88小时:美国地质调查局国家地震信息中心对2011年3月11日M W 9.0日本地震的响应＊

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日日本本州岛东海岸附近海域发生的 M9.0地震(Tohoku earthquake,以下称“东日本大地震”——译者注)及其引发的海啸造成数以万计的人员死亡,造成的财产损失可能超过1万亿美元,这是有历史记录以来最严重的自然灾害之一。美国地质调查局国家地震信息中心(USGS/NEIC)负有对全球发生的重大地震事件作出快速响应的责任,这也是美国国家地震减灾计划(National Earthquake Hazards Reduction Program)的一个组成部分。正是出于这种责任,USGS/NEIC迅速产出和发布了一系列地震信息产品,将地震的潜在影响及时告知应急响应者、公众、媒体和学术界,并为解释此次事件的构造背景和未来可能的危险性提供科学依据。

在此,我们以时间线的形式介绍了在全球地震响应系统的信息发生快速变化的背景下NEIC对此次灾难性地震作出的响应。这条时间线包含了内部的和公开发布的产品,其中公开发布的信息产品在时间安排上充分考虑了人们对提供及时警报的需求与相关部门发布精确、权威信息的必要性之间的内在平衡。这条时间线还记载了NEIC产出的标准产品的重复性与演变过程,并包含了促成产品快速发布的决策、数据和分析工具的一些幕后故事。

1 美国地质调查局国家地震信息中心

NEIC开展每周7天、每天24小时(24/7)的全天候业务,主要致力于全球所有重大地震事件的地点和规模的快速测定,并将此类信息立即传递给相关国家以及国际机构、科学家、关键设施和公众。

在其24/7的运作期间,NEIC通常至少配备两名地球物理学家,他们负责在地震发生的20 min内对所有5级及以上地震事件进行审查并作出报告。每当有较大破坏性地震发生,这些分析人员也当场圆满答复媒体的呼入电话,并与USGS从事研究的科学家和职员进行沟通交流。此外,NEIC的计算机运行一直由USGS的IT职员或业余时间承包人管理。通常,像东日本大地震这样的破坏性地震发生1 h之内,“国家地震减灾计划”就会增加分析人员,对随后的余震进行审查并将地震信息产品传播出去,与此同时,科学和地理信息系统(GIS)工作人员便开始收集有关破裂动力学、区域地质学和构造学等方面的更有价值的信息和内容。USGS联络处也增加职员,对来自各方的询问作出解答。

近几年来,NEIC的地震响应在3个重要方面得以逐步发展。首先,可用于全球实时观测的地震台站大大增加。当2004年苏门答腊-安达曼岛 M9.1地震发生时,NEIC收到了来自近350个台站的实时数据;而今天,我们可以收到来自全世界83个地震台网的1183个台站的数据。这些台网包括已经作出重大改进的全球地震台网(GSN),其高动态范围、运作稳定性和实时遥测可靠性[1]等都使它在我们的应急响应工作中发挥着至关重要的作用。第二,机构间和国际间的合作水平已经超越了波形数据共享,实现了实时震源参数的协调。第三,NEIC所用的地震模拟和分析工具已经变得更加复杂先进和方便实用,其范围也得到大大拓展。取得的模拟与分析进展有实例为证,如估算基本震源参数的方法的改进、震级测定中快速稳健的程序、有限断层模型的产出,以及基于潜在经济损失和人员死亡情况对地震灾情所作的快速估算。

2 NEIC对东日本地震系列的响应

一次重大地震事件发生后的数分钟和数小时内,NEIC都会不断修订其震源参数的估算值。在这一处理过程中的某些关键点,我们会向公众发布信息,信息产品也会更新至更高的水平。如果我们不断更新(有时还会出现错误)自动的或初步的震级和地点估算值,NEIC用户就不会得到良好的服务;因而,只有当我们认为信息已经稳定、且具有实际价值和权威性时,我们才会公开发布并更新信息产品。标准的运作程序已经具备,但每一次地震事件都是独一无二的,要刻画其特性就必须对所用的各个运算法则和系统的优缺点有充分的认识。

