日本国立研究开发法人海洋研究开发机构（JAMSTEC）的小平秀一理事、超前沿研究开发部门高知岩芯研究所的奥田花也研究员，以及筑波大学生命环境系的氏家恒太郎教授等人组成的研究团队，与美国内华达大学等机构联合发表研究成果称，引发2011年东日本大地震的日本海沟俯冲带板块边界断层，其上下岩石之间存在显著的物理性差异，这种差异可能导致了巨大的板块滑动。上述结论是解析2024年钻探调查（JTRACK）所得数据后得出的。研究还显示，俯冲带板块边界断层在约100米范围内存在高达15米的高低落差。此次的成果有望为进一步阐明日本海沟发生巨大地震的成因机制提供新的线索。相关研究成果已发表在《Science》2025年12月19日刊上。
图1 JTRACK调查的海域与钻探地点。与JFAST航海调查合计在C0019地点于水平方向约100米的范围内，对板块边界断层进行了5次钻探。（供图：JAMSTEC）
2011年的东日本大地震发生在日本海沟，是太平洋板块向北美板块下部俯冲时引发的板块边界型地震，也是日本观测史上规模最大的地震。地震发生后，JAMSTEC等机构开展的紧急调查显示，日本海沟的海沟轴部出现了超过50米的滑动，并因此引发了巨大的海啸。
此外，在国际深海科学钻探计划（IODP）框架下，2012年实施的第405次科研航海（代号：JFAST）使用地球深部探测船“地球号”，对地震发生时发生大规模滑动的板块边界断层实施了直接钻探，并对所获取的断层样品进行了分析。分析结果表明，板块边界断层中含有大量易于滑动的黏土矿物，同时确认地震发生时断层中积累的能量已经全部释放。但该次调查仅在单一地点、有限深度范围内开展，因此仍无法掌握地质结构在空间上的延展情况等。
研究团队在JFAST航海之后，于2024年9月至12月在IODP（国际深海科学钻探计划）实施的第405次科研航海（代号：JTRACK）中获得的地质样品进行了分析。该航海利用地球深部探测船“地球号”重返JFAST的调查区域（C0019地点），并沿日本海沟在板块边界断层带设置了两个钻探点开展钻探。研究团队在各钻探点成功回收了岩芯样品，从而掌握了板块边界的整体结构。钻探过程中，工作人员从“地球号”向下延伸钻管，在水深6930米的海底位置继续向下钻探约950米获取岩芯样品，并成功取得了涵盖板块断层上下结构的长岩芯样本。此外，研究团队还在跨越日本海沟、位于外海一侧的C0026地点获取了板块俯冲前尚未发生变形的岩芯样品。结合JFAST的调查结果，研究团队在2011年东日本大地震中发生巨大滑动的断层区域内，在约100米的范围内完成了5处钻探。
通过对这些岩芯样品的观察发现，板块边界断层形成在两类岩石之间：一类是受北美板块挤压而形成的前缘增生楔体泥岩；另一类是沉积在太平洋板块上的远洋黏土，二者之间呈现出清晰的界面。研究还发现，板块边界断层内的变形主要集中在厚度约1厘米的断层细碎岩中。
本次研究首次确认，板块边界断层上部的岩体密度和P波速度较高、下方较低的反差。研究还明确，这种物理特性的差异在板块开始俯冲之前就已存在，并在随后的俯冲挤压过程中被进一步增强。
此外，在C0019地点获取多份岩芯样品后，发现板块边界断层在约100米的水平范围内存在高达15米的高低落差，并呈现出具有起伏的凹凸结构。研究还发现，在断层下部区域，原本属于太平洋板块、尚未俯冲前形成的深海黏土，其分布因俯冲过程而出现不均匀的结构特征。
这些分析结果表明，板块边界断层两侧的上下岩体在物理特性上存在差异，并在其间形成了富含黏土矿物的断层细碎岩。研究认为，变形在此集中，最终诱发了巨大的滑动。虽然板块边界断层本身具有起伏结构，但研究推测，这次巨大的滑动跨越了这些起伏并贯通了断层。
奥田研究员表示：“这次取得的成果，是JTRACK航海取得的首项成果。今后，我们希望把JTRACK的成果与其他钻探调查的数据分析相结合，从而推动对日本海沟巨大地震发生机制的进一步研究。我本人也于早先参加了国际海洋科学钻探计划（IODP 3）第502次科研航海，并在C0027地点参与了钻探工作。该地点分布着一座被称为‘微斑火山’的海底火山。今后，我还希望研究这种位于俯冲板块上的非均质结构（海底火山），会如何影响日本海沟地震的发生过程。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science
论文：Extreme plate boundary localization promotes shallow earthquake slip at the Japan Trench
DOI：10.1126/science.ady0234
