設定琉球海溝發生罕遇地震評估我國東南沿海地區的海嘯風險①

溫燕林, 于海英, 朱艾斕, 宋治平, 李春峰

(1.同濟大學海洋與地球科學學院,上海 200092; 2.上海市地震局,上海 201203;3.中國地震臺網中心,北京 100045)

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設定琉球海溝發生罕遇地震評估我國東南沿海地區的海嘯風險①

溫燕林1,2, 于海英2, 朱艾斕2, 宋治平3, 李春峰1

(1.同濟大學海洋與地球科學學院,上海 200092; 2.上海市地震局,上海 201203;3.中國地震臺網中心,北京 100045)

摘要:根據構造相似條件分析,琉球海溝與日本海溝、智利海溝、印尼巽他海溝一樣具備發生9級罕遇超巨大地震的可能。在對近幾年來全球發生的超巨大地震參數及構造對比分析的基礎上,設定琉球海溝9.0級地震參數,并將其引發的海嘯進行數值模擬研究。結果表明,該地震可引發初始波高為8 m的海嘯,臺灣東北部半小時后遭受10 m以上海嘯,3～4小時左右傳至浙南、閩北沿岸,近岸各處波高在1～2 m；5小時左右傳至浙北、粵北沿岸,浙江近岸各處波高在2 m左右,廣東沿海、臺灣海峽由于臺灣島的正面阻擋,海嘯波高低于50 cm；8小時后靠近上海海岸線,最大波高約1 m。海嘯的上岸高度與海岸附近的海深和海岸線的形態密切相關,我國東南海域地形變化復雜、海灣眾多,對海嘯波有放大作用,模擬結果可能比實際海嘯偏小。我國沿海地區分布著不少已建和在建的核電廠,在核電設計時未考慮海嘯,一旦發生這種罕遇地震海嘯則影響不可忽視,尤其是若與風暴潮、天文大潮疊加則可能出現嚴重后果。由于核電安全要求萬無一失,故須制訂有效預警和應對措施。

關鍵詞:琉球海溝; 罕遇地震; 海嘯模擬; 海嘯風險圖; 核電廠安全

0引言

20世紀以來觀測到的全球9級以上超巨大地震,即1952年俄羅斯堪察加MW9.0、1960年智利MW9.5、1964年美國阿拉斯加MW9.2及2004年印尼蘇門答臘—安達曼MW9.1地震都發生在大洋邊緣海溝,引發了巨大海嘯,造成重大人員傷亡和財產損失。特別是2011年3月11日日本東北方太平洋海域發生的罕遇MW9.0地震還造成震中附近的福島核電廠遭受超設計水平的海嘯襲擊,導致嚴重核泄漏等次生災害,引發全球對核電廠安全問題的關注。這次地震是發生在太平洋邊緣日本海溝的特大俯沖型地震,是有記錄以來日本最大的地震。從板塊構造理論來看,海溝是兩大板塊匯聚碰撞之處,能量積聚很快,最易發生俯沖型超巨大地震,而俯沖帶發生的大地震又最易引發大海嘯。西太平洋邊緣的琉球海溝俯沖帶地震活動同樣強烈,有資料記載的巨大地震有1911年琉球群島北部的奄美大島外海8.2級地震和1920年琉球海溝南端臺灣花蓮外海8.0級地震。我國華東沿海地區正對琉球海溝,若是該處發生罕見的9級地震并引發海嘯,將對我國造成多大沖擊？上述幾次太平洋越洋大海嘯傳播過來時受摩擦衰減和琉球島鏈阻擋,對我國沿海基本沒有造成災害影響,而琉球海溝發生罕遇大地震海嘯的情況雖未發現過,但這種可能性不能不考慮。我國東南沿海各省都有已建和在建核電廠,鑒于日本核電廠的教訓,本文擬設定琉球海溝發生9級罕遇地震并引發海嘯,進行數值模擬,定量評估海嘯對我國東南沿海地區的影響,以期為核電廠海嘯風險評估提供參考。

1構造環境與地震海嘯

琉球海溝是歐亞板塊與菲律賓海板塊匯聚邊界,總體走向NE-SW向,向東南方向凸出。琉球海溝地區在地質構造上為典型的太平洋溝-弧-盆體系,即琉球海溝-琉球島弧-沖繩海槽弧后盆地構造體系[1]。琉球島弧是雙列島弧,內弧是水下火山或島嶼,外弧是琉球群島。內弧從日本九州向西南延伸,經吐噶喇群島至沖繩島,呈楔狀插入沖繩海槽與外弧之間,是從第四紀初發展至今的一條活火山帶。琉球群島為新生的火山島,是東海陸架海與西北太平洋的天然分界。群島由100多個島嶼組成,北起日本九州南端,南至我國臺灣島附近,是一個向東南突出的弧形島鏈,延伸 1 200 km,自北而南分別由大隅群島和吐噶喇列島、奄美群島和沖繩群島、宮古群島和八重山群島組成。琉球群島東側是琉球海溝,水深超過6 km。

