Gavin P Hayes,Paul S Earle,Harley MBenz,David J Wald,Richard W Briggs,the USGS/NEIC Earthquake Response Team

1)U.S.Geo logical Survey National Earthquake Info rmation Center,Golden,Colorado,U.S.A.2)Synergetics Inc.,Fort Collins,Colorado,U.S.A.

引言

2011年3月11日日本本州島東海岸附近海域發(fā)生的 M9.0地震(Tohoku earthquake,以下稱“東日本大地震”——譯者注)及其引發(fā)的海嘯造成數(shù)以萬計的人員死亡,造成的財產(chǎn)損失可能超過1萬億美元,這是有歷史記錄以來最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。美國地質(zhì)調(diào)查局國家地震信息中心(USGS/NEIC)負(fù)有對全球發(fā)生的重大地震事件作出快速響應(yīng)的責(zé)任,這也是美國國家地震減災(zāi)計劃(National Earthquake Hazards Reduction Program)的一個組成部分。正是出于這種責(zé)任,USGS/NEIC迅速產(chǎn)出和發(fā)布了一系列地震信息產(chǎn)品,將地震的潛在影響及時告知應(yīng)急響應(yīng)者、公眾、媒體和學(xué)術(shù)界,并為解釋此次事件的構(gòu)造背景和未來可能的危險性提供科學(xué)依據(jù)。

在此,我們以時間線的形式介紹了在全球地震響應(yīng)系統(tǒng)的信息發(fā)生快速變化的背景下NEIC對此次災(zāi)難性地震作出的響應(yīng)。這條時間線包含了內(nèi)部的和公開發(fā)布的產(chǎn)品,其中公開發(fā)布的信息產(chǎn)品在時間安排上充分考慮了人們對提供及時警報的需求與相關(guān)部門發(fā)布精確、權(quán)威信息的必要性之間的內(nèi)在平衡。這條時間線還記載了NEIC產(chǎn)出的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的重復(fù)性與演變過程,并包含了促成產(chǎn)品快速發(fā)布的決策、數(shù)據(jù)和分析工具的一些幕后故事。

1 美國地質(zhì)調(diào)查局國家地震信息中心

NEIC開展每周7天、每天24小時(24/7)的全天候業(yè)務(wù),主要致力于全球所有重大地震事件的地點和規(guī)模的快速測定,并將此類信息立即傳遞給相關(guān)國家以及國際機構(gòu)、科學(xué)家、關(guān)鍵設(shè)施和公眾。

在其24/7的運作期間,NEIC通常至少配備兩名地球物理學(xué)家,他們負(fù)責(zé)在地震發(fā)生的20 min內(nèi)對所有5級及以上地震事件進行審查并作出報告。每當(dāng)有較大破壞性地震發(fā)生,這些分析人員也當(dāng)場圓滿答復(fù)媒體的呼入電話,并與USGS從事研究的科學(xué)家和職員進行溝通交流。此外,NEIC的計算機運行一直由USGS的IT職員或業(yè)余時間承包人管理。通常,像東日本大地震這樣的破壞性地震發(fā)生1 h之內(nèi),“國家地震減災(zāi)計劃”就會增加分析人員,對隨后的余震進行審查并將地震信息產(chǎn)品傳播出去,與此同時,科學(xué)和地理信息系統(tǒng)(GIS)工作人員便開始收集有關(guān)破裂動力學(xué)、區(qū)域地質(zhì)學(xué)和構(gòu)造學(xué)等方面的更有價值的信息和內(nèi)容。USGS聯(lián)絡(luò)處也增加職員,對來自各方的詢問作出解答。

近幾年來,NEIC的地震響應(yīng)在3個重要方面得以逐步發(fā)展。首先,可用于全球?qū)崟r觀測的地震臺站大大增加。當(dāng)2004年蘇門答臘-安達曼島 M9.1地震發(fā)生時,NEIC收到了來自近350個臺站的實時數(shù)據(jù);而今天,我們可以收到來自全世界83個地震臺網(wǎng)的1183個臺站的數(shù)據(jù)。這些臺網(wǎng)包括已經(jīng)作出重大改進的全球地震臺網(wǎng)(GSN),其高動態(tài)范圍、運作穩(wěn)定性和實時遙測可靠性[1]等都使它在我們的應(yīng)急響應(yīng)工作中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。第二,機構(gòu)間和國際間的合作水平已經(jīng)超越了波形數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)了實時震源參數(shù)的協(xié)調(diào)。第三,NEIC所用的地震模擬和分析工具已經(jīng)變得更加復(fù)雜先進和方便實用,其范圍也得到大大拓展。取得的模擬與分析進展有實例為證,如估算基本震源參數(shù)的方法的改進、震級測定中快速穩(wěn)健的程序、有限斷層模型的產(chǎn)出,以及基于潛在經(jīng)濟損失和人員死亡情況對地震災(zāi)情所作的快速估算。

2 NEIC對東日本地震系列的響應(yīng)

一次重大地震事件發(fā)生后的數(shù)分鐘和數(shù)小時內(nèi),NEIC都會不斷修訂其震源參數(shù)的估算值。在這一處理過程中的某些關(guān)鍵點,我們會向公眾發(fā)布信息,信息產(chǎn)品也會更新至更高的水平。如果我們不斷更新(有時還會出現(xiàn)錯誤)自動的或初步的震級和地點估算值,NEIC用戶就不會得到良好的服務(wù);因而,只有當(dāng)我們認(rèn)為信息已經(jīng)穩(wěn)定、且具有實際價值和權(quán)威性時,我們才會公開發(fā)布并更新信息產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)的運作程序已經(jīng)具備,但每一次地震事件都是獨一無二的,要刻畫其特性就必須對所用的各個運算法則和系統(tǒng)的優(yōu)缺點有充分的認(rèn)識。

