基于數值模擬的渤海海域地震海嘯危險性定量化研究

王培濤，高義，于福江，，范婷婷

（1.國家海洋環境預報中心，北京100081；2.國家海洋環境預報中心 海洋災害預報技術研究國家海洋局重點實驗室，北京100081）

1 引言

渤海是中國的內海，其中五分之四的海域被陸地環繞。渤海通過渤海海峽與黃海相通，其平均水深18 m，海峽處最深可達70 m。沿岸分布遼寧、河北、天津、山東三省一市中的13座環渤海城市，環渤海經濟圈的加速崛起，使地處環渤海經濟帶核心位置渤海地區成為中國經濟板塊中乃至東北亞地區極具影響力的經濟隆起地帶，加之半島藍色經濟區建設已成為國家海洋發展戰略和區域協調發展戰略的重要組成部分，這就促使渤海地區在國家的經濟發展規劃布局中具有重要地位；同時渤海海盆又是一個新生代盆地，發育有幾百米至近萬米的新生代陸相沉積層，具有豐富的油氣資源，是我國東部主要的油氣產區之一，同時也是大陸地震比較活躍的區域之一［1］。因此，有必要加強對該地區地質構造背景、地震活動特征以及潛在地震海嘯危險性的認識和研究，這必將對我國的經濟發展和海洋防震減災具有重要的實際意義。

關于渤海歷史上是否發生過海嘯，近現代是否具有發生災害性海嘯的可能性的討論一直處于定性的分析和判斷的階段，國內外文獻中也均未見到對該地區海嘯災害危險性的定量化研究成果。通過對智利海嘯（1960年5月22日，2010年2月27日）和日本海嘯（2011年3月11日）的觀測、研究分析，可知越洋海嘯和區域海嘯對渤海的影響較小。鑒于環渤海經濟圈的重要經濟地位以及該地區的海洋防災減災、海嘯災害風險區劃工作的客觀需求，本文將從渤海海盆的地質構造背景、活動斷層斷裂特征、地震活動以及基于數值模擬定量計算渤海可能地震海嘯這幾個方面來研究渤海地區海嘯災害危險性。

2 渤海及周邊地區地質構造背景及斷裂活動特征

2.1 渤海及周邊地區新生代地質構造背景

渤海占據十分重要的大地構造位置，渤海及周邊地區具有復雜的斷裂構造活動環境。其處在中國東部兩條巨型活動構造帶，即NNE向郯廬斷裂帶與NWW向燕渤斷裂帶的交匯區。郯廬斷裂帶和燕渤斷裂帶是兩條區域性的重力、航磁、地熱、形變和殼幔結構的綜合地球物理異常帶［2－3］。這兩條斷裂帶內及其旁側發育有近SN、近EW、NE、NW、NEE、NNW、NNE和NWW 8組斷裂，它們互相交匯。渤海所處的特定構造環境和深部構造條件構成了渤海及周圍地區的斷裂和地震活動的地球動力學環境。王華林等［3］及朱紅彬等［4］均對該地區斷層活動空間分段特征、時間不均勻性進行了深入研究。渤海及周圍地區的地震活動和遷移受控于太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖、向中國大陸傳遞的NEE向擠壓應力和渤海上地幔隆起產生的構造應力的聯合作用。板塊運動產生的區域NEE向擠壓應力持續作用于地殼之中，當板塊俯沖運動加劇時，這一擠壓應力將增強，構成了渤海及周圍地區斷裂活動和地震孕育的基本動力［3，5］。

2.2 渤海地區新生代斷裂活動特征

按照斷裂延伸的方向，渤海及周邊地區斷裂帶可以分為：NNE、NEE－EW和NW向。郯廬斷裂帶是中國東部一條重要的強烈構造變形帶，南起湖北廣濟、經郯江、郯城，橫穿山東中部與渤海，向北穿過東北地區進入俄羅斯遠東地區，總長度約為3 500 k m。該斷裂帶發育著近600條斷裂，對渤海盆地的形成和演化起到了重要的作用；燕渤斷裂帶在地表并不是一條連續的斷裂帶，而是由20余條不連續的NW走向的次級斷裂所組成的復雜斷裂帶。NNE向郯廬斷裂帶被NW向的燕山渤海斷裂帶分割為南、中、北3段，燕山渤海斷裂帶自東向西分為東、中、西3段。兩斷裂帶的中段為兩斷裂的交匯段。郯廬斷裂帶南、北段為較強活動段，中段為強活動段；燕渤斷裂帶東段為較強活動帶，西段和中段為強活動帶。多數的研究結果表明：晚第四紀，NNE向郯廬斷裂帶呈右旋走滑運動為主［6—11］，燕渤斷裂帶呈左旋走滑斷裂［12—17］。

