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觉得这次地震很小， 不会产生海啸灾害。 正是这种错误的认知造成了重大人员伤亡。 格致论道 · 湾区第18期 | 2022年8月27日 广州大家好，我叫邱强，来自中国科学院南海海洋研究所。今天非常荣幸有机会来这里和大家一起简单谈一谈地震和海啸的那些事。引用汪品先先生的一句话：“住在陆地上的人们，常说祸从天降，殊不知海底惹的祸，要比陆地上大得多、严重得多。”今天我们要讲的海底地震和海啸，就是我们人类面对的重大自然灾害之一。既然我们不能阻止它，那我们应该去认识它，了解它，从而把它产生的灾害降到最低。说起地震和海啸，我们需要从大概2亿多年前说起。那个时候，我们的地球家园是连在一起的一个大陆，叫盘古大陆。这个大陆在构造运动中，洋盆打开产生新洋壳，就发生了裂解，分成了不同的板块。这些板块会产生漂移和旋转，比如说这里看到印度板块就产生了大范围的漂移和旋转，最后和欧亚板块相撞，形成了世界第三极——非常壮观的喜马拉雅造山带。我们的地球家园就在构造运动的演化下，形成了当今的板块格局。这里不同的颜色代表的是不同的板块，线条则代表的是板块的边界。现今这些板块仍还在以大概每年厘米级的速度发生运动。那么它们到底是怎么动的呢？我们发现有些板块发生的是汇聚的运动，有些是发生分离的运动。根据板块运动方式的不同，我们定义了三种不同的板块边界。第一种是转换型边界，也就是两个板块发生水平向的滑动，比较典型的就是洋中脊的转换断层。第二种就是离散型边界，就是两个板块发生分离的运动，也就是洋中脊——新洋壳产生的地方。第三种我们称为汇聚型边界，也就是两个板块发生汇聚的运动，我们也叫它俯冲带，这里是物质消亡和能量转换的地方。这些板块边界刻画的是板块相互之间的相对运动，也正是地震发生的地方。我们一起来看一看2001-2015年全球大地震的分布。每个圈代表是一个地震，圈的大小代表地震震级大小，颜色代表是地震深度，从红到紫是由浅到深的地震。我们发现，绝大多数大地震都发生在环太平洋的俯冲带，我们叫它“火环”。除此之外，印度洋的苏门答腊俯冲带和爪哇俯冲带也是大地震频发的地方，而其他板块边界，比如洋中脊的分离边界还有转换边界发生的地震都比较小，也比较少。地震发生在海底的时候，它会抬高或者是下沉大量的水体，因此会触发海啸。除了海底地震以外，海底的滑坡、火山以及陨石撞大洋，都能引发海啸。那么今天我们讲一个常见的触发重大海啸的机理——俯冲带大地震。接下来我就给大家分享一下本世纪以来两次重大的地震海啸事件。第一个事件就是2004年印度洋大地震海啸，我们称其为“最致命的海啸”。这次地震发生在2004年12月26日（当地时间），也就是圣诞节那一天。地震震级超过了9.1级，它产生的地震海啸波高达51米，席卷了印度洋十多个国家，造成了超过22万人员的伤亡。这是近几百年以来人类历史上人员伤亡最大的海啸事件。这个事件除了影响印度洋以外，还影响了大西洋和太平洋区域。这里有一些照片，记录了当时特大海啸事件给我们人类带来的灾难。在那个时候，印度洋还没有建立起海啸预警系统。因此，沿岸居民绝大多数是在不知情的情况下，丧失了自己最宝贵的生命。7年以后，在2011年3月11日，日本东北区域发生了一起特大地震和海啸事件，我们称其为“最昂贵的事件”。这个事件的地震震级是9.1级，和2004年相当，它产生的海啸波高最大达到了40米，席卷了整个太平洋区域。它造成了约2万人的伤亡，虽然只有2004年的1/10，但是它造成的经济损失超过了2300亿美元，非常惊人。上面这张照片，我想请大家一起来猜一猜，这是一个灾难大片的设计场景，还是一个真实的场景？这实际上是2011年日本东北区域发生大地震海啸时的一个实拍的场景图。我们设想一下，假如您当时在这个房子里，或者在这个汽车里，那么这个海啸波高超过10多米，也就是超过两层楼甚至三层楼的情况下，在几分钟之内到达您所在的区域，您将逃向何处？我们人类在这种巨大自然灾害面前是非常渺小的。这里还有一些其他照片，记录了当时特大海啸给人类带来的重创，比如说环境污染、火灾，以及核泄漏，还有房屋等重要基础设施遭受到的摧毁性破坏。既然俯冲带大地震造成的破坏力如此巨大，那么它的产生机理到底是什么呢？我们一起来解密一下。当板块俯冲的时候，由于摩擦，和上覆板块会耦合到一起，累积能量。它们像一对热恋中的恋人，紧紧耦合到一起（上）。