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(jīng)過去5年了，地震學家一直在從災難中總結(jié)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(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境之一。在日本，與地震有關(guān)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(gòu)造學說所證實。1899年，明治三陸大海嘯發(fā)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(shù)據(jù)成為里氏震級劃分的關(guān)鍵，并導致板塊間俯沖過程的發(fā)現(xiàn)。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(fā)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(guī)則，在震級相近的地震中不斷產(chǎn)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?shù)氐牡卣鸱烙呗裕òê[墻等）都是依據(jù)這一觀點進行設(shè)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(chǎn)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(tǒng)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(fā)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(shù)），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(nèi)突然滑動，這是造成大地震的原因所在。用技術(shù)術(shù)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(chǎn)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(tǒng)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(nèi)產(chǎn)生大地震。當深度達到25英里時，地球內(nèi)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(chǎn)生大地震。但發(fā)生東日本大地震的地區(qū)并沒有遵循上述觀點，劇烈的晃動在其斷層最淺處發(fā)生。在仙臺市附近的沿海地區(qū)，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(fā)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(chǎn)生的后果非常可怕。一種假設(shè)認為：最初的震動足夠強烈，能驅(qū)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(wěn)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(chǎn)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(tǒng)最初低估了地震的等級，一些居民忽略了其最初發(fā)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(guān)注的，也是人道主義者應該關(guān)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(xiàn)實：對早期的地震，我們一開始并不知道它是否會發(fā)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(fā)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(guān)注為什么斷層的活動突然停止在一條構(gòu)造線上，而這條構(gòu)造線位于日本所在的上馱板塊。結(jié)合對該地區(qū)地震的地質(zhì)圖、高分辨率深度、重力數(shù)據(jù)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(zhì)不連續(xù)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(zhì)歷史的巖石會沿著俯沖帶產(chǎn)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(zhì)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(nèi)被摧毀。

［資料來源：The New Yorker］［責任編輯：岳 峰］