NEIC并不是孤立地對較大地震事件作出響應(yīng)。在對潛在的海嘯地震作出響應(yīng)的最初階段,NEIC會協(xié)同美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)的太平洋海嘯預(yù)警中心(PT WC)和西海岸/阿拉斯加海嘯預(yù)警中心( WCA T WC)對震級進行調(diào)整。對于發(fā)生在日本的地震,各海嘯預(yù)警中心(T WC)再協(xié)同日本氣象廳(JMA)對震源和震級進行調(diào)整。各機構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合會帶來某些挑戰(zhàn),但這種方式卻為應(yīng)急響應(yīng)者和公眾提供了一致的信息。這樣一來,協(xié)調(diào)可能相互矛盾的信息的重?fù)?dān)就落在了地震機構(gòu)自己——而不是應(yīng)急響應(yīng)者——的肩上。

下面介紹的NEIC對東日本地震序列的響應(yīng)涉及對內(nèi)部和公開發(fā)布的產(chǎn)品的討論。文中記述了NEIC產(chǎn)品的范圍及其重復(fù)性。

2.1 前震

東日本大地震前的兩天時間中發(fā)生了一系列大的前震。3月9日,東日本大地震震中的東-東北約40 km處發(fā)生了一次 M7.3事件(http:∥on.doi.gov/hi1H r0),隨后在同一天內(nèi)又發(fā)生了3次 M6.0以上地震。正如對世界上任何一次較大地震事件作出的響應(yīng)一樣,NEIC迅速發(fā)布了每一次事件的地點、震級、震動圖(Shake Map)和 PAGER(全球地震響應(yīng)快速評估系統(tǒng))產(chǎn)品,我們還根據(jù)USGS長周期震相( W-phase)矩張量解[2-4]發(fā)布了 M7.3事件和其中兩次 M6+地震事件的補充信息。M7.3地震同震滑移的有限斷層反演結(jié)果[5]顯示出約70 km×50 km的破裂區(qū)域,約1.3 m的滑移峰值出現(xiàn)在震源以北地區(qū)(http:∥on.doi.gov/jKn Hd4)。

2.2 M W 9.0主震

我們將NEIC對主震的響應(yīng)以時間線的形式呈現(xiàn)出來,這條時間線是以地震的發(fā)震時刻(OT)2011年3月11日05:46:23 U TC(世界協(xié)調(diào)時)為基準(zhǔn)點描繪的(圖1)。時間線一步步展示出了震源和震級信息獲得的過程和發(fā)布時的情況、緊隨其后的信息產(chǎn)品收集和發(fā)布時的情況,以及實時響應(yīng)期間所作的各種決策背后的推理過程。

圖1 NEIC對東日本大地震響應(yīng)時間線最初50 m in快照。時間線中每一次事件的時間都用相對于地震發(fā)震時刻的UTC表示。較大事件用灰色框突出顯示。欲查閱QuickTime.MOV格式的完整時間線,請見網(wǎng)上資料

OT+3.8 min:初始震源

發(fā)震時刻:05:46:21

緯度 :38.16°N

經(jīng)度:143.25°E

深度:60.0 km

東日本大地震的初始震源由NEIC實時處理系統(tǒng) Hydra在不到4 min時獲得[6],所用數(shù)據(jù)為來自日本、韓國和中國大陸的臺站的8個P波觀測結(jié)果。這一初始位置基于從濾波至約1 Hz的信號中自動拾取的數(shù)據(jù)。利用這一頻帶,我們測定的位置都接近破裂過程的起始點。隨著實時數(shù)據(jù)從已經(jīng)并入NEIC運作的83個網(wǎng)站不斷涌入,地震的震源在最初47 m in內(nèi)自動更新了54次。初始地點與(最終)審訂的NEIC目錄結(jié)果相差約80 km,NEIC目錄結(jié)果于震后約6～8周時發(fā)布。初始結(jié)果并未公布;當(dāng)結(jié)果趨于穩(wěn)定時,一次地震的地點和震級就會公之于眾,對于獲得的遠震震源而言,一般會在OT的8～15 m in內(nèi)公布。

OT+4.7 min:PT WC觀測消息,MW7.5

OT后不到5 min,PT WC發(fā)布了觀測消息,利用5個臺站資料給出估算震級。觀測消息只是初步結(jié)果,主要是為了向其他地震和海嘯觀測臺提供處境意識。由于只是初步信息,所以這些觀測消息不會出現(xiàn)在USGS網(wǎng)站上,也不會通過USGS下屬的地震通知服務(wù)系統(tǒng)(ENS)發(fā)布。PT WC和 WCA T WC兩個機構(gòu)都被授權(quán)對可能在各自責(zé)任區(qū)內(nèi)引發(fā)海嘯的地震作出速報。他們所估算的震級通常就是公眾判斷大地震的最初指標(biāo)。

