馬尼拉海溝潛在地震海嘯對我國華南沿海危險(xiǎn)性研究

張 鑫，毛獻(xiàn)忠

馬尼拉海溝潛在地震海嘯對我國華南沿海危險(xiǎn)性研究

張 鑫，毛獻(xiàn)忠

（清華大學(xué)深圳研究生院海洋學(xué)部，廣東深圳518055）

采用COMCOT模型建立南海多重嵌套網(wǎng)格對馬尼拉海溝潛在震源進(jìn)行數(shù)值模擬，評估馬尼拉海溝地震海嘯對我國華南附近海域的影響。敏感性分析結(jié)果表明：馬尼拉海溝地震震源深度為33～40 km時(shí)，地震引發(fā)的海嘯危險(xiǎn)性最大；在此基礎(chǔ)上，設(shè)置5種馬尼拉海溝潛在地震海嘯情景，其中情景二、四和五，其地震震級分別為Mw8.6、Mw8.8和Mw9.0，引發(fā)的海嘯會嚴(yán)重威脅到我國華南沿海大部分海域，危險(xiǎn)等級為III-IV級，有淹沒至嚴(yán)重淹沒危險(xiǎn)。

馬尼拉海溝；地震海嘯；COMCOT模型；危險(xiǎn)性分析

1 引言

海嘯是由海底地震、陡岸滑坡或海底火山爆發(fā)等引發(fā)的海洋動力災(zāi)害，其中地震海嘯最為常見。近十多年來，海嘯事件發(fā)生頻繁，特別是2004年12月26日印尼蘇門答臘9.1級地震和2011年3月11日日本東北部9.0級地震引發(fā)的特大海嘯，分別造成數(shù)以萬計(jì)的人員傷亡，日本311海嘯還引發(fā)了核輻射二次災(zāi)害。因此，沿海各國紛紛建立或完善海嘯預(yù)警系統(tǒng)并對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行海嘯風(fēng)險(xiǎn)評估，以減輕海嘯災(zāi)害對沿海人員生命財(cái)產(chǎn)可能造成的損失。

我國擁有1.8×104km的海岸線，沿海有多次遭受海嘯襲擊的歷史記錄，除臺灣外沒有特大海嘯發(fā)生記錄[1]。但是相關(guān)研究[2]表明，南海有遭遇特大海嘯襲擊的可能性，美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）2006年報(bào)告[3]指出馬尼拉海溝是全球風(fēng)險(xiǎn)最高的潛在特大地震震源之一。國家海洋局針對馬尼拉海溝潛在震源開發(fā)了南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)[4]。一旦馬尼拉海溝發(fā)生特大地震，南海可能產(chǎn)生災(zāi)難性海嘯，我國華南沿海將面臨巨大的海嘯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

本文針對南海潛在的地震情景進(jìn)行識別，確立威脅性較大的地震情景。采用COMCOT（Cornell Multi-grid Coupled Tsunami model）海嘯傳播模型建立多重網(wǎng)格嵌套模型，對影響華南沿海地區(qū)的潛在震源引發(fā)的海嘯進(jìn)行數(shù)值模擬，分析和評估華南沿海重點(diǎn)區(qū)域的海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性。

2 震源分析

USGS在2006年報(bào)告[3]中指出，馬尼拉海溝、琉球海溝和蘇拉威西島海溝是有可能引起特大海嘯的潛在海底地震震源。馬尼拉海溝、琉球海溝和蘇拉威西島海溝分布如圖1所示。琉球海溝發(fā)生地震引發(fā)海嘯，海嘯波主要傳播至太平洋東北方向，主要影響我國東海以及東部沿海地區(qū)，由于琉球群島以及臺灣島以南島鏈的阻隔，對我國南海影響較小[5]。蘇拉威西島海溝發(fā)生地震引發(fā)的海嘯則大部分傳播到了西里伯斯海，對我國南部沿海不會有直接的影響[6]。相比之下，馬尼拉海溝發(fā)生地震引發(fā)海嘯，向西或西北方向傳播，將會直接威脅我國南部沿海地區(qū)的安全。

圖1 中國南部海嘯源分布圖（A—C是第4部分華南沿海潛在海嘯危險(xiǎn)性分析對應(yīng)的分析區(qū)域；D是第3部分敏感性分析中設(shè)置的第二層網(wǎng)格位置；M1—M6為斷層；①—⑤為3.3節(jié)敏感性分析的研究點(diǎn)）

