薛 梅

一.2011年日本9级强震
1.发震机制是什么？
      日本岛弧位于太平洋板块、欧亚大陆板块、北美板块交界处(图1),是地震易发、多发地带。

               
  图1   全球板块示意图。此次地震发生的地点如图所示（轮廓为黄色的红五星）。

图2   太平洋板块俯冲进入北美板块底部示

　　2011年3月11日日本东北海域9级地震系太平洋板块俯冲至北美板块下方的板块交界处(属于汇聚式板块边界)，板块出现大幅移动是导致如此强烈地震的原因。 据日本气象厅介绍，在此次地震中，从岩手县到茨城县，南北距离约为400km、东西距离约为200km的断层出现了移动。此次地震属于南北方向受到挤压的逆断层型地震。地震时，断层受到了水平挤压，导致上盘沿断层面上升(图2)。这是太平洋地区板块交界处的地震的典型模式，可以认为：茨城县和福岛县海域以后发生的地震均是其余震。筑波大学的八木勇治副教授认为：据保守估计，此次发生移动的断层长度超过500km，宽度超过100km，移动幅度最大为8m。福岛县海域的一些地区本来就巳经严重畸形，本次地震中数个地点的断层可能同时出现了移动。
2.何为海啸、此次海啸为什么会造成这么大的伤亡？
　　海啸是由海底地震、火山喷发、泥石流、滑坡等海底地形突然变化所引发的具有超长波长和周期的大洋行波(陈颙 and 史培军, 2007)。当这种大洋行波接近近岸浅水区时，波速变小，波幅陡涨，形成“水墙”，瞬时侵入沿海陆地，造成危害。海啸形成必须具备三个必不可少的条件：深海、海底发生垂向运动和有利的海岸地理条件。本次地震震源浅(32km)、海水深度大(震中海水深度2400m)、断层的垂直断距大(约8m，据八木勇治，日本《每日新闻》3月12日报道)，因而形成的巨浪大，再加上近陆海底地形配合，使先后到达的巨浪叠加，于是出现了势不可挡的高达15m的海浪。
海啸的生成和传播(图3)

图3  海啸的生成和传播示意图（摘自http://commons.wikimedia.org）

　　此次地震后3分钟发布海啸预警，预警后半小时内巨浪便接踪而至，但是海啸仍然造成了较大的伤亡，主要的原因有:
a.仙台地区地势平缓，要想到达高地需要更多的时间，来不及逃离。
b.很多避难所的高度不高。
c.日本东北地区很多港口有10米高的防波堤(海啸实际高达13-15米)，不少人尤其是较为年轻的人麻痹大意了。
二.为什么这次地震给了地震学家一个“big surprise”？
　　太平板块年龄较老，约为140 Ma，因此密度较大，俯冲的角度较大，断层接触面积比年轻的俯冲板块要小，俯冲过程应该比年轻的俯冲板块平滑。因此很难预料到会有一个9级地震在这里酝酿！
    a.这一区域的地震在有仪器记录（1900）以来(图4 )，震级的大小在7.5级左右，每30-40年一次。
　　b.在2011年3月9号，刚刚发生过一次7.2级地震和3次6级地震，一般会认为这几次地震已经把积累的地震能量释放掉了，很难预料到会有一个9级地震紧随其后！
这个“big surprise”给地震学家的启示:年老的海洋板块俯冲带也具备产生大地震的能力，我们要对其它类似日本这次地震发生所处的构造环境相同的区域给予足够重视。

     
图4  日本岛弧历史地震示意图

三.这次地震的震级修正了好几次(7.9 —> 8.8 —> 9.0) ，为什么？
　　地震震级进行修正的原因有:
1.最初的震级速报为了追求速度，所用的数据量比较少，可能会有偏差，往往在有了更多的数据之后，会对震级进行修正。
2.震级测量的精确性与所用的记录地震数据的地震台站位置、数目有关。
3.地震根据大小的不同需要用不同的震级尺度来衡量。震级的衡量尺度主要有里氏震级、体波震级、面波震级、矩震级等。分述如下:
a.里氏震级(ML)