O T+9.7 min:PT WC發(fā)布海嘯通報

震級:7.9

發(fā)震時刻:05:46:00

緯度 :38.00°N

經(jīng)度:142.90°E

深度:10.0 km

僅僅用了不到10 min,PT WC就發(fā)布了第一次海嘯通報。海嘯通報是NOAA官方公告,提供地震震級和震源的初步估算結(jié)果,并描述潛在的近場和遠場海嘯風(fēng)險。海嘯通報中所包含的震源信息被自動傳遞給USGS。如果USGS還沒有公開發(fā)布有關(guān)地震事件的信息,這些由NOAA提供的震源信息將被呈現(xiàn)在USGS網(wǎng)站上,當(dāng)USGS發(fā)布自己的結(jié)果時,這些信息就會被替換下來。

按照日本地區(qū)地震的既定政策,NOAA各海嘯預(yù)警中心使用的初始震源和震級都是與日本氣象廳(JMA)協(xié)調(diào)的結(jié)果。隨后的通報往往包含與USGS協(xié)調(diào)獲得的最新震級和震源估算值。

OT+18.6 min:NEIC公開發(fā)布

震級:7.9

發(fā)震時刻:05:46:23

緯度 :38.32°N

經(jīng)度 :142.37°E

深度:24.4 km

NEIC最初發(fā)布結(jié)果包括由 Hydra系統(tǒng)得出的震源和發(fā)震時刻,以及與NOAA各海嘯預(yù)警中心和JMA協(xié)調(diào)得出的 M7.9震級。此時,NEIC已經(jīng)計算出幾個內(nèi)部震級估算值,包括 mb(Lg)、mb、mL、mB和Mwp[7]。除了 Mwp的估算值為 M8.3外,所有震級都在 M7.8以下?？焖夙憫?yīng)中只考慮Mwp,因為其他幾種可用的震級形式被認(rèn)為不適合作為特大事件規(guī)模的預(yù)測值。

如果有可靠證據(jù)表明NEIC的早期震級估算結(jié)果優(yōu)于協(xié)調(diào)估算值,那么它與海嘯預(yù)警中心之間的這種協(xié)調(diào)工作并不是強制性的。然而,在第一次公開發(fā)布東日本大地震信息時,Mwp從原始估算值 M8.5(OT+8.3 min)降了下來,而且似乎尚未穩(wěn)定。雖然有跡象表明此次地震規(guī)模更大(包括來自兩個海嘯預(yù)警中心的更高的 Mwp),我們還是決定發(fā)布事件震級為 M7.9,當(dāng)基于波形的 W-phase估算工作已經(jīng)完成并經(jīng)審訂后,我們又對這一震級進行了更新。事后看來,這一決定被證明是對事件震級的嚴(yán)重低估,也反映出提供速報信息與快速測定特大地震震級中所固有的不確定性之間的緊張狀態(tài)。

OT+19.6 min: W-Phase垂直分量迭代結(jié)果#1

W-phase矩張量反演[2]自2008年7月起一直以條件運算模式在NEIC展開[3]。源自該系統(tǒng)的結(jié)果只有通過專門領(lǐng)域的專家人工審核后方可使用。一旦初始地震位置和震級發(fā)布出來,反演程序便會啟動,并反復(fù)運作,當(dāng)有結(jié)果可用時,就會添加數(shù)據(jù)。兩套反演程序并列運行:一套只使用垂直分量道,另一套使用三分量數(shù)據(jù)[4]。

MW9.0的初始解只受靠近地震(20°～40°)的極其有限的數(shù)據(jù)(6個垂直道)約束。經(jīng)驗表明,早期的 W-phase結(jié)果會出現(xiàn)高達±0.3個震級單位的差異;因此,我們決定等候反演結(jié)果趨于穩(wěn)定。

OT+20.6 min:全球ShakeMap版本1

根據(jù)M7.9的初始震級發(fā)布,第1版全球ShakeMap[8]使用的是基于震源距離近似法的地面運動預(yù)測衰減模型[9]。當(dāng)斷層規(guī)模尚未確定時,將斷層距離視為震源距離可以近似地估算出近源地面運動(圖2)。

O T+23.6 m in:PA GER版本1

根據(jù)全球 ShakeMap版本 1,第 1版PA GER估算出經(jīng)濟損失和人員死亡的警報級別分別為黃色和綠色(有關(guān)PAGER警報級別的解釋,見圖2)。由于估算的初始震級低,所以這些警報級別也被低報了。警報信息被分發(fā)給多個關(guān)鍵用戶(例如第一時間趕到現(xiàn)場的救助人員、政府機構(gòu)、救援機構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)施等)以及 NEIC的地震事件網(wǎng)頁(圖 2)。

OT+32 min:CMT研究結(jié)果內(nèi)部發(fā)布

USGS的矩心矩張量反演算法基于Jascha Polet(加州州立理工大學(xué)波莫納分校)的反演方法。Jascha Polet運行著一套僅在NEIC內(nèi)部發(fā)行的程序,這套程序——如 W phase一樣——負(fù)責(zé)啟動NEIC的最初發(fā)布[10]。僅僅在32 min之后就迅速發(fā)布的利用7道數(shù)據(jù)獲得的反演解給出了 MW8.9的震級,這就為最初的 W-phase M9.0矩張量解提供了關(guān)鍵證據(jù),由此表明剛剛發(fā)生的是一次巨大地震。