NEIC并不是孤立地对较大地震事件作出响应。在对潜在的海啸地震作出响应的最初阶段,NEIC会协同美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的太平洋海啸预警中心(PT WC)和西海岸/阿拉斯加海啸预警中心( WCA T WC)对震级进行调整。对于发生在日本的地震,各海啸预警中心(T WC)再协同日本气象厅(JMA)对震源和震级进行调整。各机构间的协调配合会带来某些挑战,但这种方式却为应急响应者和公众提供了一致的信息。这样一来,协调可能相互矛盾的信息的重担就落在了地震机构自己——而不是应急响应者——的肩上。

下面介绍的NEIC对东日本地震序列的响应涉及对内部和公开发布的产品的讨论。文中记述了NEIC产品的范围及其重复性。

2.1 前震

东日本大地震前的两天时间中发生了一系列大的前震。3月9日,东日本大地震震中的东-东北约40 km处发生了一次 M7.3事件(http:∥on.doi.gov/hi1H r0),随后在同一天内又发生了3次 M6.0以上地震。正如对世界上任何一次较大地震事件作出的响应一样,NEIC迅速发布了每一次事件的地点、震级、震动图(Shake Map)和 PAGER(全球地震响应快速评估系统)产品,我们还根据USGS长周期震相( W-phase)矩张量解[2-4]发布了 M7.3事件和其中两次 M6+地震事件的补充信息。M7.3地震同震滑移的有限断层反演结果[5]显示出约70 km×50 km的破裂区域,约1.3 m的滑移峰值出现在震源以北地区(http:∥on.doi.gov/jKn Hd4)。

2.2 M W 9.0主震

我们将NEIC对主震的响应以时间线的形式呈现出来,这条时间线是以地震的发震时刻(OT)2011年3月11日05:46:23 U TC(世界协调时)为基准点描绘的(图1)。时间线一步步展示出了震源和震级信息获得的过程和发布时的情况、紧随其后的信息产品收集和发布时的情况,以及实时响应期间所作的各种决策背后的推理过程。

图1 NEIC对东日本大地震响应时间线最初50 m in快照。时间线中每一次事件的时间都用相对于地震发震时刻的UTC表示。较大事件用灰色框突出显示。欲查阅QuickTime.MOV格式的完整时间线,请见网上资料

OT+3.8 min:初始震源

发震时刻:05:46:21

纬度 :38.16°N

经度:143.25°E

深度:60.0 km

东日本大地震的初始震源由NEIC实时处理系统 Hydra在不到4 min时获得[6],所用数据为来自日本、韩国和中国大陆的台站的8个P波观测结果。这一初始位置基于从滤波至约1 Hz的信号中自动拾取的数据。利用这一频带,我们测定的位置都接近破裂过程的起始点。随着实时数据从已经并入NEIC运作的83个网站不断涌入,地震的震源在最初47 m in内自动更新了54次。初始地点与(最终)审订的NEIC目录结果相差约80 km,NEIC目录结果于震后约6～8周时发布。初始结果并未公布;当结果趋于稳定时,一次地震的地点和震级就会公之于众,对于获得的远震震源而言,一般会在OT的8～15 m in内公布。

OT+4.7 min:PT WC观测消息,MW7.5

OT后不到5 min,PT WC发布了观测消息,利用5个台站资料给出估算震级。观测消息只是初步结果,主要是为了向其他地震和海啸观测台提供处境意识。由于只是初步信息,所以这些观测消息不会出现在USGS网站上,也不会通过USGS下属的地震通知服务系统(ENS)发布。PT WC和 WCA T WC两个机构都被授权对可能在各自责任区内引发海啸的地震作出速报。他们所估算的震级通常就是公众判断大地震的最初指标。

O T+9.7 min:PT WC发布海啸通报

震级:7.9

发震时刻:05:46:00

纬度 :38.00°N

经度:142.90°E

深度:10.0 km

仅仅用了不到10 min,PT WC就发布了第一次海啸通报。海啸通报是NOAA官方公告,提供地震震级和震源的初步估算结果,并描述潜在的近场和远场海啸风险。海啸通报中所包含的震源信息被自动传递给USGS。如果USGS还没有公开发布有关地震事件的信息,这些由NOAA提供的震源信息将被呈现在USGS网站上,当USGS发布自己的结果时,这些信息就会被替换下来。

