日本：探索大地震规律

    目前，日本首都圈内的地震活动可能已开始迈入平静期的尾声，如同安政江户地震那样的大地震再度发生的可能性正在增加。

 

    众所周知，日本是地震多发国家，如何预防、预报乃至预测地震，一直是日本科学界的重要研究领域。日本科学家不仅在努力开发更加尖端的预警、预防技术，也在深入研究日本地下的地质结构，调查日本历史上的大地震，希望能摸索出大地震规律，为地震的预防提供更加有用的参考信息。

 

    自日本安政江户地震发生以来已有大约150年，如今，当年的江户已经面貌大改，变成了地域辽阔的首都圈，而安政江户地震会不会在此地复发，一直是日本科学家心中的隐忧。2年前首都圈以北经历了东日本大地震，预计在不久的将来首都圈以西会发生东南海地震和南海地震等，这些周边地区的情况开始让人联想起150年前的那场灾难。

 

    日本首都圈内发生的地震中，震级最高的便是大正关东地震这样的8级地震。据日本地震调查委员会公布的数据，首都圈在今后30年内发生8级地震的概率不足2%，但发生安政江户地震这类7级地震的概率则高达70%左右。

 

8级地震主导的地震活动

 

    日本首都圈的地下结构十分复杂。因为以房总半岛海域内的日本海沟为起点的太平洋板块，以地处相模湾西部的相模海槽为起点的菲律宾海板块，都在此处朝着陆地板块的下方俯冲。因而在首都圈的正下方，呈现出菲律宾海板块强行挤入陆地板块与太平洋板块两者间的形态。由于这样的地下结构，地震的发生地点遍布于五大区域，由浅至深依次为活断层所在的陆地板块内部、陆地板块——菲律宾海板块边界面、菲律宾海板块内部、菲律宾海板块——太平洋板块边界面以及太平洋板块内部。

 

    日本首都圈内发生的地震活动，最大的能量来源实为菲律宾海板块的位移。7级地震在上述的五大区域内均有发生，而8级地震仅会在陆地板块与菲律宾海板块的边界面发生。这两大板块在神奈川县至相模湾正下方之间的区域紧密固着，逐渐蓄积着应变，一达到临界值便会引发固着区的脱离，导致板块边界面形成逆断层并发生位移，最终引发8级大地震。距今最近的一次8级地震是1923年的大正关东地震，再早一些则是1703年的元禄地震。

 

    8级地震一旦发生，还会引发数次余震，震级最大可达7级，这又会改变日本广大地区地下的应变数值，乃至距离主震震中较远的地区也会因此诱发震级较高的地震。这种大型地震加上系列余震的活动会持续近10年的时间，其后便会进入地震活动减少的平静期。平静期的长度约为100年。不过在此期间，应变依然在板块边界面处持续蓄积，待应变蓄积至一定程度后，板块边界面一带的地震活动便会开始频繁起来，进入7级地震频发的活跃期。活跃期的长度大约也是100年。接着，地震活动会达到峰值，最终引发又一次8级地震。至此便可看出，从1703年的元禄地震到1923年的大正关东地震（指日本大正年间发生的关东地震，史称“关东大地震”，大正型关东地震是指同一震源区引发的与大正关东地震级别相似的地震），正是一个完整的地震活动周期，长度约为220年，而日本当前则处于大正关东地震向下一次8级地震过渡的新一轮周期中。

 

    进入江户时代（公元1603年—1867年）后，古籍中留下的记录也大为丰富起来，研究人员对元禄地震所处活跃期之后的情况因而知之甚详。元禄地震所处的活跃期始自17世纪10年代的江户时代初期，整个时期长约90年。江户附近（如今的东京23区）除了在1615年、1647年、1649年分别发生过造成人员伤亡、建筑物破坏等后果的地震（破坏性地震）外，还发生过8次震级达到5级的有感地震。接着便在1703年发生了元禄地震，其余震一直持续到了1710年以后。之后再到1840年为止的130年间则是平静期，其间侵袭江户的破坏性地震仅发生过1次，震级达到5级的地震仅发生过3次。

 

    接下来又是从1845年左右开始到1923年大正关东地震结束、长约80年的地震活跃期。在此期间，侵袭了江户、东京一带的破坏性地震共有5次。第一次是1855年的7级安政江户地震，灾害规模巨大，损失惨重。其后则分别于1894年发生了明治东京地震，1895年在茨城县南部发生了地震，1906年在东京湾发生了地震，1922年在浦贺附近发生了地震（1921年的龙崎地震没有在东京造成损失）。此外还发生了7次震级达到5级的地震。然后在1923年发生了大正关东地震，余震活动一直持续到了1930年初。自那以来的80多年里，江户一直处于地震平静期。

 