OT+38 min:NEIC/PT WC協(xié)調(diào)震級更新

震級:8.8

發(fā)震時刻:05:46:23

緯度 :38.32°N

經(jīng)度 :142.37°E

深度:24.4 km

NEIC公開發(fā)布的第一次更新結(jié)果使用了由Hydra系統(tǒng)獲取的地點和發(fā)震時刻,而震級則是與各海嘯預(yù)警中心協(xié)調(diào)的結(jié)果。各海嘯預(yù)警中心與NEIC之間的溝通肯定了CMT研究結(jié)果、 WCA T WC Mwp和由NEIC與PT WC計算得出的 W-phase結(jié)果,這些結(jié)果都在M8.8和 M9.0之間。人工審核繼續(xù)對NEIC的三分量W-phase結(jié)果進行最終認(rèn)定,與此同時,最初發(fā)布的震級需要迅速更新也已經(jīng)變得非常明了。

OT+40 min:全球ShakeMap版本2 OT+43 min:PAGER版本2

根據(jù)全球 ShakeMap版本2(如版本1一樣,更新震級為 M8.8),PAGER版本2估算出的由震動引起的經(jīng)濟損失和人員死亡的警報級別分別為紅色和黃色。由于事件驗證需要耽擱10 m in,所以10 min之后警報信息即被分發(fā)給多個關(guān)鍵用戶(例如第一時間趕到現(xiàn)場的救助人員、政府機構(gòu)、救援機構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)施等)以及NEIC的地震事件網(wǎng)頁。在這一階段,單頁警報(概要)中還會出現(xiàn)“請讀者訪問NOAA網(wǎng)頁(http:∥www.tsunami.noaa.gov)”的文字。

OT+48 min: W-Phase垂直分量結(jié)果發(fā)布

NEIC的 W-phase最終自動反演解使用了74道數(shù)據(jù)(15～90°),其給出的震級為MW8.94。這一結(jié)果只在內(nèi)部發(fā)布。

OT+62 min: W-Phase三分量結(jié)果發(fā)布

NEIC的三分量 W-phase最終自動反演解使用了89道數(shù)據(jù),其給出的震級為MW8.90,這一結(jié)果被廣泛分發(fā)給預(yù)訂用戶和NEIC的地震事件網(wǎng)頁。

OT+65 min:震級更新,NEIC公開發(fā)布

震級:8.9

發(fā)震時刻:05:46:23

緯度 :38.32°N

經(jīng)度:142.37°E

深度:24.4 km

NEIC公開發(fā)布結(jié)果的第二次更新基于相同的位置和發(fā)震時刻,震級則是根據(jù)NEIC三分量 W-phase反演解更新的。

OT+1 h 0 9 min:全球ShakeMap版本3

OT+1 h 16 min:PAGER版本3

此次更新的震級再次引發(fā)ShakeMap和PAGER的更新;新修訂的震級使震動引起死亡的警報級別提升至橙色。從這一階段開始,PAGER警報級別保持穩(wěn)定(經(jīng)濟損失為紅色、死亡情況為橙色),這種狀態(tài)一直持續(xù)至事件發(fā)生的幾天以后,此時發(fā)布的數(shù)據(jù)中估算的死亡人數(shù)已有所增大,由此,基于死亡的警報級別被提升至紅色。

O T+1 h 35 m in:構(gòu)造概況公布

如所有較大地震一樣,NEIC也提供了東日本大地震的構(gòu)造概況,描述了震源區(qū)廣泛的構(gòu)造、此次地震所涉及的板塊及其相對運動速率、引發(fā)地震破裂的可能的震源斷層以及近期附近的歷史地震活動。

隨后的構(gòu)造概況迭代結(jié)果于地震后幾天內(nèi)發(fā)布,這些結(jié)果提供了有關(guān)該區(qū)歷史地震活動的更為詳細的資料,特別是與引發(fā)海嘯的大地震相關(guān)的資料。這些概況信息還有西班牙語版本,是在初始發(fā)布的幾個小時以后提供的。

OT+1 h 45 min～2 h 35 min:有限斷層反演、迭代結(jié)果#1和#2

有限斷層初始反演結(jié)果使用了以三分量 W-phase自動反演解為依據(jù)的斷層幾何形態(tài),其走向與日本海溝的幾何形態(tài)不符(分別為230°對大約195°);因此,這一初始解反映的破裂過程是錯誤的。根據(jù)來自當(dāng)?shù)匕迤瑤缀涡螒B(tài)的信息(USGS Slab1.0 model,http://on.doi.gov/d9ARbS;文獻[11])和重新反演的數(shù)據(jù),對斷層面走向進行了重新調(diào)整。隨后的結(jié)果(版本 2,OT+2 h 35 m in)識別出一次長約300 km的雙側(cè)破裂,以～60 s等時線為中心,破裂以南和以北分別有一個較大凹凸體。

OT+2 h 42 min:全球ShakeMap版本4,斷層有限性

有限斷層反演結(jié)果和余震的總體分布都揭示出主要為南向的、略微呈雙側(cè)破裂模式,破裂長度約 300 km,由此,此時的ShakeMap綜合考慮兩種結(jié)果,增加了有限斷層的近似規(guī)模。ShakeMap還包含了數(shù)百個來自“Did You Feel It?”(DYFI?)(USGS基于網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)烈度調(diào)查系統(tǒng)——譯者注)的強震調(diào)查結(jié)果。雖然有限斷層規(guī)模后來經(jīng)過修改(如下所述),但結(jié)果證明最初的估算值對于所用的地面運動預(yù)測衰減模型而言是有效的。事實證明,到本文發(fā)表時,由PAGER系統(tǒng)用這一近似模型估算出的基于震動的損失與已知的震動相關(guān)的損失是一致的。

