Varga Péter-Süle Bálint
A rendkívüli Tohoku-földrengés

2011. március 11-én hatalmas földrengés keletkezett a Honsu szigetétől keletre a Japán-árok mentén (1. ábra). A minden idők ötödik legnagyobb földrengése során 2,09·1018 J rugalmas energia szabadult fel. Az éves átlagos globális földrengés-energia 9,5·1018 J. Ez azt jelenti, hogy a Kelet-Honsu partvidékétől 100–150 km-re kipattant földrengés energiája közel 20%-a az egy éven belül az egész földön kipattant összes földrengésének. A XX. század első éveiben létrejött műszeres szeizmológia hálózat története során megfigyelt legnagyobb esemény az 1960. évi chilei volt. Ez a tohokui földrengésnél 5,4-szer nagyobb földrengés energia forrása volt (1. táblázat és 2. ábra), energiája lényegesen (18%-kal) meghaladja az éves átlagos globális földrengésenergia-szintet. A Tohoku-földrengésnél nagyobb volt a szumátra-andamani földrengés is 2004-ben (M=9,2) (lásd Varga Péter, Természet Világa, 2006, 137. 5.) és vele egyformának tekinthetők az 1950-ben Kamcsatkán és az 1964-ben, Alaszkában (Prince William-öböl) kipattant szeizmikus események. 

1. ábra. A Tohoku-földrengés Piszkéstetőn
regisztrált vertikális szeizmogramja

2. ábra. Az 1950-2011 időszak M>=8,5 méretű
földrengések magnitúdói és energiaaránya

A műszerekkel végzett földrengés-mérések kezdete óta Japánban ez volt a legnagyobb megfigyelt esemény, ám nem elsősorban emiatt tekintjük rendkívülinek a Tohoku-földrengést. Azon a helyen, ahol Japán partjaihoz közel, a Csendes-óceáni-lemez az Ohotszki-tábla alá nyomul, azaz a Japán-árok mentén, gyakoriak a nagy lemezek közötti (ún. interplate), egymáshoz közeli fészkekből keletkező földrengések. Ezek általában jelentős cunami generálói is. Példaként említhetjük a Meiji Sanriku földrengést (1896), melynek becsült magnitúdó értéke M=8,5 és mely közelítőleg 30 méter magas szökőárat keltett, a nagy Kanto földrengést (M=8,3) a 12 méteres magasságot elérő cunami hullámával, a Sanriku földrengést (1933, M=8,4) melyet 10–15 méter magas szökőár követett és a Nankai földrengést 1946-ból, melynek mérete M=8,4 volt (5–6 méter magasságú cunami). Látható, hogy a 2011. március 11-i hatalmas földrengést keltő tektonikai szerkezet – a Japán-árok – rendkívüli szeizmikus aktivitást mutatott az elmúlt több mint 100 év során. Tekintettel arra, hogy a lemeztektonikai folyamatok a Földön több mint három milliárd éve folynak és hogy a Japán-árok kora tízmillió években mérhető, szinte biztos, hogy annak története során ez a szerkezet többször is forrása volt M>=9 méretű földrengésnek.  

A Tohoku-földrengés rendkívülisége más tényezőkkel kapcsolatos. Ez a hatalmas természeti katasztrófa megmutatta, hogy az emberiség nem él összhangban az őt körülvevő természeti környezettel, annak változásaira nincs kellőképpen felkészülve. Ezért kerülhetett sor arra, hogy a földrengést követő cunami, mely egyes helyeken öt kilométerre tudott a szárazföld belsejébe nyomulni, emberek tízezreinek életét olthatta ki, több mint 400 ezer ember veszíthette el otthonát, hogy a világ egyik legnagyobb atomerőműve, az Okuma városában működő Fukusima I, a cunami következtében működésképtelenné vált és majdnem hatalmas környezeti katasztrófa forrása lett. Maga a földrengés, nagysága ellenére, japán források szerint állítólag nem okozott lényeges sérülést az erőműben. Az országnak a földrengésfészekhez közeli azon részein, melyeket a szökőár nem ért el az épületkárok mérsékeltek voltak. Hasonlóan a 2010. február 27-i chilei földrengéshez (M=8,8) (lásd Varga Péter, Természet Világa 2010, 142. 1.) a földrengés-biztonsági előírásoknak megfelelően épített mérnöki létesítmények ellen tudtak állni még egy ilyen hatalmas rengésnek is. A japánok nagyon sokat tanultak a kobei földrengés (1995, M=6,8) következtében keletkezett károkból. Pénzt és energiát nem kímélve folytattak műszaki fejlesztő kutatásokat a földrengésálló szerkezetek kifejlesztése érdekében, módszeresen erősítették a már meglévő épületeket, létesítményeket. A földrengéssel kapcsolatos japán építészeti előírások az egész világon a legjobban kidolgozottak és egyben a legigényesebbek is. A cunami kifejezés szülőhazájában nagy figyelmet fordítottak a várható szökőár károk kivédésére. A parti zónákban 10–15 méter magas gátakat emeltek, melyek létesítését kritika is érte a természetes környezetbe történő beavatkozás miatt. Mint az 2011. március 11-én kiderült, a cunamikárok elhárítását, a várható szökőár magasságának nem megfelelő becslése miatt, ezek nem tudták biztosítani.

