基于數(shù)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(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)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(nèi)海，其中五分之四的海域被陸地環(huán)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(huán)渤海城市，環(huán)渤海經(jīng)濟圈的加速崛起，使地處環(huán)渤海經(jīng)濟帶核心位置渤海地區(qū)成為中國經(jīng)濟板塊中乃至東北亞地區(qū)極具影響力的經(jīng)濟隆起地帶，加之半島藍色經(jīng)濟區(qū)建設(shè)已成為國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，這就促使渤海地區(qū)在國家的經(jīng)濟發(fā)展規(guī)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(fā)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(chǎn)區(qū)之一，同時也是大陸地震比較活躍的區(qū)域之一［1］。因此，有必要加強對該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)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(jīng)濟發(fā)展和海洋防震減災(zāi)具有重要的實際意義。

關(guān)于渤海歷史上是否發(fā)生過海嘯，近現(xiàn)代是否具有發(fā)生災(zāi)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(nèi)外文獻中也均未見到對該地區(qū)海嘯災(zāi)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(qū)域海嘯對渤海的影響較小。鑒于環(huán)渤海經(jīng)濟圈的重要經(jīng)濟地位以及該地區(qū)的海洋防災(zāi)減災(zāi)、海嘯災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃工作的客觀需求，本文將從渤海海盆的地質(zhì)構(gòu)造背景、活動斷層斷裂特征、地震活動以及基于數(shù)值模擬定量計算渤?？赡艿卣鸷[這幾個方面來研究渤海地區(qū)海嘯災(zāi)害危險性。

2 渤海及周邊地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景及斷裂活動特征

2.1 渤海及周邊地區(qū)新生代地質(zhì)構(gòu)造背景

渤海占據(jù)十分重要的大地構(gòu)造位置，渤海及周邊地區(qū)具有復(fù)雜的斷裂構(gòu)造活動環(huán)境。其處在中國東部兩條巨型活動構(gòu)造帶，即NNE向郯廬斷裂帶與NWW向燕渤斷裂帶的交匯區(qū)。郯廬斷裂帶和燕渤斷裂帶是兩條區(qū)域性的重力、航磁、地?zé)?、形變和殼幔結(jié)構(gòu)的綜合地球物理異常帶［2－3］。這兩條斷裂帶內(nèi)及其旁側(cè)發(fā)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(gòu)造環(huán)境和深部構(gòu)造條件構(gòu)成了渤海及周圍地區(qū)的斷裂和地震活動的地球動力學(xué)環(huán)境。王華林等［3］及朱紅彬等［4］均對該地區(qū)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(qū)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(yīng)力和渤海上地幔隆起產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力的聯(lián)合作用。板塊運動產(chǎn)生的區(qū)域NEE向擠壓應(yīng)力持續(xù)作用于地殼之中，當(dāng)板塊俯沖運動加劇時，這一擠壓應(yīng)力將增強，構(gòu)成了渤海及周圍地區(qū)斷裂活動和地震孕育的基本動力［3，5］。

2.2 渤海地區(qū)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(qū)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(gòu)造變形帶，南起湖北廣濟、經(jīng)郯江、郯城，橫穿山東中部與渤海，向北穿過東北地區(qū)進入俄羅斯遠東地區(qū)，總長度約為3 500 k m。該斷裂帶發(fā)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(xù)的斷裂帶，而是由20余條不連續(xù)的NW走向的次級斷裂所組成的復(fù)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(shù)的研究結(jié)果表明：晚第四紀(jì)，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(qū)地震活動

渤海及周圍地區(qū)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(qū)域內(nèi)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(fā)地帶［18—22］（圖1）。自公元1548年以來，在渤海海域及其附近共發(fā)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(qū)的地震活動強度大，頻度高，特別是7級以上大地震發(fā)生頻率在華北地震區(qū)內(nèi)是最高的，平均120 a發(fā)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(tǒng)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(yōu)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(yōu)勢分布在5～20 k m。總體來講，渤海海域內(nèi)地震震源深度略比郯廬斷裂帶和華北平原地震帶內(nèi)地震震源深度大。

圖1 渤海及周邊地區(qū)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(jì)，全球共發(fā)生海嘯事件500次，其中有68次引發(fā)海嘯災(zāi)難。上述海嘯事件86%由地震事件觸發(fā)，5%由火山活動引起，4%由海底滑坡產(chǎn)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(fā)海嘯地震能量的0.005%～10%。地震海嘯的激發(fā)與海水深度、地震強度、震源機制和震源深度等密切相關(guān)［25－26］，而海嘯災(zāi)害的強弱不僅與激發(fā)因素有關(guān)，還與海底地形及海岸線的幾何形狀等因素有關(guān)。

自公元前23世紀(jì)到公元21世紀(jì)，渤海海域有記錄的6級以上地震6次［27—29］，但對應(yīng)這幾次地震均未查閱到對應(yīng)的海嘯記錄，說明這幾次地震即使引發(fā)海嘯，也沒有引起災(zāi)害性影響。同時古籍中關(guān)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(guān)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(diào)查。近現(xiàn)代歷史記錄中只有1969年7月18日發(fā)生于渤海中7.4級地震引發(fā)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(fā)的假潮波幅達到10 c m［30］。