中國南海由西北向東南依次為大陸架、中央深海盆地和海溝，平均水深為1 140 m，馬尼拉海溝南端的最深處可達(dá)5 377 m[7]。馬尼拉海溝形成于第三紀(jì)中新世，北起臺灣南部，南至菲律賓中部，位于亞歐大陸板塊和菲律賓板塊之間，全長共1 500 km，與引發(fā)印尼海嘯的亞齊-安達(dá)曼逆沖斷層相當(dāng)，亞歐板塊在菲律賓板塊以下的部分正以80 mm/a的速度下降，至今仍屬活躍地震帶[8-9]。美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，1604年和1645年馬尼拉海溝發(fā)生兩次Mw8.0大地震，1904—1968年期間，南海區(qū)域發(fā)生Mw7.0以上地震350次，有2次引發(fā)海嘯[10]。Mw8.0地震間隔期為65 a，Mw8.5地震間隔期為205 a，Mw9.0地震間隔期為667 a[11]。在過去100 a里，馬尼拉發(fā)生地震最大震級為Mw7.6，目前抗震俯沖帶占主導(dǎo)地位，活躍俯沖帶處于平靜期，一旦發(fā)生特大地震引發(fā)海嘯，危害性和2004年印尼蘇門答臘海嘯相當(dāng)。

USGS根據(jù)斷層結(jié)構(gòu)將馬尼拉海溝劃分為6個(gè)易發(fā)生地震的斷層[3]，各個(gè)斷層位置見圖1，斷層參數(shù)見表1。研究表明，M1、M2和M3斷層斷裂發(fā)生地震引發(fā)的海嘯將極大地威脅到華南沿海地區(qū)的安全[12]。參考NOAA全球震源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[13]和美國哈佛大學(xué)CMT數(shù)據(jù)源[14]，在危險(xiǎn)性分析方案計(jì)算中設(shè)計(jì)5種計(jì)算情景，分別是斷層M1、M2、M3、M2+ M3和M1+M2+M3斷裂發(fā)生地震的情景，各個(gè)斷層最嚴(yán)重地震情景設(shè)置見表2，并采用斷層M2地震情景做敏感性分析。

表1 馬尼拉海溝斷層參數(shù)

表2 馬尼拉海溝地震情景設(shè)置

3 海嘯計(jì)算模型及敏感性分析

COMCOT模型是美國康奈爾大學(xué)Liu PL-F開發(fā)的基于淺水長波方程的海嘯數(shù)值計(jì)算模型，能夠有效模擬海嘯發(fā)生、傳播、淹沒等全過程[15]。該模式可選擇在球面坐標(biāo)或笛卡爾直角坐標(biāo)系下求解線性或非線性長波方程，并可設(shè)置多重嵌套網(wǎng)格，同時(shí)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。模型經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[16]，并且多次用于模擬海嘯事件[17-18]。

3.1 模型建立

模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?00°～130°E、0°～30°N，包括南海大部分海域、臺灣海峽以及部分東海海域，如圖1所示，網(wǎng)格精度為2′，主要模擬海嘯的發(fā)生以及在深海線性傳播過程。在陸架區(qū)范圍設(shè)置第二重網(wǎng)格，采用非線性模型，主要模擬海嘯從線性到非線性過渡過程；在近岸采用更加精細(xì)的第三重網(wǎng)格，采用非線性模式。三重嵌套網(wǎng)格計(jì)算范圍和參數(shù)見表3。海底地形數(shù)據(jù)來自美國NOAA的ETOPO1、ETOPO2數(shù)據(jù)（來自http://www.gebco.Net.）以及GEBCO[19]，近岸地形資料參考海圖。

為了評估我國華南地區(qū)重點(diǎn)區(qū)域遭受海嘯襲擊的危險(xiǎn)性，采用表2列出的5種最嚴(yán)重的地震情景，通過模擬分析華南沿岸遭受海嘯襲擊的危險(xiǎn)性，華南沿海重點(diǎn)區(qū)域分布見圖2。

由于地震震源深度對初始海嘯波的能量影響很大，可通過對模型參數(shù)的敏感性分析來考察震源參數(shù)對模擬結(jié)果的影響。

3.2 震源深度敏感性分析

NOAA地震統(tǒng)計(jì)歷史資料[20]顯示，近100 a內(nèi)馬尼拉海溝發(fā)生的地震，其中有兩次震源深度為50 km和107 km，其余震源深度都在10～33 km之間。因此有必要考察不同震源深度對初始海嘯波的影響，震源深度分別設(shè)置為10、20、33、40和50 km，通過模型計(jì)算確定最嚴(yán)重的地震情景。

由于近岸水深較淺，非線性效應(yīng)很強(qiáng)，設(shè)置第二重網(wǎng)格D，范圍為116.4°～118.0°E、21.8°～23.4°N，空間步長為1′，采用非線性模型進(jìn)行模擬。并以情景二（斷層M2發(fā)生Mw8.6地震）為例，在主震方向上選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的對比。5個(gè)點(diǎn)分別選在深水區(qū)、大陸坡、陸架前、陸架后100 m以內(nèi)及近岸各一個(gè)，經(jīng)度、緯度以及水深見表4，分析在不同水深條件下震源深度對模擬結(jié)果的影響。震源深度為10、20和33 km的地震情景在5個(gè)點(diǎn)計(jì)算海嘯過程見圖3。計(jì)算獲得不同震源深度下最大波幅見表5。