琉球地震火山帶屬于環太平洋地震帶的一部分,是至今仍在活動的強地震帶。該處地震活動頻度高、震級大,僅發生在20世紀7級以上的大地震就有四十余次,特別引人注目的有1911年奄美大島外海的8.2級大地震、1920年臺灣花蓮外海的8.0級大地震和1938年宮古島西北的7.7級地震(圖1)。據統計,琉球島弧處90%的中源地震集中在沖繩海槽,琉球群島處多為淺震[2]。震源機制解表明該地區主壓應力方向通常與琉球島弧正交,反映菲律賓海板塊向西的俯沖與擠壓。

菲律賓海板塊在日本東?！虾５母_帶也常常發生巨大地震。據統計,日本駿河灣—南海海槽每隔100～150年左右就會發生8級以上巨大地震,如日本1498年和1707年南海8.6級、1854年南海和東南海接連8.4級、1944東南海8.0級與1946南海8.1級地震(圖1),每次都引發了大海嘯[3-4],而且影響到我國沿海。1498年9月20日日本廣大地區發生地震(震中推測在日本南海,震級8.6),京都、三河、熊野震感最為強烈,同日我國江浙多處發生水溢。1707年10月28日日本南海發生8.6級地震(震后富士山大規模噴發),浙江吳興縣雙林地震水涌,烏青鎮河水暴漲,海鹽縣地震水沸；地震不僅波及浙江,錢塘江口亦有海嘯反映,但強度甚低。1854年12月24日日本南海8.4級地震引發東京以東的房總半島至九州太平洋沿岸海嘯,最高波高16.1 m。這次日本地震海嘯對我國的影響最為明顯[5],如江蘇如皋:海嘯,淹斃多人；上海:黃浦水沸,有高二三尺者；海寧:河水無風自涌,如潮漲落,池沼皆然;慈溪:河水驟騰三四尺；臨海:海潮泛濫,城鄉溝池積潦,同時俱沸,歷二時止,沿海廬舍多被淹沒?；『笈璧匾矔a生地震海嘯,如日本西海岸一側的日本海發生過一些局地海嘯,但規模均小于其東海岸太平洋一側的越洋海嘯。琉球島弧后的沖繩海槽盆地與日本海類似,多形成局地海嘯。1771年4月24日石垣島西北沖繩海槽發生了7.4級地震,引發局地大海嘯,由于地形效應,波高在石垣島和宮古島海岸上沖超過10 m[6];1938年沖繩海槽中部(25.5°N,125°E)發生7.7級地震,也引發了海嘯;但均未見有對我國沿海造成影響的記載。

圖1　 琉球海溝—日本南海海槽俯沖帶歷史上8級以上地震破裂范圍示意圖Fig.1　Rupture ranges of historical M≥8.0 earthquakes on Ryukyu Trench-Nankai Trough subduction zone

琉球海溝與日本南海海槽相接,同屬于菲律賓海板塊西北面與歐亞板塊交界的俯沖帶,二者間被九州—帕勞海嶺脊分割,向東北與日本海溝、伊豆—小笠原海溝交接,構成三聯點,向南西與臺灣島交接(圖1),與已發生過超巨大地震的印尼巽他海溝、日本海溝的俯沖構造相似。因此琉球海溝同樣具備8級以上乃至9級地震發生的能力,而海溝處發生的板間特大逆沖地震常常又會引發巨大海嘯。已有的實例表明,日本東北地區的大地震海嘯不會影響到我國,其東海、南海地區的大海嘯則對我國沿海有一定影響。由此分析,若琉球海溝發生巨大地震海嘯,會對我國東南沿海有更明顯的影響。

