这场大地震，把日本震走了5毫米环球科学

2011年3月11日下午2点，一场里氏9级（美国地质调查局采用的震级为9.1级）的大地震突然袭击了日本东北太平洋地区，这是日本有仪器记录以来规模最大的地震。

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这场地震的起因是日本本州岛东北近海的海底突然破裂。在这里，太平洋板块一直在向本州下方的板块俯冲，积累的应力在几分钟内释放，还导致震源附近的海底发生巨大位移，掀起了高达40米的巨浪。海啸直接冲上日本东北部海岸，吞没了城镇、港口、农田与道路。

根据统计，地震与海啸最终造成了超过1.8万人死亡或失踪，还有超过6000人受伤，12.2万栋建筑完全损坏。

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海啸还切断了福岛第一核电站的供电和冷却系。由于无法及时排出堆芯热量，福岛第一核电站的1、2、3、4号机组迅速升温，并产生了大量氢气，随后引发了一系列爆炸。

然而，在海啸、余震和核事故接连发生时，几乎没有人注意到另一件事：就在主震过去十几分钟后，日本又突然向东移动了一次。

日本拥有全球最密集的地壳运动监测网络之一。日本国土地理院运营的全球导航卫星系统（GNSS）地球观测网络系统（GEONET）由1200多台高精度GNSS仪器组成，覆盖了日本全境，这些仪器能够以极高的精度持续测量自己的位置。

正是这些数据带来了最近发表于《科学》（Science）的一项新研究。研究人员重新检查了2011年地震发生后的GNSS数据，发现了一段异常的信号：在主震发生约15分钟后，日本全境的GNSS数据都突然向东移动了一段距离，最高可达5~6毫米。

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理论上说，正是这些地质活动，证明我们的地球一直是“活着”的。因此，一场地震导致某些地区发生局部位移并不算奇怪，但这通常只局限在震中位置。2011年的一项研究显示，2011年日本的这场地震曾使一个GPS点位移动了2.4米。相比之下，5毫米几乎只有半截大拇指甲的长度，的确不算多。

但这次移动非常特殊，原因之一在于它发生的范围极广。根据估计，有长达3000千米的范围都同步向东移动了，几乎是地震主断裂带长度的7倍，并且是已知首个同时涉及多个主要板块边界的事件。如果按照地震事件来计算，这样一场大规模移动释放的能量相当于7.5级地震，但当时并没有发生对应的地震。

“起初，我和论文的共同作者都对这一观测结果感到困惑，”这项研究的第一作者、美国芝加哥大学的助理教授Sunyoung Park在接受《科学美国人》（Scientific American）采访时表示，“因为这种情况极为罕见，我们花了大量时间，逐一排查各种可能性。”

研究者的第一反应就是数据出了问题，或是某几个站点的记录存在偏差，然而这样的向东移动在整个日本的GNSS观测站都保持了一致。

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随后，研究团队又尝试根据不同的理论，模拟这样的位移是如何发生的。一种可能是主震的长尾效应导致了这样的移动，然而如果想要达到这样的效果，主震的震级需要达到9.4级，才能提供足够巨大的额外能量。

还有一种推测是地震诱发了附近的海底滑坡，但这样的滑坡模型通常会使地表先向西再向东运动，而在GNSS的数据中并没有看到足够明显的向西位移。

因此，研究者决定抛开主震震源，从其他角度寻找这次大规模位移的原因。最终，他们提出：触发这次移动的，是一种名为ScS的地震波。

ScS的名字可以被拆成三个部分来理解。根据波的振动方向，地震波可以被分为P波（纵波，类似于弹簧传递的波）和S波（横波，类似于甩绳子时传递的波）。

ScS波的第一个S就代表S波向下传播，小写的c代表核幔边界，而最后一个S则代表它撞到地核、反射后仍以S波形式穿过地幔，抵达地表。根据计算，这次往返需要经过大约5800千米，耗时恰好是15分钟左右。

通常来说，当地震波抵达地核、又经过反射重新回到地表时，往往已经变得相当微弱。然而在2011年的这次地震中，由于主震的规模足够巨大，当原始地震波再次返回地表时，依然强大到足以引发整个日本的位移。

“最初的剧烈震动可能也已经削弱了板块边界，”Park表示，因此在15分钟后，当经过地核反射的地震波再次袭击地表，这些区域也会“更容易发生移动”。不过，这样的移动似乎是缓慢发生的，可能持续100~200秒，因此日本民众并未察觉。

Park提出，这项新的发现可能有助于世界各地的人们更好地防范地震后的危险，她称这是一种“新型地震灾害”，可能会发生在地震主震之后几分钟到十几分钟内，值得我们“更认真地”纳入考量。