動搖的信念：東日本大地震的教訓

袁宣民/編譯

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動搖的信念：東日本大地震的教訓

袁宣民/編譯

9.0級的東日本大地震已經過去5年了，地震學家一直在從災難中總結教訓

日本被稱為地震學的搖籃。它位于全球四大板塊連接處，處在最不穩定的地質構造環境之一。在日本，與地震有關的文字記載可追溯到公元 599年，當時為推古女皇在位期間。20世紀初，日本地震學家提出了一系列理論，為世界地球物理學做出了顯著貢獻，其中一些理論在幾十年后被板塊構造學說所證實。1899年，明治三陸大海嘯發生三年后，今村明恒提出導致這次海水波動的斷層移動類型。20世紀20年代，另一位日本科學家和達清夫所收集的地震數據成為里氏震級劃分的關鍵，并導致板塊間俯沖過程的發現。在俯沖過程中，老的海洋地殼下沉到陸地地殼下面。如今，日本花在地震研究、工程和預防方面的人均費用比其他任何國家都要多。

然而在五年前，發生在日本東北部海域的里氏9.0級地震以及隨之而來的海嘯和核泄漏事故出乎人的意料。在2011年3月11日之前，地震學家形成這樣的共識：斷層的拉伸會遵循特定規則，在震級相近的地震中不斷產生斷裂，這樣的地震稱之為特征地震。位于本州島東北部的俯沖帶，是東日本大地震的震源所在地，其特征地震評估為低于8級。當地的地震防御策略（包括海嘯墻等）都是依據這一觀點進行設計的。然而事實證明，東日本大地震并非特征地震，這是人類有地震記錄以來的第四大地震，僅次于如下的三大地震：2004年的印度尼西亞和1964年的美國阿拉斯加的大地震（均為9.2級），以及1960年的智利9.5級地震，后者雖然鮮為人知，但其產生的海嘯摧毀了遠在6 000英里外的美國夏威夷州希洛市。

要理解東日本地震為什么違背傳統的地球物理學常識，應考慮地震中的一對矛盾：動摩擦力和靜摩擦力。地震發生的前提之一是有一個強斷層面（板塊邊緣或巖石斷裂處具有較大的摩擦系數），就像地毯下鋪了防滑墊一樣。而弱斷層會不斷滑動，因而無法儲存許多彈性能量。但是，強斷層也必須能夠在大范圍內突然滑動，這是造成大地震的原因所在。用技術術語來說，斷層的動摩擦力必須小于靜摩擦力。當相接觸的巖石表面相互擦動時，產生的熱量和粉末可以作為潤滑劑，使斷層面突然變得光滑。其原理與傳統越野滑雪類似，向下滑時需要較大的靜摩擦力，而滑行時又需要較小的動摩擦力。

在東日本大地震之前，人們普遍認為，俯沖帶可能只是在深度5～25英里范圍內產生大地震。當深度達到25英里時，地球內部的高溫足以將巖石熔化變形，導致巖石具有可塑性。當深度在5英里時，由于那里的巖石主要是由海底沉積物組成，巖石含水量多，相對較為稀薄。以上兩種情況下，斷層表面一直滑動，但由于太滑而不容易產生大地震。但發生東日本大地震的地區并沒有遵循上述觀點，劇烈的晃動在其斷層最淺處發生。在仙臺市附近的沿海地區，其板塊間的俯沖帶大約在15英里以下，被向東猛推了14英尺。它所在板塊邊緣的最上部，位移竟達到100英尺。這一移動使巨量海水上浮，從而引發海嘯，導致1.6萬人遇難。

如今，很多地震學家認為東日本大地震是綜合性地震。一次震級較大但原本不起眼的地震釋放出一系列次生連鎖反應，產生的后果非常可怕。一種假設認為：最初的震動足夠強烈，能驅動俯沖帶中一個摩擦力較大的板塊，然后觸動了俯沖帶原本穩定的上部。一旦這部分開始滑動，斷層中的流體開始受熱膨脹，其產生的作用類似于溜冰鞋下面的水薄膜。加熱的流體會阻止巖石表面相互接觸，使得它們之間的摩擦力幾乎為零。不幸的是，這次斷層滑動的前期給人的感覺僅是一次普通地震，因而日本精密的自動預警系統最初低估了地震的等級，一些居民忽略了其最初發出的警報。巖石摩擦的神秘過程，不僅是地球物理學家應該關注的，也是人道主義者應該關注的。

東日本大地震使得日本地震學界不得不放棄特征地震的概念，不得不面臨這樣令人不安的現實：對早期的地震，我們一開始并不知道它是否會發展成九級地震，它的擴散和最終震級將取決于幾秒鐘或幾分鐘后衍生出的疊加效應。本月初，由四個科學家組成的團隊在《自然》發表了一篇論文，解釋了這次日本大地震的震級為什么沒有變得更大。他們特別關注為什么斷層的活動突然停止在一條構造線上，而這條構造線位于日本所在的上馱板塊。結合對該地區地震的地質圖、高分辨率深度、重力數據和歷史模式的分析，上述四位科學家認為，這種突然的停止是由于板塊的地質不連續造成，日本最老的巖石和新形成的火山巖并列在一個板塊上。他們認為：不同地質歷史的巖石會沿著俯沖帶產生不同的摩擦力。這種摩擦力就像是雪地里的草塊，使飛馳而過的滑雪板突然停下來。

對于地震學家來說，東日本地震是一次震撼人心的警告：相對地球漫長的行為來說，我們對地球物理學的記錄僅僅是一孔之見；我們最先進的地質模型只是自然的卡通化、簡單化的寫照；一百年來最先進的地震學理論可能在一百秒內被摧毀。

［資料來源：The New Yorker］［責任編輯：岳 峰］