自2011年日本東北大地震及其引發(fā)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(fā)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(fā)典型的“俯沖帶地震”。當錯動規(guī)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(tǒng)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(fā)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(tài)的巖石，相當于為斷裂提供“剎車”，限制淺部破裂的規(guī)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(qū)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(fā)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?？蒲袌F隊發(fā)現(xiàn)，在東北地震發(fā)生區(qū)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(fā)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(xiàn)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(fā)生大規(guī)模淺部滑移及引發(fā)強烈海嘯的潛力。

為獲取關鍵證據(jù)，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(chuàng)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(xù)分析證實，在日本海溝一帶，這種遠洋黏土沿海溝延伸數(shù)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(guī)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(qū)的風險評估提供重要參考。隨著更多類似鉆探和觀測數(shù)據(jù)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(qū)的防災減災提供科學依據(jù)。