3. ábra. A földrengések okozta károk, 1960-2000
(Münchener Rückversicherung adatai)

Az 2011. március 11-i földrengés rendkívülisége annak a gazdasági, a pénzügyi világra és a tudományos életre gyakorolt hatásaiban is megnyilvánult. A földrengések okozta károk a XX. század második felében, különösen 1980-at követően,  egyértelmű növekedést mutattak és a XXI. század első éveiben mér évente 50–60 milliárd USA dollárt tettek ki (3. ábra). Ezt az összeghatárt sokszorosan meghaladja a Tohoku-földrengés következtében keletkező – jelen munkánk írásakor becsült – 500 milliárd dollárt kitevő anyagi veszteség. A földrengés gazdasági szempontból természetesen elsősorban Japánt sújtotta, de hatása megjelent a világgazdaság egészének folyamataiban is. Honsu szigetén a földrengés hatása a gazdaság szinte minden területén jelentkezett.  Szendaiban használhatatlanná vált a repülőtér, hatalmas tűz pusztított az epicentrum közelében lévő kőolajfinomítóban és egy acélipari üzemben. Jegybanki beavatkozás is szükségessé vált. A japán jegybank, a Bank of Japan, a természeti csapás okozta károk hatásait ellensúlyozandó március-áprilisban igen jelentős pénzösszegeket volt kénytelen a gazdaságba pumpálni. A jen árfolyamának stabilizálása céljából a G7-ek központi bankjai egyeztetett tízmilliárd dollár nagyságrendű felvásárlásokat hajtottak végre. Japán tudományos intézményeinek egész sorát érintette a földrengés. A Nature News március végén megjelent írásából kiderül, hogy a Tohokui Egyetem, melynek anyagtudományi, műszaki és orvosbiológiai intézetei kutatási területeiken vezető szerepet játszanak az országban, kénytelen voltak április végéig leállni. Az epicentrumtól lényegesen távolabbi tudományos központok is csökkenteni voltak kénytelenek tevékenységüket, az akut áramhiány következtében. A New Scientist március 14-i számában arról számol be, hogy a földrengés károkat okozott a Tokiótól ÉK-i irányban, 50 km-re lévő Cukuba Űrkutatási Központban is, aminek következtében azt evakuálni kellett. A központ felelős a Nemzetközi Űrállomás legnagyobb kísérleti moduljának, a Kibo-nak az ellenőrzéséért.

A Tohoku-földrengés rendkívüli szeizmológiai szempontból is. Ezen a téren több kérdés is felmerül:

– a 2011. március 11-i földrengés egy olyan országban történt, ahol akár a lakosságot, akár a területet tekintve a világon a legnagyobb a korszerű földrengés-megfigyelő állomások és a szeizmológusok száma. A szeizmológiai állomások száma több ezer. A Szendaiban található Tohoku Egyetem szeizmológiai kutatási programja vezető szerepet játszik Japánban és világszerte. A földrengés epicentrumának térségében található szubdukciós zóna a világon a legrészletesebben megkutatottak közé tartozik, Fentiek következtében ez a mostani szeizmológiai esemény a világ nagy rengései között a legpontosabban megfigyelt, ami mindenképpen hozzásegít majd tudományos ismereteink bővüléséhez 

– a nagy földrengések magnitúdó-értékeinek gyors meghatározása iránti igény égetően fontos a katasztrófa hatásainak csökkentése szempontjából. Ez az igény már a 2006. december 26-i szumátra-andamáni földrengéssel kapcsolatban is felmerült. Akkor a későbbiekben is elfogadott M=9,2 érték meghatározásához több mint három órára volt szükség. Az előzetes érték M=8,0±0,3 volt. Bár a helyzet ezen a téren az utóbbi években egyértelműen javult a nagy földrengések méretének meghatározása a Tohoku-földrengés esetében is órákat késett: az először meghatározott M=8,9 értéket csak órák elteltével módosították a helyes M=9-re.