• ML = log(A)-2.48+2.76log(D)
• 最早的震级，由里克特19世纪30年代发展起来
• 针对Wood-Anderson类型的地震仪
• 只适用于南加州地区
• 后来不同的地区依据同样的原理发展了适合自己地区的经验关系，但还是称做里氏震级，一般用于5级以下的区域地震。

b.体波震级（mb ）

• mb = log(A/T)+Q(h,D)
• A – 纵波的幅度（微米）
• T – 纵波对应的周期，通常取1 sec
•  Q(h,D) – 对震中距和深度进行校正，不同地区的经验关系不同。

        c.面波震级(Ms)

• Ms = log(A20)+1.66log(D)+2.0
• A20 – 用20秒周期的面波幅度（微米）
• 一般用竖直分量上的瑞利波

d.矩震级（Mw）

• Mw=2/3*log(Mo)-10.73
• 地震矩Mo=μ（剪切模量）× A（面积） × D（滑移量）
• 具有直接的物理意义

注: 1、里氏震级(ML)/ 体波震级（mb ）/面波震级(Ms)会发生饱和；矩震级（Mw）虽不饱和,但4级以下地震不适用。
    2、对同一地震，用不同的震级类型估算的震级/在不同的台站估算得到的同类型的震级，也会有差异。解决办法就是做平均。
    3、通常所说的地震烈度与地震震级不同，地震烈度是由实际地面运动的强度所决定的，对同一个地震，通常离震源越远，地震烈度越低。

四.地震预警系统
1. 地震预警系统流程框图(图5)

      
            
图5   地震预警系统流程框图

2.日本地震预警现状：日本地震预警系统的应用起始于高铁的开通（1960s）,强震仪沿铁轨布设(图6),当地面加速度超过40 gals，开始刹车。
      
图6  日本地震预警系统与日本高铁示意图

3.目前日本气象厅运作的地震预警系统地震台站分布(图7),共约1000个。

图7  日本气象厅运作的地震预警系统地震台站分布示意图

4.中国有否地震预警系统？
中国至今还没有建立地震预警系统。
5.中国的地震分布是什么样的？
中国的地震分布详见图8、图9

     
图8   中国不同震级的地震分布图

　　注：图8所示地震选自中国地震台网目录（CENC）在1970.1.1到2009.12.31之间发生在中国及周边地区的3级及以上的地震。白色圆代表的是历史上（公元288年至1949年）发生在上海及周边的地震(田建明, 徐徐 et al., 2004)。圆的尺寸与震级成正比，比例尺在图上方。

