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日本的“地球號”鑽探船在3月11日遭受海嘯衝擊並受損，這場海嘯摧毀了日本東北部。如今，“地球號”被賦予了一項特別合適的任務：鑽探到斷層帶，並在引發海嘯的9.0級東北地震震中附近進行溫度測量。這將是研究人員首次在地震後不久鑽探水下斷層。這項行動的目的是解開一個關於摩擦在地震事件中所起作用的數十年謎團。這應該有助於科學家們理解為什麼有些斷層比其他斷層更可能引發海嘯——在這種情況下，海嘯最終奪走了超過23,000人的生命。
“如果我們不盡可能多地從這次巨大地震加熱的斷層帶中學習，那將是對社會的一大損害，”綜合海洋鑽探計劃（IODP）管理小組總裁兼執行長清泰末廣（Kiyoshi Suyehiro）說。在9月份初步批准該提案後，IODP現已確認資金到位，用於“地球號”在4月份啟航，並在地震震中以南的地點進行鑽探（見地圖）。
正式名稱為“日本海溝快速鑽探專案”的考察的科學原理，詳細記錄在2009年的一份報告中，該報告提倡在地面滑動超過一米的地震發生後，儘快透過斷層線進行快速反應鑽探。東北地震事件創造了有史以來觀測到的最大滑動量的新紀錄——驚人的50米——使其成為理想的目標。
“這現在是地震學中的一個基本問題：如何讓岩石滑動數十米？”日本京都大學防災研究所地震學家詹姆斯·森（James Mori）說，他是快速反應報告的合著者，也是即將到來的鑽探考察的聯合首席科學家。研究人員認為，答案的一個重要部分是，斷層線中岩石、沙子和水板塊之間的阻力在地震期間會顯著下降——例如，由於岩石融化或水壓升高——但沒有人能夠正確測量這種效應。由於摩擦以熱量的形式消散，精確的溫度資料應該可以填補一個關鍵的知識空白。
加州大學聖克魯茲分校的艾米麗·布羅德斯基（Emily Brodsky）也參與了這項任務，“我們做了很多計劃，但不知道會遇到什麼樣的地震。”
研究人員曾嘗試在陸地地震後監測地下溫度，共三次——分別是在1995年日本神戶地震、1999年臺灣集集地震和2008年中國四川汶川地震之後。但這些專案總共只產生了幾個溫度讀數，並且只發現了微小的溫度升高，或者根本沒有發現——可能是因為溫度升高太小而無法看到，或者是因為監測技術不完善。“反覆出現的主題是，斷層的溫度往往比它們應該的溫度要低，”布羅德斯基說。她表示，更大的滑動事件提供了更好的機會來追蹤預計高達 0.5 °C 的溫度升高。“我們需要現在就做這件事，快速地做，並且正確地做。”
“地球號”將向下鑽探 1 公里穿過斷層，並將一串溫度感測器放入孔中。透過跟蹤一到三年的溫度——比以前嘗試的時間長得多——研究人員應該能夠計算出地震產生的總熱量。這將為他們提供斷層在滑動過程中感受到的阻力，從而填補地震動力學模型中的空白。“這是一個關鍵的缺失要素，”加州理工學院帕薩迪納分校的地質學家讓-菲利普·阿沃克（Jean-Philippe Avouac）說，他沒有參與該專案。
完成鑽探並非易事。在擬議的地點，東北斷層位於水下 7 公里和地殼下方約 700 米處，因此需要巨大的鑽桿。布羅德斯基說，以前只從那麼深的水下提取過微小的 15 米巖芯；大多數巖芯是從水下 6 公里或更淺的地方提取的。
除了溫度測量外，該專案還將檢查巖芯中提取的沉積物。某些沉積物紋理，例如球軸承狀的粘土顆粒，可能與大滑動地震有關。識別這些特徵應有助於科學家預測其他斷層的滑動潛力。
從東北地震事件中收集寶貴資訊的機會代表著“一個機會，甚至是一種責任”，森說。他指出，地震造成的幾乎所有破壞都是由海嘯造成的。“我們真正想了解的是海嘯的成因。”
本文經《自然》雜誌許可轉載。該文章於首次發表於2011年10月31日。