深部地质结构的变化放大了2011年日本海啸

当下降的洋壳平板的角度减小时，日本发生海啸的风险可能会增加。在此图像中，洋壳（右）在大陆壳下以一个陡峭的角度滑动，导致堆积在其后的海底沉积物出现断层（红线）。

2011年3月11日，日本海床下发生了9级地震，这是近代日本发生的最强烈地震，也是自现代记录开始以来世界第四大地震。它产生了一系列海啸波，在某些地方达到了异常高的125至130英尺。这些海浪摧毁了日本大部分人口稠密的海岸线，导致三个核反应堆融化，造成近2万人丧生。

海啸的明显原因是：地震发生在一个俯冲带，太平洋下面的构造板块正试图在邻接日本和其他陆地的大陆板块下面滑动。几个世纪以来，这些板在很大程度上相互粘在一起，并形成了压力。最后，有些东西给了。数百平方英里的海底突然向水平方向倾斜约160英尺，并向上推了33英尺。科学家称此为“巨大推力”。就像一只手在浴缸里在水下剧烈挥动着手一样，倾泻声传播到海面并转化为波浪。当它们接近沿海浅水区时，它们的能量集中，并且高度增加。剩下的就是历史了。

在此图像中，随着角度变浅，应力转移到堆积在大陆壳上的沉积物上，并且断层在那里发育。蓝点表示发生的地震。左侧的角度变化也改变了产生岩浆的火山区域，将火山喷发推向内陆。

但是科学家很快意识到，事情并没有加起来。海啸的大小倾向于以可预见的规模反映地震的幅度。这一波浪产生的波浪比预期大三到四倍。仅仅几个月后，日本科学家就发现了另一个非常不寻常的断层，该断层距离海岸约30英里，似乎是与巨推力一道移动的。他们认为，这种过失可能放大了海啸。但是他们无法说出那里到底是怎么发展的。现在，《自然地球科学》杂志上的一项新研究给出了答案，并可能洞悉其他可能遭受海啸威胁的领域。

这项研究的作者来自哥伦比亚大学的拉蒙特-多尔蒂地球观测站，研究了地震前后地震灾后其他研究人员收集的各种数据。其中包括海底地形图，水下钻孔的沉积物以及除特大推力外的地震震动记录。

所讨论的异常断层是所谓的伸展断层，即地壳被拉开而不是被推到一起。巨大的推力作用之后，伸展断层周围的区域向海移动了约200英尺，在那里可以看到一系列10至15英尺高的陡坡，表明突然而有力的断裂。伸展断层周围的区域也比周围海床温暖，表明最近的运动产生了摩擦。这表明，当大推力撞击时，伸展断层就被松动了。反过来，这会增加海啸的力量。

实际上，伸展断层在俯冲带周围很常见，但仅在洋板块中才发现，而在上覆板块中则没有。它是怎么到达那里的？而且，这样的危险特征是否会在世界其他地区潜伏？

这篇新论文的作者相信答案是洋板在大陆下方窥视的角度。他们说，它已经在数百万年的时间里逐渐趋于淡化。Lamont博士说：“大多数人会说是造成海啸的巨大推力，但是我们和其他一些人说，除此之外，还有其他事情在起作用。”该论文的主要作者Bar Oryan。“这里的新功能是我们解释故障产生机理。”

研究人员说，很久以前，大洋板块以更大的角度向下移动，并且很容易掉落，而不会干扰上覆大陆板块的海底。任何延伸断层可能都局限于海沟后面的洋板块，即两块板块相遇的区域。然后，从四百万或五百万年前开始，俯冲角似乎开始下降。结果，大洋板块开始对大陆板块顶上的沉积物施加压力。这将沉积物推至海沟和日本海岸线之间的巨大而微妙的隆起处。一旦驼峰变大并压缩得足够大，它就必定会断裂，这可能是大推力地震使事情松散时发生的事情。研究人员使用计算机模型显示了板倾角的长期变化如何在地震过程中产生短期变形的重大变化。

有多种证据。首先，从地震发生之前的钻孔中提取的材料表明，沉积物已在陆地和海沟之间的中途被向上挤压，而靠近陆地和海沟的沉积物正在沉降-类似于如果人们将一块铺成一块的话会发生的情况。纸平放在桌子上，然后从相反的侧面慢慢推入。此外，大地震后六个月的余震记录显示，数十起伸展断裂型地震席卷了整个大陆板块的海床。这表明大的伸展性断裂只是最明显的断裂。随着驼峰的放松，周围地区较小，相似的地震中，到处都释放出应变。

此外，在陆地上，日本拥有排列成整齐的南北弧线的众多火山。这些是由俯冲板块与大陆板块之间交界处50或60英里处产生的岩浆推动的。在同样的400万到500万年间，这条弧线一直向西迁移，远离海沟。由于岩浆的产生往往发生在相当恒定的深度，因此增加了俯冲角逐渐变浅的证据，从而将岩浆产生区推向了更内陆。

拉蒙特（Lamont）地球物理学家和合著者罗杰·巴克（Roger Buck）表示，这项研究及其建立的早期研究具有全球意义。他说：“如果我们能够找出俯冲角是向上还是向下移动，并查看沉积物是否正在经历这种相同的变形，那么我们也许能够更好地说明这种风险存在于何处。”进行此类调查的候选人将包括尼加拉瓜，阿拉斯加，爪哇和太平洋火环地震带的其他地区。他说：“这些领域对数百万人至关重要。”