设定琉球海沟发生罕遇地震评估我国东南沿海地区的海啸风险①

温燕林, 于海英, 朱艾斓, 宋治平, 李春峰

(1.同济大学海洋与地球科学学院,上海 200092; 2.上海市地震局,上海 201203;3.中国地震台网中心,北京 100045)



设定琉球海沟发生罕遇地震评估我国东南沿海地区的海啸风险①

温燕林1,2, 于海英2, 朱艾斓2, 宋治平3, 李春峰1

(1.同济大学海洋与地球科学学院,上海 200092; 2.上海市地震局,上海 201203;3.中国地震台网中心,北京 100045)

摘要:根据构造相似条件分析,琉球海沟与日本海沟、智利海沟、印尼巽他海沟一样具备发生9级罕遇超巨大地震的可能。在对近几年来全球发生的超巨大地震参数及构造对比分析的基础上,设定琉球海沟9.0级地震参数,并将其引发的海啸进行数值模拟研究。结果表明,该地震可引发初始波高为8 m的海啸,台湾东北部半小时后遭受10 m以上海啸,3～4小时左右传至浙南、闽北沿岸,近岸各处波高在1～2 m；5小时左右传至浙北、粤北沿岸,浙江近岸各处波高在2 m左右,广东沿海、台湾海峡由于台湾岛的正面阻挡,海啸波高低于50 cm；8小时后靠近上海海岸线,最大波高约1 m。海啸的上岸高度与海岸附近的海深和海岸线的形态密切相关,我国东南海域地形变化复杂、海湾众多,对海啸波有放大作用,模拟结果可能比实际海啸偏小。我国沿海地区分布着不少已建和在建的核电厂,在核电设计时未考虑海啸,一旦发生这种罕遇地震海啸则影响不可忽视,尤其是若与风暴潮、天文大潮叠加则可能出现严重后果。由于核电安全要求万无一失,故须制订有效预警和应对措施。

关键词:琉球海沟; 罕遇地震; 海啸模拟; 海啸风险图; 核电厂安全

0引言

20世纪以来观测到的全球9级以上超巨大地震,即1952年俄罗斯堪察加MW9.0、1960年智利MW9.5、1964年美国阿拉斯加MW9.2及2004年印尼苏门答腊—安达曼MW9.1地震都发生在大洋边缘海沟,引发了巨大海啸,造成重大人员伤亡和财产损失。特别是2011年3月11日日本东北方太平洋海域发生的罕遇MW9.0地震还造成震中附近的福岛核电厂遭受超设计水平的海啸袭击,导致严重核泄漏等次生灾害,引发全球对核电厂安全问题的关注。这次地震是发生在太平洋边缘日本海沟的特大俯冲型地震,是有记录以来日本最大的地震。从板块构造理论来看,海沟是两大板块汇聚碰撞之处,能量积聚很快,最易发生俯冲型超巨大地震,而俯冲带发生的大地震又最易引发大海啸。西太平洋边缘的琉球海沟俯冲带地震活动同样强烈,有资料记载的巨大地震有1911年琉球群岛北部的奄美大岛外海8.2级地震和1920年琉球海沟南端台湾花莲外海8.0级地震。我国华东沿海地区正对琉球海沟,若是该处发生罕见的9级地震并引发海啸,将对我国造成多大冲击？上述几次太平洋越洋大海啸传播过来时受摩擦衰减和琉球岛链阻挡,对我国沿海基本没有造成灾害影响,而琉球海沟发生罕遇大地震海啸的情况虽未发现过,但这种可能性不能不考虑。我国东南沿海各省都有已建和在建核电厂,鉴于日本核电厂的教训,本文拟设定琉球海沟发生9级罕遇地震并引发海啸,进行数值模拟,定量评估海啸对我国东南沿海地区的影响,以期为核电厂海啸风险评估提供参考。