2.3 渤海及周邊地區地震活動

渤海及周圍地區的地震沿郯廬斷裂帶和燕渤地震帶成帶活動特征十分突出，區域內95%以上的5～6級地震和所有7級以上地震都分布在這兩條斷裂帶上。特別是上述兩條地震帶交匯處，是強震易發地帶［18—22］（圖1）。自公元1548年以來，在渤海海域及其附近共發生過7級以上地震4次，6級以上地震6次。從以上強震活動可以看出，該地區的地震活動強度大，頻度高，特別是7級以上大地震發生頻率在華北地震區內是最高的，平均120 a發生1次。謝卓娟等［23］對渤海海域地震震源深度也進行了較為詳細的統計分析，認為在渤海海域的中部，地震的震源深度分布比較離散，分布在5～40 k m之間，優勢分布在20～40 k m；在膠東半島北部沿海至渤海中部，地震震源深度多集中在10～20 k m之間。遼東半島西岸的地震，震級較低震源較淺，優勢分布在5～20 k m。總體來講，渤海海域內地震震源深度略比郯廬斷裂帶和華北平原地震帶內地震震源深度大。

圖1 渤海及周邊地區地震活動分布及斷裂帶展布特征

3 渤海海域歷史地震海嘯危險性計算

20世紀，全球共發生海嘯事件500次，其中有68次引發海嘯災難。上述海嘯事件86%由地震事件觸發，5%由火山活動引起，4%由海底滑坡產生，5%由這些原因的綜合過程引起［24］，因此海嘯通常又被稱為“地震海嘯”。海嘯的能量大約為1014～1017J，一般為引發海嘯地震能量的0.005%～10%。地震海嘯的激發與海水深度、地震強度、震源機制和震源深度等密切相關［25－26］，而海嘯災害的強弱不僅與激發因素有關，還與海底地形及海岸線的幾何形狀等因素有關。

自公元前23世紀到公元21世紀，渤海海域有記錄的6級以上地震6次［27—29］，但對應這幾次地震均未查閱到對應的海嘯記錄，說明這幾次地震即使引發海嘯，也沒有引起災害性影響。同時古籍中關于渤海海域“海溢”的記錄僅有3次，但同時期的古籍中卻未見有相關地震的記載［30］，故此3次“海溢”是否就是海嘯是值得進一步考證和調查。近現代歷史記錄中只有1969年7月18日發生于渤海中7.4級地震引發的輕微海嘯的記載，龍口港有振幅不足4 cm的海嘯波，約2 h后由海嘯引發的假潮波幅達到10 c m［30］。

渤海歷史上是否發生過海嘯，至今未見比較一致的研究成果。鮮有的一些研究也只是根據相關古籍中的記載進行推測，缺乏科學推算依據。本節將對渤海海域歷史上的4次7級以上的地震引發的局地海嘯進行數值模擬，以定量闡述渤海海域地震海嘯危險性。

3.1 地震海嘯模型簡介

地震海嘯模型是探索海嘯生成機制、評估海嘯災害和建立實時海嘯預警系統的重要工具和技術手段。根據海嘯波的物理特性，海嘯數值模型通常由計算海嘯初始位移場的斷層模型（Generation）；基于非線性淺水方程或類Boussinesq方程，計算海嘯波傳播的傳播模型（Propagation）；考慮沿岸地形、地物、采用動態移動邊界技術來實現海嘯爬高及與海岸相互作用的淹沒模型（Inundation）3部分模型構成［31］。

傳統的矩形網格將岸界概化成折形，若網格較粗則會產生較大誤差，網格過細則計算量會成倍增加。自適應四叉樹分層網格技術可以有效的處理復雜邊界問題。自適應四叉樹網格，相對于貼體結構網格，不需要從物理平面到計算平面的轉換，因而流場計算中不再需要計算Jacobian矩陣，使通量計算簡單，節約計算時間；相對于無結構網格，數據結構較為簡單［32］。

本文選取由美國華盛頓大學應用數學系David L George研究開發的基于波浪追逐原理和自適應網格加密技術的海嘯數值模型（Geo Claw）作為此次數值模擬的數學模型［33］。此模型考慮了海嘯波在近岸傳播的非性線作用、底摩擦以及科氏力效應，并通過對海嘯波高的追蹤判斷來確定是否進行加密計算［34］。

模型的控制方程采用如下守恒形式：

式中，τx，τy分別表示x，y方向底摩擦項，可以表示為

其中n為曼寧系數。

3.2 震源參數選擇及海嘯危險性計算

斷層模型適用性是海嘯波傳播能否成功模擬的重要因素，它主要通過利用海床位移量來估算地震引起的初始水面高度。震源斷層破裂速度約為3 000 m／s，比海嘯傳播速度快1個數量級。震源破裂的持續時間通常以秒計，在如此短的時間內，斷層帶上覆蓋的海水沒有時間流走。因此可以假設海底變形是瞬時的，并且海水表面的初始位移與海底位移是一致的；忽略了斷層破裂的復雜性、錯位的多向性、破裂層厚度可變性。目前大多數海嘯模擬中都是采用上述假定，即瞬態破裂模型。國際上比較通用的是Mansinha和Smylie［35］以及 Okada［36］基于彈性錯移理論發展的兩套斷層模型。4次7級以上地震（圖2）震源參數計算機選取參考文獻［37—41］，詳見下表1。

