千岛海沟的地震活动与潜在威胁简介

地质背景

 

千岛海沟」,又名「千岛—勘察加海沟」,位处于西北太平洋,太平洋板块在这裡以每年75至90毫米的速度隐没至鄂霍次克海板块(属于北美板块的一部份)之下,形成这条微弯的隐没带。

它的东北侧从连接着阿留申海沟的俄罗斯勘察加半岛科曼多尔群岛,沿着千岛群岛南岸往西南方向延伸,一直到日本北海道东南沿岸接壤日本海沟,总长度达2900公里。其海沟的水深大部份达7000米以上,最深的地方则达9500米以上。

在千岛群岛南部,这种以斜角形式进行的隐没作用造成岛弧除了会發生普通的逆冲断层地震(例:1995年千岛群岛地震)之外,还有一些平行于海沟线的横移型地震(例:1994年千岛群岛地震)。同时,因为千岛海沟南面部份的斜角隐没作用,它的最西南端与日本海沟的最东北端發生碰撞,造成日向山脉的隆起,以及北海道一些西北—东南向的地震。

始自北纬44度,普通的俯冲主导了其隐没形式清晰展现了一个深度延伸到650公里的「和达—班尼奥夫带」;另外,隐没的角度也从南部的55度减少至北部的35度。

 

地震活动小汇总

 

身为环太平洋火山带的一员,千岛海沟的地震活动非常活跃。根据美国地质勘探局的资料,千岛海沟自1900年有纪录起發生超过10次震级超过8.0的巨大地震、90次以上震级超过7.0的大地震,在其中亦有深层地震。

当中最强的一次地震發生于北京时间1952年11月5日,震源在勘察加半岛东部外海,深度约22公里,矩震级达到Mw 9.0,是自1900年以来观测史上第五强的地震。地震后产生的海啸横扫了震中附近的沿岸,另一头就横跨太平洋先后到达夏威夷群岛、阿拉斯加州、加州等沿岸。

另外值得一提的是,千岛海沟也在2013年5月24日發生了观测史上最强的深源的地震,震级为Mw 8.3,震源位于鄂霍次克海,深度接近600公里。这场地震因为其深度,即使远至日本北海道、鹿儿岛也分别能录得震度3、震度1的摇晃;更远的中国重庆录得烈度Ⅳ度、哈萨克阿特劳录得烈度Ⅴ度、甚至连俄罗斯国土另一端的莫斯科也有Ⅲ度的烈度。

 

各区块的历史活动与潜在威胁

 

千岛海沟最北端勘察加半岛的部份,除了1952年的超巨大地震外,公元1737年亦發生了一个规模同等或以上的超巨大地震(推估震级Mw 9.0 ~ 9.3)。另外根据海啸堆积物的调查,在距今7000年内总共有50个大海啸的痕迹。

 

千岛海沟南端的部份,根据日本的「地震调查研究推进本部」(下称地震本部)的研究,又将其分成以下几种孕震的模型……

  • 十胜外海地震
  • 根室外海地震
  • 色丹岛与択捉岛外海地震
  • 十胜至捉捉岛的海沟轴地震
  • 隐没板块内的浅层地震
  • 隐没板块内的深层地震
  • 连动型地震

 

十胜外海地震,被定义为北海道十胜地方外海的板块边界型地震,最新模型提供的潜在震级为Mw 8.0 ~ 8.6。自1839年起总共發生过三次,分别在1843年、1952年、2003年,从三个活动推算出平均周期为80年左右,未来30年的發生机率大约7%。

 

根室外海地震,被定义为北海道根室地方外海的板块边界型地震,最新模型提供的潜在震级为Mw 7.8 ~ 8.5。自1839年起总共發生过三次,分别在1843年、1894年、1973年,从三个活动推算出平均周期为65年左右,未来30年的發生机率大约70%。

 

色丹岛与択捉岛外海地震,因为历史活动的震源域不确定性比较大,因此地震本部囊括了色丹岛外海和択捉岛外海两者的板块边界型地震,最新模型提供的潜在震级为Mw 7.7 ~ 8.5。自1839年起总共發生过五次,分别在1893年、1918年、1963年、1969年、1995年,未来30年的發生机率大约60%。

