海啸(tsunami)是一种巨大的海浪, 是以重力为恢复力的重力波。海底大规模的、 突然的上下变动, 包括海底火山喷发, 海底或海岸滑坡、 崩塌、 滑塌, 陨星或彗星的撞击以及海底地震都会激发海啸(Lay et al., 1995; Satake, 2000)。但是, 在激发海啸的诸多原因中, 最主要的原因还是海底地震, 特别是以沿着断层面上下错动为其特征的 “ 倾滑型” 地震(陈运泰等, 2005)。在20世纪, 全球发生了498次海啸, 有66次引起了灾难。最终识别出海啸分别起源于地震事件(86%)、 火山活动(5%)、 滑坡(4%), 以及这些事件的综合过程(5%)(Rhodes et al., 2006)。地震海啸(earthquake-generated tsunami)系指地震激发(产生)的海啸。通过对海啸特点的分析, 可知影响地震激发海啸的主要因素有: 1)地震的大小(以地震矩M₀或矩震级M_W量度); 2)地震机制; 3)震源深度; 4)震源破裂过程(陈运泰等, 2005); 此外还与区域的海水深度有很大关系。2004年印度尼西亚苏门塔腊大海啸和2011年的日本东北大海啸, 造成了巨大的伤亡和经济损失, 引起了各国对防范海啸灾害的重视。中国拥有漫长的海岸线, 并且占全国GDP绝大比例的发达地区都集中在沿海, 因此, 分析可能影响中国的地震海啸发生的构造环境, 查明中国大陆沿海历史上或史前有没有遭受过海啸的袭击, 对于预测和预防将来可能发生的海啸灾害具有重要意义。

中国大陆以东受宽阔的大陆架和一系列岛弧保护, 包括日本列岛、 朝鲜半岛、 琉球群岛、 台湾岛、 菲律宾群岛、 印度尼西亚群岛、 中南半岛等, 太平洋的远洋海啸波传播到中国近海, 经过岛弧和浅海大陆架, 能量极大衰减; 这种天然地理屏障, 可以阻挡太平洋传播来的远洋海啸。例如1960年智利大海啸, 对菲律宾和日本都造成了灾害, 但传到中国沿岸, 香港记录到的浪高才38cm, 长江口记录的浪高也仅20cm, 不至于产生破坏。

此外, 中国4大海域, 渤海和黄海的平均水深都< 50m, 东海也只有370m, 都不具备发生破坏性地震海啸的条件。但是南海的平均水深≥ 1i000m, 而且在南海有马尼拉海沟俯冲带, 这里具备发生可能引发海啸的逆冲型地震的条件和传播海啸的条件(图1)。因此, 本文在马尼拉海沟构造环境分析的基础上, 结合潜在地震的海啸模拟来讨论未来可能对中国大陆产生影响的地震海啸。

图 1

Fig. 1

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	图 1 中国海域地形图 黑点为海啸记录点, 数据来自Lau et al., 2010; 红心圆为马尼拉海沟附近7级以上仪器地震, 数据来自CSNDMC; 黄心圆为马尼拉海沟附近7级以上历史地震, 数据来自PHIVOLCS; 绿心圆为马尼拉海沟附近7级以上历史地震, 数据来自Soloviev et al., 1974Fig. 1 Map showing topography of the floor of Chinese seas.

中国是世界上最早记载地震的国家, 也是世界上最早记录了海啸的国家。几千年来中国记载与海啸或 “ 海溢” 相关的事件超过100次, 几乎在中国沿海从南到北都有记录, 但大部分集中于南海沿岸(王晓青等, 2006)。其中大部分并非现代意义上的地震海啸, 而是台风等气候原因引起的风暴潮(王锋等, 2005; 石峰等, 2012)。例如, 中国南海最早的海啸记录为1076年10月31日, 于广东一带观测到异常高的海浪。但是对于产生的原因, 大部分研究者认为可能是台风(Keimatsu, 1963; Cox, 1970; 李善邦, 1981)。1604年12月29日福建泉州以东海域发生8级大地震, 这是有史料记载以来台湾海峡最强烈的1次地震, 也是中国东南沿海地区最大的地震。这次地震使福建沿海尤其是古城泉州遭受了严重破坏, 震感范围可达中国东部的江苏、 上海、 安徽、 湖北、 广西等十余个省市(黄昭等, 2006)。截至目前, 尚未发现一处文献提到这次地震近海或海岸有明显的海啸异常现象(吴维汕等, 1988)。但是也有比较一致认为是海啸事件的记录。例如1640年侵扰澄海、 揭阳等地的广东海啸(Keimatsu, 1963; Berning-Hausen, 1969; Cox, 1970; 李善邦, 1981)和1781年的台湾海啸(Soloviev et al., 1974; Li et al., 2015)。1867年12月8日, 台湾地区狂浪倾覆船只, 又越过堤岸, 冲入街市, 冲毁屋宇, 浪高5m左右, 也是中国比较典型的1次地震海啸(雷土成等, 1991)。

此外调查发现在广东汕尾市海丰县梅陇镇流传着 “ 3个涌盖梅陇” 的传说, 发生在 1718 年(康熙五十七年)。《清乾隆志· 卷十· 邑事》记载: “ 康熙五十七年夏五月廿八日, 飓风滛雨。半夜海水泛溢, 浪高数丈, 杨安都村落民畜淹没殆尽” 。《惠州府志· 卷十八》中也发现了与之相同时段的灾难记录: “ 康熙五十七年(1718 年)夏五月飓风霪雨, 覆船数百艘, 夜半海水泛溢, 浪高数丈, 濒海居民漂溺无数。知府余毓浩与归善令欧加意赈恤灾民被泽, 龙川雨雹” 。初步判定这是1次造成较大灾难的海啸。