1构造环境与地震海啸

琉球海沟是欧亚板块与菲律宾海板块汇聚边界,总体走向NE-SW向,向东南方向凸出。琉球海沟地区在地质构造上为典型的太平洋沟-弧-盆体系,即琉球海沟-琉球岛弧-冲绳海槽弧后盆地构造体系[1]。琉球岛弧是双列岛弧,内弧是水下火山或岛屿,外弧是琉球群岛。内弧从日本九州向西南延伸,经吐噶喇群岛至冲绳岛,呈楔状插入冲绳海槽与外弧之间,是从第四纪初发展至今的一条活火山带。琉球群岛为新生的火山岛,是东海陆架海与西北太平洋的天然分界。群岛由100多个岛屿组成,北起日本九州南端,南至我国台湾岛附近,是一个向东南突出的弧形岛链,延伸 1 200 km,自北而南分别由大隅群岛和吐噶喇列岛、奄美群岛和冲绳群岛、宫古群岛和八重山群岛组成。琉球群岛东侧是琉球海沟,水深超过6 km。

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。该处地震活动频度高、震级大,仅发生在20世纪7级以上的大地震就有四十余次,特别引人注目的有1911年奄美大岛外海的8.2级大地震、1920年台湾花莲外海的8.0级大地震和1938年宫古岛西北的7.7级地震(图1)。据统计,琉球岛弧处90%的中源地震集中在冲绳海槽,琉球群岛处多为浅震[2]。震源机制解表明该地区主压应力方向通常与琉球岛弧正交,反映菲律宾海板块向西的俯冲与挤压。

菲律宾海板块在日本东海—南海的俯冲带也常常发生巨大地震。据统计,日本骏河湾—南海海槽每隔100～150年左右就会发生8级以上巨大地震,如日本1498年和1707年南海8.6级、1854年南海和东南海接连8.4级、1944东南海8.0级与1946南海8.1级地震(图1),每次都引发了大海啸[3-4],而且影响到我国沿海。1498年9月20日日本广大地区发生地震(震中推测在日本南海,震级8.6),京都、三河、熊野震感最为强烈,同日我国江浙多处发生水溢。1707年10月28日日本南海发生8.6级地震(震后富士山大规模喷发),浙江吴兴县双林地震水涌,乌青镇河水暴涨,海盐县地震水沸；地震不仅波及浙江,钱塘江口亦有海啸反映,但强度甚低。1854年12月24日日本南海8.4级地震引发东京以东的房总半岛至九州太平洋沿岸海啸,最高波高16.1 m。这次日本地震海啸对我国的影响最为明显[5],如江苏如皋:海啸,淹毙多人；上海:黄浦水沸,有高二三尺者；海宁:河水无风自涌,如潮涨落,池沼皆然;慈溪:河水骤腾三四尺；临海:海潮泛滥,城乡沟池积潦,同时俱沸,历二时止,沿海庐舍多被淹没。弧后盆地也会产生地震海啸,如日本西海岸一侧的日本海发生过一些局地海啸,但规模均小于其东海岸太平洋一侧的越洋海啸。琉球岛弧后的冲绳海槽盆地与日本海类似,多形成局地海啸。1771年4月24日石垣岛西北冲绳海槽发生了7.4级地震,引发局地大海啸,由于地形效应,波高在石垣岛和宫古岛海岸上冲超过10 m[6];1938年冲绳海槽中部(25.5°N,125°E)发生7.7级地震,也引发了海啸;但均未见有对我国沿海造成影响的记载。

图1　 琉球海沟—日本南海海槽俯冲带历史上8级以上地震破裂范围示意图Fig.1　Rupture ranges of historical M≥8.0 earthquakes on Ryukyu Trench-Nankai Trough subduction zone

琉球海沟与日本南海海槽相接,同属于菲律宾海板块西北面与欧亚板块交界的俯冲带,二者间被九州—帕劳海岭脊分割,向东北与日本海沟、伊豆—小笠原海沟交接,构成三联点,向南西与台湾岛交接(图1),与已发生过超巨大地震的印尼巽他海沟、日本海沟的俯冲构造相似。因此琉球海沟同样具备8级以上乃至9级地震发生的能力,而海沟处发生的板间特大逆冲地震常常又会引发巨大海啸。已有的实例表明,日本东北地区的大地震海啸不会影响到我国,其东海、南海地区的大海啸则对我国沿海有一定影响。由此分析,若琉球海沟发生巨大地震海啸,会对我国东南沿海有更明显的影响。

