创纪录深海钻探揭开日本“3·11”超强地震之谜

自2011年日本东北大地震及其引发的特大海啸摧毁福岛第一核电站以来，科学界一直困惑于这一事件何以释放出如此巨大的能量。如今，一项被载入吉尼斯世界纪录的深海钻探项目给出了关键答案。

这场灾难在学术上被称为“东北（东日本）大地震及海啸”，发生在日本东海岸外的日本海沟一带。在那里，太平洋板块向下俯冲到鄂霍次克板块（属北美板块的一部分）之下，板块错动会引发典型的“俯冲带地震”。当错动规模特别巨大时，被称为“巨型逆冲地震”。东北地震是有记录以来袭击日本的最大地震，也是自1900年有系统地震记录以来全球第四强地震。

通常，在巨型逆冲地震中，板块之间的滑动主要发生在较深部位，而靠近海底的断层上方往往存在一层强度较高、呈“锁固”状态的岩石，相当于为断裂提供“刹车”，限制浅部破裂的规模。然而在2011年的东北地震中，破裂在向上扩展的过程中不仅没有被这一浅部区域阻挡，反而一直延伸到日本海沟附近，浅部位移异常巨大，这一反常特征多年来令地震学家百思不得其解。

最新发表在《Science》期刊上的研究指出，谜底来自断层带中的一层特殊物质。科研团队发现，在东北地震发生区域，板块间通常应为坚硬岩石的地带，竟是一层约30米厚的远洋黏土。这种黏土由亿万年间沉降的微米级颗粒堆积而成，质地柔软且极为“润滑”。在板块开始错动时，这层黏土不但没有像坚硬岩石那样提供摩擦阻力，反而起到了类似“润滑剂”的作用，大幅降低了断层摩擦，使滑动在浅部加速发展。

研究表明，这一“润滑效应”导致了约50至70米的浅部巨大滑移，显著抬升并错动了大面积海底地形，进而产生强烈震动和毁灭性海啸。此次地震的能量释放之强，还带来了可观的地球尺度效应：日本本州岛整体向东移动约2.4米，地球自转轴估计偏移10至25厘米，自转速度也被微弱地加快，每天缩短约1.8微秒。

论文合著者之一、康奈尔大学研究人员帕特里克·富尔顿表示，这项工作有助于解释为何2011年那次地震的实际表现与当时主流模型预测存在巨大差异。通过直接看到断层带的真实构造，科研人员可以更好地判断地震滑移会集中在何处，也能更准确地评估特定俯冲带发生大规模浅部滑移及引发强烈海啸的潜力。

为获取关键证据，国际团队于2024年实施了名为“日本海沟快速钻探计划”（JTRACK）的深海科考任务，使用的是日本高度先进的科学钻探船“地球号”（Chikyū）。这是人类首次直接钻入近期巨型逆冲地震的主断层带。钻探深度从海面算起达7，906米（近26，000英尺），创造了有史以来最深海洋科学钻探的吉尼斯世界纪录。

钻探与后续分析证实，在日本海沟一带，这种远洋黏土沿海沟延伸数百英里，意味着在相当范围内，都存在形成类似浅部大滑移地震的地质条件。富尔顿指出，在日本海沟，地层结构在很大程度上预先“规定”了断层会形成在哪一层位，这条富含黏土的界面成为一条极其薄弱且高度集中的滑动面，使破裂更容易一路传播至海底，进而增强海啸风险。

研究团队认为，对这类断层带力学机制的全新理解，不仅有助于重估日本近海未来地震与海啸危险性，也将为其他沿海俯冲带地区的风险评估提供重要参考。随着更多类似钻探和观测数据的积累，人类对“隐形地质弱面”如何放大灾害效应的认识，将有望进一步深化，从而为沿海社区的防灾减灾提供科学依据。