日本國立研究開發法人海洋研究開發機構（JAMSTEC）的小平秀一理事、超前緣研究開發部門高知岩芯研究所的奧田花也研究員，以及筑波大學生命環境系的氏家恆太郎教授等人組成的研究團隊，與美國內華達大學等機構聯合發表研究成果稱，引發2011年東日本大地震的日本海溝隱沒帶板塊邊界斷層，其上下岩石之間存在顯著的物理性差異，這種差異可能導致了巨大的板塊滑動。上述結論是解析2024年鑽探調查（JTRACK）所得數據後得出的。研究還顯示，隱沒帶板塊邊界斷層在約100米範圍内存在高達15米的高低落差。此次的成果有望為進一步闡明日本海溝發生巨大地震的成因機制提供新的線索。相關研究成果已發表在《Science》2025年12月19日刊上。
圖1 JTRACK調查的海域與鑽探地點。與JFAST航海調查合計在C0019地點於水平方向約100米的範圍內，對板塊邊界斷層進行了5次鑽探。（供圖：JAMSTEC）
2011年的東日本大地震發生在日本海溝，是太平洋板塊向北美板塊下部俯衝時引發的板塊邊界型地震，也是日本觀測史上規模最大的地震。地震發生後，JAMSTEC等機構開展的緊急調查顯示，日本海溝的海溝軸部出現了超過50米的滑動，並因此引發了巨大的海嘯。
此外，在國際深海科學鑽探計畫（IODP）框架下，2012年實施的第405次科研航海（代號：JFAST）使用地球深部探測船「地球號」，對地震發生時發生大規模滑動的板塊邊界斷層實施了直接鑽探，並對所獲取的斷層樣品進行了分析。分析結果表明，板塊邊界斷層中含有大量易於滑動的黏土礦物，同時確認地震發生時斷層中積累的能量已經全部釋放。但該次調查僅在單一地點、有限深度範圍內開展，因此仍無法掌握地質結構在空間上的延展情況等。
研究團隊在JFAST航海之後，於2024年9月至12月在IODP（國際深海科學鑽探計畫）實施的第405次科研航海（代號：JTRACK）中獲得的地質樣品進行了分析。該航海利用地球深部探測船「地球號」重返JFAST的調查區域（C0019地點），並沿日本海溝在板塊邊界斷層帶設置了兩個鑽探點開展鑽探。研究團隊在各鑽探點成功回收了岩芯樣品，從而掌握了板塊邊界的整體結構。鑽探過程中，工作人員從「地球號」向下延伸鑽管，在水深6930米的海底位置繼續向下鑽探約950米獲取岩心樣品，並成功取得了涵蓋板塊斷層上下結構的長岩芯樣本。此外，研究團隊還在跨越日本海溝、位於外海一側的C0026地點獲取了板塊俯衝前尚未發生變形的岩芯樣品。結合JFAST的調查結果，研究團隊在2011年東日本大地震中發生巨大滑動的斷層區域內，在約100米的範圍內完成了5處鑽探。
通過對這些岩芯樣品的觀察發現，板塊邊界斷層形成在兩類岩石之間：一類是受北美板塊擠製而形成的前緣增積楔形體體泥岩；另一類是沉積在太平洋板塊上的遠洋黏土，二者之間呈現出清晰的界面。研究還發現，板塊邊界斷層內的變形主要集中在厚度約1厘米的斷層細碎岩中。
本次研究首次確認，板塊邊界斷層上部的岩統體密度和P波速度較高、下方較低的對比。研究還明確，這種物理特性的差異在板塊開始俯衝之前就已存在，並在隨後的俯衝擠製過程中被進一步增強。
此外，在C0019地點獲取多份岩芯樣品後，發現板塊邊界斷層在約100米的水平範圍内存在高達15米的高低落差，並呈現出具有起伏的凹凸結構。研究還發現，在斷層下部區域，原本屬於太平洋板塊、尚未俯衝前形成的深海黏土，其分佈因俯衝過程而出現不均勻的結構特徵。
這些分析結果表明，板塊邊界斷層兩側的上下岩體在物理特性上存在差異，並在其間形成了富含黏土礦物的斷層細碎岩。研究認為，變形在此集中，最終誘發了巨大的滑動。雖然板塊邊界斷層本身具有起伏結構，但研究推測，這次巨大的滑動跨越了這些起伏並貫通了斷層。
奧田研究員表示：「這次取得的成果，是JTRACK航海取得的首項成果。今後，我們希望把JTRACK的成果與其他鑽探調查的數據分析相結合，從而推動對日本海溝巨大地震發生機制的進一步研究。我本人也於早先參加了國際海洋科學鑽探計畫（IODP 3）第502次科研航海，並在C0027地點參與了鑽探工作。該地點分佈著一座被稱為‘微斑火山’的海底火山。今後，我還希望研究這種位於隱沒板塊上的非均質結構（海底火山），會如何影響日本海溝地震的發生過程。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science
論文：Extreme plate boundary localization promotes shallow earthquake slip at the Japan Trench
DOI：10.1126/science.ady0234