2震源及海啸模型

据日本气象厅等进行的震源破裂时空过程反演,2011年日本东北地区MW9.0地震破裂长度约500 km,宽度约200 km,最大滑动量约18 m,观测到的震中附近海底隆起5～8 m,震中北边100多 km外的两个深海验潮站观测到的海啸最大波高达5 m。日本海啸波源区550 km×200 km,最大冲进陆地10 km,海啸强度为IV级(http://outreach.eri.u-tokyo.ac.jp/eqvolc/201103_tohoku/)。2004年印尼苏门答腊—安达曼海沟MW9.1地震破裂长度约1 200 km,宽度100 km,最大滑动量约25 m,初始波高超8 m[7-8]。与同具有沟-弧-盆海底构造体系的安达曼海沟相比,日本海沟后的本州岛则是比较宽的大岛(岛弧宽度较大,沟弧间距离较宽),故俯冲破裂宽度较大,破裂长度较短。每次俯冲地震都会使沟弧间距离缩短,此次地震后日本岛向海沟方向移动了24 m就是例证。而琉球岛弧狭窄(岛弧宽度窄,沟弧间距离较短),说明琉球岛弧地壳滑入海沟多,只剩下一个个分割的小岛,是沟-弧-盆体系演化的中期形态,日本列岛则是早期形态,晚期形态是智利海沟后那样火山弧与大陆板块拼合到一起。因此琉球、安达曼俯冲带类型破裂宽度较窄。基于以上认识,本文设定琉球海沟MW9.0地震震源区参数为:长度1 000 km,宽度100 km,平均滑动量18 m。

地质和地球物理学家们对琉球地区的构造特征进行过深入研究,并取得了不少成果[9-12]。臧绍先等讨论了琉球海沟不同地段贝尼奥夫带的形态和应力状态,认为位于29°N附近的吐噶喇海峡是应力场特征的一个分界线。进一步研究发现,吐噶喇海峡北侧俯冲带倾角陡,属于拉张型；以南倾角较缓,属于挤压型。再考虑到20世纪琉球海沟发生的2次8级以上地震位置,下一次大地震最有可能发生在未破裂的地震空区,因此本文假设琉球海沟9级地震破裂段位于八重山群岛到奄美群岛之间的俯冲带。根据琉球地区地震层析成像和贝尼奥夫带分布反映的俯冲板片构造特征,琉球海沟至岛弧方向100 km宽度内俯冲角度十分平缓(小于30°),震源深度都小于30 km,表明菲律宾海板块在琉球海沟处低倾角俯冲至琉球群岛地壳下面[13]。震源机制解表明,印尼与日本两次地震的断层面倾角均小于30°、滑动角接近90°,都是低角度逆冲运动[14](http://www.geol.tsukuba.ac.jp/%7Eyagi-y/EQ/Tohoku/)。因此本文设定琉球海沟9级地震为倾角30°、滑动角90°的逆冲运动(按该构造约束下可产生的最大位错设置),震源深度为20 km。

海底板块交界处断层的错动是引发地震海啸的主要原因[15]。地震引发大海啸的条件:震级要大,水要深,水体被抬升幅度(即海底变形)要大。由断层错动产生的海底变形可以应用弹性位错理论计算[16]。此外地震破裂速度(破裂速度小于1 km/s难以产生大海啸)、震源区上覆的沉积层密度也影响生成海啸的大小[17-18]。本文暂不考虑沉积层因素,并且设定琉球9级地震破裂速度满足形成大海啸条件,因此可以假设海底变形是瞬态过程,并且流-固耦合较好,即海面初始位移与海底变形是一致的(图2)。

海啸是一种浅水长波,其模型采用球坐标系下的非线性浅水波方程,同时考虑了地球自转时的科氏力和海底摩擦作用,表达式如下[19]:

