Earthquake engineering research needs in light of lessons learned from the 2011 Tohoku earthquake

Earthquake engineering research and development have received much attention since the first half of the twentieth century. This valuable research presented a huge step forward in understanding earthquake hazard mitigation, which resulted in appreciable reduction of the effects of past earthquakes. Nevertheless, the 2011 Tohoku earthquake and the subsequent tsunami resulted in major damage. This paper presents the timeline of earthquake mitigation and recovery, as seen by the authors. Possible research directions where the authors think that many open questions still remain are identified. These are primarily based on the important lessons learned from the 2011 Tohoku earthquake.     

2011年全球地震活动性和地震灾害概要

2011年是近百年来全球地震重灾年之一。日本宫城MW9.0级地震灾情惨重,经济损失巨大。     

2011年日本MW9.1地震前后破裂区内视应力时空变化

2011年3月11日, 一个 M_W9.1地震袭击了日本本州地区, 为了分析这次地震前后主震破裂区内应力时空变化, 我们选取1996年1月~2016年6月期间发生在破裂区内的563个5.0≤M_S≤6.9地震, 研究了视应力随时间的变化和空间分布。 日本M_W9.1地震前从2002年中起视应力开始呈趋势性上升变化, 到2009年初以0.18 MPa/a的速率从0.6 MPa上升到1.76 MPa, 相差约3倍, 直到地震发生前夕一直保持在1.5 MPa之上。 地震发生之后, 直到2016年6月在破裂区内视应力呈缓慢下降变化, 但仍保持在1.5 MPa之上较高水平。 视应力在地面上和断层面上的分布显示, 1996—2005年间破裂区仅存在个别视应力高值, 从2006年到2011年2月, 破裂区大面积出现视应力高值。 在日本M_W9.1地震发生之后的近3个月内, 破裂区视应力整体处于高值水平, 之后在较高的水平上缓慢减弱。 视应力是地震断层面上平均应力的下限, 视应力的高低在一定程度上反映的是震源断层面上平均应力的高低。 在日本M_W9.1地震前, 发生在破裂区内的地震, 其断层面上的平均应力经历了大约8.5年的趋势上升变化过程。 这次大地震前破裂区所在的地壳应力逐渐增加, 最后导致断层面错动发生日本M_W9.1地震。     

Spatio-temporal characteristics of aftershocks and seismogenic structure of the 2011 MW9.0 Tohoku earthquake,Japan

The Tohoku megathrust earthquake, which occurred on March 11, 2011 and had an epicenter that was 70 km east of Tohoku, Japan, resulted in an estimated ten's of billions of dollars in damage and a death toll of more than 15 thousand lives, yet few studies have documented key spatio-temporal seismogenic characteristics. Specifically, the temporal decay of aftershock activity, the number of strong aftershocks (with magnitudes greater than or equal to 7.0), the magnitude of the greatest aftershock, and area of possible aftershocks. Forecasted results from this study are based on Gutenberg-Richter's relation, Bath's law, Omori's law, and Well's relation of rupture scale utilizing the magnitude and statistical parameters of earthquakes in USA and China (Landers, Northridge, Hector Mine, San Simeon and Wenchuan earthquakes). The number of strong aftershocks, the parameters of Gutenberg-Richter's relation, and the modified form of Omori's law are confirmed based on the aftershock sequence data from the M_W9.0 Tohoku earthquake. Moreover, for a large earthquake, the seismogenic structure could be a fault, a fault system, or an intersection of several faults. The seismogenic structure of the earthquake suggests that the event occurred on a thrust fault near the Japan trench within the overriding plate that subsequently triggered three or more active faults producing large aftershocks.     

Rupture process of the 2011 Tohoku earthquake from the joint inversion of teleseismic and GPS data

Teleseismic and GPS data were jointly inverted for the rupture process of the 2011 Tohoku earthquake. The inversion results show that it is a bilateral rupture event with an average rupture velocity less than 2.0 km/s along the fault strike direction. The source rupture process consists of three sub-events, the first occurred near the hypocenter and the rest two ruptured along the up-dip direction and broke the sea bed, causing a maximum slip of about 30 m. The large-scale sea bed breakage may account for the tremendous tsunami disaster which resulted in most of the death and missing in this mega earthquake.     

俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震触发效果的研究

地震静态触发研究在全世界范围内广泛开展,并取得显著成效;但是否所有的大地震,地震静态触发都有很好的效果,对此目前还不甚清楚.本文通过计算最近发生在俯冲带上的三次特大地震(2011年日本东北地震(M_w=9.1)、2010年智利地震(M_w=8.8)与2004年苏门答腊—安达曼地震(M_w=9.0))所产生的静态库仑应力变化,考察主震库仑应力变化对其后续余震空间分布的影响,从而研究俯冲带上特大地震对地震的触发效果.计算结果显示:对于2011年日本东北地震,仅有47%的后续余震发生在库仑应力增加的区域;2010年智利地震也只有47.6%的余震位置处于库仑应力变化的正值区;2004年苏门答腊地震触发了49.8%的后续余震.文中通过进一步改变模型参数(如:采用不同的有效摩擦系数,使用不同作者给出的震源模型等)进行计算,结果表明这三大地震对后续余震的触发比例仍然不高(最好情况下,触发比例也不超过60%).但对于板内地震(如:2008年汶川地震,1999年集集地震),主震对后续余震的触发比例超过85%.由此可以推知,对于俯冲带上的特大地震,地震静态触发效果不显著.因此,对于俯冲带上大地震的触发问题,还需深入研究.     

小震群序列类型判定方法研究的现状及相关问题研究的趋势

小震群地震活动经常发生,对其可能类型的快速判别,即对正在活动的小震群,究竟是"大震"的前震序列,还是并不伴有大震发生的一般性小震群的快速判别,对减轻地震灾害和维护社会稳定具有重要的现实意义.本文总结归纳了小震群序列类型判别方法研究的现状和存在的问题,并对震群序列类型判别研究的趋势进行了初步阐述.     

基于图像信息方法的日本东北MW9.0地震回溯性预测研究

以日本局部地区(32.0°~46.0°N, 136.0°~148.0°E)为研究区域, 应用图像信息方法, 选用8 a滑动预测窗长, 1°×1°网格为主要计算参数, 系统计算了研究区域内2000年以来的“地震热点”(显著异常地区)并获得了区域内7级以上大震特别是2011年日本东北M_W9.0地震的热点演化图像。 结果表明: ① 包含M_W9.0地震的预测时间窗内, 其震中的邻近网格持续有热点出现, 并且其中有4个连续滑动的窗口中该地震震中所在网格亦存在热点。 ② 在回溯时间段内发生的21个M≥7.0地震中, 除2004年9月5日发生于日本近畿南岸近海的M7.1地震前无地震热点外, 绝大多数在震前皆有热点出现。 ③ 与其他M≥7.0地震相比, M_W9.0地震前热点图像分布范围更广, 稳定性更好, 持续时间更长。     

利用重力观测约束2011日本Tohoku大地震的震源机制

2011年3月11日,日本东北部(Tohoku)太平洋海域发生M_w9.0特大地震.一些国际学术机构用不同的震相和反演方法,计算了大地震的震源机制解.但这些结果存在一定的差异.地球长周期自由振荡的振幅主要依赖于地震矩的大小及地震断层的破裂方式,可以约束地震的震源机制、地震大小及持续时间.本文利用地球自由振荡₀S₀简正模对Tohoku大地震的震源机制解进行分析和约束.₀S₀振幅大小与地震断层的倾角(dip)、滑动方向角(slip)、震源深度及地震断层的破裂时间有关.我们利用震源机制解得到大地震后自由振荡模拟值,利用超导重力仪得到自由振荡的高精度重力观测值.二者比较后的结果显示:由GCMT震源机制解得到的₀S₀振幅与观测值符合较好,而由USGS CMT震源机制解模拟的结果明显大于观测值.2011 Tohoku地震为逆冲型浅源大地震.进一步的分析表明:逆冲型浅源大地震的断层倾角对₀S₀振幅的影响很大,而滑动方向角以及震源深度对₀S₀振幅的影响较小.USGS CMT震源机制解中较大的断层倾角是导致其₀S₀振幅显著偏离观测值的主要原因.     