按照日本地区地震的既定政策,NOAA各海啸预警中心使用的初始震源和震级都是与日本气象厅(JMA)协调的结果。随后的通报往往包含与USGS协调获得的最新震级和震源估算值。

OT+18.6 min:NEIC公开发布

震级:7.9

发震时刻:05:46:23

纬度 :38.32°N

经度 :142.37°E

深度:24.4 km

NEIC最初发布结果包括由 Hydra系统得出的震源和发震时刻,以及与NOAA各海啸预警中心和JMA协调得出的 M7.9震级。此时,NEIC已经计算出几个内部震级估算值,包括 mb(Lg)、mb、mL、mB和Mwp[7]。除了 Mwp的估算值为 M8.3外,所有震级都在 M7.8以下。快速响应中只考虑Mwp,因为其他几种可用的震级形式被认为不适合作为特大事件规模的预测值。

如果有可靠证据表明NEIC的早期震级估算结果优于协调估算值,那么它与海啸预警中心之间的这种协调工作并不是强制性的。然而,在第一次公开发布东日本大地震信息时,Mwp从原始估算值 M8.5(OT+8.3 min)降了下来,而且似乎尚未稳定。虽然有迹象表明此次地震规模更大(包括来自两个海啸预警中心的更高的 Mwp),我们还是决定发布事件震级为 M7.9,当基于波形的 W-phase估算工作已经完成并经审订后,我们又对这一震级进行了更新。事后看来,这一决定被证明是对事件震级的严重低估,也反映出提供速报信息与快速测定特大地震震级中所固有的不确定性之间的紧张状态。

OT+19.6 min: W-Phase垂直分量迭代结果#1

W-phase矩张量反演[2]自2008年7月起一直以条件运算模式在NEIC展开[3]。源自该系统的结果只有通过专门领域的专家人工审核后方可使用。一旦初始地震位置和震级发布出来,反演程序便会启动,并反复运作,当有结果可用时,就会添加数据。两套反演程序并列运行:一套只使用垂直分量道,另一套使用三分量数据[4]。

MW9.0的初始解只受靠近地震(20°～40°)的极其有限的数据(6个垂直道)约束。经验表明,早期的 W-phase结果会出现高达±0.3个震级单位的差异;因此,我们决定等候反演结果趋于稳定。

OT+20.6 min:全球ShakeMap版本1

根据M7.9的初始震级发布,第1版全球ShakeMap[8]使用的是基于震源距离近似法的地面运动预测衰减模型[9]。当断层规模尚未确定时,将断层距离视为震源距离可以近似地估算出近源地面运动(图2)。

O T+23.6 m in:PA GER版本1

根据全球 ShakeMap版本 1,第 1版PA GER估算出经济损失和人员死亡的警报级别分别为黄色和绿色(有关PAGER警报级别的解释,见图2)。由于估算的初始震级低,所以这些警报级别也被低报了。警报信息被分发给多个关键用户(例如第一时间赶到现场的救助人员、政府机构、救援机构、关键设施等)以及 NEIC的地震事件网页(图 2)。

OT+32 min:CMT研究结果内部发布

USGS的矩心矩张量反演算法基于Jascha Polet(加州州立理工大学波莫纳分校)的反演方法。Jascha Polet运行着一套仅在NEIC内部发行的程序,这套程序——如 W phase一样——负责启动NEIC的最初发布[10]。仅仅在32 min之后就迅速发布的利用7道数据获得的反演解给出了 MW8.9的震级,这就为最初的 W-phase M9.0矩张量解提供了关键证据,由此表明刚刚发生的是一次巨大地震。

OT+38 min:NEIC/PT WC协调震级更新

震级:8.8

发震时刻:05:46:23

纬度 :38.32°N

经度 :142.37°E

深度:24.4 km

NEIC公开发布的第一次更新结果使用了由Hydra系统获取的地点和发震时刻,而震级则是与各海啸预警中心协调的结果。各海啸预警中心与NEIC之间的沟通肯定了CMT研究结果、 WCA T WC Mwp和由NEIC与PT WC计算得出的 W-phase结果,这些结果都在M8.8和 M9.0之间。人工审核继续对NEIC的三分量W-phase结果进行最终认定,与此同时,最初发布的震级需要迅速更新也已经变得非常明了。