2震源及海嘯模型

據日本氣象廳等進行的震源破裂時空過程反演,2011年日本東北地區MW9.0地震破裂長度約500 km,寬度約200 km,最大滑動量約18 m,觀測到的震中附近海底隆起5～8 m,震中北邊100多 km外的兩個深海驗潮站觀測到的海嘯最大波高達5 m。日本海嘯波源區550 km×200 km,最大沖進陸地10 km,海嘯強度為IV級(http://outreach.eri.u-tokyo.ac.jp/eqvolc/201103_tohoku/)。2004年印尼蘇門答臘—安達曼海溝MW9.1地震破裂長度約1 200 km,寬度100 km,最大滑動量約25 m,初始波高超8 m[7-8]。與同具有溝-弧-盆海底構造體系的安達曼海溝相比,日本海溝后的本州島則是比較寬的大島(島弧寬度較大,溝弧間距離較寬),故俯沖破裂寬度較大,破裂長度較短。每次俯沖地震都會使溝弧間距離縮短,此次地震后日本島向海溝方向移動了24 m就是例證。而琉球島弧狹窄(島弧寬度窄,溝弧間距離較短),說明琉球島弧地殼滑入海溝多,只剩下一個個分割的小島,是溝-弧-盆體系演化的中期形態,日本列島則是早期形態,晚期形態是智利海溝后那樣火山弧與大陸板塊拼合到一起。因此琉球、安達曼俯沖帶類型破裂寬度較窄。基于以上認識,本文設定琉球海溝MW9.0地震震源區參數為:長度1 000 km,寬度100 km,平均滑動量18 m。

地質和地球物理學家們對琉球地區的構造特征進行過深入研究,并取得了不少成果[9-12]。臧紹先等討論了琉球海溝不同地段貝尼奧夫帶的形態和應力狀態,認為位于29°N附近的吐噶喇海峽是應力場特征的一個分界線。進一步研究發現,吐噶喇海峽北側俯沖帶傾角陡,屬于拉張型；以南傾角較緩,屬于擠壓型。再考慮到20世紀琉球海溝發生的2次8級以上地震位置,下一次大地震最有可能發生在未破裂的地震空區,因此本文假設琉球海溝9級地震破裂段位于八重山群島到奄美群島之間的俯沖帶。根據琉球地區地震層析成像和貝尼奧夫帶分布反映的俯沖板片構造特征,琉球海溝至島弧方向100 km寬度內俯沖角度十分平緩(小于30°),震源深度都小于30 km,表明菲律賓海板塊在琉球海溝處低傾角俯沖至琉球群島地殼下面[13]。震源機制解表明,印尼與日本兩次地震的斷層面傾角均小于30°、滑動角接近90°,都是低角度逆沖運動[14](http://www.geol.tsukuba.ac.jp/%7Eyagi-y/EQ/Tohoku/)。因此本文設定琉球海溝9級地震為傾角30°、滑動角90°的逆沖運動(按該構造約束下可產生的最大位錯設置),震源深度為20 km。

海底板塊交界處斷層的錯動是引發地震海嘯的主要原因[15]。地震引發大海嘯的條件:震級要大,水要深,水體被抬升幅度(即海底變形)要大。由斷層錯動產生的海底變形可以應用彈性位錯理論計算[16]。此外地震破裂速度(破裂速度小于1 km/s難以產生大海嘯)、震源區上覆的沉積層密度也影響生成海嘯的大小[17-18]。本文暫不考慮沉積層因素,并且設定琉球9級地震破裂速度滿足形成大海嘯條件,因此可以假設海底變形是瞬態過程,并且流-固耦合較好,即海面初始位移與海底變形是一致的(圖2)。

海嘯是一種淺水長波,其模型采用球坐標系下的非線性淺水波方程,同時考慮了地球自轉時的科氏力和海底摩擦作用,表達式如下[19]:

圖2　地震海嘯模型Fig.2　 The earthquake-induced tsunami model

?η?t+1Rcosφ?P?Ψ+??φ(Qcosφ)é?êêù?úú=-?h?t=0?P?t+ 1Rcosφ??ΨP2H?è???÷+1R??φPQH?è???÷+ gHRcosφ?η?Ψ-fQ+Fx=0?Q?t+1Rcosφ??ΨPQH?è???÷+1R??φQ2H?è???÷+ gHR?η?φ+fP+Fy=0ì?í??????????????

