【地質研究】日本致命斷層特性大解密

■海洋鑽探發現,薄弱的黏土層造成2011年的強震與大海嘯。

作者|Nicola Jones
編譯|劉賢哲

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深海鑽探船地球號(Chikyu)調查2011年撼動日本311地震的斷層特性。該地震引發大海嘯,導致福島(Fukushima Daiichi)電廠三座核子反應爐熔毀。

2011年侵襲日本的地震與海嘯破壞力驚人,使研究人員目瞪口呆,因為他們沒料到引發地震的斷層竟能釋放如此巨大的能量。但如今,研究人員已能用全球鑽探深度最深的海洋研究船確定是什麼樣特殊的地質構造使這次災難如此駭人。

研究人員在本週的《Nature》發表文章,指出該斷層異常薄弱。研究結果能協助科學家了解,世界各地其他外海斷層是否會引發相同規模的災難。

未參與此次新研究的維多利亞省加拿大地質調查局(Geological Survey of Canada)研究人員王克林(Kelin Wang)表示:「如果這種地質構造比先前想得更為普遍,那麼我們就得重新思考評估風險的方式。」

2011年3月11日日本東北發生的9級強震,其實是由兩種地震組成。一種是一般發生在震源附近的深層地震,會造成地面搖晃;另一種是發生在外海的特殊淺層地震,導致板塊向側邊滑動50公尺,距離打破以往記錄,令人咋舌。海床位移正是引發大海嘯的原因。教科書提到的「隱沒帶」(subduction zones)是指海洋板塊隱沒入另一塊板塊下方(本區情況即是如此),海床周圍較淺的部分應能防止板塊滑動,因為軟沈積物移動時摩擦力會增加,阻礙進一步滑動,但311地震的板塊滑動情況卻非常嚴重。

為了瞭解成因,一組研究人員立刻成立日本海溝快速鑽探計劃(Japan Trench Fast Drilling Project),徵召日本研究船地球號。地球號曾在海面下近7公里處,鑽探海床近1公里深。研究小組剛開始面臨若干技術問題,但終於在2012年5月取得斷層岩芯,並於7月在其中一個井孔安裝測溫儀。

易滑的黏土

採集到的岩芯夾著一層薄薄的黏土,約5公尺厚,兩塊滑動的板塊以此為界。加州大學聖塔克魯茲分校(University of California, Santa Cruz, UCSC)的艾蜜莉.布洛斯基(Emily Brodsky)是本週《Nature》三篇研究的作者之一。她說:「這種情況實在太奇怪了,通常黏土層厚達數十甚至上百公尺。」實驗室檢驗證實,潮濕的黏土層極易滑動,在高壓環境下更是如此。滑動會產生摩擦力與釋放熱量,黏土中的水分受到擠壓,轉而推擠四周不透水岩,使斷層滑動的幅度更大。

測溫儀發現,地震發生一年多來,斷層的溫度仍較周圍高,最高多出0.31 °C。研究人員可據此推測板塊滑動時有多少摩擦力。結果證實,5公尺的黏土層摩擦力非常低。

布洛斯基表示:「根據經驗,斷層帶岩石的磨擦力比這裡高出6至8倍,這點非常重要。」王克林證實研究發現非常特殊,他說到:「地震發生期間的磨擦力這麼低,令人十分訝異。」因為教科書告訴我們,地震期間的磨擦力應該上升而非下降。布洛斯基表示,岩芯、實驗室研究以及測溫儀的三方數據顯示摩擦力均相同,讓研究人員放下心中的大石頭。他說:「單一種證據會讓人覺得結果很詭異,但綜合三方數據,我們開始相信這是真的。」

地質構造相似的斷層

研究結果呼應《Nature》一月發表的理論模型。此模型結果說明了黏土斷層一旦能夠克服摩擦阻力,便容易使該斷層滑動,也說明流體壓力能導致這類斷層大幅滑動,例如加州聖安德里斯斷層(Saint Andreas fault)的中段。

其他地區的外海斷層是否也有這種特殊的地質構造,可能引發巨浪?同樣來自UCSC、同時也是此研究的作者之一凱西.摩爾(Casey Moore)表示,理論上阿拉斯加、印尼與南美洲外海都有相似的黏土層,但目前鑽探的井孔數量不足,尚無法證明。

鑽探船能接觸到的水下斷層非常有限,目前研究人員已於巴貝多、日本更南方的南海海槽(Nankai trough)與哥斯大黎加等地的斷層採樣。南海海槽與東北斷層的地質構造南轅北轍,但布洛斯基表示:「至少現在我們知道目標在哪。」

 

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 研究出處:Killer qualities of Japanese fault revealed

責任編輯:Kerina Huang

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