科学家在太平洋下方揭示了一个隐藏的薄弱带，这有助于解释为何日本2011年的灾难性地震和海啸会具有如此毁灭性。通过对海底进行前所未有的深钻，研究人员发现了一层薄且光滑的古粘土层，正是这一层使得巨大的破裂得以迅速直达海底，进而引发了巨大的海底位移和强烈的海啸。
一项新研究发现，日本海沟下方一层薄薄的软质富粘土沉积物在灾难中起到了关键作用。这层异常脆弱的地层位于海底正下方，使得断层在2011年的“巨型逆冲”地震期间得以一直破裂至海沟。结果，海底发生了惊人的130至200英尺的位移，助推了巨大海啸的生成。
“这相当于洛杉矶和旧金山之间的整个区域在短短六分钟内移动了130到200英尺，”北亚利桑那大学地球与可持续发展学院副教授、该研究的合著者克里斯蒂娜·雷加拉说道。“在我们观测地震的历史中，从未见过类似的情况。根据我们之前的认知，我们认为这是不可能发生的。”
这项由雷加拉和来自世界各地的十几位科学家主导的研究发表在《科学》杂志上。
日本海沟下隐藏的粘土层
大多数大地震始于地表深处。雷加拉解释说，当构造板块移动时，产生地震的破裂通常发生在地下深处。例如，2001年在太平洋西北地区发生的6.8级尼斯阔利地震，其破裂始于海底以下约32英里处。
2011年的日本地震则截然不同。破裂仅延伸至海底以下约15英里处，使得断层破裂点更接近海底。由此引发的9.1级地震造成了日本现代史上最严重的自然灾害之一，导致近2万人死亡，经济损失超过2000亿美元。
为了弄清原因，研究人员乘坐“地球号”科考船前往西太平洋。他们在海底钻探了约26,000英尺，回收了沉积物样本并进行了分析。吉尼斯世界纪录认证此次考察为有史以来完成的最深科学海洋钻探项目。
样本揭示了一层100英尺厚的远洋粘土，这是一种极软且滑的沉积物，是微小颗粒经过数百万年缓慢沉降到海底形成的。这层粘土夹在坚硬得多的岩石层之间，就像一条天然的“撕裂线”，将破裂集中在一条狭窄的路径上。
“在日本海沟，地质分层基本上预先决定了断层将在哪里形成，”该研究合著者、康奈尔大学地球与大气科学系副教授帕特里克·富尔顿说。“它变成了一个极其集中、极其脆弱的表面，这使得破裂更容易一直传播到海底。”
这一发现为何重要
由于这层远洋粘土沿日本海沟延伸了数百英里，研究人员认为该地区遭受浅层滑动地震的可能性可能比此前认为的要高。雷加拉表示，了解这些软弱层的位置可以提高科学家识别可能产生最大地震和海啸区域的能力。
“日本发生的地震和海啸不仅影响当地居民，还会影响港口的人们以及大洋彼岸的居民，”雷加拉说。“想想夏威夷：他们最具破坏力的海啸来自日本和阿拉斯加。这些确实是全球性事件。”
改进地震和海啸预测
研究人员希望这些发现能帮助科学家更好地理解强震和海啸最可能发生的地点。这些知识可以帮助决策者加强建筑规范，改善抗震基础设施，更新疏散计划，并帮助社区更好地应对未来的灾难。
“日本是世界上在地震和海啸防范方面的领导者之一，但即使是他们也没有对2011年发生的事情做好准备，”雷加拉说。“我们都需要更好地了解未来这些事件可能在哪里发生。只有这样，我们才能制定出能保障所有人安全的应急预案。”