日本地震地點令人驚訝

30多年來，日本一直在期待和準備「大事件」。但 3 月 11 日發生的 9.0 級地震——1900 年以來世界第四大地震——並不是這個島國想像的災難。地震震央位於仙台市以東約 80 英里處，位於一片洋殼地帶，此前人們認為不太可能釋放出如此大的能量。

震區 3 月 11 日仙台地震（震央以紅色顯示）發生在向西移動的太平洋板塊突然潛入日本北部板塊之下時，科學家對日本北部板塊的歸屬存在爭議。箭頭表示板塊運動的方向。埃里克·加巴/維基共享資源

「這個地區有著悠久的地震歷史，但[仙台地震]並不符合這種模式，」威斯康辛大學麥迪遜分校的海洋地球物理學家哈羅德·托賓說。「人們對 7.5 的期望很高，但這比 9.0 小了一百倍。”

要了解哪裡會發生大地震非常困難，尤其是日本。這個島國的北部位於地殼四個移動部分的交會處。當一個構造板塊在另一個構造板塊下方滑動時，形成一個俯衝帶，突然的滑動會釋放出巨大的能量。

仙台地震發生在日本海溝，即西移的太平洋板塊與日本北部板塊的交界處。歷史記錄是地震學家識別危險區域的最佳工具之一，它表明，僅在 20 世紀，這條分段斷層就產生了數次 7.0 級以上的地震，但沒有一次大於 8.0 級的地震。

這就是為什麼日本政府長期關注該國南部海岸和向北移動的菲律賓板塊，這些板塊已被證明有能力產生大地震。大於8.0 級的地震往往每150 年左右就會襲擊日本中部的東海地區，最後一次大地震出現在1854 年。帶駿河海槽，本來是一件大事。此後的幾年裡，日本政府和研究界一直為這場預測的東海地震做好準備——部署GPS 系統來監測菲律賓板塊上島嶼的運動，甚至對火車站人群在此類事件中的行為進行計算機模擬。

目前對控制特大地震的機制的思考也有利於菲律賓板塊作為風險最大的地點。大約 80% 的 8.5 級以上地震發生在這些地質上年輕、溫暖的構造板塊的邊緣。人們認為這些板塊攜帶的數千公尺厚的沉積物層會磨碎光滑的斑塊，從而使長斷層立即破裂。太平洋板塊是地球上最古老的洋殼之一，但它不符合這種描述。

但哈佛大學對仙台地震早期數據進行的初步電腦模擬表明，日本海溝的一段長距離（約 390 公里）在事件期間破裂。通常獨立運作的多個部分會在兩到三分鐘內斷裂。

「看起來三個部分都滑到了一起，」哈佛大學地震學家 Miaki Ishii 說。 “有一些證據表明第四個可能也參與其中。”她不知道為什麼這些特定的部分會破裂在一起，也不知道為什麼附近的其他類似部分沒有加入它們。

似乎很清楚的是，滑動發生在俯衝帶相對較淺的區域。根據加州大學聖塔芭芭拉分校地球物理學家陳吉的電腦模擬，地震起源於海底下 8 至 20 公里。地震越淺，地殼就越容易彎曲，形成一座水山，進而引發海嘯。仙台地震使海底抬升數米，並引發高達 7 公尺的海嘯。

「我們了解到，我們不能忽視任何這些大型俯衝帶，」托賓說。 “它們都有能力引發大地震。” 2004 年襲擊蘇門答臘島的 9.1 級地震也打破了規則：它也發生在一塊古老地殼的邊緣，引發了印度洋海嘯，其致命性比有記錄的歷史上任何一次都要嚴重。

在美國，地震學家現在正在關注俄勒岡州和華盛頓州兩側的卡斯卡迪亞斷層帶，該斷層帶最後一次斷裂是在 1700 年，引發了北美歷史上已知的最大地震。

史丹佛大學地震學家格雷格·貝羅扎（Greg Beroza）說：“也許日本的地震本不應該如此令人驚訝。”

