本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
週五當地時間下午 3 點左右，日本本州島北部東海岸約 100 英里處發生了一次大規模地震。最初計算為 8.9 級，後來升級為至少 9.0 級，這意味著這次地震釋放的能量大約是上個月襲擊基督城的 6.3 級地震的 8,000 倍。無論如何，這是日本有儀器記錄以來經歷的最大地震，也是有史以來檢測到的最大地震之一：它與 2004 年的節禮日地震相當，並且像那次地震一樣，它引發了一場大型且極具破壞性的海嘯。很難相信本州海岸海浪襲擊時的一些照片。
構造背景
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日本位於一個複雜的板塊邊界區域，三個俯衝帶在此交匯。其中兩個俯衝帶與日本東海岸平行。在南部，菲律賓板塊正在歐亞板塊之下俯衝，而在北部，太平洋板塊正在北美板塊之下俯衝（是的，確實如此：北美板塊和歐亞板塊之間並非特別活躍的邊界似乎穿過西伯利亞，沿著鄂霍次克海的西緣，穿過日本）。由於所有這些構造板塊相互碰撞，日本發生災難性地震的歷史悠久也就不足為奇了。
圖：週五地震的位置，相對於日本附近相交的眾多板塊邊界。底圖由 GeoMapApp 生成（http://www.geomapapp.org/）
地震
週五的地震在世界各地的地震儀上都有強烈的記錄，地震波橫跨北美，並在遠至英國的地方使儀器達到最大值。透過結合來自全球地震儀網路的資料，可以計算出地震中地球如何變形的影像，用類似沙灘球的震源機制來表示。本次地震的震源機制（如下所示）表明，沿著淺西傾或陡東傾的斷層存在壓縮。
主震的震源機制，以及兩種可能的斷層走向的橫截面
這與俯衝介面或“巨型逆衝斷層”上的運動一致。對地震儀資料的進一步建模也估算出了破裂的長度（至少 300-400 公里）及其移動的距離（10-20 米或更多）。在日本安裝的 GPS 站（用於測量兩次大地震之間地殼中緩慢積累的彈性應變）顯示，隨著幾個世紀以來彈性應變（將日本的地殼向西向上推）在幾分鐘內釋放出來，本州東部大部分地區向東移動了幾米。
3 月 11 日地震期間日本地殼的水平移動，由 GPS 站記錄（來自 http://supersites.earthobservations.org/sendai.php）
儘管最初的破裂發生在板塊邊界與海底相交的海溝後 150 公里處，但它似乎已傳播到大部分或全部地表，導致海底和上覆水域產生巨大的突然垂直移動，並引發海嘯。
破裂似乎已傳播到海底，引發了海嘯。
如果您想知道為什麼對這次地震的確切震級仍然存在一些困惑，那是因為 - 與直覺相反 - 測量大地震的震級實際上比測量小地震的震級更困難。要估計地震震級，您需要檢視它產生的地震波的振幅：波的振幅越大，產生它們的地震震級就越大。然而，在非常大的地震中，這種關係開始破裂，至少對於通常用於產生快速震級估計的地震波頻率來說是這樣：它們“飽和”，或者隨著地震震級增加而停止增加振幅。這意味著，在地震學家檢視不易受這種飽和效應影響的較低頻率地震波之前，對最大地震的震級估計會被低估。
在週五的地震之後，出現了一大群餘震（上次統計時，有超過 250 次 5 級以上餘震和大約 30 次 6 級以上餘震），因為破裂帶周圍的地殼對俯衝逆衝斷層突然移動施加的巨大應力做出反應。然而，在主震之前也有一些明顯的地震活動：週三，在與今天地震相同的地區發生了一次 7.2 級地震，隨後發生了一些較小的 5 級地震和三次 6-6.1 級事件。這些地震主要集中在週五較大破裂的東北部地區，並且在更大的餘震雲內。事後看來，這些地震是今天主震的前震。
