日本大地震的奇怪与不奇怪

2011-3-25 13:37 来源: 南方周末
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2011年3月20日,日本陆前高田,废墟中的布娃娃。

  NOAA发布的日本地震海啸图。在地震源附近的地区以及东南部海域是地震能量最集中的区域,这里的海啸浪高最少将超过2.5米,然而海啸以喷气客机的速度横跨整个太平洋,在开放海域的浪高不超过20公分。

  在环太平洋地震带上发生大地震是不奇怪的,但是对于在仙台外海发生9.0级的巨震,地震学家还是感到有点奇怪。多数人将注意力放在了南边,也就是东京海湾外。21世纪的大地震正在向地震学提出更多的问题。

  在英国阿尔斯特大学地球物理学家约翰·麦罗斯基(John McCloskey)看来,2011年3月11日发生的日本特大地震并不完全出乎意料,因为在3月9日已经有一次7.2级地震,9.0级的这个只是前者的余震。

  这次强大的余震让地球自转轴发生了25厘米的位移,让南极洲的一个冰川滑动了半米。它是地球上自1900年以来的第四大地震。

  地震发生在环太平洋地震带上,在这一圈被人们称为“火环”(Ring of Fire)的地震带上出现一场大地震并不奇怪。奇怪的是,几乎没有地震专家认为靠近日本仙台的那片地带能够产生哪怕是接近9.0级的大地震。他们此前一直认为,7.5级是可能的。但9.0级地震与7.5级所释放的能量相差一百倍。

  “这次发生的地震位于仙台外海,还是有点奇怪。大部分地震研究者的精力实际上是在南边,也就是东京海湾外。”美国伊利诺伊大学地震学家宋晓东对记者说。

东京为什么不地震

  这次的日本大地震很容易让人想起一年前发生的智利8.8级大地震。“它们的震级非常相近,大小非常相近,它们离海岸的距离也非常相近,然后引起了海啸。”宋晓东说,“智利地震跟日本地震都发生在环太平洋的俯冲带上。”俯冲带的地震是由海洋板块向大陆板块俯冲造成的。海洋板块一般较重,在与大陆板块撞击的地方,海洋板块会往大陆板块下面俯冲。“俯冲”的意思是说,碰撞发生时一个板块向深部移动。这种类型的地震可以达到很大,比如历史上1960年的智利9.5级地震和2004年苏门答腊的9.1级地震,均属于这一类型。

  在海洋板块俯冲的过程中,大陆板块本身也会变形,这就是为什么一般来说俯冲带后面都有岛弧。整个日本就是俯冲带后面的岛弧,再如整个南美安第斯山脉,也都是由俯冲带形成的岛弧。

  日本大部分的地震学家实际上是把研究的注意力放在了东京附近。“东京的外海,从历史上来看比较安静。但它也位于俯冲带,所以对于地震研究人员来说问题就是,那个地方是不是要发生地震?那个地方怎么回事,为什么会比较安静?”宋晓东说。这些才是过去很多年里地震学家所关心的。

  自1970年代起,地震学家们就密切关注东京西南方向的东海断层。那里自1854年以来都没有发生过大地震,而此处发生8级地震的周期似乎是150年左右。

  仙台大地震发生后的一周内,日本又发生了三次7级以上地震和48次6级以上地震。日本东京大学地震研究所的黑井聪子认为,有证据表明,3月12日和15日发生在东京西边的两次地震是由仙台大地震触发的。

  没有人知道现在的东京是否安全。东京西南方是菲律宾板块和欧亚板块的交界地带,因此一直被认为具有很高的地震风险。但是目前看来,仙台大地震引发的余震主要发生在太平洋板块的边界上。

预料之外的地点

  只有少数科学家警告过仙台附近发生大地震和海啸的可能性。在2001年,日本东北大学的地球科学家箕浦浩二及其同事在一篇论文中指出,仙台地区上一次发生巨大海啸是在公元869年。他们根据更早的地质记录,提出仙台地区的大海啸每800到1100年发生一次。因此,他们当时在论文中写到,“大海啸袭击仙台平原的可能性高”。

  从地震学本身来说,仙台附近发生地震,或者沿着俯冲带的任何地方发生地震都不奇怪。因为这里确实是一个非常薄弱的板块边界,而且相互之间的运动每年达到8厘米左右,是非常快的速度。

