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  • ISSN 1007-6336
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中国东南沿海邻近海沟潜在海啸危险性研究

黄强 景惠敏 胡培

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中国东南沿海邻近海沟潜在海啸危险性研究

    作者简介: 黄强(1992-), 男, 江西吉安人, 硕士, 主要研究方向为地震海啸数值模拟, E-mail:huangqiangnbu@hotmail.com;
  • 基金项目: 国家自然科学青年科学基金项目 41304072

  • 中图分类号: P738.4

Study on the potential tsunami hazard of adjacent trenches in the southeast coast of China

  • CLC number: P738.4

  • 摘要: 针对中国东南沿海邻近海沟潜藏大地震的可能性,采用基于有限体积法的浅水波数值模型GeoClaw分别对琉球海沟和马尼拉海沟潜在9级地震进行海啸数值模拟研究。结果表明,琉球海沟和马尼拉海沟地震发生时都释放了巨大的能量,并以海啸波的形式向中国沿海传播。其中,琉球海沟地震引发的海啸波经东海大陆架传播3 h后到达福建北部,并在随后2 h内对浙江、上海、江苏沿岸地区造成影响。海啸波高普遍达到0.5 m以上,浙江、上海局部海岸地区达到1 m以上。而马尼拉海沟地震海啸传播过程通畅,2 h后到达海南沿岸,并依次影响湛江、澳门、香港、厦门、高雄等沿海区域。海啸波高普遍达到2 m以上,澳门、香港海岸地区达到5 m以上,面临严重危险等级。基于我国东南沿岸港口、核电站、钻井平台等海洋工程项目持续建设的考虑,需要对潜在海啸威胁进行研究并采取相应措施。
  • 图 1  琉球海沟潜在地震震源断层位置及滑移量分布

    Figure 1.  Location of fault plane segments and slip distribution for the Ryukyu Trench potential earthquake source

    图 2  马尼拉海沟潜在地震震源断层位置及滑移量分布

    Figure 2.  Location of fault plane segments and slip distribution for the Manila Trench potential earthquake source

    图 3  琉球海沟海啸初始位移场

    Figure 3.  Tsunami initial conditions of seafloor displacement in Ryukyu Trench

    图 4  马尼拉海沟海啸初始位移场

    Figure 4.  Tsunami initial conditions of seafloor displacement in Manila Trench

    图 5  琉球海沟地震海啸最大波幅分布

    Figure 5.  Tsunami maximum amplitude distribution of Ryukyu Trench

    图 6  海啸波在东部沿海地区的传播过程

    Figure 6.  Propagation of the tsunami in eastern coastal

    图 7  8个计算点记录的海啸波传播时程曲线

    Figure 7.  Curves of travel time of tsunami at 8 point

    图 8  琉球海沟地震海啸最大波幅分布

    Figure 8.  Tsunami maximum amplitude distribution of Ryukyu Trench

    图 9  海啸波在中国东部沿海地区的传播过程

    Figure 9.  Propagation of the tsunami in China eastern coastal

    图 10  6个计算点记录的海啸波传播时程曲线

    Figure 10.  Curves of travel time of tsunami at 6 point

    表 1  设定琉球海沟震源参数

    Table 1.  Set up the source parameters of Ryukyu Trench

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    表 2  设定马尼拉海沟震源参数

    Table 2.  Set up the source parameters of Manila Trench

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-15
  • 录用日期:  2018-01-03
  • 刊出日期:  2019-08-20

中国东南沿海邻近海沟潜在海啸危险性研究

    作者简介:黄强(1992-), 男, 江西吉安人, 硕士, 主要研究方向为地震海啸数值模拟, E-mail:huangqiangnbu@hotmail.com
  • 宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
基金项目:  国家自然科学青年科学基金项目 41304072