– nem megoldott az adott tektonikai szerkezet esetében feltételezhető, hitelt érdemlően legnagyobbnak tekinthető hipotetikus földrengés-magnitúdó meghatározásának kritériumrendszere. Az elmélet alapján várt érték Tohoku térségében M=8 volt M=9 helyett, azaz a szakemberek 32-szer kisebb energiájú földrengésre számítottak a valóságban bekövetkezettnél. 

– a földrengés-veszélyeztetettség meghatározására kidolgozott és sok esetben sikeresen alkalmazott módszerek célja a rengések által egy adott helyen keltett maximális vízszintes gyorsulás értékének meghatározása. Az utóbbi évek tapasztalata viszont azt mutatja, hogy a földrengésveszély mértékét sok esetben nem maga a földrengés, hanem az általa kiváltott természeti jelenség határozza meg. Hiába volt meglehetősen pontosan ismert a Tohokunál a várható vízszintes csúcsgyorsulás értéke, ha a károkat növelő szökőárral kapcsolatos veszélyeztetésre vonatkozóan nem történt megfelelő prognózis. 

A Tohoku-földrengés bizonyos értelemben rendkívüliségéről a magyar földrengéskutatás esetében is szó lehet. Az MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet Földrengési Obszervatóriuma, megfelelő mértékű állami és akadémiai támogatás hiányában elsősorban saját pályázatainak pénzügyi lehetőségeire támaszkodva, 2004 óta fejleszti új szélessávú földrengés-megfigyelő hálózatát és az ennek munkáját irányító, valamint az aktív nemzetközi adatcserét lehetővé tevő országos szeizmológiai adatközpontját. Az ily módon széleskörűvé vált nemzetközi adatcsere lehetővé tette egy úgynevezett magyar virtuális szeizmológiai hálózat létrehozását, melyben a magyar állomások megfigyelési adatai mellett nagyszámú külföldi állomás adatai is folyamatosan rendelkezésre állnak. A Mónus Péter szeizmológus (MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet Földrengési Obszervatórium) vezetésével létrehozott virtuális hálózat már többször bizonyította hatékonyságát földrengések helyének és magnitúdójának meghatározásában. Ez a szeizmológiai lokalizációs rendszer lehetővé tette a Tohoku-földrengés fészkéből származó főrengés adatainak meghatározása mellett az elő- és utórengések adatainak meghatározását is. Segítségével 46 előrengést és 600-nál több M>=4,5 utórengést sikerült megfigyelnünk 2011 áprilisának végéig. Az általunk észlelt előrengések a 36,4° és 40,0° északi szélességek, valamint a 141,5° és 143,1° keleti hosszúságok által határolt mintegy 50 000 km2 területen belül pattantak ki 2011. február 2 és február 10 között (4. ábra). A megfigyelt legnagyobb előrengés 2011. március 9-én történt. Magnitúdója M=7,1 volt és közel két napig mint jelentős független szeizmológiai eseményt tartottuk nyilván.  A Földrengési Obszervatórium által május elejéig rögzített több mint 600 M>=4.5 utórengés epicentrumai egy 35,0° és 41,0° északi szélességek, valamint a 141,5° és 145,0° keleti hosszúságok által határolt 165 000 km2 területről származnak. Az utórengés aktivitásra jellemző, hogy a főrengést követő másfél nap során kilenc M>=7 méretű eseményt figyeltünk meg, a M>=6 méretűek még május közepén sem számítottak ritkaságnak.  Ennek ellenére az utórengések összesített energiája (nagyságrendileg [1015–1016 J]) elhanyagolható a főrengés során felszabadult 2,09·1018 J energiához képest. 

4. ábra. A Tohoku-földrengés epicentruma,
elő- és utórengéseinek forrásterületei

Kelet-Honsu szeizmológiai viszonyait az Ohotszki-lemez alá a felszínhez viszonyítva 35° dőlésszög  alatt 90 mm/év sebességgel  benyomuló (szubdukálódó) Csendes-óceáni-lemez, illetve e két lemez kölcsönhatása határozza meg. A szubdukálódó lemeznek a felszínhez viszonyított dőlése a Japán-ároktól nyugati irányban alig változik és a lemez felszíntől számított mélysége az ázsiai kontinens partvidékénél 650 km. Az 5. ábra az M>=7,5 magnitúdójú földrengések epicentrumait ábrázolja. 