 

另外,这三个区块亦可以發生比较小的地震,潜在震级介乎7.0至7.5之间。这种震级小一圈的地震活动当然活动间隔亦比较短,无论在十胜.根室外海区块、还是色丹.択捉外海区块,自从1976年起均發生过三次,计算出未来30年發生概率分别是80%和90%。

 

十胜至捉捉岛的海沟轴地震的活动预测,是根据邻近的日本海沟有类似的海啸地震活动,从而推断千岛海沟亦有其潜在风险,最新模型提供的潜在震级为Mt 8.0左右。

 

隐没板块内的地震亦分成较浅层(深度50公里左右)和较深层的地震(深度100公里左右)来进行活动预测。

较浅层的板块内地震自1839年起發生过两次,潜在的最大震级可达到Mw 8.4,未来30年發生机率30%;

较深层的板块内地震自1900年起發生过三次,潜在的最大震级可达到Mw 7.8,未来30年發生机率50%。

 

连动型地震泛指由十胜外海到択捉岛外海之间的多个断层区块进行连动破裂,根据不同的破裂形式、涉及的震源域范围和断层滑动量可计算出不同的潜在震级,介乎在Mw 8.8 ~ 9.3之间。透过从海啸堆积物进行年代分析,这样特别巨大的海啸在6500年內共發生过十八次,在五世纪、九世纪、十三世纪、十七世纪均有發生,平均活动周期是340~380年左右。

其中十七世纪的最后一次活动有可能是来自「1611年庆长三陆地震」,由于已距今400年有馀,被认为是具迫切性的一种潜在威胁。

历史上的今天:1755年里斯本大地震(11月1日)

地震及震害概述

根据当时的报告表示,地震发生于当年的诸圣日(又称万圣节)的早上9时40分左右,欧洲普遍都能感受到本次巨大地震的震动,甚至远至芬兰和北非都有震感。由于地震发生在还未制定震级系统的时代,地震强度没有一个定论,但科学家认为矩震级可达Mw 8.5~9.0。地震持续了三分半至六分钟,最大烈度被认为达到麦加利烈度的Ⅺ (11)度,其摇晃激烈令里斯本市中心出现一道5米阔的裂缝。

现在的科研指出震中的位置可能在圣维森特角(葡萄牙西南部)的西南西方200公里的大西洋,震中的位处于亚速尔—直布罗陀转形断层,一道西至大西洋中部、东至直布罗陀海峡并延伸到地中海的断层。科学家认为当中的隐没带为本次地震的成因。

 

二次灾害

在地震中倖存的市民逃至码头等空旷的地方,但当时岸边的海水已发生异常现象,海水往远处退去、水位降到能看到海床。40分钟后,高约15米的海啸两度侵袭里斯本沿岸地区,为市中心带来毁灭性的打击;北非的沿岸地区更受到20米的海啸横扫

而没有受到海啸袭击的地区,则因为火灾旋风令整座城市陷入无法控制的火海中,整整烧了五天才告终。最后里斯本有百分之85的建筑物被毁,这其中包括珍贵的建筑物或景点,例如:刚建成的凤凰歌剧院、里斯本主教座堂(建于公元1147年)、利庇喇宫(建于公元1498年)等。

 

 

灾后处理

本次地震光在里斯本就造成9万人死亡(当时人口约27万多,摩洛哥王国也因海啸导致1万人死亡,合计起来达10万人,这即使放在现代亦是非常惨重的伤亡数字。

葡萄牙王国的王室人员包括国王若泽一世,还有首相蓬巴尔侯爵及大臣均在灾害中倖存。顾问在灾后马上提出重建计划,并派人到城内灭火,移走遇难者的遗体以防止进一步爆发疫症。遗体被放到船隻中于特茹河进行海葬,儘管这处理方法不符合当时教会的习惯。另外,蓬巴尔侯爵亦在城市附近设置了很多绞刑架,为刚受灾的城市的秩序作出严厉的警示。

经过国王和首相的带领、工程师的规划和重建,里斯本在一年之后就已得以回復以前的规模。

 