表3 各層網(wǎng)格設(shè)置信息

圖2 研究區(qū)域內(nèi)沿岸城市分布

表4 選取研究點(diǎn)信息

圖3 不同震源深度海嘯模擬過程（①—⑤為表4所列的研究點(diǎn)）

由圖可知，在震級相同的條件下，震源深度不同，海嘯波到達(dá)時(shí)間基本一致，但海嘯波幅卻不同，尤其是首波。表5可知，震源深度對引發(fā)海嘯的強(qiáng)度至關(guān)重要，在一定深度范圍內(nèi)，震源深度越深，引發(fā)的海嘯能量越大，但超過某個(gè)范圍，引發(fā)海嘯的強(qiáng)度會越來越小，深源地震很難引發(fā)海嘯。在①、②和③處，當(dāng)震源深度為33 km時(shí)，海嘯波幅最大；在④和⑤處，震源深度為40 km時(shí)，海嘯波幅略大于震源深度33 km的結(jié)果。因此，引發(fā)海嘯最大波幅的震源深度在33～40 km之間，結(jié)合馬尼拉海溝海嘯歷史資料，在危險(xiǎn)性分析中將震源深度確定為33 km。

表5 不同震源深度模擬海嘯波首波信息

表6 海嘯威脅性等級分類標(biāo)準(zhǔn)

4 華南沿海潛在海嘯危險(xiǎn)性分析

國際上通常根據(jù)渡邊偉夫海嘯等級表來判別某次海嘯的級別以及發(fā)生的可信度，我國則是參考太平洋海嘯預(yù)報(bào)中心發(fā)布的海嘯威脅性等級標(biāo)準(zhǔn)對海嘯威脅性進(jìn)行分類[23]（見表6）。以下根據(jù)海嘯威脅性等級標(biāo)準(zhǔn)對馬尼拉潛在震源5種情景引發(fā)的海嘯進(jìn)行危險(xiǎn)性分析。

4.1 情景一：M1斷層Mw8.2地震

當(dāng)馬尼拉斷層M1發(fā)生Mw8.2地震時(shí)，引發(fā)的海嘯在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布見圖4。海嘯主能量集中在西北方向，直接危害到珠江口、汕尾以及汕頭等附近海域。海嘯波傳至東沙群島區(qū)域，和島嶼相互作用，海嘯波幅超過1.5 m。之后海嘯繼續(xù)向西北傳播，由于香港南部存在眾多島嶼，海嘯和海島相互作用，在珠江口西側(cè)波幅在1.0～1.5 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III級。與之相比，汕尾與汕頭附近海域較少島嶼存在，該海域遭遇的海嘯波幅在1.5 m以上，部分海域海嘯波幅可達(dá)2 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III級。海嘯向東北方向傳播波幅減弱，在南澳縣和東山縣附近海域海嘯波幅為1 m以上，海嘯危險(xiǎn)等級為III級。海南不在主傳播方向上，海嘯抵達(dá)海南東部附近海域波幅在0.3～0.5 m左右，海嘯影響較小。

圖4 情景一海嘯最大波幅分布

圖5 情景二海嘯最大波幅分布

4.2 情景二：M2斷層Mw8.6地震

當(dāng)馬尼拉斷層M2發(fā)生Mw8.6地震時(shí)，引發(fā)海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布見圖5。該情景下引發(fā)的海嘯傳至東沙群島附近海域后，向北主要傳向汕尾至汕頭附近海域，海嘯波幅在5 m以上，海嘯危險(xiǎn)等級為IV級，有嚴(yán)重淹沒的危險(xiǎn)。海嘯向東北傳播至南澳縣和東山縣附近海域，海嘯能量有所減弱，波幅在2～3 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III—IV級。海嘯向西北傳播至珠江口，在珠江口東部海區(qū)波幅2～4 m，西部海域波幅為2～3 m，珠江口海嘯危險(xiǎn)等級為III—IV級。海嘯往西傳至海南附近海域，波幅在1～2 m，海嘯危險(xiǎn)等級為II—III級。

4.3 情景三：M3斷層Mw7.9地震

當(dāng)馬尼拉斷層M3發(fā)生Mw7.9地震時(shí)，引發(fā)海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布見圖6。海嘯主傳播方向?yàn)樵侥蠔|海岸，海嘯在深海傳播波幅在0.3 m左右。海嘯向北傳播至我國華南沿海海嘯波幅一般在0.3 m以下，局部海域0.3～0.5 m，說明情境三地震海嘯對我國華南沿海影響較小。