渤海歷史上是否發(fā)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(jù)相關(guān)古籍中的記載進行推測，缺乏科學(xué)推算依據(jù)。本節(jié)將對渤海海域歷史上的4次7級以上的地震引發(fā)的局地海嘯進行數(shù)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(zāi)害和建立實時海嘯預(yù)警系統(tǒng)的重要工具和技術(shù)手段。根據(jù)海嘯波的物理特性，海嘯數(shù)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(tài)移動邊界技術(shù)來實現(xiàn)海嘯爬高及與海岸相互作用的淹沒模型（Inundation）3部分模型構(gòu)成［31］。

傳統(tǒng)的矩形網(wǎng)格將岸界概化成折形，若網(wǎng)格較粗則會產(chǎn)生較大誤差，網(wǎng)格過細則計算量會成倍增加。自適應(yīng)四叉樹分層網(wǎng)格技術(shù)可以有效的處理復(fù)雜邊界問題。自適應(yīng)四叉樹網(wǎng)格，相對于貼體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，不需要從物理平面到計算平面的轉(zhuǎn)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(jié)約計算時間；相對于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為簡單［32］。

本文選取由美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系David L George研究開發(fā)的基于波浪追逐原理和自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)的海嘯數(shù)值模型（Geo Claw）作為此次數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)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(yīng)，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(shù)。

3.2 震源參數(shù)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(shù)量級。震源破裂的持續(xù)時間通常以秒計，在如此短的時間內(nèi)，斷層帶上覆蓋的海水沒有時間流走。因此可以假設(shè)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(fù)雜性、錯位的多向性、破裂層厚度可變性。目前大多數(shù)海嘯模擬中都是采用上述假定，即瞬態(tài)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(fā)展的兩套斷層模型。4次7級以上地震（圖2）震源參數(shù)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(shù)

模型計算所采用的第一層水深數(shù)據(jù)來源于ETOPO5海底地形數(shù)據(jù)庫，第二層水深數(shù)據(jù)源于GEBCO水深數(shù)據(jù)和部分渤海海域的海圖資料融合得到。該區(qū)域海岸線資料采用STRM30衛(wèi)星數(shù)據(jù)訂正而得。

通過數(shù)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(jié)果可以看出：4次強震引發(fā)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(fā)的海嘯規(guī)模均未達到引發(fā)災(zāi)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(fā)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)：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(yán)重淹沒危險。只有1888年及1969年兩次事件海嘯災(zāi)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(zāi)害。但需要說明的是前三次地震海嘯過程發(fā)生時間距離現(xiàn)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(huán)境、特別是渤海防潮能力發(fā)生了較大變化，臨海的海洋工程建設(shè)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(shè)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(dǎo)致模擬結(jié)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(fā)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(wǎng)格線表示自適應(yīng)網(wǎng)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(jié)分析中得知，燕渤地震帶與郯廬地震帶交匯處為強震多發(fā)地帶，故假設(shè)在該區(qū)域發(fā)生Mw＝7.8級地震，利用基于四叉樹自適應(yīng)加密網(wǎng)格技術(shù)的海嘯數(shù)值模型計算海嘯波在渤海沿岸的傳播情景（圖4）及渤海區(qū)潛在海嘯危險性（見圖5）。從數(shù)值計算結(jié)果可以看出：海嘯波在地震發(fā)生5 h內(nèi)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(qū)域發(fā)生7.8級強烈海震，由海震引發(fā)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(zāi)害危險性達到Ⅲ級。雖然此等規(guī)模的海嘯波不會對渤海灣近岸造成災(zāi)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(zāi)的可能性。雖然渤海斷層活動在晚第四紀(jì)多表現(xiàn)為走滑拉伸特征［42］，且渤海海盆主要發(fā)震區(qū)域水深普遍在30 m左右，故不具備產(chǎn)生災(zāi)難性海嘯的條件，但對于該地區(qū)7.8級以上地震可能引發(fā)的局地海嘯是有造成一定災(zāi)害的可能，因此應(yīng)加強對該地區(qū)強震活動及震源機制的深入研究，重視該地區(qū)局地海嘯防御工作。

圖5 渤海地區(qū)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(jié)論

（1）渤海為一個走滑拉張海盆，地質(zhì)結(jié)構(gòu)以水平應(yīng)力場作用下的走滑運動為主，且不具備大規(guī)模海底滑坡的可能，渤海海域的水深又普遍在30 m以內(nèi)，這就一定程度上限制了渤海海域發(fā)生災(zāi)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(fā)的局地海嘯的數(shù)值計算，結(jié)果顯示：4次地震引發(fā)的局地海嘯主要波能聚集區(qū)為渤海灣和萊州灣沿岸地區(qū)，海嘯到達近岸時的波高均在0.6 m（經(jīng)格林公式訂正）以下，雖然此量級的波高不會對近岸造成災(zāi)害性影響，但局地海嘯所引發(fā)的激流在近岸區(qū)域配合微地形的影響，會對近岸海工建筑物產(chǎn)生一定的影響。特別是在防災(zāi)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(shù)值計算，得到該規(guī)模的地震引發(fā)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(guī)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(qū)造成災(zāi)害的可能，除此以外還會對近海作業(yè)的船只及海洋平臺產(chǎn)生影響。因此加強對該地區(qū)強震活動規(guī)律、震源機制研究以及海嘯災(zāi)害風(fēng)險評價及區(qū)劃工作具有重要現(xiàn)實意義。

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