5. ábra. Az M>=7,5 magnitúdójú földrengések epicentrumai
Japán térségében

A földrengés-energia túlnyomó része (~90%) a földkéregben koncentrálódik éles maximummal a 30 km-s mélységnél (1,1×1026 Joule/év)  (6. ábra). A földrengés-energia másik számottevő forrása (a 30 km-es szint energiájának ~10%-a) a felső és alsó köpenyt elválasztó 400 és 670 kilométeres mélységek között elhelyezkedő átmeneti réteg alsó határához tartozik. Nyilvánvaló, hogy a Föld mélyebb részei felé tartó lemeznek ezen a szinten valamilyen, mozgását gátló, akadályon kell túljutnia. Érdekes, hogy az átmeneti réteg felső határán nem figyelhető meg a földrengés energia felszabadulás megnövekedése. Tehát ezen a szinten a lemez akadálymentesen halad át. 

6. ábra. A földrengés energia mélység szerinti eloszlása

A 400 és 670 km mélységben lévő szeizmikus diszkontinuitásokat a köpeny anyagának 60 %-át alkotó olivinnek egy szilárd-szilárd ásványtani fázisátmenete okozza. A felső szint esetében az olivin a-spinell szerkezete alakul át b-spinellé, míg az alsónál a g-spinell szerkezetű olivin perovszkittá és magnéziovüsztitté. Jelentős különbség a két fázisátmenet között, hogy a felső exoterm, míg az alsó endoterm folyamat. Azaz 400 km mélységben az átalakulás során hő szabadul fel, míg 670 km-nél hőelvonás történik, ez pedig befolyásolja az alábukó lemez mozgását is. Amikor a hideg, szubdukálódó lemez eléri az exoterm határt, a felszabaduló hő miatt a hideg anyagban magasabbra kerül a fázishatár. A határ alatt sűrűbb fázis található, így itt egy negatív felhajtóerő lép fel, ami segíti a lemez süllyedését. Az endoterm határnál éppen ellentétesen, a fázishatár lefelé tolódik, ezáltal pozitív felhajtóerő keletkezik, ami gátolja a lemez süllyedését. A fázishatárok emiatt komoly szerepet játszanak a Föld köpenyében zajló áramlás szerkezetének kialakításában. A lefelé tartó hideg anyag (a szubdukálódó lemez) tehát mintegy akadályba ütközik a 670 km-es határon, ami nagyobb feszültség felhalmozódáshoz és ez által nagyobb energia felszabaduláshoz vezet.

A földrengés során a kőzetekben rugalmas feszültség formájában tárolt potenciális energia részben rugalmas energiává (ER) alakul. A potenciális energia másik része disszipálódik, maradandó alakváltozásokat, elmozdulásokat eredményez (EM). Végül egy harmadik rész hőenergiává alakul (EH). A földrengés energia szempontjából vett hatékonysága:

Ha h~1, akkor a tárolt feszültség hatékonyan alakul át rugalmas energiává. Ez jellemző a sekélyfészkű földrengésekre. A mélyfészkű földrengések hatékonysága lényegesen alacsonyabb: a tárolt feszültség nagyobb része válik hőenergiává, mint a felszín közeli események során. Ez utóbbi eset érvényes az 5. ábrán látható (körökkel jelölt) mélyfészkű földrengésekre. A legtöbb földrengés esetében: 0.25<=h<=1.00. Kivételt képeznek a cunamit generáló, nagy felszíni elmozdulással járó földrengések, ahol h<=0.25. 

A Tohoku-földrengéssel kapcsolatban elhangzott: a Honsutól keletre található rendkívül aktív zónában (még Japánban is a legaktívabb: emlékezzünk vissza az 5. ábrára, a keresztekkel jelölt rengések besűrűsödésére ebben a térségben) eddig sohasem figyeltek meg M>=9,0 magnitúdójú földrengést. Ez a megállapítás természetesen nem jelenti azt, hogy ilyen eseményre Tohoku térségében korábban még nem került volna sor és ilyenre nem is kellett számítani. Hogy e kérdésben tisztábban lássunk megkíséreltük a statisztikus földrengés prognózis módszerével vizsgálni ezt a kérdést.