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

根据全球 ShakeMap版本2(如版本1一样,更新震级为 M8.8),PAGER版本2估算出的由震动引起的经济损失和人员死亡的警报级别分别为红色和黄色。由于事件验证需要耽搁10 m in,所以10 min之后警报信息即被分发给多个关键用户(例如第一时间赶到现场的救助人员、政府机构、救援机构、关键设施等)以及NEIC的地震事件网页。在这一阶段,单页警报(概要)中还会出现“请读者访问NOAA网页(http:∥www.tsunami.noaa.gov)”的文字。

OT+48 min: W-Phase垂直分量结果发布

NEIC的 W-phase最终自动反演解使用了74道数据(15～90°),其给出的震级为MW8.94。这一结果只在内部发布。

OT+62 min: W-Phase三分量结果发布

NEIC的三分量 W-phase最终自动反演解使用了89道数据,其给出的震级为MW8.90,这一结果被广泛分发给预订用户和NEIC的地震事件网页。

OT+65 min:震级更新,NEIC公开发布

震级:8.9

发震时刻:05:46:23

纬度 :38.32°N

经度:142.37°E

深度:24.4 km

NEIC公开发布结果的第二次更新基于相同的位置和发震时刻,震级则是根据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

此次更新的震级再次引发ShakeMap和PAGER的更新;新修订的震级使震动引起死亡的警报级别提升至橙色。从这一阶段开始,PAGER警报级别保持稳定(经济损失为红色、死亡情况为橙色),这种状态一直持续至事件发生的几天以后,此时发布的数据中估算的死亡人数已有所增大,由此,基于死亡的警报级别被提升至红色。

O T+1 h 35 m in:构造概况公布

如所有较大地震一样,NEIC也提供了东日本大地震的构造概况,描述了震源区广泛的构造、此次地震所涉及的板块及其相对运动速率、引发地震破裂的可能的震源断层以及近期附近的历史地震活动。

随后的构造概况迭代结果于地震后几天内发布,这些结果提供了有关该区历史地震活动的更为详细的资料,特别是与引发海啸的大地震相关的资料。这些概况信息还有西班牙语版本,是在初始发布的几个小时以后提供的。

OT+1 h 45 min～2 h 35 min:有限断层反演、迭代结果#1和#2

有限断层初始反演结果使用了以三分量 W-phase自动反演解为依据的断层几何形态,其走向与日本海沟的几何形态不符(分别为230°对大约195°);因此,这一初始解反映的破裂过程是错误的。根据来自当地板片几何形态的信息(USGS Slab1.0 model,http://on.doi.gov/d9ARbS;文献[11])和重新反演的数据,对断层面走向进行了重新调整。随后的结果(版本 2,OT+2 h 35 m in)识别出一次长约300 km的双侧破裂,以～60 s等时线为中心,破裂以南和以北分别有一个较大凹凸体。

OT+2 h 42 min:全球ShakeMap版本4,断层有限性

有限断层反演结果和余震的总体分布都揭示出主要为南向的、略微呈双侧破裂模式,破裂长度约 300 km,由此,此时的ShakeMap综合考虑两种结果,增加了有限断层的近似规模。ShakeMap还包含了数百个来自“Did You Feel It?”(DYFI?)(USGS基于网络的社区烈度调查系统——译者注)的强震调查结果。虽然有限断层规模后来经过修改(如下所述),但结果证明最初的估算值对于所用的地面运动预测衰减模型而言是有效的。事实证明,到本文发表时,由PAGER系统用这一近似模型估算出的基于震动的损失与已知的震动相关的损失是一致的。

OT+6 h 04 min: W-phase三分量解、人工更新、重新发布

初始自动解发布和公布后,由于可以通过NEIC波形缓冲区获取更多的数据,因而 W-phase反演结果得以完善,尤其是注意了反演数据的质量。又经过几次迭代以后,拥有234个数据道的反演结果给出的矩震级为MW8.99。这一解的最佳双力偶也与当地板片几何形态非常吻合。这个CMT结果于O T+5 h 17 min时在内部发布,47 min后又发表于NEIC事件网页上。考虑到震级变化不大(0.1个单位),而且在随后几小时/天内仍有可能进一步更新和完善 W-phase结果,所以NEIC将其官方震级在预期的审核之前一直保持在M8.9。