对地震预报的看法和建议

文章对当前地震预报工作中存在的一些难点和问题进行了分析,提出了对地震预报和防震减灾工作的一些看法和建议。     

基于专利角度的防震减灾领域技术研发态势分析

防震减灾事业发展需要高科技的支撑,从专利角度对防震减灾领域技术研发情况进行分析,有助于准确把握该领域技术全球发展态势。基于incoPat全球专利数据库对国际领域内防震减灾专利进行研究,揭示全球防震减灾领域技术的研究现状、研究热点及研发布局。结果显示：全球范围内对于防震减灾领域技术的研发一直在持续增加,2004年之后快速增长;中国在专利总量和增长率方面远超其他国家,美国专利质量整体最高;高价值专利主要包括振动传感器和加速度计、地震预警系统和报警器、抗震墙和抗震结构、隔震支座、电梯控制装置、地震应急指挥系统、地震应急处置和逃生装置、救灾机器人等。     

做好基层防震减灾宣传工作的几点对策

当前，城市防震减灾宣传工作卓有成效，但在存在诸多困难的广大基层，特别是农村地区的防震减灾宣传工作还有很多不尽人意的地方。作者在借鉴一些基层地震部门工作经验的基础上，结合自身工作实际总结出了做好基层防震减灾宣传工作的几点对策。     

2011年日本东北大地震特低频地磁信号的分形标度特征研究

本文选择2011年3月11日M9.0日本东北大地震震中附近三个地磁台站16个月(2010/01/01—2011/04/30)的特低频地磁观测资料,采用去倾扰动分析方法,得到了这三个台站地磁记录的非均匀标度特征随时间的变化,提出了一种能反映地磁三分量非均匀标度特征同步变化的指标,并据此探讨了特低频地磁信号分形标度特征变化与日本东北大地震之间的可能关联性,初步结果表明,这三个台站的特低频地磁信号分形标度特征指标在日本东北大地震前25~50天左右呈现出同步的异常增加,基于磁静日观测资料的随机合成地磁数据的统计检验结果可知前述异常并非随机异常,而是一种具有统计显著性的异常,可能反映了日本东北大地震对周边地磁信号内在的非线性系统特征产生了有统计意义的影响.     

东日本地震在北京GNSS连续观测站E分量的反应

北京GNSS连续观测台网孔径较小,不同的建设和管理单位执行着不同的规范,城市人 为活动强烈引起较多干扰,给观测数据的使用提出了新要求。本文对北京GNSS连续观测台网 数据做了一些必要的处理,如原始数据的高水平解算,设备、超差、迁址的改正,逐站消除E 分量线性趋势变化等。在全部可用1：个连续站E分量上,日本9. 0级地震前呈下锯齿波异常 (缓慢西移）、临震阶跃回升（快速东移）、震后n形恢复,构成了一个完整的地震过程,这个过 程在以往的GNSS观测中很少见到,为进一步研究提供了一个很好的实例。尤其是临震快速东 移,他不受人为设定的正常值大小影响,具有明显的预报和预警作用。     

2011年日本东北大地震（M_W=9.0）震间与震前变形场特征及其对强震预测的启示

强震震前(preseismic)动力学过程的研究对于地震预测具有十分重要的意义,但由于观测资料的限制,目前对强震前孕震区力学状态及其演化过程的认识还非常有限.2011年日本东北9.0特大地震(Tohoku-Oki)发生在GPS观测台站最为密集的地区,为研究特大地震震间(interseismic)与震前的变形状态提供了难得的机会.文中将利用日本东北大地震之前连续的GPS观测资料,分别计算震间与震前的速度场与变形场.通过对比分析发现,日本东北地区(Tohoku)震前的应变状态与震间的有很大的不同,震间的变形主要受到太平洋板块向日本海沟北西西向的俯冲挤压作用所控制,其主压应变以近东西向压缩为主,日本东北地区的运动方向与太平洋板块的运动方向大体一致.但是,临近地震前(震前)日本东北地区的运动方向发生了很大变化,震前30天的连续GPS观测结果显示,速度场的优势方向经常变换,间歇性地出现与太平洋板块运动方向相反的情况.这意味着震前孕震区的力学状态发生了很大的改变.这种变化可能与震前破裂成核或慢滑移及慢地震等过程有关,这些过程将加速或促进大地震的发生,从而为大地震的发生准备了力学条件.值得特别强调的是,这些现象都是可以通过直接观测能够发现的大地震之前的异常现象.由此可见,加密GPS站点进行连续观测,寻找震前变形异常区以及探索异常的物理机制对于地震预测预报有重要的科学意义.     