摘要: 针对中国东南沿海邻近海沟潜藏大地震的可能性,采用基于有限体积法的浅水波数值模型GeoClaw分别对琉球海沟和马尼拉海沟潜在9级地震进行海啸数值模拟研究。结果表明,琉球海沟和马尼拉海沟地震发生时都释放了巨大的能量,并以海啸波的形式向中国沿海传播。其中,琉球海沟地震引发的海啸波经东海大陆架传播3 h后到达福建北部,并在随后2 h内对浙江、上海、江苏沿岸地区造成影响。海啸波高普遍达到0.5 m以上,浙江、上海局部海岸地区达到1 m以上。而马尼拉海沟地震海啸传播过程通畅,2 h后到达海南沿岸,并依次影响湛江、澳门、香港、厦门、高雄等沿海区域。海啸波高普遍达到2 m以上,澳门、香港海岸地区达到5 m以上,面临严重危险等级。基于我国东南沿岸港口、核电站、钻井平台等海洋工程项目持续建设的考虑,需要对潜在海啸威胁进行研究并采取相应措施。

English Abstract

  • 近年来大型地震海啸事件频发,已引起民众的广泛关注。海啸的形成主要是由海底断层破裂引起海水陡增,并释放巨大的能量推动海底至海面的‘水墙’前进。海啸波到达沿海海岸时,由于地势升高,海水波长变短,波高增大,在极短时间内爬升并侵袭沿岸陆路地区。目前全球海洋遍布着数十个海沟,在伴随板块的下沉发生的地震中,以海沟部位附近的板块边界作为断层面,随着上盘一侧的回弹,产生缓角逆断层型地震,这种地震称为“海沟型地震”[1]。大部分海啸的产生与深海海沟型地震有关,这其中2004年印度洋海啸及2011年日本东北地震海啸尤为突出,这些海沟型地震引发的海啸造成了核电站泄漏、房屋倒塌、人员伤亡等一系列灾害事件。位于南中国海和相邻的菲律宾板块交界处的马尼拉海沟以及台湾东部的琉球海沟在地质构造上与曾经发生大的地震海啸的苏门答腊断层及日本海沟等非常相似, 极有可能在未来一段时间内发生较大的地震海啸。从板块构造理论来看,海沟是两大板块碰撞交汇处,能量集聚快,极易发生俯冲型大地震,进而可能引发大型海啸。

    中国处于太平洋的西部,有狭长的海岸线。据不完全统计,历史上中国沿海共发生30余次地震海啸,其中有8~9次为破坏性海啸,特别是1781年5月22日发生在台湾南部的一次大海啸,海水深入陆地达120 km,淹没了台南的三个重镇和20多个村庄,死亡4~5万人。美国地质勘探局(USGS)在2006年报告中[2]指出,琉球海沟、马尼拉海沟是最可能引起特大海啸的潜在海底地震震源。我国华东沿海地区正对琉球海沟,华南沿海地区距离马尼拉海沟较近,若是有一处或同时发生9级以上地震海啸,造成的后果将难以想象。中国东南沿海人口集中,沿海海拔5 m区域内有全国近1/4的GDP[3],这对于我们提高沿海地区海啸风险防范意识,提升灾害预防能力提出了更高要求,因此,通过对这两个区域的潜在地震海啸研究非常必要。