O T+6 h 55 m in:有限断层反演、迭代结果#3C

MW9.0促成对版本2的解进行重新反演的原因有二。第一,地震启动的相对缓慢(由最初～50 s的低矩率证明)和破裂速度(最初被限定在1.9～3.3 km/s))的参数化使得版本2解中的破裂远离了震源。如果优先考虑反演数据,那么破裂速度范围就可以调整,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;这一数值被放大了,目的是让看似致密型破裂中(在初始反演中被限制在～150 s的高矩率、震源在300 km之内)的滑移更大。

在版本3中,破裂几何形态被修正,速度跳跃很大(0.5～3.5 km/s),滑移峰值未受到严格约束。在重新进行仔细的数据调整和放宽地震矩最小化限制之后(使地震矩受反演数据——主要是面波——约束,而不是受CMT输入解约束),版本3C揭示出震源机制为双侧破裂、长度近300 km,沿走向、上倾朝日本海沟方向滑动,滑移峰值近18 m。这一结果(OT+6 h 55 min)在内部发布,约3 h后又发表于NEIC事件网页上(图3)。

OT+1～24 h:新闻媒体的响应

从地震发生后几分钟开始一直到第2天,一个由NEIC分析师、通信职员和研究人员组成的团队几乎都在不断地回应来自媒体的咨询。地方的和国家级的新闻机构涌入NEIC的各个办公室,对地震的不同方面及其毁灭性海啸进行了一系列的直播报道,包括我们媒体中心的晚间新闻直播报道。在地震发生后24 h内,访谈也几乎持续不断;随后的一个星期内又有数十次采访。

OT+7 h 19 min:全球 CMT(gCMT)解,版本1发布

最新的 W-phase反演解(MW9.0)和初始快速有限断层模型发布后不久,gCMT小组(http:∥www.globalcm t.org)发布了其东日本大地震矩张量的初始估算值,给出矩震级为MW9.12。这一解的最佳拟合双力偶的浅倾斜面(走向 =201°,倾角 =09°,滑动角 =85°)比 W-phase 解(走向 =193°,倾角=14°,滑动角=81°)的倾斜面浅得多,说明两个解之间的地震矩差(gCMT的6.0×1029dyne-cm对 W phase的3.9×1029dyne-cm)可能与 Kanamori和 Given[12]最先提出的、目前已广为人知的浅源地震的矩-倾角平衡相关。不过,这一偏差也表明需要进行进一步的详细分析。

将近3天后,gCMT将其反演结果更新至另一个解,其矩震级为 MW9.08,震源机制变化不大(走向=203°,倾角=10°,滑动角 =88°)。

OT+8 h:地震概况公告

地震发生大概8 h后,NEIC地震事件网页上发布了最初版本的USGS地震概况公告,描述了构造背景、当地的地震危险性、区域地震活动以及快速 ShakeMap和PAGER结果。

OT+2 d: W-phase倾角敏感性分析

图3 USGS/NEIC得到的东日本大地震最初的(a,b)和更新的(c,d)有限断层滑移分布图。图(a)和(b)示出每一解的震源时间函数。在(b)和(d)图中,反演的滑动分布被展现在假定的矩形断层几何形状内,滑移量用颜色表示,每4 m画一条轮廓线。滑移量在4 m以下的区域是部分透明的。每一子断层的滑移向量用灰色箭头表示,也是根据滑移量按比例绘制的。在图(d)中,红色等值线代表2011年3月9日 M W 7.3前震的0.5 m和1.0 m滑移分布

随后几天,震级估算值被进一步修正。这项工作包括与下列人员进行的后续讨论,他们是:斯特拉斯堡地球物理学院(法国斯特拉斯堡大学)的Louis Rivera、加州州立理工大学波莫纳分校的Jascha Polet和Lamont-Doherty地球观象台的Meredith Nettles。我们和这些研究人员利用不同数据和方法获得的震级估算值结果接近,差异一般不超过0.1个震级单位。

