地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (09): 3097-3104   PDF    
渤海海域历史上发生过地震诱发海啸吗?
石峰 , 毕丽思 , 谭锡斌 , 魏占玉 , 何宏林     
中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
摘要: 历史文献中有许多关于渤海"海溢"的记录,但"海溢"是否就是现代意义上的海啸还存在疑问,而且渤海海域基本不存在发生重大海啸的海沟型地震构造背景,因此,渤海地区是否发生过海啸的争论从未停止.本文在分析历史地震和古籍资料的基础上,通过数值模拟分析历史地震引发海啸的可能性,结合对渤海沿岸海啸堆积物的地质调查,认为渤海海域历史上基本没有发生过破坏性海啸事件,即使存在过海啸,到岸浪高也不会高于0.5 m,而且仅限于东营—潍坊一带.
关键词: 渤海      海啸      数值模拟     
Did earthquake tsunami occur in Bohai Sea in history?
SHI Feng, BI Li-Si, TAN Xi-Bin, WEI Zhan-Yu, HE Hong-Lin     
Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract: There are many records about "sea-overflow" in Chinese ancient books, which could not be proved as tsunamis. Considering the tectonic setting and geologic structures of Bohai sea and the records in ancient books, it has been controversial whether or not tsunami occurred in Bohai sea. In this paper, based on the analysis of historical earthquakes and ancient books, by means of numerical simulation and field investigation, we deem that no devastating tsunami occurred in Bohai sea. If there were tsunamis in Bohai sea,the height of waves was lower than 0.5m, and only influenced the Dongying-Weifang area..
Key words: Bohai sea      Tsunami      Numerical simulation     
1 引 言

20世纪以来,全世界共发生了500 次海啸,其中68次引起了灾难,特别是2004年印尼苏门答腊大海啸和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.中国拥有漫长海岸线,并且占全国GDP 绝大比例的发达地区都集中在沿海地区,因此,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.渤海位于中国东部华北和东北之间,地处环渤海经济带的核心部位,邻近京津唐,具有丰富的自然资源,渤海海域历史上或史前是否发上过海啸,对于该地区以及京津唐和首都圈地区的预防自然灾害的能力都会有重大影响.历史文献中有许多关于渤海“海溢"的记录,但“海溢"是否就是现代意义上的海啸存在疑问,而且渤海海域基本不存在发生重大海啸的海沟型地震构造背景,因此,渤海地区是否发生过海啸的争论一直没有停止过.那么,渤海海域历史上或史前到底是否发生过海啸?回答该问题对于环渤海地区以及京津塘和首都圈地区的灾害预测预防具有重要的理论和现实意义.

海啸(tsunami)是一种巨大的海浪,是以重力为恢复力的重力波[1-11].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[12-13].在20 世纪,全世界发生了500 次海啸,有68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%),或这些事件的综合过程(5%)[14].但是在激发海啸的诸多因素中,最主要的原因还是海底的地震,特别是以沿着断层面上下错动为其特征的“倾滑型"地震[15].因此,本文中有关渤海海啸的讨论主要针对地震海啸.自公元前23世纪到公元1990年,有记载的发生在渤海的6 级以上地震有6 次(表 1)[16-17].但是都没有相应的海啸记载,是没有记录还是确实没有引发海啸?此外,古籍中有大量关于渤海“海溢"的记录,那么所谓“海溢"是风暴潮还是现代意义上的海啸?本文将尝试通过分析历史地震与古籍记载,结合数值模拟与野外实地调查来分析渤海历史海啸的存在与否.

表 1 发生在渤海的6级以上地震(公元前2 3世纪—公元1990年) Table 1 The earthquakes of MS6 or larger in Bohai Sea (2300 A. D.-1990 B. C.)
2 渤海地震、“海溢"的相关分析

自公元前23世纪到公元1990 年,记载到发生在渤海海域的6 级以上地震6 次(表 1)[16-17],有关“海溢"的记载有三条.首先我们逐条分析这些历史海啸和地震的相关性.

2.1 古籍中“海溢"记载分析

我国最早的海溢记录出现在汉元帝初元元年五月(公元前48年6月),渤海水大溢.次年秋七月(即公元前47年8月)诏日:“岁比灾害,民有菜色,惨怛于心,…… 一年中地再动.北海水溢,流杀人民.……"其中的地动根据时间估计应为初元二年二月戊午(公元前47年4月17日),今甘肃陇西63/4 级地震及七月乙酉(9月l1日)的强余震.没有证据表明地震与海溢有明确的关系[18].

灵帝建宁四年(公元171年)二月癸卯,地震,海水溢(《后汉书·灵帝纪》),按照中国史料记载方法,地震和海水溢应该指的是发生在大致同一时间而地点不同的两个事件.在后来的《文献通考》卷二九六《物异考·水灾》中:“灵帝建宁四年二月,河水清."甚至略去“地震"事,这也说明地震和海水溢两个事件并没有必然联系.

《后汉书》卷八中记有“东汉熹平二年(公元191年)夏六月,北海地震,东莱北海海水溢."据《地震历史资料汇编》中解释,“东莱"为今山东黄县,“北海"并非指渤海,而是当时的“北海国",治剧县,即今山东昌乐西.可见“北海"不是渤海,甚至地震也不是发生在海中,地震和海水溢应该是发生在不同地点的两个事件.另外,同期的《后汉书·五行志》中只记有“熹平二年六月,地震".这里未提“北海地震",也未提“海溢",进一步说明这次海溢事件与地震没有关系.

