本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
周五当地时间下午 3 点左右，日本本州岛北部东海岸约 100 英里处发生了一次大规模地震。最初计算为 8.9 级，后来升级为至少 9.0 级，这意味着这次地震释放的能量大约是上个月袭击基督城的 6.3 级地震的 8,000 倍。无论如何，这是日本有仪器记录以来经历的最大地震，也是有史以来检测到的最大地震之一：它与 2004 年的节礼日地震相当，并且像那次地震一样，它引发了一场大型且极具破坏性的海啸。很难相信本州海岸海浪袭击时的一些照片。
构造背景
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日本位于一个复杂的板块边界区域，三个俯冲带在此交汇。其中两个俯冲带与日本东海岸平行。在南部，菲律宾板块正在欧亚板块之下俯冲，而在北部，太平洋板块正在北美板块之下俯冲（是的，确实如此：北美板块和欧亚板块之间并非特别活跃的边界似乎穿过西伯利亚，沿着鄂霍次克海的西缘，穿过日本）。由于所有这些构造板块相互碰撞，日本发生灾难性地震的历史悠久也就不足为奇了。
图：周五地震的位置，相对于日本附近相交的众多板块边界。底图由 GeoMapApp 生成（http://www.geomapapp.org/）
地震
周五的地震在世界各地的地震仪上都有强烈的记录，地震波横跨北美，并在远至英国的地方使仪器达到最大值。通过结合来自全球地震仪网络的数据，可以计算出地震中地球如何变形的图像，用类似沙滩球的震源机制来表示。本次地震的震源机制（如下所示）表明，沿着浅西倾或陡东倾的断层存在压缩。
主震的震源机制，以及两种可能的断层走向的横截面
这与俯冲界面或“巨型逆冲断层”上的运动一致。对地震仪数据的进一步建模也估算出了破裂的长度（至少 300-400 公里）及其移动的距离（10-20 米或更多）。在日本安装的 GPS 站（用于测量两次大地震之间地壳中缓慢积累的弹性应变）显示，随着几个世纪以来弹性应变（将日本的地壳向西向上推）在几分钟内释放出来，本州东部大部分地区向东移动了几米。
3 月 11 日地震期间日本地壳的水平移动，由 GPS 站记录（来自 http://supersites.earthobservations.org/sendai.php）
尽管最初的破裂发生在板块边界与海底相交的海沟后 150 公里处，但它似乎已传播到大部分或全部地表，导致海底和上覆水域产生巨大的突然垂直移动，并引发海啸。
破裂似乎已传播到海底，引发了海啸。
如果您想知道为什么对这次地震的确切震级仍然存在一些困惑，那是因为 - 与直觉相反 - 测量大地震的震级实际上比测量小地震的震级更困难。要估计地震震级，您需要查看它产生的地震波的振幅：波的振幅越大，产生它们的地震震级就越大。然而，在非常大的地震中，这种关系开始破裂，至少对于通常用于产生快速震级估计的地震波频率来说是这样：它们“饱和”，或者随着地震震级增加而停止增加振幅。这意味着，在地震学家查看不易受这种饱和效应影响的较低频率地震波之前，对最大地震的震级估计会被低估。
在周五的地震之后，出现了一大群余震（上次统计时，有超过 250 次 5 级以上余震和大约 30 次 6 级以上余震），因为破裂带周围的地壳对俯冲逆冲断层突然移动施加的巨大应力做出反应。然而，在主震之前也有一些明显的地震活动：周三，在与今天地震相同的地区发生了一次 7.2 级地震，随后发生了一些较小的 5 级地震和三次 6-6.1 级事件。这些地震主要集中在周五较大破裂的东北部地区，并且在更大的余震云内。事后看来，这些地震是今天主震的前震。
地图显示 3 月 9 日和 10 日的地震活动位置（黄色圆圈）与 3 月 11 日的 ~M9（最大的橙色圆圈）以及余震最初 24 小时（其他橙色和红色圆圈）的比较。