地震学的先躯

首相蓬巴尔侯爵除了灾后的应急处理和提出重建计划外,还有在受灾的堂区进行关于地震发生时状况的咨询,例如:地震持续时间、余震次数、地震如何产生破坏、有没有在动物和水井等观察到异常现象。这些咨询所得的答案使后世科学家得以利用它重组这次地震,而蓬巴尔侯爵则因为其对地震的经过、结果进行了客观且科学的描述,被形容为地震学的先躯。

地震小科普:常用震级介绍

前言

我们经常在报章或者新闻报导中听到某次地震的强度是「里氏9.0级」,到底「里氏」是什麽东西?是怎样决定地震强度呢?其实我们在不知不觉下已经吸收到错误的知识!各位读者们不妨在读完本文后仔细想想我这句话是什麽意思吧。

 

近震震级(Local Magnitude, ML)

近震震级,在1935年由两位来自美国加州理工学院的地震学家芮克特(Richter)和古腾堡(Gutenberg)共同制定的。近震震级在不同地方有不同的称呼,大陆地区主要称呼为「里氏震级」、港澳地区主要称呼为「黎克特制震级」、台湾地区则称呼为「芮氏规模」、国外则是称呼为「Richter Magnitude Scale」,共通点都是使用芮克特的音译来称呼。

在距离地震震央100公里处的观测点所设置的地震仪,若记录到最大水平位移1微米(即百万分之一米),则定义为近震震级(ML)0。因为计算式是使用10的幂,所以只要最大的水平位移增大10倍,近震震级会增加1.0。例如在某一场地震中,观测点录得最大水平位移为1米,那这一场地震的近震震级则为ML 6.0。

但用来观测的伍德—安德森扭力式地震仪有其设计上的限制,若果震中距超过600公里,就没办法计算出正确的震级;同时,这种震级在6.5就开始有饱和的现象,在计算大型地震上面会因为饱和现象而发生震级低估的情况。后来为了改善这样的情况,先后开发了体波震级(mb)、表面波震级(Ms)、矩震级(Mw)等。

 

体波震级(Body wave Magnitude, mb)

地震波有分为实体波、表面波和尾波,其中实体波又分为速度较快、振幅较小的P波和速度较慢、按幅较大的S波。体波震级就是古腾堡于1945年提出,计算式与近震震级有类似,但利用实体波中P波的振幅、以及其週期来计算震级

由于P波传播速度非常快,所以计算地震的强度非常快,但体波震级在6左右亦会发生饱和现象

 

表面波震级(Surface wave Magnitude, Ms)

相对于体波震级,表面波震级(又称为面波震级)则是利用表面波中的雷利波来作计算的。为了补足近震震级在计算大型地震强度的缺陷,古腾堡开始着眼于表面波的振幅、週期和震中距离震级的方式,其后发现表面波在週期20秒左右通常能产生最大的振幅,最后终于在1950年代发展出表面波震级。

表面波震级的计算式方面跟体波震级相似,但是它到8才会开始发生饱和现象,因此能计算出大部份的地震强度。

 

日本气象厅地震震级(Japanese Meteorological Agency Magnitude Scale, Mj / Mjma)

日本气象厅地震震级,是日本用于表示地震强度的一种独有的地震震级系统。其使用可追溯至1920年代的报告中,途中经过多次改善改修一直沿用至今。

这是利用地震波造成的地面移动的速度值和变动值来计算出来一种複杂的震级系统,在计算小规模地震时,会强调高频的成份,测定地面移动的速度,从而用来计算出所谓的「速度震级」;而在计算中规模以上的地震时,则强调低频的成份,计算出饱和上限值较高的「变位震级」。

这种震级比起矩震级(后述)可以更快计算出结果,能活用于地震预警之类的系统。但与前述的震级一样,在M8.0以上的巨大地震时,地震波会因为能量被地盘吸收而无法计算出正确的数值。最明显的例子就是2011年的东日本大震灾的气象厅震级为Mj 8.4,但矩震级则为Mw 9.0~9.1。

 

矩震级(Moment magnitude scale, Mw)