(1)

式中:η為相對于平均海平面的自由表面位移;h為海水靜深度;H=h+η為總水深;R為地球半徑;f為科氏力系數;P、Q分別為水流沿經度Ψ(東西方向)、緯度φ(南北方向)單位長度的流量;Fx、Fy分別表示經度、緯度方向的海底摩擦作用。采用Manning底部摩擦公式:

(2)

式中:n是Manning粗糙系數。海底摩擦影響著淺水區海嘯傳播過程的水動力特性和爬高過程。

3數值模擬及分析

海嘯數值模擬采用了康奈爾大學P.L.F.Liu等開發的COMCOT 模式,該模式已被證明是一個成熟、有效的海嘯計算模式[19]。本文模擬區域為113°～135°E,20°～35°N,空間網格尺度采用規則的1′弧度網格(約1 852 m),網格數為1 321×901,時間步長1 s。計算區域水深及陸地地形數據來源于美國國家地球物理數據中心(NGDC)的ETOPO1數據庫。該模式在陸地邊界采用反射邊界條件計算,在水區邊界則采用輻射開邊界條件以“透浪”消波。

考慮到琉球海溝俯沖帶呈弧形,計算時將1 000 km 破裂帶分成相接的3段同時破裂,將這3個子事件組合成一次9級事件[圖3(a)],然后模擬9級地震海嘯在我國海域及鄰區傳播10小時的過程,海嘯波場見圖3。9級地震產生了初始波高超過8 m的海嘯。

圖3　海嘯傳播示意圖Fig.3　Snapshots of simulated tsunami propagation

我們共設置12個虛擬海嘯監測站,其中大陸沿海9個,臺灣東部3個[編號及分布見圖3(a)中“△”標示]。虛擬監測站記錄了本次模擬9級地震海嘯的時程曲線(圖4),這些曲線記錄了海嘯到達各地的時間和波高變化信息。

由海嘯傳播過程可以看出,9級地震可產生初始波高8 m多的海嘯,向我國東海和太平洋兩個方向傳播,日本和韓國亦將受到海嘯沖擊。琉球諸島幾分鐘后首先遭到超過10 m的巨大海嘯掃蕩,最大溯上到20 m左右；十幾分鐘后海嘯到達臺灣東部,臺灣東北海岸受到5～10 m的海嘯襲擊,半小時后海嘯繞過臺灣最南端進入南海,海嘯約一小時后進入東海大陸架傳播。當由深水傳到大陸架時,由于水深很快變淺,速度受阻,波高會驟然升高,但隨后繼續傳播,由于水深越來越淺,速度也越來越慢,波高就會受到越來越大的摩擦而逐漸衰減。3 h后海嘯最先接近我國大陸的浙閩交界和閩粵交界地帶海岸(廣東汕頭以南海域和福州—溫州海域),4 h左右從臺灣島南北兩端繞過來的海嘯在臺灣海嘯相遇,臺灣西部海岸和福建大部份海岸也將受到海嘯影響。廈門地區要比南邊的汕頭和北邊的福州晚半個多小時遭到海嘯,不過由于臺灣島的阻擋,海嘯不是正面傳播過來的,其威力比廈門南北兩邊地區的小,到達廈門海岸的海嘯波高約0.5 m。3.5～7 h內海嘯將陸續抵達浙江和廣東沿海各地,浙江沿海普遍波高2 m左右,最大可達3 m；而傳到廣東沿海的海嘯由于先繞過了臺灣南端(海嘯傳到臺灣南端波高僅為1 m左右),再加上南海大陸架衰減,抵岸波高都在0.5 m以下。海嘯傳至上海海岸線約在8 h后,最大波高接近1 m(圖4)。從圖4的海嘯時程曲線可以看出,虛擬臺從1～12臺記錄的海嘯波周期總體上是由長變短,這跟各臺水深條件有關。1～12臺分布由北向南,海岸地形由平緩到復雜,水深變化也是南部臺比北部臺劇烈,造成海嘯波形在近岸傳播時南部臺比北部臺變化更劇烈,頻散現象嚴重,因此南部臺記錄的高頻成分較多,北部臺記錄的海嘯頻率較單一。由于海嘯的上岸高度與海岸附近的海深和海岸線的形態、陸地的地形以及海灣的朝向密切相關,一般海灣內部的高度大于海灣開口處,因此海嘯進入杭州灣和長江口后波高會有所增大,考慮到網格的分辨率和計算誤差,預計最大波高仍小于2 m。也就是說,罕遇情況下上海地區遭受的最大海嘯為Ⅰ級小型海嘯。根據以上模擬結果繪制了我國大陸沿海及臺灣部分地區可能遭遇的最大海嘯風險圖(圖5)。

圖4　12個虛擬監測站記錄的海嘯時程曲線Fig.4　Time history curves of simulated tsunami in twelve virtual tidal stations