当能量累积到一定的程度时，我们称为临界状态，此时上覆板块就会滑动，在几十秒或者几分钟内释放累积的能量，我们称这个过程叫做弹性回弹（中）。弹性回弹的过程中就会抬高或者下沉大范围的水体，水在重力的作用下会努力恢复平衡状态，因此就会产生海啸（下）。这里有一个动画，它展示了俯冲带大地震海啸产生的过程。在这种情况下，地震是产生海啸的源头，如果我们搞清楚控制地震的因素，能对地震和海啸灾害评估起到至关重要的指导意义。然而，海域俯冲带的研究有非常大的挑战，因为它们坐落在离陆地上百公里远的深海区域，观测严重匮乏。▲ 左：Qiu et al., 2016, Geology 在2015年，尼泊尔发生了7.8级的陆域俯冲带大地震。因为这次地震发生在陆地上，有很丰富的观测资料，让我们有机会对断层的孕震机理和地震破裂机制进行深入认识。▲ Qiu et al., 2016, Geology 我们的研究发现，如果断层存在比较复杂的几何形态，能控制地震破裂的传播，如上图，橙色区域的上边和下边发育了比较复杂的陡坎，陡坎会产生滑动，形成一个间断的能量累积带，从而阻止地震破裂的传播。▲ Qiu et al., 2016, Geology这个动画可以看到平台区域的上面和下面，也就是陡坎区域产生了滑动，形成了这种能量累积的间断带，从而影响、控制地震破裂的传播。地震发生之后，是不是就立即进入到下一个循环或者下一个周期呢？并不是。因为还有震后调整的过程，好比一个短跑运动员在结束短跑后也需要休息、调整，积累能量，为下一次奔跑做准备。对地震这个过程而言，调整的过程叫做震后松驰。震后松驰过程非常复杂，它包含多种震后机理，比如断层上的蠕动，以及壳幔黏弹性的形变，而这些机理会在地表形成大范围的震后形变。▲ Qiu et al., 2018, Nature Communications苏门答腊俯冲带区域自2004年以来，从北到南发生了多起大地震，如2004年9.1级、2005年8.6级、2007年8.4级以及2010年的7.8级事件。这一系列大地震在地表大范围形成了震后的形变。▲ Qiu et al., 2018, Nature Communications我们用刚才提到的震后机理，比如断层蠕动以及地幔楔黏性形变，可以解释这里10年以来大范围的震后形变。这里小方块代表的是断层上的蠕动，颜色越红代表蠕动越厉害。长方体上面的颜色代表的是地幔楔黏性形变，颜色越深，代表这个地方黏性形变越厉害。这里我们发现，在地震破裂区域的周围，会在大地震后产生蠕动，比如2004年破裂区域上边和下边有大范围的红色区域，这些红色区域表示将来发生大地震的可能性比较低，为将来地震和海啸灾害评估提供了非常重要的科学指导意义。▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR上面我们讲到的是断层的几何形态以及震后的松驰对地震控制的影响。除此之外，地震破裂的类型还有它的震级对海啸的产生能力会不会有影响呢？带着这个问题，我们就对全球已发生过这种大地震和海啸的俯冲带进行了详细、深入的研究。▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR我们把地震破裂的类型分为三种：第一种就是红色区域所示，叫海沟型破裂，这种地震破裂类型它有一个特点，就是破裂整个孕震带。第二种就是蓝色区域，我们称它叫隐没型地震，因为它只破裂深部的孕震带区域。第三种比较少，但是比较特殊，也比较重要，是海啸地震型破裂，它只破裂非常浅部的俯冲带孕震区。左边这个图就是对应地震破裂类型产生的最大海啸爬高。这里我们发现一个非常有趣的现象，那就是小震级的海啸地震和大震级的海沟型破裂地震，产生了旗鼓相当的最大海啸爬高。这说明一个什么问题呢？说明海啸产生量级除了跟震级，还有不同区域构造环境有关，应该还有共同的因素或者结构，控制着浅部海啸发生的机制。▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR经过俯冲带的充分研究，发现在俯冲前沿，我们叫它外增生楔，发育有很多高角度的逆冲断层。这种断层和下面的俯冲断层相比有一个特点——能更高效地激发高幅度的水体，从而产生放大效应的海啸。这种机制就很好地解释了为什么俯冲带海啸地震能产生超过预期的或者说放大效应的海啸灾害。因此，我们称这个区域叫“海啸的激发区域”。