在介绍矩震级之前,需要先介绍饱和现象是什麽的一样东西。像震级到7以上的大地震,断层破裂面已经是相当的大(可能在数百平方公里以上)。这样的大地震在发生的时候,破裂面不会在瞬时间全部滑动,而是以一定的速度扩散开去。如此一来,地震仪会捕捉到持续时间很长的地震波,特别是会出现多次的峰值,但震幅的值却不会再增加很多。亦因为这样,利用震幅大小而计算出来的地震震级值就没办法再增加了,也就是所谓的饱和现象。

对于这样的现象,金森博雄于1977年制定矩震级,其概念就像是由地震「作功」一般,因此矩震级的简称Mw中的w就是「功(work)」。矩震级是从地震矩(seismic moment)加以计算的一个无单位的数字,而地震矩则是由断层面积、滑动量和断层的刚性系数得出来的。从这样的关係式可见,这震级系统并不受震幅所影响,所以并没有饱和的现象,亦没有上限值,因此可以计算出震级超过8.0,甚至9.0的巨大地震。

但是因为计算需时,所以无法活用于地震预警中;同时,弱震如震级3.0以下因为无法测出地震矩,所以矩震级在这种等级的弱震时反而派不上用场。

看完这篇文章后,不妨花点时间想想文章最前面所提到的「里氏9.0级」,错误发生在哪裡?

彻底摒弃实物定义 国际单位制定义大改革

2018年11月16日,第26届国际计量大会在法国巴黎的凡尔赛议会中心隆重举行。经各成员国表决,当天通过了关于“修订国际单位制”的1号决议。根据1号决议,千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)这4个国际单位制分别改由普朗克常数h、基本电荷常数e、玻尔兹曼常数k和阿佛加德罗常数NA来定义。

据悉,这些新定义将于2019年国际计量日(即2019年5月20日)起正式生效。至此,国际单位制7个基本单位将全部由基本物理常数定义,量值的实现进入了量子化时代。

 

在国际单位制重新定义之提案中,每个基本单位(彩色圆)都建立在一个已固定数值的物理常数之上。基本单位的实际大小可以通过更准确地测量相应的物理常数而得出。图片由维基用户Wikipetzi制作并上传至维基共享资源,于CC BY-SA 4.0之条款下使用。

定义修改内容如下:

  • 千克(kg)将定义为“对应普朗克常数为6.62607015×10^-34J·s时的质量单位”。
  • 开尔文(K)将定义为“对应玻尔兹曼常数为1.380649×10^-23J·K^-1的热力学温度”。
  • 安培(A)将定义为“单位时间内通过1/1.602176634×10^19个电子对应的电流”。
  • 摩尔(mol)将定义为“精确包含6.02214076×10^23个原子或分子等基本单元的系统的物质的量”。与此同时修改了阿伏伽德罗常数为6.02214076×10^23。

这也就意味着,国际单位制中将再无使用实物进行定义的基本单位。在此之前,千克是国际单位制基本单位中唯一仍使用实物进行定义的单位,被定义为国际千克原器的质量。但目前的科学研究表明,国际千克原器的质量随着时间推移,产生了一些微小的变化。同时,为了防止过度的使用对国际千克原器造成损伤,国际千克原器也不能经常性使用。这些因素都给更精确地测量质量带来不便。

图为国际千克原器的电脑CG图像。旁边是一把以英寸为单位的间尺。国际千克原器以铂铱合金制成,现存放于法国巴黎郊区的国际计量局(BIPM)。跟其他原器一样,国际千克原器的边缘上各有一道四角凹槽,作用是将腐蚀最小化。图片由维基百科用户Greg L制作并上传至维基共享资源,于CC BY-SA 3.0之条款下使用。

因此,在2005年,国际计量委员会(CIPM)已经建议以基本物理常量为基础对千克进行重新定义,并于2010年10月向国际度量衡大会(CGPM)提议以普朗克常量重新定义千克。2011年10月的国际度量衡大会第24次会议上原则性地同意了该提议,并决定将原定2015年的第25次会议提前至2014年举行,届时做出最终决议。2014年,会上决定将于2018年改由自然界的七个基础常数换算成新的单位制度。