4結論與討論

海嘯是從海底到海面的海水整體擾動以波的形式傳播出去,是一種淺水波。海嘯傳播速度只與海水深度有關,傳播到大陸架后隨水深變淺,速度變緩。海水只要從海底到海面受到整體擾動都能形成海嘯,只是深淺不同能量不同,發生在深海激起的海嘯能量大,發生在淺海其海嘯能量小,且波長比深海短,衰減快,到岸破壞力小,而我國東海淺水大陸架寬廣,故通常認為我國東部沿海不會遭受海嘯災害。但我們的研究表明,琉球海溝發生罕遇9級地震條件下,波源區可達上千米,琉球群島都將遭受滅頂之災,臺灣臺北部分地區可能遭受最大10 m左右的海嘯,閩北及浙江沿海即使有東海淺水大陸架摩擦衰減,大部分地區可能遭受的最大海嘯仍超過2 m,上海及鄰區海岸最大海嘯在1 m左右,而海嘯傳到臺灣海峽及廣東沿海時因臺灣島阻擋作用會變得很小。這說明琉球罕遇海嘯對我國沿海一些地方的影響也是不可忽視的。一旦琉球海溝發生海嘯,有關部門可參考本文的研究結果對海嘯影響程度迅速估算,為制定及時、合理的防災減災措施提供依據。

圖5　我國大陸沿海和臺灣地區的海嘯風險圖Fig.5　The tsunami risk map in China mainland coast and Taiwan region

我國核電廠設計中,認為我國近海不易產生大海嘯,遠洋海嘯傳過來也很小,主要考慮的是最大風暴潮與最大天文大潮組合條件的影響[20-21]。但是對于核電廠這種安全要求“萬無一失”的工程,在選址與設計時還是應該考慮罕遇海嘯和各種海浪(風暴潮,天文大潮)組合條件下的安全問題。我國在沿海核設施都興建有防波堤,是按最大風暴潮和最高天文潮組合條件設計的,從上面的模擬結果看這些防波堤用以防范單獨的海嘯應該沒問題,但若遇罕遇海嘯疊加上最大風暴潮和天文大潮組合則面臨超設計水平的危險。即使在設計中認為這種組合概率很小而沒有考慮,那么在運營中也應對此可能的風險情況制訂有效的防范應對措施予以補救。此外還需注意的是,這樣的大地震極易造成沖繩海槽兩側海底斜坡出現滑坡,也有誘發琉球火山爆發的可能,這兩種情況都會引發海嘯,與地震海嘯疊加則會大大增加海嘯能量,使海嘯成倍放大,核電廠設計的極限地震海嘯安全應該考慮這種極端情況。

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Numerical Simulation of Risk in the Southeast Coastal Region of China Owing to a Rare Earthquake-induced Tsunami in the Ryukyu Trench

WEN Yan-ling1, LIU Shuang-qing2, ZHU Ai-lan2, SONG Zhi-ping3, LI Chun-feng1

(1.SchoolofOceanandEarthScience,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.EarthquakeAdministrationofShanghaiMunicipality,Shanghai201203,China;3.ChinaEarthquakeNetworksCenter,Beijing100045,China)

Abstract:Based on their tectonic similarities,the Ryukyu trench is as likely to experience a rare mega-thrust earthquake as the Japanese,Chilean,and Sunda trenches.Based on an analysis of the mega-thrust hypocenter parameters along trenches in recent years,this study proposed a scenario of an earthquake of MW9.0 in the Ryukyu trench and then simulated the resulting earthquake-induced tsunami.Our study results indicated that the initial tsunami reached a height of up to 8 m,then propagated to northeast Taiwan half an hour later and increased in height to over 10 m.Three to four hours later,the tsunami reached the south coast of Zhejiang province and the north coast of Fujian province,and its height was then 1～2 m.Roughly five hours later,the tsunami propagated to the north coasts of Zhejiang and Guangdong provinces,at heights of approximately 2 m and less than 0.5 m,respectively.The tsunami reached the shoreline of Shanghai eight hours later,and its maximum height was then approximately 1 m.These simulated tsunami height data tend to be lower than would occur in reality because of the shoaling effect in the bays along the southeast China shoreline.Owing to the presence of a number of nuclear power plants along the coast of southeast China,the potential for tsunami impact on these plants should not be ignored in the event of a rare earthquake in the Ryukyu trench.We recommend that nuclear plants take measures to prevent potential damage from tsunami hazards.

Key words:Ryukyu trench; rare earthquake; tsunami simulation; tsunami risk map; nuclear power plant safety

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0285

中圖分類號:TU47

文獻標志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)02-0285-08

作者簡介:溫燕林(1981-),男,在讀博士生,主要研究方向為地球動力學及海嘯模擬。E-mail:wenzhengyi@sina.com。

基金項目:國家自然科學基金項目(41372222);上海市科委科研計劃項目(14231202600)

收稿日期:①2015-02-22