    自20世纪以来,海啸的形成及发展理论逐渐受到人们的重视,各国专家大多应用数值模式模拟研究海啸的产生、传播、爬高等过程。海啸的数值传播模型主要有浅水波模型和Boussinesq模型。第一类以康奈尔大学的COMCOT[4]、美国国家海洋和大气管理局的MOST[5]及华盛顿大学的GeoClaw[6]为代表。其中,COMCOT模型采用有限差分法进行计算,可设置多重嵌套网格,爬高过程采用干湿判断法,关于其应用有1960年智利海啸[7],以及2004年的印度洋海啸[8];MOST模型考虑了地球曲率和科氏力的影响,物理频散由有限差分的数值频散格式来近似,应用于1996年的Andreanov海啸模拟[9],且该模型被NCTR(National Center for Tsunami Research)采用为标准模型;GeoClaw模型嵌入了由Marsha Berger所开发的自适应网格加密来捕捉更精细的波动信息,自适应网格加密有限体积法尤其适合于求解保守系统, 并允许系统存在不连续量, 这使它能够从根本上捕捉到波分裂等细节,应用方面有2010年智利海啸[10],2011年日本东北地震海啸[11]。第二类基于Boussinesq方程的数值模式主要有特拉华大学的FUNWAVE[12]和康奈尔大学的CULWAVE[13],James Kirby所开发的FUNWAVE模型采用Wei和Kirby[14]提出的完全非线性频散方程,考虑了波浪的色散性,并引入了波产生、摩阻系数、边界吸收、波分裂、移动海岸等附加项来模拟这些效应;CULWAVE模型采用高阶有限体积法,利用激波捕获法来处理黎曼问题,适用于完全非线性问题和不规则地形上的色散性波的传播。另外,日本Tohoku大学开发的TUNAMI模型因其相对简单开源也被广泛地应用于海啸的模拟研究,其改进版TUNAMI-N2模型在2011年日本东北地震海啸的模拟中结果对比现场实测数据吻合良好[15]。海啸从深海经大陆架向沿海岸的传播过程中,水深变浅使得波浪的非线性效果变得逐渐明显,因此本文采用非线性浅水波模型来研究海啸波对我国东南沿海地区的影响。

    • 本文采用的基于平面二维非线性浅水波模型GeoClaw是在Godunov方法的基础上对方程进行离散改进的模型,通过高精、高分辨率有限体积法求解双曲守恒率方程,同时引入了非线性限制器来抑制数值计算过程中的非物理振荡,在空间和时间维都达到了二阶精度。自适应网格技术是该模型的主要特色,可以根据海啸波波高进行追踪判断是否对网格进行加密。此方法可以实现海啸波在大洋中传播时区域使用粗网格,沿岸计算区域使用加密网格,减少计算量并提高计算效率。模型的控制方程表示为:

      式中:u, v分别表示x, y方向的水深平均速度;g为重力加速度;f为科氏力;h为总水深;b表示海底地形;x, y方向的非线性底摩擦可以表示为:

      式中:n为曼宁系数。

    • 大量史料及科学研究表明,地震断层通常位于板块相交边界,即大洋板块俯冲于大陆板块之下形成俯冲带,在特定条件下产生地震断层。由美国地质勘探局(USGS)实时监测的地震海啸历史数据(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/map)也表明了大型地震海啸的发生集中在板块交界处附近。当前,对于地震断层的精准判定还处于探索阶段,一般根据反演法得到,较为先进的有结合全球定位系统和自动识别的船高数据反演而成[16], 但前提条件是地震已经发生。对于琉球海沟和马尼拉海沟潜在9级地震,我们根据矩震级和震源参数之间的关系,在板块相交处选取地震断层模型。由地震学理论可知,矩震级和断层参数之间的重要联系是地震矩,其中,M0=μ·ΔU·L·W为地震中地壳岩的剪切模量,即介质的刚性系数,取μ=3×1010N/m2;△U是断层破裂时的平均位错,LW是断层面的长和宽,单位均为m。由Hanks & Kanamori[17]经验公式知地震矩和矩震级之间的关系是M0=101.5MW+9.1可以用来计算各断层参数。采用基于弹性半空间错移理论发展的Okada(1985)[18]断层模型确定地震震源,通过输入地震断层参数,利用GeoClaw断层模型计算程序可得到海啸源模型。