最终的USGS震级估算值M9.0基于对USGS W-phase结果的仔细审核,而且也与JMA最终的(现在的)官方预测值相吻合。USGS M9.0是在测试 W-phase反演结果对矩心位置、深度和对反演倾角的(直接)敏感度之后获得的,测试过程中沿模拟的板片表面(据USGS Slab1.0模型;图4)不时地进行一系列固定矩心反演,所用滤波数据集来自发表的最新 W-phase反演解。推断最佳拟合解既利用了反演在恢复固定地点板片界面的几何形态方面的能力,又使用了合成数据与这些数据的均方根拟合差。结果显示出对反演程序中所用 PREM(初始参考地球模型)[13]速度模型中的界面相当敏感,但最优解显示深度为 21 km,倾角 12°,矩震级MW9.03(图 4)。

OT+3 d 16 h:NEIC公开发布更新#3

图4 由USGSSlab1.0模型得到的俯冲几何形态,以及地震矩心和倾角的 W-phase解试验。图(a)示出通过主震震中(垂直虚线)俯冲带的横截面,是与Slab1.0获得的2D剖面叠加而成。黄色CMT结果表示用于限制板片几何形态的gCMT解;灰色圆圈和机制解代表背景地震活动性。红色菱形代表由区域地震活动性探测获得的数据,也用于几何形态的约束。详情请见http:∥earthquake.usgs.gov/research/data/slab/。图(b)示出Slab1.0界面的倾角。灰色圆圈表示由图(a)得出的黄色机制解的倾角。在图(c)中,我们示出沿板片界面固定矩心位置的 W-phase CMT反演结果,以检测反演结果对位置的敏感性及其解析板片界面倾角的能力。最优解用褐红色表示;其他解用红色表示。在图(d)中,我们将此结果与最初的和更新的gCMT解相比较。最后,在图(e)中,我们示出迭代的 W-phase反演解,其中的矩心位置被允许可以水平变化但不能垂直变化。每次迭代后,矩心位置被转移到Slab1.0界面,数据从新的地点被重新反演。这一过程一直持续到矩心位置不再从起始位置移动为止,由此得到机制解#3,用褐红色表示

考虑到 W-phase结果已经更新,而且我们也对倾角敏感度进行了深度分析,因此USGS/NEIC决定在地震发生的3.5天之后将其对东日本大地震的震级分类进行更新,这一时间正好与一次新闻发布会巧合(http:∥on.doi.gov/gcBgWv)。在经过独立分析之后,JMA也将其震级估算值更新为M9.0。

3 讨论

所幸的是,像东日本地震这样的巨大地震并不多见。基于以上展现的时间线,可以对NEIC在一次罕见、超大地震中的应急响应作出评述。NEIC响应的核心部分——地震位置和规模的快速测定以及这些信息的迅速发布——是合理可靠的。NEIC也快速准确地发布(并随后更新)如 ShakeMap和PAGER等更多的产品。在下面的章节中,我们将讨论震级、ShakeMap、PAGER和有限断层模型的演变过程,并提供决定发布更新结果时的背景情况。与2004年苏门答腊-安达曼地震相比,对东日本大地震的响应始终较快,而且(事后看来)也更精确。当然,在几条战线上仍有改进的空间,尤其是在初始震级及其更新结果的协调方面,以及利用先验的断层几何形态构建快速有限断层模型的协调方面。

3.1 震级的演变

东日本大地震发生的65 min之内,NEIC估算的最初震级就经过了一次更新——从最初的协调结果M7.9(OT+18.6 min)更新至M8.9(OT+65 min)。20 min之内, W-phase算法获得了初步的巨大震级估算值(由 W-phase垂直分量迭代结果#1得出MW9.0,OT+19.6 min),由此推测出此次事件的潜在毁灭性影响。3天以后,震级估算值被最终更新为MW9.0,反映出对事件又进行了更多详细的分析。这一最终更新结果对于随后展开的对事件的精确描述和详细分析非常重要,而且,USGS ShakeMap和PA GER产品中 M8.9相对 M9.0的稳定性所反映的地震灾情实时估算状况不会受到太大影响。未来的工作重点将是,按照NEIC的要求认真审核初始震级中的不确定性(特别是利用 W-phase和快速CMT估算的类似大地震的结果),以将震级测定结果尽可能地控制在有限的范围之内,并确保其权威性。

