創紀錄深海鉆探揭開日本“3·11”超強地震之謎

自2011年日本東北大地震及其引發的特大海嘯摧毀福島第一核電站以來，科學界一直困惑于這一事件何以釋放出如此巨大的能量。如今，一項被載入吉尼斯世界紀錄的深海鉆探項目給出了關鍵答案。

這場災難在學術上被稱為“東北（東日本）大地震及海嘯”，發生在日本東海岸外的日本海溝一帶。在那里，太平洋板塊向下俯沖到鄂霍次克板塊（屬北美板塊的一部分）之下，板塊錯動會引發典型的“俯沖帶地震”。當錯動規模特別巨大時，被稱為“巨型逆沖地震”。東北地震是有記錄以來襲擊日本的最大地震，也是自1900年有系統地震記錄以來全球第四強地震。

通常，在巨型逆沖地震中，板塊之間的滑動主要發生在較深部位，而靠近海底的斷層上方往往存在一層強度較高、呈“鎖固”狀態的巖石，相當于為斷裂提供“剎車”，限制淺部破裂的規模。然而在2011年的東北地震中，破裂在向上擴展的過程中不僅沒有被這一淺部區域阻擋，反而一直延伸到日本海溝附近，淺部位移異常巨大，這一反常特征多年來令地震學家百思不得其解。

最新發表在《Science》期刊上的研究指出，謎底來自斷層帶中的一層特殊物質。科研團隊發現，在東北地震發生區域，板塊間通常應為堅硬巖石的地帶，竟是一層約30米厚的遠洋黏土。這種黏土由億萬年間沉降的微米級顆粒堆積而成，質地柔軟且極為“潤滑”。在板塊開始錯動時，這層黏土不但沒有像堅硬巖石那樣提供摩擦阻力，反而起到了類似“潤滑劑”的作用，大幅降低了斷層摩擦，使滑動在淺部加速發展。

研究表明，這一“潤滑效應”導致了約50至70米的淺部巨大滑移，顯著抬升并錯動了大面積海底地形，進而產生強烈震動和毀滅性海嘯。此次地震的能量釋放之強，還帶來了可觀的地球尺度效應：日本本州島整體向東移動約2.4米，地球自轉軸估計偏移10至25厘米，自轉速度也被微弱地加快，每天縮短約1.8微秒。

論文合著者之一、康奈爾大學研究人員帕特里克·富爾頓表示，這項工作有助于解釋為何2011年那次地震的實際表現與當時主流模型預測存在巨大差異。通過直接看到斷層帶的真實構造，科研人員可以更好地判斷地震滑移會集中在何處，也能更準確地評估特定俯沖帶發生大規模淺部滑移及引發強烈海嘯的潛力。

為獲取關鍵證據，國際團隊于2024年實施了名為“日本海溝快速鉆探計劃”（JTRACK）的深海科考任務，使用的是日本高度先進的科學鉆探船“地球號”（Chikyū）。這是人類首次直接鉆入近期巨型逆沖地震的主斷層帶。鉆探深度從海面算起達7，906米（近26，000英尺），創造了有史以來最深海洋科學鉆探的吉尼斯世界紀錄。

鉆探與后續分析證實，在日本海溝一帶，這種遠洋黏土沿海溝延伸數百英里，意味著在相當范圍內，都存在形成類似淺部大滑移地震的地質條件。富爾頓指出，在日本海溝，地層結構在很大程度上預先“規定”了斷層會形成在哪一層位，這條富含黏土的界面成為一條極其薄弱且高度集中的滑動面，使破裂更容易一路傳播至海底，進而增強海嘯風險。

研究團隊認為，對這類斷層帶力學機制的全新理解，不僅有助于重估日本近海未來地震與海嘯危險性，也將為其他沿海俯沖帶地區的風險評估提供重要參考。隨著更多類似鉆探和觀測數據的積累，人類對“隱形地質弱面”如何放大災害效應的認識，將有望進一步深化，從而為沿海社區的防災減災提供科學依據。