OT+6 h 04 min: W-phase三分量解、人工更新、重新發(fā)布

初始自動解發(fā)布和公布后,由于可以通過NEIC波形緩沖區(qū)獲取更多的數(shù)據(jù),因而 W-phase反演結(jié)果得以完善,尤其是注意了反演數(shù)據(jù)的質(zhì)量。又經(jīng)過幾次迭代以后,擁有234個數(shù)據(jù)道的反演結(jié)果給出的矩震級為MW8.99。這一解的最佳雙力偶也與當(dāng)?shù)匕迤瑤缀涡螒B(tài)非常吻合。這個CMT結(jié)果于O T+5 h 17 min時在內(nèi)部發(fā)布,47 min后又發(fā)表于NEIC事件網(wǎng)頁上。考慮到震級變化不大(0.1個單位),而且在隨后幾小時/天內(nèi)仍有可能進一步更新和完善 W-phase結(jié)果,所以NEIC將其官方震級在預(yù)期的審核之前一直保持在M8.9。

O T+6 h 55 m in:有限斷層反演、迭代結(jié)果#3C

MW9.0促成對版本2的解進行重新反演的原因有二。第一,地震啟動的相對緩慢(由最初～50 s的低矩率證明)和破裂速度(最初被限定在1.9～3.3 km/s))的參數(shù)化使得版本2解中的破裂遠離了震源。如果優(yōu)先考慮反演數(shù)據(jù),那么破裂速度范圍就可以調(diào)整,使破裂靠近震源。第二,版本2解中的最大滑移量被限定在15 m;這一數(shù)值被放大了,目的是讓看似致密型破裂中(在初始反演中被限制在～150 s的高矩率、震源在300 km之內(nèi))的滑移更大。

在版本3中,破裂幾何形態(tài)被修正,速度跳躍很大(0.5～3.5 km/s),滑移峰值未受到嚴(yán)格約束。在重新進行仔細的數(shù)據(jù)調(diào)整和放寬地震矩最小化限制之后(使地震矩受反演數(shù)據(jù)——主要是面波——約束,而不是受CMT輸入解約束),版本3C揭示出震源機制為雙側(cè)破裂、長度近300 km,沿走向、上傾朝日本海溝方向滑動,滑移峰值近18 m。這一結(jié)果(OT+6 h 55 min)在內(nèi)部發(fā)布,約3 h后又發(fā)表于NEIC事件網(wǎng)頁上(圖3)。

OT+1～24 h:新聞媒體的響應(yīng)

從地震發(fā)生后幾分鐘開始一直到第2天,一個由NEIC分析師、通信職員和研究人員組成的團隊幾乎都在不斷地回應(yīng)來自媒體的咨詢。地方的和國家級的新聞機構(gòu)涌入NEIC的各個辦公室,對地震的不同方面及其毀滅性海嘯進行了一系列的直播報道,包括我們媒體中心的晚間新聞直播報道。在地震發(fā)生后24 h內(nèi),訪談也幾乎持續(xù)不斷;隨后的一個星期內(nèi)又有數(shù)十次采訪。

OT+7 h 19 min:全球 CMT(gCMT)解,版本1發(fā)布

最新的 W-phase反演解(MW9.0)和初始快速有限斷層模型發(fā)布后不久,gCMT小組(http:∥www.globalcm t.org)發(fā)布了其東日本大地震矩張量的初始估算值,給出矩震級為MW9.12。這一解的最佳擬合雙力偶的淺傾斜面(走向 =201°,傾角 =09°,滑動角 =85°)比 W-phase 解(走向 =193°,傾角=14°,滑動角=81°)的傾斜面淺得多,說明兩個解之間的地震矩差(gCMT的6.0×1029dyne-cm對 W phase的3.9×1029dyne-cm)可能與 Kanamori和 Given[12]最先提出的、目前已廣為人知的淺源地震的矩-傾角平衡相關(guān)。不過,這一偏差也表明需要進行進一步的詳細分析。

將近3天后,gCMT將其反演結(jié)果更新至另一個解,其矩震級為 MW9.08,震源機制變化不大(走向=203°,傾角=10°,滑動角 =88°)。

OT+8 h:地震概況公告

地震發(fā)生大概8 h后,NEIC地震事件網(wǎng)頁上發(fā)布了最初版本的USGS地震概況公告,描述了構(gòu)造背景、當(dāng)?shù)氐牡卣鹞ｋU性、區(qū)域地震活動以及快速 ShakeMap和PAGER結(jié)果。

OT+2 d: W-phase傾角敏感性分析

圖3 USGS/NEIC得到的東日本大地震最初的(a,b)和更新的(c,d)有限斷層滑移分布圖。圖(a)和(b)示出每一解的震源時間函數(shù)。在(b)和(d)圖中,反演的滑動分布被展現(xiàn)在假定的矩形斷層幾何形狀內(nèi),滑移量用顏色表示,每4 m畫一條輪廓線?；屏吭? m以下的區(qū)域是部分透明的。每一子斷層的滑移向量用灰色箭頭表示,也是根據(jù)滑移量按比例繪制的。在圖(d)中,紅色等值線代表2011年3月9日 M W 7.3前震的0.5 m和1.0 m滑移分布

