動(dòng)搖的信念：東日本大地震的教訓(xùn)

袁宣民/編譯

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動(dòng)搖的信念：東日本大地震的教訓(xùn)

袁宣民/編譯

9.0級(jí)的東日本大地震已經(jīng)過去5年了，地震學(xué)家一直在從災(zāi)難中總結(jié)教訓(xùn)

日本被稱為地震學(xué)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(dāng)時(shí)為推古女皇在位期間。20世紀(jì)初，日本地震學(xué)家提出了一系列理論，為世界地球物理學(xué)做出了顯著貢獻(xiàn)，其中一些理論在幾十年后被板塊構(gòu)造學(xué)說所證實(shí)。1899年，明治三陸大海嘯發(fā)生三年后，今村明恒提出導(dǎo)致這次海水波動(dòng)的斷層移動(dòng)類型。20世紀(jì)20年代，另一位日本科學(xué)家和達(dá)清夫所收集的地震數(shù)據(jù)成為里氏震級(jí)劃分的關(guān)鍵，并導(dǎo)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(yù)防方面的人均費(fèi)用比其他任何國(guó)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(jí)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(xué)家形成這樣的共識(shí)：斷層的拉伸會(huì)遵循特定規(guī)則，在震級(jí)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(píng)估為低于8級(jí)。當(dāng)?shù)氐牡卣鸱烙呗裕òê[墻等）都是依據(jù)這一觀點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。然而事實(shí)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(guó)阿拉斯加的大地震（均為9.2級(jí)），以及1960年的智利9.5級(jí)地震，后者雖然鮮為人知，但其產(chǎn)生的海嘯摧毀了遠(yuǎn)在6 000英里外的美國(guó)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(xué)常識(shí)，應(yīng)考慮地震中的一對(duì)矛盾：動(dòng)摩擦力和靜摩擦力。地震發(fā)生的前提之一是有一個(gè)強(qiáng)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(huì)不斷滑動(dòng)，因而無法儲(chǔ)存許多彈性能量。但是，強(qiáng)斷層也必須能夠在大范圍內(nèi)突然滑動(dòng)，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(dòng)摩擦力必須小于靜摩擦力。當(dāng)相接觸的巖石表面相互擦動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的熱量和粉末可以作為潤(rùn)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(shí)需要較大的靜摩擦力，而滑行時(shí)又需要較小的動(dòng)摩擦力。

在東日本大地震之前，人們普遍認(rèn)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(dāng)深度達(dá)到25英里時(shí)，地球內(nèi)部的高溫足以將巖石熔化變形，導(dǎo)致巖石具有可塑性。當(dāng)深度在5英里時(shí)，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(duì)較為稀薄。以上兩種情況下，斷層表面一直滑動(dòng)，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(diǎn)，劇烈的晃動(dòng)在其斷層最淺處發(fā)生。在仙臺(tái)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(dá)到100英尺。這一移動(dòng)使巨量海水上浮，從而引發(fā)海嘯，導(dǎo)致1.6萬人遇難。

如今，很多地震學(xué)家認(rèn)為東日本大地震是綜合性地震。一次震級(jí)較大但原本不起眼的地震釋放出一系列次生連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生的后果非?？膳?。一種假設(shè)認(rèn)為：最初的震動(dòng)足夠強(qiáng)烈，能驅(qū)動(dòng)俯沖帶中一個(gè)摩擦力較大的板塊，然后觸動(dòng)了俯沖帶原本穩(wěn)定的上部。一旦這部分開始滑動(dòng)，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(huì)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(dòng)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(dòng)預(yù)警系統(tǒng)最初低估了地震的等級(jí)，一些居民忽略了其最初發(fā)出的警報(bào)。巖石摩擦的神秘過程，不僅是地球物理學(xué)家應(yīng)該關(guān)注的，也是人道主義者應(yīng)該關(guān)注的。

東日本大地震使得日本地震學(xué)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(shí)：對(duì)早期的地震，我們一開始并不知道它是否會(huì)發(fā)展成九級(jí)地震，它的擴(kuò)散和最終震級(jí)將取決于幾秒鐘或幾分鐘后衍生出的疊加效應(yīng)。本月初，由四個(gè)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表了一篇論文，解釋了這次日本大地震的震級(jí)為什么沒有變得更大。他們特別關(guān)注為什么斷層的活動(dòng)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(duì)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(xué)家認(rèn)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(gè)板塊上。他們認(rèn)為：不同地質(zhì)歷史的巖石會(huì)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(duì)于地震學(xué)家來說，東日本地震是一次震撼人心的警告：相對(duì)地球漫長(zhǎng)的行為來說，我們對(duì)地球物理學(xué)的記錄僅僅是一孔之見；我們最先進(jìn)的地質(zhì)模型只是自然的卡通化、簡(jiǎn)單化的寫照；一百年來最先進(jìn)的地震學(xué)理論可能在一百秒內(nèi)被摧毀。

［資料來源：The New Yorker］［責(zé)任編輯：岳 峰］