地圖顯示 3 月 9 日和 10 日的地震活動位置（黃色圓圈）與 3 月 11 日的 ~M9（最大的橙色圓圈）以及餘震最初 24 小時（其他橙色和紅色圓圈）的比較。
然而，沒有辦法提前知道這一點：前震並沒有什麼特別“前震”的特點，除了它們最終的震級小於它們之前的主震之外。事實上，如果您繪製出過去幾天的地震隨時間的分佈圖，您可以看到，在週三和週四，在週三 7.2 級地震發生後，地震活動似乎又在逐漸減弱。
3 月 9 日至 14 日，本州海岸附近地震的震級（M5-6=小黃色圓圈，M6-7 橙色圓圈，M7+ 大紅色圓圈）。
海嘯
這次地震造成的破壞很少來自最初的震動。部分原因是日本嚴格的建築規範。但主要是因為在東京搖曳的摩天大樓的地震波造成的任何破壞，都被不到一小時後襲擊日本海岸的 10 米海嘯的影響所掩蓋。儘管日本 40% 的海岸線都面臨著旨在抵禦海嘯的混凝土海堤，但事實證明它們在這種情況下是無效的：海浪太高，最終海堤被淹沒。
海嘯的真正破壞力不在於過高的高度，而在於它們的波長。一個正常的波浪上升，在海灘上破裂，並在幾秒鐘內完成。海嘯波浪上升，破裂，並持續破裂幾分鐘或更長時間。它是一個不斷襲來的波浪……如果它高於海灘（或海堤）的高度，它將侵入內陸數公里，席捲一切。
3 月 11 日海嘯前後仙台海岸的衛星檢視。來源：NASA 地球觀測站 (http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=49630)
海嘯不僅向東襲擊日本，而且傳播到太平洋，在夏威夷和整個美洲西海岸（從阿拉斯加到巴塔哥尼亞）觸發了海嘯警報。至少對於夏威夷和美國西部來說，損失較小：海嘯的經過很明顯，但1-2 米的海浪高度的影響被它們在接近退潮時到達的事實進一步降低。然而，在加利福尼亞州北部和俄勒岡州南部有更嚴重的破壞和一些傷亡，海嘯和海岸的形狀共同作用產生了更大的海浪。
給喀斯喀特地區的警告
儘管為這樣的地震準備了幾十年，但日本仍然被週五地震的規模和強度以及它引發的海嘯所淹沒。這可能部分歸因於地震學家低估了這個俯衝帶可能產生的地震規模：他們正在準備大約 7.5 級的地震 - 比這小 150 多倍。未來地震風險的預測基於過去地震活動的不完整且過於短暫的記錄，因此，當歷史上安靜或不活動的斷層向我們展示它們在地質時間尺度上的全部行為範圍時，地球仍然會給我們帶來令人討厭的地震驚喜，這不足為奇。
在太平洋的另一側，我們的知識也存在類似的空白，但我們確實知道足夠多的資訊來理解，對美國西部和加拿大來說，真正的風險不是來自太平洋彼岸產生的海嘯，而是來自我們這一側產生的海嘯。在聖安德烈亞斯斷層以北，沿著西海岸延伸的板塊邊界是一個俯衝帶，與日本沿海的俯衝帶非常相似，同樣有能力產生大地震。上次卡斯卡迪亞俯衝帶真正破裂大約是300年前，地質證據表明，地震本身（可能超過8.5級）及其引發的海嘯，在範圍和規模上與上週五襲擊日本的地震和海嘯非常相似。而且，無論從哪個方面來看，北美西部都比日本更缺乏意識、更缺乏準備和更缺乏保護。雖然無法準確預測何時會發生地震，但卡斯卡迪亞俯衝帶最終會破裂是100%確定的。唯一的問題是，生活在其上的社會是否願意面對這種構造上的必然性。
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援助日本
週五事件的恢復將是緩慢而痛苦的。以下是一些您可以捐款以幫助受災者的組織。
關於作者：Chris Rowan 是一位地質學家，專門研究構造、大陸變形和古地磁學。他目前是芝加哥大學的博士後研究員。他的部落格是 Highly Allochthonous。
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