将NEIC对2011年东日本大地震的响应与其对2004年12月26日苏门答腊-安达曼岛地震的响应相比较,我们便会得到某种启示。在后一个事例中,最初的自动NEIC解(未公开发布)是在17 min后得到的,当时估算的震级为 mb6.2。又过了10 min后,自动NEIC解给出的内部结果说明震级规模很大,矩震级为 MW8.2。在地震发生后1 h 23 min,地震参数公布了,震级为 MS8.5。后来,6 h 13 min后,震级被更新为MW8.9,这一结果是根据初步的全球CMT(当时即哈佛CMT)解获得的。重要的是,当时的NEIC还依赖于其他机构提供的权威震级测定结果。

NEIC对2011年东日本大地震的响应始终比对2004年苏门答腊-安达曼岛事件的响应要快。最初公开发布的东日本大地震M7.9震级(OT+18.6 min)虽然比最终震级低了许多,但其发布的时间却比2004年时的初次震级发布时间(OT+77 min)快了将近1个小时。更重要的是,2011年,在内部算法迅速表明震级规模被大大低估后,NEIC在 38 m in内便将震级公开更新至M8.8,又在65 min内更新至 M8.9。

如果将2011年和2004年的时间线叠加在一起进行比较,我们会发现当2011年震级更新至最终震级的0.1个单位以内时,有关2004年苏门答腊地震的巨大规模的任何官方消息仍未公开发布。换句话说,2011年全球的人们在数分至数小时之内就知道了东日本地震的巨大规模,而在2004年,发布此类信息却用了数小时至数天的时间。

如此大幅度的改进应归因于自2004年以来发生的运作程序上的以及制度方面的变迁,这些变迁是 GSN、NEIC和研发机构在快速表征大地震震级方面的投入所获得的直接或间接结果。最重要的是,NEIC已经摈弃了从前奉行的正常办公时间以外随叫随到的分析和研究机制,取而代之的是24/7的全天候运作机制。一些学术合作伙伴通过外部资助项目对我们予以支持,他们的专业技能使我们受益匪浅,此外,我们还得到了一些6年前按惯例无法得到的非现金形式的支持,这同样也使我们从中获得裨益。有了他们的支持,我们才能建立、测试和运作快速精确的基于震源的分析,这样一来,地震震级(以及其他诸如破裂持续时间和断层有限性等基于震源的观测结果)就可以得到比从前更加及时准确的描绘。最后,由于有了新聘人员的参与和基于事件的直接经验,我们已经建立起一支分析和研究队伍,并相应地建立起了一套能够使地震响应工作更加流畅、精确、协调的程序。

相比之下,当面对2004年的 M9.1地震时,NEIC缺乏一套能够快速提供事件的科学框架和估算事件的社会影响力的综合工具。今天,我们的挑战已经变成怎样完善这些工具以使其在工作中更好地协调作战,以及怎样简化我们的外部协调工作,使其效率更高。

3.2 ShakeMap和PAGER的演变

ShakeMap和PA GER是USGS将地震信息转化成图片形式的产品,这些图形包括预期的地面震动以及死亡人数和经济损失的估算值。ShakeMap和 PAGER的实用价值都依赖于快速震源评估和更新结果的即时发布。我们在此不对ShakeMap和 PAGER做详细的评价,而是着重讨论这些产品与震级、断层几何形态以及滑移更新结果之间的关系。