然而，没有办法提前知道这一点：前震并没有什么特别“前震”的特点，除了它们最终的震级小于它们之前的主震之外。事实上，如果您绘制出过去几天的地震随时间的分布图，您可以看到，在周三和周四，在周三 7.2 级地震发生后，地震活动似乎又在逐渐减弱。
3 月 9 日至 14 日，本州海岸附近地震的震级（M5-6=小黄色圆圈，M6-7 橙色圆圈，M7+ 大红色圆圈）。
海啸
这次地震造成的破坏很少来自最初的震动。部分原因是日本严格的建筑规范。但主要是因为在东京摇曳的摩天大楼的地震波造成的任何破坏，都被不到一小时后袭击日本海岸的 10 米海啸的影响所掩盖。尽管日本 40% 的海岸线都面临着旨在抵御海啸的混凝土海堤，但事实证明它们在这种情况下是无效的：海浪太高，最终海堤被淹没。
海啸的真正破坏力不在于过高的高度，而在于它们的波长。一个正常的波浪上升，在海滩上破裂，并在几秒钟内完成。海啸波浪上升，破裂，并持续破裂几分钟或更长时间。它是一个不断袭来的波浪……如果它高于海滩（或海堤）的高度，它将侵入内陆数公里，席卷一切。
3 月 11 日海啸前后仙台海岸的卫星视图。来源：NASA 地球观测站 (http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=49630)
海啸不仅向东袭击日本，而且传播到太平洋，在夏威夷和整个美洲西海岸（从阿拉斯加到巴塔哥尼亚）触发了海啸警报。至少对于夏威夷和美国西部来说，损失较小：海啸的经过很明显，但1-2 米的海浪高度的影响被它们在接近退潮时到达的事实进一步降低。然而，在加利福尼亚州北部和俄勒冈州南部有更严重的破坏和一些伤亡，海啸和海岸的形状共同作用产生了更大的海浪。
给喀斯喀特地区的警告
尽管为这样的地震准备了几十年，但日本仍然被周五地震的规模和强度以及它引发的海啸所淹没。这可能部分归因于地震学家低估了这个俯冲带可能产生的地震规模：他们正在准备大约 7.5 级的地震 - 比这小 150 多倍。未来地震风险的预测基于过去地震活动的不完整且过于短暂的记录，因此，当历史上安静或不活动的断层向我们展示它们在地质时间尺度上的全部行为范围时，地球仍然会给我们带来令人讨厌的地震惊喜，这不足为奇。
在太平洋的另一侧，我们的知识也存在类似的空白，但我们确实知道足够多的信息来理解，对美国西部和加拿大来说，真正的风险不是来自太平洋彼岸产生的海啸，而是来自我们这一侧产生的海啸。在圣安德烈亚斯断层以北，沿着西海岸延伸的板块边界是一个俯冲带，与日本沿海的俯冲带非常相似，同样有能力产生大地震。上次卡斯卡迪亚俯冲带真正破裂大约是300年前，地质证据表明，地震本身（可能超过8.5级）及其引发的海啸，在范围和规模上与上周五袭击日本的地震和海啸非常相似。而且，无论从哪个方面来看，北美西部都比日本更缺乏意识、更缺乏准备和更缺乏保护。虽然无法准确预测何时会发生地震，但卡斯卡迪亚俯冲带最终会破裂是100%确定的。唯一的问题是，生活在其上的社会是否愿意面对这种构造上的必然性。
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越来越多的地质学家撰写博客并通过Twitter分享信息，对于那些想超越媒体报道的人来说，是一个很好的信息来源。例如，如果您真的想了解福岛核反应堆的情况，请花几分钟时间收听地质博客作者 Evelyn 录制的采访和她核工程师父亲的对话。Callan Bentley 的 Mountain Beltway 博客因其早期、深入和全面的地质故事报道而值得特别提及 - 其他贡献的完整列表可以在这里找到。
援助日本
周五事件的恢复将是缓慢而痛苦的。以下是一些您可以捐款以帮助受灾者的组织。
关于作者：Chris Rowan 是一位地质学家，专门研究构造、大陆变形和古地磁学。他目前是芝加哥大学的博士后研究员。他的博客是 Highly Allochthonous。
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