图2　地震海啸模型Fig.2　 The earthquake-induced tsunami model

∂η∂t+1Rcosφ∂P∂Ψ+∂∂φ(Qcosφ)éëêêùûúú=-∂h∂t=0∂P∂t+ 1Rcosφ∂∂ΨP2Hæèçöø÷+1R∂∂φPQHæèçöø÷+ gHRcosφ∂η∂Ψ-fQ+Fx=0∂Q∂t+1Rcosφ∂∂ΨPQHæèçöø÷+1R∂∂φQ2Hæèçöø÷+ gHR∂η∂φ+fP+Fy=0ìîíïïïïïïïïïïïïïï

(1)

式中:η为相对于平均海平面的自由表面位移;h为海水静深度;H=h+η为总水深;R为地球半径;f为科氏力系数;P、Q分别为水流沿经度Ψ(东西方向)、纬度φ(南北方向)单位长度的流量;Fx、Fy分别表示经度、纬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粗糙系数。海底摩擦影响着浅水区海啸传播过程的水动力特性和爬高过程。

3数值模拟及分析

海啸数值模拟采用了康奈尔大学P.L.F.Liu等开发的COMCOT 模式,该模式已被证明是一个成熟、有效的海啸计算模式[19]。本文模拟区域为113°～135°E,20°～35°N,空间网格尺度采用规则的1′弧度网格(约1 852 m),网格数为1 321×901,时间步长1 s。计算区域水深及陆地地形数据来源于美国国家地球物理数据中心(NGDC)的ETOPO1数据库。该模式在陆地边界采用反射边界条件计算,在水区边界则采用辐射开边界条件以“透浪”消波。

考虑到琉球海沟俯冲带呈弧形,计算时将1 000 km 破裂带分成相接的3段同时破裂,将这3个子事件组合成一次9级事件[图3(a)],然后模拟9级地震海啸在我国海域及邻区传播10小时的过程,海啸波场见图3。9级地震产生了初始波高超过8 m的海啸。

图3　海啸传播示意图Fig.3　Snapshots of simulated tsunami propagation

我们共设置12个虚拟海啸监测站,其中大陆沿海9个,台湾东部3个[编号及分布见图3(a)中“△”标示]。虚拟监测站记录了本次模拟9级地震海啸的时程曲线(图4),这些曲线记录了海啸到达各地的时间和波高变化信息。

由海啸传播过程可以看出,9级地震可产生初始波高8 m多的海啸,向我国东海和太平洋两个方向传播,日本和韩国亦将受到海啸冲击。琉球诸岛几分钟后首先遭到超过10 m的巨大海啸扫荡,最大溯上到20 m左右；十几分钟后海啸到达台湾东部,台湾东北海岸受到5～10 m的海啸袭击,半小时后海啸绕过台湾最南端进入南海,海啸约一小时后进入东海大陆架传播。当由深水传到大陆架时,由于水深很快变浅,速度受阻,波高会骤然升高,但随后继续传播,由于水深越来越浅,速度也越来越慢,波高就会受到越来越大的摩擦而逐渐衰减。3 h后海啸最先接近我国大陆的浙闽交界和闽粤交界地带海岸(广东汕头以南海域和福州—温州海域),4 h左右从台湾岛南北两端绕过来的海啸在台湾海啸相遇,台湾西部海岸和福建大部份海岸也将受到海啸影响。厦门地区要比南边的汕头和北边的福州晚半个多小时遭到海啸,不过由于台湾岛的阻挡,海啸不是正面传播过来的,其威力比厦门南北两边地区的小,到达厦门海岸的海啸波高约0.5 m。3.5～7 h内海啸将陆续抵达浙江和广东沿海各地,浙江沿海普遍波高2 m左右,最大可达3 m；而传到广东沿海的海啸由于先绕过了台湾南端(海啸传到台湾南端波高仅为1 m左右),再加上南海大陆架衰减,抵岸波高都在0.5 m以下。海啸传至上海海岸线约在8 h后,最大波高接近1 m(图4)。从图4的海啸时程曲线可以看出,虚拟台从1～12台记录的海啸波周期总体上是由长变短,这跟各台水深条件有关。1～12台分布由北向南,海岸地形由平缓到复杂,水深变化也是南部台比北部台剧烈,造成海啸波形在近岸传播时南部台比北部台变化更剧烈,频散现象严重,因此南部台记录的高频成分较多,北部台记录的海啸频率较单一。由于海啸的上岸高度与海岸附近的海深和海岸线的形态、陆地的地形以及海湾的朝向密切相关,一般海湾内部的高度大于海湾开口处,因此海啸进入杭州湾和长江口后波高会有所增大,考虑到网格的分辨率和计算误差,预计最大波高仍小于2 m。也就是说,罕遇情况下上海地区遭受的最大海啸为Ⅰ级小型海啸。根据以上模拟结果绘制了我国大陆沿海及台湾部分地区可能遭遇的最大海啸风险图(图5)。