    如果首都圈此次所处地震活动周期的阶段性变化与上一次周期时一致，那么下一次活跃期的前半段应该会有类似于安政江户地震的7级地震发生，同一时期在南海海槽处也会有8级地震发生。而且在安政江户地震发生的两年前，神奈川县西部的小田原也发生了震级为7级的嘉永小田原地震，届时那一带的地震活动说不定也会开始活跃起来。

 

    只是，此次的活动周期对比上次仍有些许不同，导致今后的阶段性变化是否一致亦不得而知。一来，大正关东地震与元禄地震虽然同为8级地震，但就规模而言，以元禄地震更大；再来，这一次的活动周期中，日本海沟附近发生了上次周期中没有出现过的9级特大地震——2011年东日本大地震。

 

大地震周期

 

    鉴于日本科学家尚不清楚上一次活动周期是不是一次典型的首都圈地震活动周期，若不首先核实这一点，就很难推算出下一次地震活跃期将于何时开始、安政江户地震这样的7级地震是否还会再现。研究课题中最重要的一项就是活动周期的进度表。

 

    上一次的活动周期从1703年的8级元禄地震开始，到1923年的8级大正关东地震为止，总共历时220年，那么更早的周期又是什么情况呢？直到前几年为止，这个问题一直没有答案。

 

    记载着关东地区历史事件的古籍，到江户时代初期的17世纪初（也就是1703年的元禄地震所处的活动周期进入活跃期以后）时便丰富了起来，但时间更早一些的就十分罕见了。有些时代留下了记录，也有一些时代完全没有任何记录，而留下的资料也是详略不等。即便是信息量如此有限的古籍，加以查阅后仍可发现，关东地区一直在遭受一次又一次的大地震及海啸侵袭。

 

    问题在于，除了大正关东地震这样的8级地震以外，关东各地也会发生7级的直下型地震，这些地震一样造成了很大的破坏。我们很难界定，古籍中所记载的那些破坏性地震有哪些属于8级地震。

 

    查证历史地震活动的另一种方法，就是调查自然中所残留的地震及海啸痕迹，对其年代进行测定。房总半岛南部的正下方便是一处8级地震震源区，每次发生8级地震时，地面便会出现隆起，在沿岸地区形成10级以上的阶地。据日本产业技术综合研究所等机构调研发现，大正关东地震中形成了2米左右的隆起，元禄地震中形成了6米左右的隆起。据知，这是由于元禄地震的震源区一直覆盖至房总半岛以东，较大正关东地震的震源区面积更大，其震级也要更高的缘故。

 

    接着又对形成年代更早、海拔更高的阶地进行详细调查后发现，关东地区大体上平均每隔400年便会发生一次8级地震，大正型关东地震（震源区从神奈川县内陆到房总半岛南部）每发生3到4次，元禄型地震（震源区要大于大正关东地震，从神奈川县内陆直到房总半岛以东）便会发生一次，如此周而复始。

 

日本历史上的8级地震

 

    只是，凭借对房总半岛南部的调查，是否就能完全还原历史上的8级地震活动，这一点仍有不确定的因素存在。于是，日本东京大学地震研究所、日本产业技术综合研究所等机构也展开研究，利用相模湾沿岸的海啸痕迹来查证地震活动。

 

    由于相模湾正下方便是一处8级地震的震源区，当8级地震发生时，海啸便会向当地沿岸地区涌去。海啸会刮擦海床及海岸等处，卷起那里的沙砾，运送至内陆地区并沉积下来。由此形成的沉积物就叫做海啸沉积物。虽然洪水有时也会形成十分相似的沉积层，但只要仔细研究一下沉积层中所含的贝壳、木片以及微生物的残骸等就可以区分出来，沉积层的形成年代也可以利用这些贝壳、木片，借助放射性碳年代测定法推算出来。

 

    相模湾沿岸自古以来便被开垦成农田耕种，海啸沉积物遗失的情况也很常见，有时还会遭到自然侵蚀。此外也要考虑到因为地点因素而未能妥善沉积的情况。因此，要找出一处理想的调查地点首先就有一定难度，而作为首都直下项目的组成内容之一，日本东京大学地震研究所等机构在对三浦半岛西南角附近的小网代湾展开的调查中，在海啸沉积物的问题上便遇到了难题。

 

    小网代湾的海啸沉积物已经形成了层状结构，最厚部位达2米，从中可以清晰地分辨出5层海啸沉积物。经核实，最上层为大正关东地震时期的沉积物，第二层为元禄地震时期的沉积物。那么下面那三层又是何时沉积而成的呢？虽然年代测定只能得出一个大致的范围，但只要时期相近的古籍中有所记载，经过对照便可框定具体的地震。

 