接下来我给大家分享我亲身经历的一次海啸地震的灾后调查。这个事件是发生在2010年10月25日苏门答腊俯冲带明打威群岛。这个地震震级在俯冲带来看是比较小的，只有7.8级，但是它产生海啸的威力是巨大的。左边这个图红色的点代表地震的余震，粉红色区域代表是地震滑动的区域，紫色区域代表是2007年，也就是这个事件3年前大地震的区域。2007年地震大、海啸小，但是2010年反过来了，是地震小、海啸大。人们根据2007年的经验，觉得2010年它产生地震动很小，地震震级也小，认为不会产生这种海啸灾害。正是他们的这种错误的认知造成了重大人员伤亡。据红十字会统计，这次事件造成超过600人员伤亡，主要分布在巴盖岛（Pagai）这个区域。地震大概两个多星期之后，我当时所在的新加坡地球观测研究所组建了一支国际研究小组，包括我和我的夫人，我们利用渔船从明古鲁出发，在巴盖岛展开为期7天的震后灾害调查。那么我们去干什么呢？我们去揭开这次海啸的滔天罪证。海啸的这种罪证到底是什么呢？这里面包括了它的波高、淹没水深、淹没最大距离、波浪方向、大小等等。我们徒步行走每一个岛，去查、去看、去寻找海啸留下的证据。比如在楼梯上发现的石头，还有墙上的痕迹，以及留下现场的堆积物，还有树木上被折断的新鲜树枝。这里有一些照片，显示的是发生最大海啸波高区域造成的严重破坏。这里我们发现有大面积的树木和房屋被破坏和卷走，一片狼藉，非常惊人。我们这次调查，发现这个事件产生最大波高达14米，最大的爬坡高度达到了16米。至于是什么物理机制造成这么大的海啸呢？到目前为止，对这个事件来讲仍然存在争议。▲ 左：Hill et al., 2012, JGR右：Hananto et al., 2020, EPSL有很多学者对这个事件进行了详细的研究，他们发现在俯冲断层上产生了大概9米滑移，也就是我们看到的红色区域（左图）。那么红色区域正好对着前面提到这个俯冲带前沿，也就是外增生楔（右图）。这里我们发现有很多这种高角度的逆冲断层，有前置、后置的，像漏斗一样。如果每一个逆冲断层都在地震发生的时候产生了滑动，它们就会造成放大效应的海啸。这就是为什么俯冲带会有这种小地震而引发大海啸的案例。上面我们谈的都是其他国家和地区的地震海啸事情。我们国家是不是和海啸没有关系呢？很不幸的是，我国华南沿海在历史上曾经发生过强震，并引发海啸。历史记录以来，这里有4次超过7级地震，有18次超过了6级地震，这些地震主要发生在华南沿海上千公里长的滨海断裂带。其中在东部在1600年和1918年发生了南澳地震，以及1604年泉州大地震。最西边有1605年琼州海峡大地震，当时琼州海峡大地震造成了大面积的塌陷，几十个村庄被淹没到海底。中间留下一大片区域，到目前为止还没有发生过大地震和海啸。我国学者定义这个区域为地震空区，这个区域正对我们粤港澳大湾区。将来这个区域会不会发生地震和海啸，需要更多的学者参与进来去查明真相。除了滨海断裂带，我国华南沿海受到海啸威胁最大的地方应该来自南海北部的马尼拉俯冲断层。根据我们前面对全球俯冲带的研究，我们发现马尼拉俯冲断层的结构跟之前的2004年、2011年发生过大地震海啸区域的结构非常相似。如果马尼拉俯冲带也发生类似9级的地震，那我国华南沿海地区可能会面临严重的海啸威胁。尤其是海啸波，在南海北部陆坡的影响下，能量会产生汇聚而直冲粤港澳大湾区，影响巨大。目前已有的地球物理资料显示，将来马尼拉俯冲带有发生大地震的可能。不过大家也不用担忧，因为我国在过去几十年对海啸灾害也是非常重视的。目前自然资源部海啸预警中心已经成功建立海啸预警系统，中心的监测和预警实力已经达到国际的先进水平。联合国教科文组织授权给我国海啸预警中心，为南海周边9个国家地区提供24小时全天候的海啸预警服务。海啸预警中心也自主开发了一套智能化海啸预警系统，现在已经对30次6级以上地震发布了33期预警信息，平均海啸预警时间低于9分钟。我们知道，地震和海啸是海底产生的重大自然灾害之一。地震和海啸灾害已经作为第三个旗舰项目，被纳入到地球科学系统里最大的一个科学计划——2050年科学大洋钻探之中。这说明地震和海啸的研究应该是将来的热点和前沿。然而，我们人类对海洋的认知还远远不足，在此我们呼吁有更多的年轻学者加入进来，共同建立我们安全、宜居的美好家园。
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