jié)果。從評估結(jié)果可以看出,指定為滑動區(qū)域的海嘯高度比南海海溝地震帶中一般滑動地區(qū)要高,特別是,海岸沒有設(shè)置防護堤的區(qū)域和預測海嘯高度超過設(shè)置防護堤的區(qū)域,要特別加強海嘯災害的防范意識,一旦地震引發(fā)海嘯生成,這些區(qū)域?qū)⒊蔀楹[破壞的重災區(qū)。一些沒有被指定為大型滑動區(qū)域或超大型滑動區(qū)域的地區(qū),例如東京都所屬太平洋島嶼、紀伊半島、四國以及九州區(qū)域等,由于當?shù)氐乩項l件和斷層位錯量等因素影響,也出現(xiàn)海嘯高度偏高的趨勢,也需要引起充分的注意。
2.3其他災害評估
根據(jù)地震動和海嘯災害評估結(jié)果進一步對建筑物破壞、人員傷亡狀況、重要設(shè)施等破壞情況以及經(jīng)濟損失進行整體評估。在具體災害評估的過程中,明確考慮了地震發(fā)生時的條件。根據(jù)季節(jié)、發(fā)生時間、天氣條件等因素設(shè)定了6種條件[17](表3)。
(a) 駿河灣—紀伊半島海域; (b)紀伊半島海域; (c)駿河灣—四國海域; (d)四國海域;(e) 四國海域—九州海域。這些區(qū)域分別被指定為“大型或超大型滑動區(qū)域”
表3 地震災害評估設(shè)置條件
對于各類災害的評估方法,以建筑物為主要災害評估對象,使用了以往的評估算法,并將近年主要地震中得到的最新數(shù)據(jù)反映到各類建筑的破壞率中,根據(jù)不同類型建筑的總數(shù)量得到建筑物的受災數(shù)量,其中不同建筑年代的建筑破壞率不同,不同地層液化程度對地層下降程度和建筑物倒塌率影響等細微因素也被考慮在內(nèi)[18]。居民在冬季深夜的條件下,在家的可能性要遠遠高于夏天正午時間,因此計算建筑物造成人員傷亡數(shù)量時,需要按照不同條件下對造成的人員傷亡數(shù)分別進行評估。另外,地震如果發(fā)生在冬季深夜時,由于需要避難時間更長,如果有海嘯災害發(fā)生這種條件下造成傷亡人員更多[18]。對于海嘯避難開始的時刻和海嘯到達陸地在時間上的關(guān)系,建立了新的模型用于評估處理。根據(jù)以上方法得到的主要評估結(jié)果如下[19]:
(1) 由于地震動造成的建筑物倒塌:地震發(fā)生在基本區(qū)域內(nèi)62.7萬棟,地震發(fā)生在陸地近海強震動區(qū)域內(nèi)134.6萬棟。
(2) 地層液化造成的建筑物倒塌:地震發(fā)生在基本區(qū)域內(nèi)11.5萬棟,地震發(fā)生在陸地近海強震動區(qū)域內(nèi)13.4萬棟。
(3) 由于火災發(fā)生造成建筑物燒毀:按照發(fā)生時間和氣候條件(風速)不同,冬季、深夜、平均風速條件下相對較少,而冬季、傍晚、強風條件下最多。例:東海地區(qū),地震發(fā)生在基本區(qū)域冬季、深夜、平均風速條件下建筑物燒毀5萬棟,而冬季、傍晚、強風條件下建筑物燒毀31萬棟。
由于地層結(jié)構(gòu)、人口分布、建筑物等基礎(chǔ)信息的不同,不同區(qū)域的評估災害結(jié)果也不相同,總結(jié)了不同區(qū)域的主要災害評估結(jié)果[20](表4)。
為了掌握南海海溝地震時破壞的全貌,盡可能細致了解各類災害情況,首先將整體災害分為各類相關(guān)設(shè)施等的損失和經(jīng)濟損失兩方面,在此基礎(chǔ)上對可以定量分析的災害情況分別進行了災害評估。評估方法仍以地震和海嘯災害為對象,其中地震動中選取基本區(qū)域(圖2a)和陸地近海強震動區(qū)域(圖2d),海嘯中選取駿河灣—紀伊半島海域(圖3a)、駿河灣—四國海域(圖3c)、四國海域(圖3d)和四國海域—九州海域(圖3e)這4種情況進行重點分析[21]。季節(jié)和氣候條件不再逐一進行評估,只選取具有代表意義的情況,例如基本區(qū)域內(nèi)的評估選取“冬季、深夜、平均風速”條件,而陸地近海強震動區(qū)域內(nèi)的評估選取“冬季、傍晚、強風”作為評估條件。評估項目包括生命線工程(斷水戶數(shù)、產(chǎn)生污水戶數(shù)、停電戶數(shù)、通訊中斷戶數(shù)、天然氣中斷戶數(shù)等)、交通設(shè)施(公路、鐵道、港灣、機場的受災個數(shù)等)、對生活的影響(疏散人數(shù)、外出被困人數(shù)、物資短缺數(shù)、醫(yī)療資源短缺數(shù)等)、其他方面(災害廢物處理量、電梯被困人數(shù)、道路擁堵率、重要設(shè)施受災個數(shù)、歷史文化遺跡保護單位受災個數(shù)、交通中斷導致孤立村落數(shù)等)[21]。各類相關(guān)設(shè)施等的損失評估結(jié)果詳細參照表5~表8[22]。
表4 南海海溝地震不同區(qū)域的主要災害評估結(jié)果
對于經(jīng)濟損失計算方法與各類相關(guān)設(shè)施等的損失計算方法相同。對于固定資產(chǎn)的受災狀況,以恢復到地震發(fā)生前的水平所需要的費用為準。生產(chǎn)活動以地震發(fā)生后1年內(nèi)的減少量作為計算標準。交通中斷時需要累積交通迂回的成本等。綜合以上這些影響得到了經(jīng)濟損失的總額[23](表9)。