         
  图9  中国地震带分布示意图

6.上海及周边地震、断层分布
     上海地区属华南块板扬子陆块,其主体属上海—浙西地块。第四系、新近系覆盖区厚度一般00—300m,最厚超过450m以上。区内有34条断裂,除湖苏断裂(印支晚期的深大断裂)和太仓—奉贤断裂(燕山期—喜山期的主要断裂)以外,其余都是一般断裂(未发现明显的活动) (图10)。但邻近上海的南黄海、长江口等地时有4—5级地震发生，有时会波及上海,加上软土地基的放大作用,使上海人有震感。
    从史料（《上海县志》并参考《苏、浙、皖、沪地震目录》）上看，上海及邻近海区相对中国活跃地震带地区而言地震频度不高震级偏弱（图7），从1481年至1930年，上海记录到的有感地震54次：明代10次、清代37次、民国时期7次。其中，发生在上海地区的地震占60％，其余的则是其它地区的地震波及上海。上海地区最大的一次地震是1624年9月1日发生在上海南市区（包括上海老城区的全部及现在的陆家浜地区、浦东上南地区等）的5级地震，震中烈度为6度，不少房屋倒坍。
    从中国已发生的地震的空间分布上看(图7)，上海主要受周边海域和邻近陆区大地震的影响。上海虽然不在中国的几大地震带上，但是上海北部紧邻地震强度和频度仅次于“青藏高原地震区”的位居全国第二的“华北地震区”南缘，向南不远有东南沿海的广东、福建等地及台湾的地震活动区，向东有南黄海地震区，向西与南北地震带隔四川盆地相望，因而上海容易受到这些地震活动区的地震灾害的波及，尤其是高层建筑所受影响更大。
   从地质情况看，上海位于长江三角洲东南前沿，是明显的沉降区，沉积层比较厚，对地震波具有放大效应。举例来说，1985年墨西哥城外400公里的海域发生7级地震，墨西哥城损失惨重，就是因为墨西哥城的地质也属软土层，对地震波有放大效应。1600公里外的汶川地震发生时，上海15层以上高楼都普遍有感。
   近年来随着上海的经济发展，高层、超高层建筑，大跨度构建物日益增多，台湾及其邻近地区的强震其长周期波对上海的波及、影响日趋显著。1994年9月16日台湾海峡7.3级地震，距离上海约800公里，上海15层以上楼房普遍感到晃动，居民纷纷迅速下楼；然而，处在15层以下的居民几乎没有人感觉到地震。又如1999年9月21日台湾南投县集集7.3级地震，距离上海市800公里，强震仪记录显示，但是上海地面最大水平加速度为3.29gal，而距地面200米高处的最大水平加速度为15.41cm/s2，是地面的4-5倍。地震时居住在15层以上的居民震感十分强烈。
   下面是历史上对上海产生较大影响 的地震简介：
   1668年山东郯城8.5级地震，1846年8月4日南黄海（33.5°，120.0°E）7.0级地震，1853年4 月14日南黄海6.75级地震，1927年2月3日南黄海又一次6.75级地震，均波及上海地区，烈度均达到6度，造成房屋损坏。1949～1984年，较强地震有4次，以1984年5月21日黄海南沙6.2级地震，上海县震感强烈，倒坍房屋3间。
   20世纪70年代以来该地区地震活动有增强的趋势，对上海造成有感或社会重大影响的地震，就达14次之多。
   1984年5月21日，南黄海（32°28.7′N,121°35.4′E）发生6.2级中强震，江苏省沿海地区及上海市普遍强烈有感，上海行政区大部分烈度为V度，东部部分地区为V度强。上海市区间接死亡3人，90余人跳楼而受伤，其中有30余人去医院接受医治，闸北、静安、虹口、黄浦等市区及崇明、嘉定、宝山、上海、川沙、南汇、松江等郊县不同类型建筑或多或少遭受轻微损失，少数厩棚倒塌，砸伤牲畜，上海保险公司受理损失的赔款案共22件，上海市人民保险公司为此向投保户赔偿4万多元。虽然地震造成的破坏损失有限，然而它却深刻地改变人们以往认为 “上海少震、弱震”的观念。
   1990年2月10日，江苏常熟，太仓附近（32.602°N±1.2㎞，121.996°E±0.9㎞）发生5.1级地震。震中距上海行政区最近仅十多公里，上海西北部分地区有轻微破坏。
   1996年11月9日，长江口以东海域（31°43′N,123°04′E）发生6.1级地震。震中距离市中心160公里，上海行政区大部分烈度为IV度，东部个别地点为V度，有轻微破坏，地震时上海东方明珠电视塔468米处避雷针遭受破坏。地震后，逃出室外的人们怀着不安的心情到处询问，地震在哪里？多大？还会有更大地震吗？能回到室内休息吗？要不要停止生产？
     这三次地震虽然造成人员伤亡和建筑物破坏非常有限，然而地震发生的瞬间，人心惶惶，社会上处于动荡不安的状态，出现民众纷纷逃出户外，涌上街头，造成一时通讯中断、交通受阻。少数人在争先恐后的逃跑中造成挤伤、碰伤、扭伤、踩伤，甚至有少数由于受恐震心理的影响跳窗跳楼，导致伤残甚至死亡。对这类地震，如果应急处理不当有可能酿成社会秩序混乱，造成间接经济损失。如上海市停产一天，工农业产值的损失将达2亿元左右。若上海、江苏、浙江北部停产一天，其损失将达到5亿元左右。
    综上所述，上海本行政区域内发生6级以上地震的可能性不大，但上海存在可能发生5级左右地震的地质构造条件。从城市现状来看，上海地域空间小、人口密集、财富集中、高楼林立，地震发生后的次生灾害将会非常严重，断水断电、交通中断、液化气泄露，必然是“小震大灾、大震巨灾”。