隨后幾天,震級估算值被進一步修正。這項工作包括與下列人員進行的后續(xù)討論,他們是:斯特拉斯堡地球物理學(xué)院(法國斯特拉斯堡大學(xué))的Louis Rivera、加州州立理工大學(xué)波莫納分校的Jascha Polet和Lamont-Doherty地球觀象臺的Meredith Nettles。我們和這些研究人員利用不同數(shù)據(jù)和方法獲得的震級估算值結(jié)果接近,差異一般不超過0.1個震級單位。

最終的USGS震級估算值M9.0基于對USGS W-phase結(jié)果的仔細審核,而且也與JMA最終的(現(xiàn)在的)官方預(yù)測值相吻合。USGS M9.0是在測試 W-phase反演結(jié)果對矩心位置、深度和對反演傾角的(直接)敏感度之后獲得的,測試過程中沿模擬的板片表面(據(jù)USGS Slab1.0模型;圖4)不時地進行一系列固定矩心反演,所用濾波數(shù)據(jù)集來自發(fā)表的最新 W-phase反演解。推斷最佳擬合解既利用了反演在恢復(fù)固定地點板片界面的幾何形態(tài)方面的能力,又使用了合成數(shù)據(jù)與這些數(shù)據(jù)的均方根擬合差。結(jié)果顯示出對反演程序中所用 PREM(初始參考地球模型)[13]速度模型中的界面相當(dāng)敏感,但最優(yōu)解顯示深度為 21 km,傾角 12°,矩震級MW9.03(圖 4)。

OT+3 d 16 h:NEIC公開發(fā)布更新#3

圖4 由USGSSlab1.0模型得到的俯沖幾何形態(tài),以及地震矩心和傾角的 W-phase解試驗。圖(a)示出通過主震震中(垂直虛線)俯沖帶的橫截面,是與Slab1.0獲得的2D剖面疊加而成。黃色CMT結(jié)果表示用于限制板片幾何形態(tài)的gCMT解;灰色圓圈和機制解代表背景地震活動性。紅色菱形代表由區(qū)域地震活動性探測獲得的數(shù)據(jù),也用于幾何形態(tài)的約束。詳情請見http:∥earthquake.usgs.gov/research/data/slab/。圖(b)示出Slab1.0界面的傾角?；疑珗A圈表示由圖(a)得出的黃色機制解的傾角。在圖(c)中,我們示出沿板片界面固定矩心位置的 W-phase CMT反演結(jié)果,以檢測反演結(jié)果對位置的敏感性及其解析板片界面傾角的能力。最優(yōu)解用褐紅色表示;其他解用紅色表示。在圖(d)中,我們將此結(jié)果與最初的和更新的gCMT解相比較。最后,在圖(e)中,我們示出迭代的 W-phase反演解,其中的矩心位置被允許可以水平變化但不能垂直變化。每次迭代后,矩心位置被轉(zhuǎn)移到Slab1.0界面,數(shù)據(jù)從新的地點被重新反演。這一過程一直持續(xù)到矩心位置不再從起始位置移動為止,由此得到機制解#3,用褐紅色表示

考慮到 W-phase結(jié)果已經(jīng)更新,而且我們也對傾角敏感度進行了深度分析,因此USGS/NEIC決定在地震發(fā)生的3.5天之后將其對東日本大地震的震級分類進行更新,這一時間正好與一次新聞發(fā)布會巧合(http:∥on.doi.gov/gcBgWv)。在經(jīng)過獨立分析之后,JMA也將其震級估算值更新為M9.0。

3 討論

所幸的是,像東日本地震這樣的巨大地震并不多見?；谝陨险宫F(xiàn)的時間線,可以對NEIC在一次罕見、超大地震中的應(yīng)急響應(yīng)作出評述。NEIC響應(yīng)的核心部分——地震位置和規(guī)模的快速測定以及這些信息的迅速發(fā)布——是合理可靠的。NEIC也快速準(zhǔn)確地發(fā)布(并隨后更新)如 ShakeMap和PAGER等更多的產(chǎn)品。在下面的章節(jié)中,我們將討論震級、ShakeMap、PAGER和有限斷層模型的演變過程,并提供決定發(fā)布更新結(jié)果時的背景情況。與2004年蘇門答臘-安達曼地震相比,對東日本大地震的響應(yīng)始終較快,而且(事后看來)也更精確。當(dāng)然,在幾條戰(zhàn)線上仍有改進的空間,尤其是在初始震級及其更新結(jié)果的協(xié)調(diào)方面,以及利用先驗的斷層幾何形態(tài)構(gòu)建快速有限斷層模型的協(xié)調(diào)方面。

3.1 震級的演變

東日本大地震發(fā)生的65 min之內(nèi),NEIC估算的最初震級就經(jīng)過了一次更新——從最初的協(xié)調(diào)結(jié)果M7.9(OT+18.6 min)更新至M8.9(OT+65 min)。20 min之內(nèi), W-phase算法獲得了初步的巨大震級估算值(由 W-phase垂直分量迭代結(jié)果#1得出MW9.0,OT+19.6 min),由此推測出此次事件的潛在毀滅性影響。3天以后,震級估算值被最終更新為MW9.0,反映出對事件又進行了更多詳細的分析。這一最終更新結(jié)果對于隨后展開的對事件的精確描述和詳細分析非常重要,而且,USGS ShakeMap和PA GER產(chǎn)品中 M8.9相對 M9.0的穩(wěn)定性所反映的地震災(zāi)情實時估算狀況不會受到太大影響。未來的工作重點將是,按照NEIC的要求認(rèn)真審核初始震級中的不確定性(特別是利用 W-phase和快速CMT估算的類似大地震的結(jié)果),以將震級測定結(jié)果盡可能地控制在有限的范圍之內(nèi),并確保其權(quán)威性。