  但另一方面,用现有的地震学知识去分析,这次特大地震的发生确实有它难以理解的地方。美国地质调查局(USGS)的地震学家指出,一次这样规模的地震需要一条又长又直的断层,断裂的长度至少需要300英里。地质学家已经知道在秘鲁和南美东海岸都存在这样的断层。但日本地震所发生的地方,并不存在又长又直的断层,相反,断层的走向是很不规则的。

  有分析认为,这可能意味着地震发生的地方存在一条以前不为人知的分支断层。这种类型的断层会以较陡的角度断裂,从而更容易让海底地面出现大幅度的垂直错动,引发巨大的海啸。但一些初步的计算结果似乎又在排除这种可能性。计算发现断裂的角度只有14度,并没有呈现出分支断层的特点。确切的情况仍然需要更多的计算。

  此外,在地质学家看来,大地震的发生还与地壳的年龄有关。俯冲带中年轻的海洋地壳向地幔俯冲,才可能造成巨大的地震。年老的地壳俯冲的过程比较稳定,只会造成一系列小规模的地震。现在的问题是,日本东北部的海洋地壳已经有1.4亿年的历史,已经算得上是相当老了。

  据《自然》杂志报道,2004年的苏门答腊地震就引起了关于海洋地壳年龄假说的疑问。因为从那里的地壳的年龄来看,也不可能发生那样规模的地震。“我们地震学,以人类的历史来看,还是很短的。整个现代地震学也就是一百年的历史,有比较好的现代观测的历史大概是50年。”宋晓东说。21世纪已经发生的大地震正在向地震学家提出更多的问题。

  近期的测量结果确实显示出仙台地区由于板块运动而发生挤压,从变形的情况看,太平洋板块卡在了那里,而没有顺畅地滑入日本下方。这种挤压所造成的应力只有通过地震来释放。由于应力积累得非常快,过去的一系列小地震无法完全释放它,于是出现了3月11日的大地震。美国加州理工学院的地球物理学家托马斯·西顿(Thomas Heaton)认为,即使这次9.0级地震,也不见得就释放出了所有应力,“9级大地震之后这里会发生什么仍然是个谜”。

  有地震学家担心,如果仙台附近能够发生这么大的地震,那么世界上其他拥有相似年老海洋地壳的区域便也有可能。2010年的智利地震后,一组地震学家在地震发生的区域建立了150个测震台站和30个GPS站点,监测大地震之后的断层活动情况。他们发现,在过去的一年里,断层又错动了两到三米。研究人员现在希望通过这样的研究能够搞清楚这些缓慢的运动究竟是如何促成智利和日本那样的大地震的。

最透彻的研究

  1995年1月,日本发生阪神大地震。在那个时候,日本的地震监测网已经有几套在同时运行。其中,日本气象厅在全国布置了188个台站,日本防灾科学技术研究所(NIED)在日本中部的关东-东海地带建设了89个高灵敏度的台站。此外,日本的大学也在某些地区装有地震监测仪器,供研究之用。这些监测网之间会有数据的交流,但总体上说是相互独立运行的。

  阪神大地震后,日本启动了在全国范围内升级地震监测网络的项目。防灾科学技术研究所在一年之内完成了在全国分布有1000个台站的“K网”。K代表Kyoshin,在日语中是“强震”的意思。K网的台站是安装在地面之上的。

  同时,另一个覆盖全国的“Hi网”也被逐步建立起来,Hi网的测振仪装在超过100米深的地下,能够监测到从小到大的地震。到此次仙台大地震发生之时,Hi网已经在全国密集布置了超过800台高灵敏度的测振仪,仪器间的平均距离在20到30千米。

  日本大地震发生时,四百多千米长的断裂花了大约三分半钟;断裂仍在进行之时,日本气象厅就已经在Hi网的帮助下报出了地震。当时报出的震级是7.9,后来发现地震远远比这个要大。在地震发生后48小时,日本全国大约1200个GPS站点的测量数据显示,本州中部的地壳随着断裂的发生向东移动了4米。

  这就是为什么美国地质调查局地震科学中心的威廉·埃尔沃斯(William Ellsworth)相信,日本大地震将是有史以来被人们研究得最透彻的地震之一。