4.4 情景四：M2+M3斷層Mw8.8地震

圖6 情景三海嘯最大波幅分布

圖7 情景四海嘯最大波幅分布

圖8 情景五海嘯最大波幅分布

當(dāng)馬尼拉斷層M2和M3同時(shí)斷裂發(fā)生Mw8.8地震時(shí)，引發(fā)海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布見圖7。此情景相當(dāng)于斷層M2和M3同時(shí)發(fā)生Mw8.5和Mw8.7地震，引發(fā)的海嘯主能量集中在越南東部海岸、我國珠江口以及汕頭附近海域。海嘯波幅在珠江口附近海域3～5 m，海嘯風(fēng)險(xiǎn)等級為IV級。汕尾與汕頭附近海域，海嘯波幅為3～4 m，海嘯危險(xiǎn)等級為IV級。海嘯向東北傳播至南澳縣和東山縣附近海域，波幅在2～3 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III級。海嘯傳至珠江口以西至海南附近海域波幅為2～4 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III—IV級。對比情景二，情景四總震級較高，但在汕尾、汕頭附近海域危險(xiǎn)性不如情景二，在珠江口及其西側(cè)海域海嘯風(fēng)險(xiǎn)高于情景二。主要原因是情景二斷層M2斷裂時(shí)震級大，該斷層產(chǎn)生的海嘯能量更大，汕尾及以北附近海域在海嘯主能量的傳播方向上，因此在該區(qū)域海嘯危險(xiǎn)性更大；斷層M3引發(fā)海嘯主要影響區(qū)域?yàn)橹榻诩耙晕鲄^(qū)域，在其影響下，情景四引發(fā)的海嘯風(fēng)險(xiǎn)在該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)高于情景二。

4.5 情景五：M1+M2+M3斷層Mw9.0地震

當(dāng)馬尼拉斷層M1、M2和M3同時(shí)斷裂發(fā)生Mw9.0地震時(shí)，引發(fā)海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布見圖8。在該情景下，引發(fā)的海嘯能量主要集中在M3斷層，海嘯到達(dá)珠江口后，波幅在2～4 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III—IV級。海嘯到達(dá)汕尾至汕頭附近海域波幅在3～5 m，危險(xiǎn)等級為IV級，有嚴(yán)重淹沒的危險(xiǎn)。向北到達(dá)南澳縣、東山縣附近海域，海嘯波幅為2～3 m，危險(xiǎn)等級為III級。向西北傳至珠江口西側(cè)至海南附近海域，波幅2～4 m，海嘯危險(xiǎn)等級為III—IV級。

5 結(jié)論

（1）采用COMCOT模型建立以馬尼拉海溝為震源的南海海嘯多重網(wǎng)格嵌套模型，對模型震源深度進(jìn)行敏感性分析。計(jì)算結(jié)果表明：隨著地震震源深度的增加，引發(fā)的海嘯能量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，危險(xiǎn)性最大地震海嘯情景震源深度在33～40 km之間；

（2）在震源識別的基礎(chǔ)上，確定5種馬尼拉海溝地震情景，其中情景二、四和五，地震震級分別為Mw8.6、Mw8.8和Mw9.0，其引發(fā)的海嘯會嚴(yán)重威脅到我國華南沿海大部分海域，危險(xiǎn)等級為III—IV級，有淹沒至嚴(yán)重淹沒危險(xiǎn)。

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Impact of potential tsunami from Manila Trench along the South China coast

ZHANG Xin，MAO Xian-zhong
（Division of Ocean Science and Technology,Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen 518055 China）

Multiple nested grid was applied using COMCOT model to simulate the hypothetical tsunamis triggered by Manila Trench in the South China Sea,and their impacts along the South China coast were assessed. Sensitivity analysis shows that the focal depth of the worst earthquake tsunami scenario is about 33～40 km.Five earthquake scenarios along the Manila Trench were simulated.Scenarios 2、4 and 5,with the magnitude of Mw8.6、Mw8.8 and Mw9.0,respectively,may reach III to IV tsunami hazard level on the South China coast,causing inundation or serious inundation hazard.

Manila Trench;earthquake tsunami;COMCOT model;hazard analysis

P731.25；P738.4

A

1003-0239（2017）02-0043-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.006

2016-04-05；

2016-05-19

國家自然科學(xué)基金（41176001）；深圳市科技項(xiàng)目（GJHS20120702112942334）。

張鑫（1992-），男，碩士在讀，從事海嘯預(yù)報(bào)方法和風(fēng)險(xiǎn)評估研究。E-mail:924704633@qq.com