將NEIC對2011年東日本大地震的響應(yīng)與其對2004年12月26日蘇門答臘-安達曼島地震的響應(yīng)相比較,我們便會得到某種啟示。在后一個事例中,最初的自動NEIC解(未公開發(fā)布)是在17 min后得到的,當(dāng)時估算的震級為 mb6.2。又過了10 min后,自動NEIC解給出的內(nèi)部結(jié)果說明震級規(guī)模很大,矩震級為 MW8.2。在地震發(fā)生后1 h 23 min,地震參數(shù)公布了,震級為 MS8.5。后來,6 h 13 min后,震級被更新為MW8.9,這一結(jié)果是根據(jù)初步的全球CMT(當(dāng)時即哈佛CMT)解獲得的。重要的是,當(dāng)時的NEIC還依賴于其他機構(gòu)提供的權(quán)威震級測定結(jié)果。

NEIC對2011年東日本大地震的響應(yīng)始終比對2004年蘇門答臘-安達曼島事件的響應(yīng)要快。最初公開發(fā)布的東日本大地震M7.9震級(OT+18.6 min)雖然比最終震級低了許多,但其發(fā)布的時間卻比2004年時的初次震級發(fā)布時間(OT+77 min)快了將近1個小時。更重要的是,2011年,在內(nèi)部算法迅速表明震級規(guī)模被大大低估后,NEIC在 38 m in內(nèi)便將震級公開更新至M8.8,又在65 min內(nèi)更新至 M8.9。

如果將2011年和2004年的時間線疊加在一起進行比較,我們會發(fā)現(xiàn)當(dāng)2011年震級更新至最終震級的0.1個單位以內(nèi)時,有關(guān)2004年蘇門答臘地震的巨大規(guī)模的任何官方消息仍未公開發(fā)布。換句話說,2011年全球的人們在數(shù)分至數(shù)小時之內(nèi)就知道了東日本地震的巨大規(guī)模,而在2004年,發(fā)布此類信息卻用了數(shù)小時至數(shù)天的時間。

如此大幅度的改進應(yīng)歸因于自2004年以來發(fā)生的運作程序上的以及制度方面的變遷,這些變遷是 GSN、NEIC和研發(fā)機構(gòu)在快速表征大地震震級方面的投入所獲得的直接或間接結(jié)果。最重要的是,NEIC已經(jīng)擯棄了從前奉行的正常辦公時間以外隨叫隨到的分析和研究機制,取而代之的是24/7的全天候運作機制。一些學(xué)術(shù)合作伙伴通過外部資助項目對我們予以支持,他們的專業(yè)技能使我們受益匪淺,此外,我們還得到了一些6年前按慣例無法得到的非現(xiàn)金形式的支持,這同樣也使我們從中獲得裨益。有了他們的支持,我們才能建立、測試和運作快速精確的基于震源的分析,這樣一來,地震震級(以及其他諸如破裂持續(xù)時間和斷層有限性等基于震源的觀測結(jié)果)就可以得到比從前更加及時準(zhǔn)確的描繪。最后,由于有了新聘人員的參與和基于事件的直接經(jīng)驗,我們已經(jīng)建立起一支分析和研究隊伍,并相應(yīng)地建立起了一套能夠使地震響應(yīng)工作更加流暢、精確、協(xié)調(diào)的程序。

相比之下,當(dāng)面對2004年的 M9.1地震時,NEIC缺乏一套能夠快速提供事件的科學(xué)框架和估算事件的社會影響力的綜合工具。今天,我們的挑戰(zhàn)已經(jīng)變成怎樣完善這些工具以使其在工作中更好地協(xié)調(diào)作戰(zhàn),以及怎樣簡化我們的外部協(xié)調(diào)工作,使其效率更高。

3.2 ShakeMap和PAGER的演變

ShakeMap和PA GER是USGS將地震信息轉(zhuǎn)化成圖片形式的產(chǎn)品,這些圖形包括預(yù)期的地面震動以及死亡人數(shù)和經(jīng)濟損失的估算值。ShakeMap和 PAGER的實用價值都依賴于快速震源評估和更新結(jié)果的即時發(fā)布。我們在此不對ShakeMap和 PAGER做詳細的評價,而是著重討論這些產(chǎn)品與震級、斷層幾何形態(tài)以及滑移更新結(jié)果之間的關(guān)系。

ShakeMap震動分布和PAGER受災(zāi)人口初步估算值(圖2)比最終估算值低,原因是初步估算值依賴于最初的低震級(M7.9)。隨著震級估算值的更新,ShakeMap震動分布和PA GER受災(zāi)人口估算值以及警報級別都朝著各自的最終估算值迅速增大(O T+1 h 09 min:全球ShakeMap版本3;OT+1 h 16 min:PAGER版本3)。