      琉球海沟是菲律宾海板块与欧亚板块交互、俯冲和消亡的地带,也是一条强烈的构造活动带,同时它将东亚活动陆缘构造域与西太平洋构造域分隔开来[19]。琉球地震火山带属于环太平洋地震带的一部分,是至今仍在活动的强地震带。2004年印尼苏-安海沟Mw9.1地震破裂长度为1200 km,宽度为100 km,最大滑动量约25 m,初始波高超8 m[20]。琉球海沟与其相比,岛弧狭窄且地壳滑入海沟多,形成多个分割的小岛,是岛-弧-盆体系[21]演化的中期形态。基于以上分析,本文设定琉球海沟Mw9.0地震震源区参数为:长度760 km,宽度80 km,平均滑动量18 m。由于琉球海沟俯冲带呈弧形,计算时将1000 km破裂带分成相接的4段同时破裂,将这4个子事件组成一个9级事件,然后模拟9级地震海啸在我国东部海域传播过程。地震震源参数及源模型如表 1图 1所示。

      表 1  设定琉球海沟震源参数

      Table 1.  Set up the source parameters of Ryukyu Trench

      图  1  琉球海沟潜在地震震源断层位置及滑移量分布

      Figure 1.  Location of fault plane segments and slip distribution for the Ryukyu Trench potential earthquake source

    • 马尼拉海沟形成于第三纪中新世,北起台湾南部,南至菲律宾中部,位于亚欧大陆板块和菲律宾板块之间,全长共1500 km,亚欧板块在菲律宾板块以下的部分正以80 mm/a的速度下降,至今仍属活跃地震带[22]。洪明理等的研究中得出马尼拉海沟地震复发周期为63 a[23],且近百年Mw7以上地震达到10次。1934年2月14日马尼拉海沟发生Mw7.5地震并引发海啸[24],我们以此次地震为例,选取地震断层长度为600 km,宽度为60 km的Mw9地震并通过划分成3个断层子段组合成一个9级事件进行海啸数值模拟。地震震源参数及源模型如表 2图 2所示:

      表 2  设定马尼拉海沟震源参数

      Table 2.  Set up the source parameters of Manila Trench

      图  2  马尼拉海沟潜在地震震源断层位置及滑移量分布

      Figure 2.  Location of fault plane segments and slip distribution for the Manila Trench potential earthquake source

    • 大量历史资料和相关地震海啸研究表明,我国东南沿海面临着来自琉球海沟、马尼拉海沟潜在局地海啸的威胁,政府防灾部门也正开始着手制定沿海海啸预警系统[25]。由地震发震特点可知,地震断层的错动过程时间极短,甚至在几秒时间内就能完成,水面变动与地震引起的断层错动同时发生,因此可以假设海水表面的抬升与海底位移是同步瞬时的,忽略了断层破裂的复杂性、错位的多向性、破裂层厚度可变性。基于Okada断层模型理论,输入相应的震源断层参数到断层模型便可得到地震海啸数值计算所需的初始位移场。图 34为琉球海沟和马尼拉海沟的潜在海啸初始位移场。

      图  3  琉球海沟海啸初始位移场

      Figure 3.  Tsunami initial conditions of seafloor displacement in Ryukyu Trench

      图  4  马尼拉海沟海啸初始位移场

      Figure 4.  Tsunami initial conditions of seafloor displacement in Manila Trench

    • 本次海啸模拟采用GeoClaw模型,3层加密网格用于模型中,最外层粗网格始于4 arcmin,加密比例为[4, 8],最内层细网格为30arcsec,结合ETOPO1、GEBCO等海洋水深地形公开数据库,对区域118°E~144 °E,16°N~36°N进行模拟计算,并对近海区域118°E~126°E,26°N~34°N进行加密计算,波浪追踪加密判断为1 cm。在中国东部沿海设置8个计算点,以9级地震断层模型作为海啸源对其进行地震海啸数值模拟,分析海啸传播过程、分布范围及对中国东部沿海地区影响情况。

      图 5为琉球海沟地震海啸最大波幅分布,从图中可以看出,地震发生时海啸能量巨大,海啸初始波高达到10 m以上。地震产生的能量沿着断层两侧扩散开来,其中一部分海啸能量沿着中国东部沿海地区传播,并主要影响福建、浙江、上海、江苏沿海一带。