图4　12个虚拟监测站记录的海啸时程曲线Fig.4　Time history curves of simulated tsunami in twelve virtual tidal stations

4结论与讨论

海啸是从海底到海面的海水整体扰动以波的形式传播出去,是一种浅水波。海啸传播速度只与海水深度有关,传播到大陆架后随水深变浅,速度变缓。海水只要从海底到海面受到整体扰动都能形成海啸,只是深浅不同能量不同,发生在深海激起的海啸能量大,发生在浅海其海啸能量小,且波长比深海短,衰减快,到岸破坏力小,而我国东海浅水大陆架宽广,故通常认为我国东部沿海不会遭受海啸灾害。但我们的研究表明,琉球海沟发生罕遇9级地震条件下,波源区可达上千米,琉球群岛都将遭受灭顶之灾,台湾台北部分地区可能遭受最大10 m左右的海啸,闽北及浙江沿海即使有东海浅水大陆架摩擦衰减,大部分地区可能遭受的最大海啸仍超过2 m,上海及邻区海岸最大海啸在1 m左右,而海啸传到台湾海峡及广东沿海时因台湾岛阻挡作用会变得很小。这说明琉球罕遇海啸对我国沿海一些地方的影响也是不可忽视的。一旦琉球海沟发生海啸,有关部门可参考本文的研究结果对海啸影响程度迅速估算,为制定及时、合理的防灾减灾措施提供依据。

图5　我国大陆沿海和台湾地区的海啸风险图Fig.5　The tsunami risk map in China mainland coast and Taiwan region

我国核电厂设计中,认为我国近海不易产生大海啸,远洋海啸传过来也很小,主要考虑的是最大风暴潮与最大天文大潮组合条件的影响[20-21]。但是对于核电厂这种安全要求“万无一失”的工程,在选址与设计时还是应该考虑罕遇海啸和各种海浪(风暴潮,天文大潮)组合条件下的安全问题。我国在沿海核设施都兴建有防波堤,是按最大风暴潮和最高天文潮组合条件设计的,从上面的模拟结果看这些防波堤用以防范单独的海啸应该没问题,但若遇罕遇海啸叠加上最大风暴潮和天文大潮组合则面临超设计水平的危险。即使在设计中认为这种组合概率很小而没有考虑,那么在运营中也应对此可能的风险情况制订有效的防范应对措施予以补救。此外还需注意的是,这样的大地震极易造成冲绳海槽两侧海底斜坡出现滑坡,也有诱发琉球火山爆发的可能,这两种情况都会引发海啸,与地震海啸叠加则会大大增加海啸能量,使海啸成倍放大,核电厂设计的极限地震海啸安全应该考虑这种极端情况。

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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

中图分类号:TU47

文献标志码:A

文章编号:1000-0844(2016)02-0285-08

作者简介:温燕林(1981-),男,在读博士生,主要研究方向为地球动力学及海啸模拟。E-mail:wenzhengyi@sina.com。

基金项目:国家自然科学基金项目(41372222);上海市科委科研计划项目(14231202600)

收稿日期:①2015-02-22