2021年日本福岛7.3级地震铁路系统震害与启示

2021年2月13日日本福岛县发生了M7.3级地震,造成了大量铁路基础设施破坏。介绍了铁路系统在此次地震中的震害和应急修复情况,总结了震害的典型特征及启示。通过与2011年东日本大地震进行比较,从土木结构和电气设施两方面对铁路系统震害特点进行了分析,从抗震韧性角度讨论了此次地震应急修复方法与策略,总结了日本铁路设施抗震的经验和对我国铁路设施抗震的启示。分析表明:支柱折断、支柱开裂倾斜、架空电线拉断和定位设施损坏为铁路电气设施常见震害;土木结构方面,随着地震强度的增大,可能伴有轨道变形、挡块开裂、梁端破坏、横系梁开裂甚至墩柱损伤的发生。从震害现象的比较中,可以看出东日本大地震以来的维修加固措施是有成效的。     

Geotechnical engineering aspects of the catastrophic Tohoku (Japan) earthquake of March 11, 2011: the review of first results

Geotechnical engineering aspects of the catastrophic earthquake, which occurred in Japan on March, 11, 2011 and called Tohoku earthquake are discussed. A review is presented of the first results obtained mainly by Japanese scientists based on records of seismic networks of Japan K-NET, Kik-net and on GPS data. The basic concepts of seismic zoning in Japan and the location of the Tohoku-oki earthquake on the seismic zoning maps are described, as well as models of the source process obtained by various authors based on teleseismic data, strong motion data, GPS data, and tsunami observations. The recorded peak accelerations and velocities and their correspondence to the current empirical attenuation curves are discussed. The records of the Tohoku earthquake made by Japanese seismic networks K-NET, Kik-net and some others represent unique seismological material and the most complete seismic database (including vertical array records) in the near-source zone of a strongest earthquake with magnitude M _w = 9. These data will be studied by seismologists all over the world for many years and, probably, they will answer many questions of geotechnical seismic engineering.     

地震损失的空间相关性及其对震害损失估计的影响

在地震危险性分析或者地震损失分布评估中,需要考虑地震损失的空间相关性的影响。目前对地震损失空间相关性的研究,主要是基于经验或半经验的方法,没有经过实际地震损失分布的验证。本文基于2011年东日本大地震收集到的55万条建筑物破坏的详细数据得出了基于实际震害的地震损失随距离关系变化的空间相关性衰减规律,给出了一个基于实际数据的拟合公式,并将其应用于最新开发的基于高精度模拟的巨灾风险分析中。利用北京地区多个地震为算例,研究了实现空间相关性模拟的样本精度问题,并且给出了不同空间相关系数对地震损失分布的影响,从而能为未来的防震减灾工作提供更好的地震损失估计结果。     

Tests of the 2011 Tohoku earthquake source models using free-oscillation data from GOPE

Data from a superconducting gravimeter were obtained from the Geodetic Observatory Pecny (GOPE), Czech Republic, and compared with acceleration data from a broadband seismometer at the same location. We calculated synthetic seismograms for several point- and finite-source fast solutions of the 2011 Tohoku earthquake obtained from surface waves and tested them only against the observed gravity data because of high-noise levels in the low-frequency seismic data. We have obtained a good fit of the synthetic amplitude spectrum with the data up to 1.7 mHz without an additional increase of the moment magnitude M_w. In this aspect, the 2011 Tohoku earthquake was similar to the 2010 Maule earthquake and different from the 2004 Sumatra-Andaman earthquake, where the free-oscillations studies resulted in an increase of the early M_w values. The degree-one mode ₃S{ia1} dominates the ₃S_1?C2S_2?C1S₃ triplet at the GOPE station.     

2021年日本福岛地震中桥梁的震害及原因

时隔10年,福岛宫城县海域再次发生大地震。虽然该次地震最大烈度到达6强,但是地震之后实际震害信息较少。作者实地考察了相马跨线桥、相马东大桥和白石藏王新干线桥三处桥梁在该次地震中的震害,并简要分析了其原因。另外比较KiK-net山元（MYGH10）的地表和地下强震仪的波形和频谱成分,指出这一记录PGA较大的原因。通过比较10年前东日本大地震和该次地震中K-NET郡山（FKS018）的记录,讨论了该次地震震害普遍比预期要低的原因。最后,使用多阻尼反应谱分析了该次地震对结构破坏力较小的原因。