      图  5  琉球海沟地震海啸最大波幅分布

      Figure 5.  Tsunami maximum amplitude distribution of Ryukyu Trench

      图 6表示琉球海沟地震海啸传播至中国东部沿海的过程。在中国东部沿海设置了8个虚拟验潮站计算点,并结合图 7可知,地震发生4 h海啸波首先到达福建沿海北部,波幅为0.3 m左右;5 h后传播至浙江大部分沿岸,波幅可达到0.6 m以上,局部地区可能会更高,造成Ⅱ级近海危险;6 h后到达上海、江苏沿岸等地,海啸波幅大部分超过1 m,甚至更高,将会对局部地区造成Ⅲ级淹没危险。

      图  6  海啸波在东部沿海地区的传播过程

      Figure 6.  Propagation of the tsunami in eastern coastal

      图  7  8个计算点记录的海啸波传播时程曲线

      Figure 7.  Curves of travel time of tsunami at 8 point

    • 相关资料显示,马尼拉海沟8级地震间隔期为65 a,8.5级地震间隔期为205 a,9级地震间隔期为667 a[26]。而近100 a内发生地震最大震级为7.6级,目前抗震俯冲带占主导地位,活跃俯冲带处于平静期,一旦发生大型地震,后果不堪设想。同样采用3层加密网格,粗网格为4 arcmin,细网格为30 arcsec,加密比例为[4, 10], 并结合来自ETOPO1、GEBCO等海洋水深地形公开数据库,模拟计算区域为110°E~130°E,10°N~28°N,对区域110°E~120°E,19.5°N~24°N进行网格加密计算,模拟马尼拉海沟9级地震海啸对中国南部海岸的影响情况。

      图 8为琉球海沟地震海啸最大波幅分布,从图中看出,初始海啸波能量巨大,主要向西北方向传播,短时间内会侵袭到中国南部沿海地区,造成严重灾害。图 9为马尼拉海沟地震发生2 h后海啸传播到中国南部沿海情况,其中在海口、阳江、澳门、香港、汕头、高雄沿岸设置了共6个虚拟验潮站计算点。从图 10各个计算点可以看出,由于海啸传播过程中未受到地势阻隔作用,到达海岸时海啸波高普遍达到1.5 m以上,有Ⅲ级淹没危险;尤其在海啸传播3 h后,澳门、香港沿海地区海啸波高达到5 m及以上,将面临Ⅳ级严重淹没危险。

      图  8  琉球海沟地震海啸最大波幅分布

      Figure 8.  Tsunami maximum amplitude distribution of Ryukyu Trench

      图  9  海啸波在中国东部沿海地区的传播过程

      Figure 9.  Propagation of the tsunami in China eastern coastal

      图  10  6个计算点记录的海啸波传播时程曲线

      Figure 10.  Curves of travel time of tsunami at 6 point

    • (1) 琉球海沟发生大型地震的概率较大,且正对中国东部沿海,故威胁性较大。但由于我国东海拥有宽广的大陆架,会削弱海啸传播过程中的能量。海啸传播4 h后到达福建沿海,进而影响浙江、上海、江苏沿岸一带,大部分地区会面临近海危险,浙江、上海局部地区会面临淹没危险;

      (2) 与苏门答腊—安达曼海沟类似,马尼拉海沟同样具有9级地震发生概率,且在海啸传播过程中未受阻隔作用,海啸到达中国南海时仍保持较高能量,加之沿海传播的非线性作用,海啸波高幅度较大,最大达到5 m以上甚至更高,香港、澳门沿海地区面临严重威胁;

      (3) 中国东南沿海经济总量庞大,人口集聚,并且有已建和在建的各种海洋石油平台、核电站、港口航运器械等重要基础设施,一旦发生大型地震海啸,将遭受严重灾害,因此有必要对邻近海沟型地震进行模拟研究,为政府及防灾机构决策提供参考依据。

参考文献 (26)

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