大地震需要有近似的斷層幾何形態(tài)來支持,這樣才能保證對最初的 ShakeMap和PAGER分析結(jié)果所進行的更新的精確性。在地震發(fā)生后2 h 40 min(ShakeMap版本4)對ShakeMap進行的更新結(jié)果考慮了來自區(qū)域“DYFI?”調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)以及斷層有限性信息——即破裂區(qū)域的長度和寬度。2011年3月14日,日本國家地球科學(xué)與防災(zāi)研究所(N IED)發(fā)布了由強震數(shù)據(jù)反演得到的滑移分布估算值(ShakeMap版本5),當(dāng)日,最初的斷層規(guī)模估算值(基于余震分布)即被修改。次日,即2011年3月15日,K-Net記錄的強震數(shù)據(jù)子集發(fā)布,并當(dāng)即被納入ShakeMap(ShakeMap版本6)。同樣,KiK-Net強震數(shù)據(jù)子集于2011年3月19日發(fā)布,ShakeMap隨即更新至版本8。完整的K-Net和 KiK-Net數(shù)據(jù)集分別于2011年3月23日和2011年3月26日發(fā)布,此后便產(chǎn)生了 ShakeMap的最終更新結(jié)果——ShakeMap版本10～12。隨后發(fā)布的版本都與震后不到3 h發(fā)布的ShakeMap版本4差異不大。

每當(dāng)有最新的 ShakeMap發(fā)布時,PAGER也隨之更新。在OT+43 min第一次震級更新之后,警報級別變?yōu)榧t色(根據(jù)經(jīng)濟損失估算值);地震發(fā)生后75 min時,死亡人數(shù)的警報級別變?yōu)槌壬?。PA GER的這些警報級別一直保持不變,直至ShakeMap版本10發(fā)布,因為這時有了完整的 K-Net和 KiK-Net數(shù)據(jù)可用。這些數(shù)據(jù)中有一部分表明記錄的地面運動比從前觀測的或估算的要高,因此ShakeMap也隨之更改,PAGER死亡人數(shù)警報級別也相應(yīng)地提升至紅色。

3.3 有限斷層模型的演變

有限斷層模型提供滑移沿地震破裂隨時間變化的情況。這些模型的高潮部分就是斷層面上的靜滑移圖,這對于快速危險性估計而言是最重要的。源自有限斷層模型的破裂長度和最大滑移估算值可以對預(yù)期地面震動和人口受災(zāi)情況的估算形成重要約束。

根據(jù)遠震數(shù)據(jù)獲得的早期快速有限斷層滑移分布估算值(版本1和版本2)就板片結(jié)構(gòu)而言與斷層幾何形態(tài)不符,而且在破裂速度和滑移峰值參數(shù)化方面也遇到了困難。利用來自Slab1.0的先驗幾何信息,并允許在反演程序中出現(xiàn)寬泛的破裂速度和滑移量,上述問題便得以校正,由此產(chǎn)生第3版模型。該模型提供了第一個日本海溝俯沖帶上滑移分布的精確的估算值。這一模型在地震發(fā)生后7 h之內(nèi)建成并在內(nèi)部發(fā)布。雖然自那以后模型被不斷更新(圖3;參見http:∥on.doi.gov/h32IYb),以更好地解釋斷層幾何形態(tài)、數(shù)據(jù)分布和質(zhì)量以及其他有關(guān)模擬程序的詳細情況,但是,由這第一個模型估算的沿走向、上傾的滑移分布概況與之后發(fā)布的各種模型所揭示的情況非常類似。有關(guān)這些模型的詳細情況以及對其敏感性的討論可參閱 Hayes[14]。圖3也顯示出3月9日MW7.3前震期間的滑移與主震滑移的關(guān)系,表明東日本大地震可能使與前震相同的區(qū)段再次發(fā)生了破裂——盡管就平均值而言其滑移量比較低。

早期矩張量估算值的節(jié)面中的不確定性表明了利用先驗信息——比如來自像Slab1.0這樣的模型的信息——來約束最初的斷層幾何形態(tài)的有效性。倘若一次事件與東日本大地震類似,利用Slab1.0研究未來較大的俯沖帶地震可以將初次估算滑移分布的時間減小2/3。

4 總結(jié)

本文首次在一個正式出版的刊物上以時間線的形式呈現(xiàn)出NEIC對一次全球性大地震所作響應(yīng)的情況。我們概要介紹了NEIC及其合作機構(gòu)對這次地震的主要觀測結(jié)果,討論了這些分析結(jié)果的演變過程,并簡要介紹了這些信息是何時、通過何種方式向公眾以及內(nèi)部和外部各方發(fā)布的。我們介紹這些資料的目的就是為一次罕見的、巨大地震的響應(yīng)工作所面臨的問題提供一個詳盡的解釋。我們設(shè)想本文中的時間線模式能夠突出顯示技術(shù)和程序方面的成功與不足之處,這有助于推動我們在學(xué)術(shù)上的合作伙伴的研究工作,也有利于改進我們自己未來的響應(yīng)工作。我們展示了自2004年蘇門答臘-安達曼地震以后的6年來NEIC的響應(yīng)工作水平是怎樣得以大幅度提高的。我們相信,有了對此次災(zāi)難的研究經(jīng)驗以及已經(jīng)記錄到的空前密集的、不同種類的數(shù)據(jù)集,未來的工作必然會得以持續(xù)改進。

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