    调查后发现，第三层有很大的可能为1293年的镰仓大地震。第四层则是720年—1280年之间的某一时期形成的沉积层，而古籍中关于这一时期的记录，包含了818年的“关东诸国的地震”、878年的元庆地震等数场破坏性地震。第五层的沉积年代推算是在560年—690年之间，但是古籍中并没有相应的记载。

 

平静期已近尾声

 

    震级经查估为8级的1293年镰仓大地震，与1703年的元禄地震间隔了410年，若将房总半岛海岸阶地成因的调查结果一并考虑在内，上一次的活动周期（从元禄地震到1923年大正关东地震为止的220年）应该属于特例。

 

    不过就在最近，研究人员又取得了更新的进展。在静冈县伊东市的宇佐美发现了疑为1495年大地震留下的海啸沉积物。如果这场地震的震级也为8级，则其与元禄地震的发生间隔为202年，那么8级地震的复发间隔就很有可能不是400年，而是200年。

 

    进一步地追溯历史，又有更多以前没有发现过的8级地震浮出水面。如前所述，研究人员已经在小网代湾地区确定了形成于720年—1280年之间与560年～690年之间的海啸沉积物，在馆山则发现了估计为1100年左右形成的沉积物（具体成因是否是海啸有待进一步验证，也有源自台风、洪水的可能）和估计为878年元庆地震中形成的海啸沉积物。

 

    这些现象应该如何解释？根据馆山的调查结果来看，有可能1100年左右的那场地震震级是8级，878年的元庆地震也是8级。在小网代湾发现的720年—1280年海啸沉积物，所对应的地震说不定正是1100年左右的一场8级地震或878年的元庆地震中的一个。而依据小网代湾的数据分析发现，在比这些地震更为久远的560年—690年之间，似乎也发生过一场8级地震。

 

    至于其中形成于1100年左右的沉积物，在1096年时，的确发生过东海地震和东南海地震连动而成的永长地震，但并没有哪本古籍里记载过这一时期在关东地区也有大地震发生。只是仅凭古籍记载的缺失，也不能贸然断言就没有地震存在。另一方面，878年的元庆地震在《日本三代实录》中有所记载。关东诸国，尤其是相模武藏一带（如今的神奈川、东京和埼玉），受灾严重，导致交通中断，强烈余震相继发生，持续了五、六日之久。此外，房总半岛南部有处阶地，据推测也是形成于这一时期。

 

    最为久远的560年—690年海啸沉积物所对应的地震，有可能曾与三浦半岛断层群中的北武断层发生过连动。近年发现三浦半岛断层群同属分支断层，北武断层最近一次的活动据推断为6～7世纪。古籍中虽没有相应的地震记载，但南海海槽在684年曾发生过8级的白凤地震。

 

    这些地震还需要研究人员进行更加详尽的研究，不过姑且假设它们全都是相模海槽引发的8级地震，从大正关东地震开始向前追溯，依次记录下发生年份是：1923年，1703年，1495年，1293年，1100年左右，878年，690年—560年。8级地震在1000多年的时间里，大约每过200年便会复发一次，无一例外。这样的话，当前所处周期应该也是200年，地震平静期已经开始接近尾声。

 

不断积蓄的应变

 

    以上我们为大家介绍了针对日本历史上的地震活动进行调查研究后得到的各项成果，至于当前的地震活动情况，则由国土地理院利用日本各地铺设的GPS（全球定位系统），对地壳变动进行几近实时的观测，并且不断地估算着各地区的应变蓄积速度。查看陆地板块——菲律宾海板块边界面的应变蓄积速度便可发现，大正关东地震、东京湾北部地震的震源区内均在不断地积蓄着应变。

 

    元禄型地震一旦发生，房总半岛东边地震源区也会以相当快的速度积蓄应变，因此需要特别留意。此外研究人员还观测到，该震源区西北侧的板块边界面处不时还有慢地震发生。根据以上种种情况来看，日本东部大地震发生后，该地区的应变蓄积情况虽然出现了暂时性的变化，如今却在逐渐恢复至与震前相同的水平。日本国土地理院正在密切监视着这种慢地震的动态。

 

    研究人员对首都圈地下结构与地震活动的了解，在近几年获得了突飞猛进的进展。日本政府在新发现的基础上，反复调整着防灾对策，但要总结出一套必备的措施，仍需要相当长的时间。我们先要自己做好准备面对随时可能发生的7级直下型地震。(撰文 中岛林彦 审校 石边岳男  藤原治  金子浩之 翻译 薄锦)

 

    本文作者 中岛林彦是《科学美国人》日本版《日经科学》的编辑。

 

    本文审校 石边岳男是日本东京大学地震研究所地震火山信息中心的特聘研究员。

 

    藤原治是日本产业技术综合研究所活断层与地震研究中心的研究主任。

 

    金子浩之是日本静冈县伊东市教育委员会终身教育科市史编辑室主审。

 

    本文由《环球科学》杂志社供稿