7. ábra. Földrengés-gyakoriság Kelet-Honsu térségében

A földrengések éves száma (N) kapcsolatát a magnitúdó értékével a következő szimbolikus egyenlettel írhatjuk le: lgN=A-B·M (ahol A és B, a szeizmológiai adatbázisok feldolgozásából kapott számállandók). Az egyenlet alkalmazása céljából elkészítettünk egy kisebb, az 1978. január 1. és 2010. december 31. közötti időszakra és Kelet-Honsu térségére vonatkozó, 93 darab 5,0<=M<=7,7 szeizmikus eseményt tartalmazó földrengéskatalógust. Az eredményként kapott regressziós egyenes (7. ábra) meghosszabbítása M=9-ig azt valószínűsíti, hogy Tohoku térségében 200–250 évenként kell olyan erősségű földrengésre számítani, mint a 2011. március 11-i.  Matsuda T. a Tokiói Egyetem Földrengéskutató Intézetéből egy olyan közelítő eljárást fejlesztett ki, mely a földrengés szempontjából aktív szerkezetre – annak hosszának ismeretében –  lehetővé teszi az ott elképzelhető maximális földrengés magnitúdójának becslését. A 2011. március 11-én Tohoku térségében aktív szerkezet hossza L=450 km (4. ábra). Ezt az értéket felhasználva Matsuda közelítő egyenletével Mmax=(log L+2.9)/0.6=9,3. Bármilyen közelítő jellegűek is számításaink, az megállapítható, hogy Tohoku térségében számítani kell és kellett M=9 méretű megaföldrengésre. Ez a tény nyilván ismeretes volt a japán szakemberek számára. Amiben azonban esetleg a Tohoku térségére vonatkozó prognózis hibás lehetett, az az, hogy valószínűleg alábecsülték az itt várható cunamik veszélyét. 

Ha a földrengéseket generáló szerkezet rugalmas feszültség formájában tárolt potenciális energiája a rugalmas hullámok energiájának rovására mechanikus energia formájában szabadul fel, azaz a viszonylag gyorsan keletkező ER  rovására megnő a lassúbb deformációkba átmenő E akkor, ha a földrengésfészek nem túl nagy mélységben és tenger alatt található megnő a tengerfenéken várható elmozdulás nagysága és ezzel együtt a cunami keletkezésének veszélye. Elsősorban tehát akkor kell számítanunk szökőár keletkezésére, ha a tengerfenék elmozdulásának függőleges összetevője nagy. Általában elfogadott, hogy 6,5 magnitúdónál kisebb földrengés nem képes szökőár gerjesztésére, 6,5<=M<=7,5 méretű földrengések kisebb cunamikat kelthetnek az epicentrum közelében, 7,6<=M<=7,8 esetében jelentős cunami keletkezik, de csak az epicentrális zónában, végül M>=7,9 esetében számíthatunk a nagy területen pusztítani képes szökőárakra. A Földön a legtöbb cunami a Csendes-óceán alatt keletkező földrengésekből származik (2. táblázat). Az ismert szökőárak közül a legmagasabb a Krakatoa vulkán 1883. évi  kitörését követő volt. A 3. táblázatban az ettől az időponttól a Tohoku-földrengésig terjedő időszak legjelentősebb szökőárait foglaltuk össze. 1498 és 2011 között 16 pusztító cunami sújtotta Japánt. Ezek többségét földrengés generálta, de előfordult tenger alatti földcsuszamlás és vulkánkitörés következtében is. Ha a földrengést cunami követte, az áldozatokat általában ez szedte és nem a földrengés. A nagy cunamik amplitúdói 10 és 30 méter között változtak és Japán legkülönbözőbb részein pusztítottak. Többek között Honsu keleti partvidékén is.  

A legnagyobb szökőárak amplitúdói és az ezeket generáló földrengések magnitúdó-értékei közötti kapcsolat meglehetősen összetett. Az M>=8,5 földrengéseket felsoroló 1. táblázat eseményei közül csak néhány szerepel a legnagyobb cunamik között (3. táblázat),  az 1952. évi kamcsatkai földrengés (M=9,0) által generált szökőár magassága alig több mint a fele a hasonló méretű 1964. évi alaszkainak. Ráadásul jelenleg még nem tisztázott az a mechanizmus, mely a tengerfenék elmozdulásának energiáját a rendkívül hosszú periódusú szökőár hullám energiájává alakítja át. Ezek a bizonytalanságok nem teszik lehetővé  napjainkban a cunamikból eredő veszélyeztetettség prognózisát. 


Természet Világa, 142. évfolyam, 7. szám, 2011. július
http://www.termeszetvilaga.hu/
http://www.chemonet.hu/TermVil/