    针对来自中国东部海域的地震，如果在东海海域建立地震观测系统，能够比仅用陆上的地震台网增加数秒到数十秒的地震预警时间，可以更提前一步抢在破环性的地震波到达之前就告诉人们这次地震发生的位置，震级有多大，这些多出的珍贵的时间可以让人们有更多的时间来采取措施应对地震，最大限度地减少地震带来的伤亡和损失。图9以能够对中国东部海域的地震进行预警为目标，根据历史地震的分布提出了布设海底地震仪的范围示意图，其中范围1可以对南黄海地震进行预警，范围2针对长江口地震以及来自冲绳海槽南端的地震进行预警，范围3可以针对长江口、杭州湾、冲绳海槽南端以及台湾的地震进行预警。如果将地震仪东进，布设在离岸更远、离地震震源更近的海域，则将进一步增加地震预警的时间。

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图10  上海及周边地震、东海断层分布示意图

　　上海地区地震和台站分布图。其中地震目录来自中国地震台网目录（CENC）中记录的在1970.1.1到2009.12.31之间发生在上海及周边地区的3级及以上的地震，以及华东地震子网1990-2008年之间的地震记录。白色圆代表的是历史上（公元288年至1949年）发生在上海及周边的地震(田建明, 徐徐 et al., 2004)，可见在上海有地震预警系统的用武之地。图中圆的尺寸与震级成正比，比例尺在图下方。三角形代表布设在上海的地震台站（蓝绿色为地面台站，蓝色为井中台站），紫色正方形为布设在浙江的台站，黄色菱形为布设在江苏的台站。灰色半透明的区域是建议的布设海底地震仪的范围示意图。
7、上海周边海域的海啸灾害可能性分析
    一般认为在东海、黄海和渤海沿岸发生海啸灾害的可能性较低。这是因为这些海区水深较浅（大都在200米以内）而且所处大陆架坡度变化及其平缓，特别是渤海平均深度18米（百度百科），黄海平均深度44米（百度百科），东海平均深度349米（互动百科），不利于地震海啸的形成和传播。海啸波的传播速度是与水深的平方根成正比的，也就是说，在水深较浅的地方，海啸波的传播速度变慢，容易发生波浪堆积。但由于中国东部海区水深变化缓慢而且大陆架宽阔，大洋行波不会发生因水深骤然减小而造成波速突然变小，导致波浪堆积并形成“水墙”，因而对沿岸造成的危害不大。尤其是对发生在太平洋里的海啸来说，要想到达中国东部近岸，先要跨越中国近海的日本列岛和琉球群岛，然后与宽缓的大陆架摩擦消耗，抵达东部海岸时已成为强弩之末。如2010年2月27发生在东太平洋的智利地震引发了海啸，在中国沿岸引起的浪高不超过20厘米（国家海洋预报中心）。
    那么对于发生在中国东海周边海域的地震呢？由于黄海和东海海域的大断裂以走滑断层为主，地震以属于板内地震的小地震居多，不能激发海底上下的大错动，因而不能有效地激发海啸。对中国东部海域最有海啸威胁的当属冲绳海槽发生在逆断层上的大地震了，这种地震能够有效地激发海啸，且没有了外围岛链的保护，可以近距离地影响到中国东部海域。根据计算，在冲绳海槽上引发的10米高的海啸在传播到距离上海25公里的海域时波高约为30厘米(李伟, 朱元清 et al., 2007; 温燕玲, 朱元清 et al., 2008)。由于海啸传播到近岸时的效应与海岸附近的地形和水深有关，近岸的海啸模拟还比较困难，目前尚调研到相关研究结果，不能否定东海沿岸海啸存在放大效应的可能性。
    虽然我国东部近海海域虽不具备地震海啸的海洋条件，但地震引起1-2米波高的潮水涌上岸的情况还是发生过的。如1969年，在渤海中部也发生过一次比较大的海啸，由7级以上地震引起，在渤海海峡的两个监测站都看到了20多米的大浪；停靠在岸边的船因为受海啸影响，剧烈震动起来，就好像开动了一样；唐山一带房屋、农田都进水，很多人因为害怕而撤退。上海及其附近沿海历史上曾遭受数次海啸波及，但影响不大。如1498年7月9日日本海≥8级地震时，崇明、宝山、上海、川沙、金山等曾引起海水溢； 1854年12月24日日本南海（北纬33.2°，东经135.6°）发生8.4级地震，产生的海啸影响我国江浙沪沿海，上海黄浦江水沸，有高二三尺者，松江河水涌，突起二三尺；嘉定水溢；青浦河水涌，突起尺余，海啸级别为-0.5～1级，上海地区无破坏报导。1960年5月23日智利8.9级地震，海啸横扫太平洋，上海吴淞口增水15～20cm。
    在中国东部海岸，地势较低，许多经济发达的沿海大城市只高出海平面几米，如上海平均海拔高度4 m左右，容易受到来自东海海啸的影响，一旦发生海啸将会产生极大的人口和经济损失。因此，上海应该警惕来自日本南部，冲绳，琉球至中国台湾这段地区发生强震所引发的本地海啸，其中特别是冲绳海槽地区值得关注(李伟, 朱元清 et al., 2007)。因此，在中国东部海域进行对海啸的监测和预报还是有意义的。