对于距离马尼拉海沟更近的菲律宾, 虽然文献记录时间不及中国悠久。但是菲律宾沿岸也记载了大量的海啸破坏情况, 多达几十次; 所有的记载皆来自于各国的历史文献资料, 且每一笔资料都有2个以上的相关研究文献, 大部分内容包含了发生的时间、 地点、 原因、 海啸的浪高记录、 造成的财产损失和人民伤亡(Soloviev et al., 1974)。

这些关于南海或马尼拉海沟地震与海啸的历史文献记载, 说明了南海地区可能存在潜在的海啸威胁。因此, 更不能轻视马尼拉海沟地震而引发海啸的可能性。

南海处于欧亚板块、 太平洋板块(菲律宾板块)和印度洋板块的交会地带。3大板块的相互作用, 使南海处在1个复杂的构造应力环境中, 并且形成了性质各异的四周边界。在这些边界中尤其以东部边界— — 马尼拉海沟俯冲带最为复杂。马尼拉海沟位于吕宋岛西侧, 北至北纬21.5° , 南至南纬13° , 长990km。在这里欧亚板块向E俯冲至菲律宾海板块下方而形成马尼拉海沟。

马尼拉海沟的形成与南海的形成和俯冲密切相关。在6MaiBP时南海古扩张洋脊已经接近马尼拉海沟, 但并未发生碰撞; 在台湾岛和其南部地区欧亚板块和北吕宋岛弧的碰撞也即将开始, 而此时欧亚板块沿马尼拉海沟的俯冲则形成了西火山岛链。在4~5MaiBP时, 南海古扩张脊已经与海沟接触并开始俯冲, 而且形成台湾岛的欧亚板块和北吕宋岛弧的碰撞也在此阶段发生, 但是由于古扩张洋脊对俯冲的阻碍和形成台湾岛的碰撞作用, 使得西火山链北部的火山停止喷发, 而已经俯冲的板块所具有的重力和动能, 引起板块在深部的撕裂。2MaiBP左右, 由于古洋脊阻碍作用而停止的俯冲重新开始, 形成东火山岛链。俯冲的古扩张洋脊会造成俯冲板块倾角的改变, 并因此引发南海洋陆过渡带的撕裂, 这个破裂的形成可以解释东火山岛链喷发的岩浆中幔源成分的富集(Yang et al., 1996)。GPS测量数据显示马尼拉俯冲带聚敛速率达80mm/a(Yu et al., 1999), 其中在吕宋岛北部速率最大, 向南略微减少(图2)。马尼拉海沟附近地震分布在17.5° N以南相对密集, 而且150~300km深度的地震在南部更靠近海沟, 俯冲震源深度剖面资料显示, 马尼拉海沟附近俯冲板块倾角自北向南加深, 南端倾角可以达到30° 以上(图2)。

图 2

Fig. 2

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	图 2 马尼拉海沟及邻区地震构造图Fig. 2 Seismotectonics of the Manila trench and adjacent areas.

马尼拉海沟俯冲带1个最大的特点是, 自北向南俯冲板块分别为陆壳、 洋壳、 古扩张洋脊、 洋壳, 其差异性使得俯冲带具有明显的分段和火山活动差异。自北向南大体可以分为: ①巴士海峡段, 该段俯冲板块为陆壳; ②北吕宋海槽段, 该段俯冲板块为洋壳, 发育北吕宋海槽; ③南海古扩张洋脊段, 该段为古洋脊向下俯冲, 没有发育海槽, 该段北部NW向菲律宾断裂与之交会, 并可能使海沟左旋错列; ④南吕宋海槽段, 该段俯冲板块为洋壳, 发育吕宋海槽; 在该段以南又转变为陆壳。俯冲板块最大的不连续发生在古扩张洋脊, 由于俯冲板块的横向撕裂, 使得向S板块俯冲倾角突然增加, 形成 “ 板片窗” (刘再峰等, 2007)。此外, 海沟附近最大主应力方向分布资料也反映了海沟存在自北向南的差异(刘再峰等, 2007)。基于前述地震构造资料分析和前人对马尼拉海沟海啸破裂源的划分(Kirby, 2006; 黄惠绢, 2008), 我们将马尼拉海沟破裂源分为5段, 其中破裂段1位于巴士海峡段, 破裂段3和破裂段4的分界点就是南海古扩张洋脊。由于古扩张洋脊的构造作用, 导致马尼拉海沟南北差异很大, 马尼拉海沟不太可能发生全段联合破裂。其次, 破裂段1和破裂段2由于分属于陆壳和洋壳, 也不太可能发生联合破裂; 破裂段2和3虽同属洋壳, 但是倾角相差较大, 也不太可能发生联合破裂; 只有破裂段4和5同属洋壳, 倾角也接近, 有一定的可能发生联合破裂。在此基础上, 给出了海沟地震破裂面的划分(图2)。

通过对中国附近海域的构造环境分析, 认为近海海啸造成破坏的可能性很小。而远洋海啸对渤海、 黄海和东海的影响也较小。最有可能造成破坏性海啸的是马尼拉海沟俯冲带对南海的影响。在对马尼拉海沟俯冲带构造环境分析的基础上, 利用数值模拟技术, 认为对中国沿海可以产生最大达4.0m浪高的海啸威胁, 主要集中在珠江口附近。考虑到近岸区域地形变化复杂, 海岛密布, 局部地形条件可能会很大地影响海啸浪高。文献记录也支持这一结论。这些结果都表明, 马尼拉海沟潜在地震对中国大陆的影响很大, 值得我们重视和预防。