日本被称为地震学的摇篮。它位于全球四大板块连接处，处在最不稳定的地质构造环境之一。在日本，与地震有关的文字记载可追溯到公元599年，当时为推古女皇在位期间。20世纪初，日本地震学家提出了一系列理论，为世界地球物理学做出了显著贡献，其中一些理论在几十年后被板块构造学说所证实。1899年，明治三陆大海啸发生三年后，今村明恒提出导致这次海水波动的断层移动类型。20世纪20年代，另一位日本科学家和达清夫所收集的地震数据成为里氏震级划分的关键，并导致板块间俯冲过程的发现。在俯冲过程中，老的海洋地壳下沉到陆地地壳下面。如今，日本花在地震研究、工程和预防方面的人均费用比其他任何国家都要多。

 

　　然而在五年前，发生在日本东北部海域的里氏9.0级地震以及随之而来的海啸和核泄漏事故出乎人的意料。在2011年3月11日之前，地震学家形成这样的共识:断层的拉伸会遵循特定规则,在震级相近的地震中不断产生断裂，这样的地震称之为特征地震。位于本州岛东北部的俯冲带，是东日本大地震的震源所在地，其特征地震评估为低于8级。当地的地震防御策略（包括海啸墙等）都是依据这一观点进行设计的。然而事实证明，东日本大地震并非特征地震，这是人类有地震记录以来的第四大地震，仅次于如下的三大地震：2004年的印度尼西亚和1964年的美国阿拉斯加的大地震（均为9.2级），以及1960年的智利9.5级地震，后者虽然鲜为人知，但其产生的海啸摧毁了远在6 000英里外的美国夏威夷州希洛市。

 

　　要理解东日本地震为什么违背传统的地球物理学常识，应考虑地震中的一对矛盾：动摩擦力和静摩擦力。地震发生的前提之一是有一个强断层面（板块边缘或岩石断裂处具有较大的摩擦系数），就像地毯下铺了防滑垫一样。而弱断层会不断滑动，因而无法储存许多弹性能量。但是，强断层也必须能够在大范围内突然滑动，这是造成大地震的原因所在。用技术术语来说，断层的动摩擦力必须小于静摩擦力。当相接触的岩石表面相互擦动时，产生的热量和粉末可以作为润滑剂，使断层面突然变得光滑。其原理与传统越野滑雪类似，向下滑时需要较大的静摩擦力，而滑行时又需要较小的动摩擦力。

 

　　在东日本大地震之前，人们普遍认为，俯冲带可能只是在深度5~25英里范围内产生大地震。当深度达到25英里时，地球内部的高温足以将岩石熔化变形，导致岩石具有可塑性。当深度在5英里时，由于那里的岩石主要是由海底沉积物组成，岩石含水量多，相对较为稀薄。以上两种情况下，断层表面一直滑动，但由于太滑而不容易产生大地震。但发生东日本大地震的地区并没有遵循上述观点，剧烈的晃动在其断层最浅处发生。在仙台市附近的沿海地区，其板块间的俯冲带大约在15英里以下，被向东猛推了14英尺。它所在板块边缘的最上部，位移竟达到100英尺。这一移动使巨量海水上浮，从而引发海啸，导致1.6万人遇难。

 

　　如今，很多地震学家认为东日本大地震是综合性地震。一次震级较大但原本不起眼的地震释放出一系列次生连锁反应，产生的后果非常可怕。一种假设认为：最初的震动足够强烈，能驱动俯冲带中一个摩擦力较大的板块，然后触动了俯冲带原本稳定的上部。一旦这部分开始滑动，断层中的流体开始受热膨胀，其产生的作用类似于溜冰鞋下面的水薄膜。加热的流体会阻止岩石表面相互接触，使得它们之间的摩擦力几乎为零。不幸的是，这次断层滑动的前期给人的感觉仅是一次普通地震，因而日本精密的自动预警系统最初低估了地震的等级，一些居民忽略了其最初发出的警报。岩石摩擦的神秘过程，不仅是地球物理学家应该关注的，也是人道主义者应该关注的。

 

　　东日本大地震使得日本地震学界不得不放弃特征地震的概念，不得不面临这样令人不安的现实：对早期的地震，我们一开始并不知道它是否会发展成九级地震，它的扩散和最终震级将取决于几秒钟或几分钟后衍生出的叠加效应。本月初，由四个科学家组成的团队在《自然》发表了一篇论文，解释了这次日本大地震的震级为什么没有变得更大。他们特别关注为什么断层的活动突然停止在一条构造线上，而这条构造线位于日本所在的上驮板块。结合对该地区地震的地质图、高分辨率深度、重力数据和历史模式的分析，上述四位科学家认为，这种突然的停止是由于板块的地质不连续造成，日本最老的岩石和新形成的火山岩并列在一个板块上。他们认为：不同地质历史的岩石会沿着俯冲带产生不同的摩擦力。这种摩擦力就像是雪地里的草块，使飞驰而过的滑雪板突然停下来。

 

　　对于地震学家来说，东日本地震是一次震撼人心的警告：相对地球漫长的行为来说，我们对地球物理学的记录仅仅是一孔之见；我们最先进的地质模型只是自然的卡通化、简单化的写照；一百年来最先进的地震学理论可能在一百秒内被摧毁。