五.地震、海啸造成的日本福岛核电站泄漏危机1、过程回顾
   2011.3.11日本东北部海域9级强震使核电站自动关闭,但海啸又使辅助电源进水停止供电,使冷却系统失效,导致福岛1-4号反应堆陆续爆炸，从而引发核泄漏等一系列核污染。核泄漏事故的等级从最初的4级调至后来的5级，并最终升级为现在的7级。
   截至4月6日，东京电力公司估算1号机组反应堆70%的燃料棒、2号机组反应堆30%的燃料棒、3号机组反应堆25%的燃料棒可能受损，4号机组部分乏燃料棒确认受损。自4月21日起将原定核电站周边20公里的疏散区升级为禁区，禁止任何人在未经允许情况下进入核电站周边区域。
2、放射物的排放量
   4月12日估算的向大气排放的放射性物质量为37万至63万太贝克。污水释放量小于这一数值。东京电力公司21日公布估算结果称，本月初被发现从福岛第一核电站2号机组取水口附近流入大海的高放射性污水总量为520吨，所含放射性物质达到5千太贝克。参照该核电站的安全规定，该泄露量达到了一年内放射性物质释放量上限的2万倍，是此前主动排放入海的低放射性污水中所含放射性物质的约3万倍。对周边国家和地区的影响：官方说法，由于海洋和大气的稀释，没有太大影响，会密切监测。
   至4月15日在福岛第一核电站附近的公共水域监测到的放射性核素的含量是日本法定上限的7500000倍（Science 15 April 2011:  Vol. 332 no. 6027 p. 292）！宫城县沿岸渔民将停业至5月底。茨城附近海域捕捞的玉筋鱼体内检测出放射性铯超标，茨城县大部分渔业协会4月6日宣布暂停渔业（新浪网）。