表5 南海海溝地震中生命線工程損失詳細參照表
注:手機用戶由于發(fā)震后用戶集中使用,造成大部分手機通信中斷; 由于電力供給中斷,發(fā)震1天后電波中轉(zhuǎn)局停止率達到最高值; 互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)由于住宅電話服務(wù)的影響,會出現(xiàn)服務(wù)中斷的區(qū)域。
表6 南海海溝地震中交通設(shè)施損毀詳細參照表
表7 南海海溝地震中對民眾生活的影響
表8 南海海溝地震在其他方面的情況
以上這些定量數(shù)據(jù)是結(jié)合1995年阪神大地震和2011年東日本大地震的受災狀況進行估算的。各種災害的評估手法仍有部分不盡完善,因此,得到的評估結(jié)果僅為參考數(shù)據(jù),隨著東日本大地震中受災狀況不斷明細化,對于南海海溝地震災害評估方法也將隨之改進和提高。
表9 南海海溝地震經(jīng)濟損失估算額度(單位:億美元)
3結(jié)束語
東海地震帶的平靜時間已經(jīng)大大超越了該地區(qū)的復發(fā)周期,一旦該區(qū)域發(fā)生地震很有可能造成南海海溝區(qū)域連鎖地震的發(fā)生。做一個大膽的假設(shè),原本已經(jīng)臨近發(fā)震邊緣的東海地震由于受到2011年東日本大地震的影響,使即將滑動的東海地震板塊間暫時處于更緊密的狀態(tài),也就造成直到今日東海地震仍沒有按預期周期發(fā)生,但是凹凸體(asperity)的暫時出現(xiàn)將會導致該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力持續(xù)增加,當積累到一定程度時,再次超越整體板塊的承受能力時,將造成前所未有的應(yīng)力釋放,南海海溝巨大地震將就此發(fā)生。
面對南海海溝巨大地震隨時都有可能發(fā)生的狀況,避免2011年東日本大地震的教訓再次發(fā)生,就需要在地震發(fā)生前掌握地震災害的全貌,明確各類災害造成損失的定量數(shù)據(jù),用于制定相應(yīng)的災害對策方針。從減少人員傷亡到降低財產(chǎn)損失,在實現(xiàn)減少地震災害的同時,盡可能為災害后重建贏得寶貴的時間。南海海溝地震的災害評估結(jié)果非常觸目驚心,但是,只有將真實的評估結(jié)果告知民眾,才能讓民眾意識到災害的危險性和緊迫性,全民在地震中按照既定的方式方法應(yīng)對地震災害,才有可能達到防震減災的目的。
參 考 文 獻
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Overview of Japan Nankai Trough earthquake disaster prediction
Yang Rui1), Li Gang2), Long Haiyun2)
1) Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China
2) China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China
AbstractTake the South China Sea of Japan Trench earthquake as an example,research on the probability of occurrence of the earthquake conducted by Japanese are introduced in this paper. Hazard assessment methods and results on earthquake disaster,tsunami disaster and other aspects of the hazard are shown. This laid the foundation to response to the earthquake in Japan Trench in the South China Sea.
Keywordsearthquake; disaster prediction; Japan
* 收稿日期:2016-04-06; 采用日期:2016-05-05。
基金項目:河北省地震科技星火計劃項目(項目編號:DZ20160407040)和中國地震局測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(項目編號:20160504)資助。
中圖分類號:P315.75;
文獻標識碼:A;
doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.06.003
※通訊作者:龍海云,e-mail: longhaiyun@seis.ac.cn。