ShakeMap震动分布和PAGER受灾人口初步估算值(图2)比最终估算值低,原因是初步估算值依赖于最初的低震级(M7.9)。随着震级估算值的更新,ShakeMap震动分布和PA GER受灾人口估算值以及警报级别都朝着各自的最终估算值迅速增大(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断层几何形态来支持,这样才能保证对最初的 ShakeMap和PAGER分析结果所进行的更新的精确性。在地震发生后2 h 40 min(ShakeMap版本4)对ShakeMap进行的更新结果考虑了来自区域“DYFI?”调查问卷的数据以及断层有限性信息——即破裂区域的长度和宽度。2011年3月14日,日本国家地球科学与防灾研究所(N IED)发布了由强震数据反演得到的滑移分布估算值(ShakeMap版本5),当日,最初的断层规模估算值(基于余震分布)即被修改。次日,即2011年3月15日,K-Net记录的强震数据子集发布,并当即被纳入ShakeMap(ShakeMap版本6)。同样,KiK-Net强震数据子集于2011年3月19日发布,ShakeMap随即更新至版本8。完整的K-Net和 KiK-Net数据集分别于2011年3月23日和2011年3月26日发布,此后便产生了 ShakeMap的最终更新结果——ShakeMap版本10～12。随后发布的版本都与震后不到3 h发布的ShakeMap版本4差异不大。

每当有最新的 ShakeMap发布时,PAGER也随之更新。在OT+43 min第一次震级更新之后,警报级别变为红色(根据经济损失估算值);地震发生后75 min时,死亡人数的警报级别变为橙色。PA GER的这些警报级别一直保持不变,直至ShakeMap版本10发布,因为这时有了完整的 K-Net和 KiK-Net数据可用。这些数据中有一部分表明记录的地面运动比从前观测的或估算的要高,因此ShakeMap也随之更改,PAGER死亡人数警报级别也相应地提升至红色。

3.3 有限断层模型的演变

有限断层模型提供滑移沿地震破裂随时间变化的情况。这些模型的高潮部分就是断层面上的静滑移图,这对于快速危险性估计而言是最重要的。源自有限断层模型的破裂长度和最大滑移估算值可以对预期地面震动和人口受灾情况的估算形成重要约束。

根据远震数据获得的早期快速有限断层滑移分布估算值(版本1和版本2)就板片结构而言与断层几何形态不符,而且在破裂速度和滑移峰值参数化方面也遇到了困难。利用来自Slab1.0的先验几何信息,并允许在反演程序中出现宽泛的破裂速度和滑移量,上述问题便得以校正,由此产生第3版模型。该模型提供了第一个日本海沟俯冲带上滑移分布的精确的估算值。这一模型在地震发生后7 h之内建成并在内部发布。虽然自那以后模型被不断更新(图3;参见http:∥on.doi.gov/h32IYb),以更好地解释断层几何形态、数据分布和质量以及其他有关模拟程序的详细情况,但是,由这第一个模型估算的沿走向、上倾的滑移分布概况与之后发布的各种模型所揭示的情况非常类似。有关这些模型的详细情况以及对其敏感性的讨论可参阅 Hayes[14]。图3也显示出3月9日MW7.3前震期间的滑移与主震滑移的关系,表明东日本大地震可能使与前震相同的区段再次发生了破裂——尽管就平均值而言其滑移量比较低。

早期矩张量估算值的节面中的不确定性表明了利用先验信息——比如来自像Slab1.0这样的模型的信息——来约束最初的断层几何形态的有效性。倘若一次事件与东日本大地震类似,利用Slab1.0研究未来较大的俯冲带地震可以将初次估算滑移分布的时间减小2/3。

4 总结

本文首次在一个正式出版的刊物上以时间线的形式呈现出NEIC对一次全球性大地震所作响应的情况。我们概要介绍了NEIC及其合作机构对这次地震的主要观测结果,讨论了这些分析结果的演变过程,并简要介绍了这些信息是何时、通过何种方式向公众以及内部和外部各方发布的。我们介绍这些资料的目的就是为一次罕见的、巨大地震的响应工作所面临的问题提供一个详尽的解释。我们设想本文中的时间线模式能够突出显示技术和程序方面的成功与不足之处,这有助于推动我们在学术上的合作伙伴的研究工作,也有利于改进我们自己未来的响应工作。我们展示了自2004年苏门答腊-安达曼地震以后的6年来NEIC的响应工作水平是怎样得以大幅度提高的。我们相信,有了对此次灾难的研究经验以及已经记录到的空前密集的、不同种类的数据集,未来的工作必然会得以持续改进。

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