圖2 渤海歷史4次7級以上強震分布

表1 渤海強震震源參數

模型計算所采用的第一層水深數據來源于ETOPO5海底地形數據庫，第二層水深數據源于GEBCO水深數據和部分渤海海域的海圖資料融合得到。該區域海岸線資料采用STRM30衛星數據訂正而得。

通過數值計算，分別得到逐次地震事件海嘯能量分布及渤海、北黃海沿岸海嘯危險性等級分布（見圖3）。從模擬的結果可以看出：4次強震引發的局地海嘯主要影響渤海南部的渤海灣、萊州灣、及山東半島北部一帶沿海；從海嘯波波幅量級來看，幾次強震所引發的海嘯規模均未達到引發災難性海嘯級別。1888年6月13日7.5級地震在山東濰坊—龍口附近海域只引發了0.8 m的最大海嘯波，到達近岸時海嘯波最大達0.6 m，其余幾次地震引發的海嘯到達近岸時最大波幅均未達到0.5 m。按照太平洋海嘯警報中心（PT WC）最新的分級標準：Ⅰ：Hts≤0.3 m 無影響；Ⅱ：0.3 m＜Hts≤1.0 m 近海危險；Ⅲ：1.0 m＜Hts≤3.0 m 淹沒危險；Ⅳ：Hts＞3.0 m嚴重淹沒危險。只有1888年及1969年兩次事件海嘯災害危險性等級達到Ⅱ級，其余兩次為Ⅰ級上限，Ⅱ級下限。由此基本可以判斷上述幾次地震均未引起海嘯災害。但需要說明的是前三次地震海嘯過程發生時間距離現在最短的也有百年以上，幾百年來、特別是近幾十年來渤海海岸環境、特別是渤海防潮能力發生了較大變化，臨海的海洋工程建設方興未艾，這些人類活動及自然變遷對海嘯波的計算也有較大影響，例如：河口淤積、圍填海工程、防波堤建設都會在近岸局部造成海嘯波的傳播變形，改變海嘯波的波動特性，導致模擬結果有所偏小，但對海嘯波能量主要傳播方向及能量分布影響不大。

圖3 渤海歷史強震引發海嘯能量分布（左）及渤海沿岸海嘯危險性等級（右）

4 渤海海域可能地震海嘯危險性計算

圖4 渤海潛在地震海嘯傳播情景（網格線表示自適應網格計算的第一層，時間間隔：30 min，單位：m）

為了研究渤海潛在地震海嘯危險性，我們在前節分析中得知，燕渤地震帶與郯廬地震帶交匯處為強震多發地帶，故假設在該區域發生Mw＝7.8級地震，利用基于四叉樹自適應加密網格技術的海嘯數值模型計算海嘯波在渤海沿岸的傳播情景（圖4）及渤海區潛在海嘯危險性（見圖5）。從數值計算結果可以看出：海嘯波在地震發生5 h內到達渤海各主要影響海域，平均波速可達70 k m／h；即使該區域發生7.8級強烈海震，由海震引發的海嘯到達萊州灣、渤海灣近岸時最大海嘯波波幅可達1.2 m，海嘯災害危險性達到Ⅲ級。雖然此等規模的海嘯波不會對渤海灣近岸造成災難性影響，但其在地形和潮汐的共同作用下仍然具有局部致災的可能性。雖然渤海斷層活動在晚第四紀多表現為走滑拉伸特征［42］，且渤海海盆主要發震區域水深普遍在30 m左右，故不具備產生災難性海嘯的條件，但對于該地區7.8級以上地震可能引發的局地海嘯是有造成一定災害的可能，因此應加強對該地區強震活動及震源機制的深入研究，重視該地區局地海嘯防御工作。

圖5 渤海地區潛在地震海嘯能量分布（左）及渤海沿岸海嘯危險性等級（右）

5 結論

（1）渤海為一個走滑拉張海盆，地質結構以水平應力場作用下的走滑運動為主，且不具備大規模海底滑坡的可能，渤海海域的水深又普遍在30 m以內，這就一定程度上限制了渤海海域發生災難性海嘯的可能。

（2）通過對渤海歷史上4次7級以上地震引發的局地海嘯的數值計算，結果顯示：4次地震引發的局地海嘯主要波能聚集區為渤海灣和萊州灣沿岸地區，海嘯到達近岸時的波高均在0.6 m（經格林公式訂正）以下，雖然此量級的波高不會對近岸造成災害性影響，但局地海嘯所引發的激流在近岸區域配合微地形的影響，會對近岸海工建筑物產生一定的影響。特別是在防災能力較弱的渤海沿岸，需要引起足夠的重視。

（3）對燕渤地震帶與郯廬地震帶交匯處假想Mw7.8級地震進行了數值計算，得到該規模的地震引發的海嘯在萊州灣濰坊至龍口一帶沿岸海嘯波幅可達1.2 m，此等規模的海嘯若疊加在天文高潮位上勢必具有對近岸局部地區造成災害的可能，除此以外還會對近海作業的船只及海洋平臺產生影響。因此加強對該地區強震活動規律、震源機制研究以及海嘯災害風險評價及區劃工作具有重要現實意義。

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