3、关于放射性核素的一些基本常识：
   放射性核素可以通过海洋生物的皮肤和食物进入它们体内，与碘131的半衰期8天相比，铯137的半衰期较长有30年，更令人担心。
   钚： 浮游植物可以聚集钚，以浮游植物为食的大型生物不能消化钚，将钚排泄出来沉淀到海底。
   碘131： 褐藻可以吸收放射性碘131，不过海洋中丰富的盐份可以减少海洋生物对碘131的吸收。

4、放射物的扩散通道
a、大气快速运输通道（乔方利等，科学通报，2011，第56卷，第12期）：
   若泄漏源设置在近地表, 10天后影响范围可达北美大部地区, 但浓度比所设置的源区浓度低约6个量级, 15天后可影响到欧洲, 20 天后前锋进入中国西部地区, 30天后则布满整个纬带;

图11  大气快速运输通道：放射性污染源近地面的情况（乔方利等，科学通报，2011，第56卷，第12期）。

   若泄漏源在5 km 高度, 泄漏10天后影响范围可覆盖欧洲, 15 天即可布满整个纬带。

b、海洋表层慢速运输通道（乔方利等，科学通报，2011，第56卷，第12期）：
   核泄漏物质通过海洋表层通道向东输运相对缓慢得多, 50 天后到达东经150°左右, 且影响范围仅在一条狭窄条带内。

c、海洋内部极慢速通道
   日本原子能研究开发机构研究员中野政尚经过对放射性铯在茨城县海域扩散的情形进行计算机模拟后推测放射物30年后将扩散至整个太平洋 （新华网）：放射性物质随海流5年后可到达北美，10年后到达亚洲东部，30年后几乎扩散至整个太平洋，但即使2万吨高放射性污水果真全部泄漏入海，其扩散区域的放射性活度在1年后也将被稀释到每升不足1贝克勒尔，10年后将不足0.1贝克勒尔，对人体不会造成影响。

六.反思
1.在中国建立地震预警系统的紧迫性
   日本人何以处“震”不惊？就是地震预警系统发挥了作用。日本人在地震发生时能够在较短时间内获得地震顶警系统发布的地震预警信息、遵照长期养成的地震发生后的演练获得的技能和习惯进行自主避险、沉着冷静实行自救互救。中国有喜马拉雅山地震带、南/北天山地震带、东南沿海地震带、环太平洋台湾地震带等26个地震易发地带,尽快建立中国的地震预警系统已经到了时不我待的时刻。
2.中国是否应该修建核电站？
   核电是高科技产业,是现代绿色能源之一。但同时，从日本的这次核泄漏危机中也必须意识到核电站存在的潜在危害，必须安全第一。
3.中国的公民灾害意识自救互救地震预演的培训与演练是否应该到政府层面上来？
   公民灾害意识应该到政府层面上来。

作者简介：
　　薛梅(1974--)，女，同济大学海洋与地球科学学院、海洋地质国家重点实验室副教授，主要从事地球构造研究和震源研究。
　　薛梅1996年获中国石油大学（华东）应用地球物理学学士学位，1999年获中国石油大学（北京）地球探测与信息技术理学硕士学位， 2002年获中国石油大学（北京）地球探测与信息技术工学博士学位， 2008年获美国加州大学伯克利分校地震学理学博士学位，同年回国加入同济大学海洋与地球科学学院天然地震和地球动力学研究组。
　　曾以主要工作参与人的身份参与了美国自然科学基金项目（EAR-0539987，EAR-0643392, EAR-0643077和EAR-0745934）。回国后获得同济大学引进人才科研启动项目（“985工程”科技创新平台）和同济大学海洋地质重点实验室青年及面上基金支持，获得教育部新教师基金、留学回国人员科研启动基金、上海市自然科学基金以及国家自然科学基金支持，并参与同济大学海洋地质重点实验室重点项目和国家重点基础研究发展计划（973计划）。