貝羅札解釋說，在距離海岸數公里處發現的沙子沉積物揭示了869 年常岩地震期間襲擊仙台地區的大海嘯。 —構造衝刺－推動鄰近的板塊，可能會產生巨大的壓力。

地震學家希望，透過日本先進的監測技術（日本島嶼上平均間隔 20 至 30 公里的數百個感測器）收集的詳細仙台地震資料將有助於更好地了解俯衝帶地震。研究人員還將分析新出現的餘震模式，目前包括至少三次 7.0 級以上的餘震和數十次 6.0 級以上的餘震。

但要想在大地震發生前很久就發現跡象——目前遠遠超出了現代科學的能力——可能需要更深入的挖掘。托賓和他的日本同事首次將應變感測器直接嵌入俯衝帶，位於東海西南部的南海海槽內。從686 年到1946 年，該地區每隔100 到120 年就會發生一次大地震。大地震即將來臨。

自然災害引發核危機

圖片來源：axyse／shutterstock，改編自 T. Dubé

日本東海岸的福島第一核電廠在設計時就考慮到了地震，能夠承受 3 月 11 日發生的地震。

但隨後的海嘯摧毀了整個沿海基礎設施，顯然使核電廠不堪重負，導致了自 1986 年 4 月切爾諾貝利災難以來最嚴重的核事故。

與大多數核電廠一樣，福島第一核電廠的六座反應爐中有五座使用鈾作為主要燃料。工廠的另一個反應器 — 3 號機組 — 使用鈾和鈽的混合物。濃縮燃料顆粒被封裝在由含有金屬鋯的合金製成的又長又窄的管子內。這些被稱為燃料棒的管子排列成陣列，水在管子之間流動。將數百個這樣的組件組合在一起形成核反應器的核心。

鈾235同位素含有92個質子和143個中子，本質上不穩定，容易分裂或裂變成更輕的元素。這種自發性裂變釋放出雜散中子；當其中一個中子撞擊鈾原子時，它會引發另一次裂變，形成更輕的元素，釋放更多的中子。然後這些中子可以繼續撞擊其他鈾原子，引起鍊式反應。裂變產生熱量，導致水沸騰，產生蒸汽來驅動渦輪機發電。

反應器堆芯需要不斷流動的水來冷卻並調節中子通量。地震中斷了第一核電廠的供電，海嘯中斷了備用發電機，發電機的備用電池也無法保持水流流動。幾個反應器中的多餘熱量導致蒸汽積聚，工廠操作員將其排放到環境中以釋放壓力。水與熱鋯棒反應形成的氫氣也在兩座反應爐建築中積聚並爆炸，釋放出裂變的放射性副產品，如碘 131 和銫 137。

反應器並不是受損核電廠唯一潛在的輻射源。乏燃料——貧鈾但含有高放射性裂變副產品——被儲存在福島第一核反應爐所在建築物的水池中。通過這些水池的水流很容易受到困擾反應爐的相同電源問題的影響，並且水箱開始升溫。至少在一種情況下，乏燃料似乎著火了。

當工廠工人和緊急人員努力控制工廠時，輻射擴散了。起初，日本政府向公眾保證，輻射沒有擴散到核電廠之外，並警告居住在附近的人們留在室內。但到 3 月 12 日晚，政府已經疏散了現場周圍 12 英里半徑範圍內的人員，地震發生一週內監測顯示當地食物和水受到污染。

3 月 18 日，美國環保署和能源部宣布，加州薩克拉門託的一個聯邦輻射監測站“檢測到微量放射性同位素氙 133”，這種物質只能來自核分裂。它不會構成健康威脅；到達加州的植物排放量非常小，不會導致輻射增加超過自然背景水平。

儘管事故對健康的全面影響幾十年後才能得知，但努力控制工廠的工廠工人和緊急應變人員面臨最大的風險。 3 月15 日，第3 號機組周圍的輻射水平達到每小時400 毫西弗。種水平下的時間。自然本底輻射率平均每年約 3 毫西弗。從長遠來看，即使暴露在 10 毫西弗以上，也可能在一定程度上增加個體罹患癌症的風險。 —珍妮特拉洛夫和亞歷珊卓的笑話

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