2.2 地震事件分析

1548年9 月22 日渤海7 级地震,震中位于38.0°N、121.0°E.从震害描述上看,主要分布在山东、河北、北京、辽宁、朝鲜.蓬莱破坏最重:“城崩,房屋坍塌甚多."此次地震震中被认为在蓬莱外海中也是一致的看法[16].但在史料记录中找不到相应的有关“海溢"的记载.

1568年5月5日渤海6级地震,从震害描述上看,乐亭破坏最重“坏民屋,东郊刘忭庄地裂二所,各长三丈余,涌黑沙水".另外山东、河北、北京、辽宁均有震感.在2日后又发生5级的余震.但在史料记录中找不到相应的有关“海溢"的记载[16].

1597年10月6日渤海7级地震有诸多值得关注之处.首先是有感范围大,有感范围波及南到江苏、安徽北部,北到辽宁,东到朝鲜,西至山西以及河北、山东、河南诸省;其次是没有记载到任何破坏;再者是持续时间长,“连震三日".另一个显著特点就是,在记载地震的同时,有大量河、湖、井“水动"、“水溢"、“水沸"等记载,山东、江苏、河北、河南、安徽等地均有此类记载.此外长白山火山喷发,也是显著的伴生现象[16],但没有“海溢"的记载.

1888年6月13日渤海71/2 级地震造成渤海沿岸的滦县、昌黎、乐亭、无棣、利津、惠民等地房屋破坏不可胜计,人员有伤亡.北京、辽宁、河北、山东俱有感[16].呈现明显的NE 向分布.但没有“海溢"的记载.

1922年9月29日渤海61/2 级地震.关于此次地震的记录甚少,说明本次地震造成的危害不大,更不可能引起海啸.

1969年7 月18 日渤海7.4 级地震震中在海域,死9人,伤300余人,山东、河北、辽宁、河南、江苏、山西、内蒙古等地有震感[17],但是没有引发海啸.根据体波合成地震图与观测地震图拟合的方法确定此次地震的震源参数为:深度25km,走向205°,倾角85°,为走滑型地震[19],造成海啸的可能性更小.

从上述的分析可以看出,渤海海域的历史和现代地震都没有引发海啸的记载,而记载的三次“海溢"事件也都没有相应的地震事件对应.说明所记载到的海啸(海溢)事件可能仅仅是风暴潮,或者是海底滑坡等其它原因引起的海啸,不是由于地震引起的地震海啸.

3 渤海海域地震构造

渤海海域及邻区活动构造图(图 1)显示,渤海海域活动断裂主要是NE 走向,少量为北西向,分别受控于北东向的郯庐地震构造带和北西向张北地震构造带.NE 向条带内发育近600条断裂,其中NE-NEE 走向的有近500 条,占断裂总数的83%,一般长5~20km,最长40~50km.这组断裂除少数为NE-NEE 向古近纪断裂新活动的产物外,其余都是新形成的,总体组成宽约60km 的NE 向断裂构造带,属于郯庐断裂带系统,以正断活动为主兼具部分右旋走滑分量[20].而且小地震的震源机制解也表明了该区域主应力方向以近水平和水平为主,断层活动主要表现为正走滑[21].

图 1 渤海海域及邻区构造图 F1长岛一芝罘岛断裂;F2蓬莱一威海断裂;F3黄北断裂; F4曹妃甸断裂;F5庙西1号断裂;F6渤东2号断裂. Fig. 1 The tectonics of Bohai Sea and surrounding area
4 历史地震的海啸模拟与结果分析 4.1 数值模拟方法简介

海啸事件发生次数少,且不易观测,因此研究海啸的一个重要方法是数值模拟.数值模拟可以重现海啸在无法量测及观测之地的波高、了解海啸传播的动力过程、探讨海啸波对海岸工程的破坏、以及研究地震震源的几何特性等.目前常见的海啸数值模拟方法有:美国南加州大学开发的MOST(Method Of Splitting Tsunami)模型[22],美国康奈尔大学开发的COMCOT(COrnell Multigrid COupled Tsunami)模型[23]和日本东北大学开发的TIME 模型[24].

本研究采用康奈尔大学开发的COMCOT 模型,它是由康奈尔大学土木工程学系研发基于Fortran语言的数值仿真模型,专门模拟受扰动的海水波浪传递的过程,适用于长波运动,并可用于海啸波对海洋沿岸的损害及工程评估,可以模拟出海啸的波高、溯上高度以及淹溢范围等.该模型较为成熟,其准确性已经通过与卫星资料、潮位资料和现地调查资料比对获得了验证,如1960 年智利海啸[22]、1986 及2002年花莲地震[25]、2003年Algerian海啸以及2004和2005年印度洋海啸事件[26]等.

COMCOT 模型的主要特色有以下几个方面:

(1) 可选用Okada[27]的断层模型或Mansinha and Smylie[28]的断层模型计算破裂面错动引起的海床垂直位移量;

(2) 可输入初始波高资料进行波的传播模拟;

(3) 可使用滑坡与人造波进行海啸数值模拟;

(4) 可计算线性或非线性的浅水波方程;

(5) 可选择使用球座标或卡式坐标系统;

(6) 可进行多层网格套迭以及计算淹溢范围[29].

4.2 地形数据选择及历史地震的参数选择原则

地形数据资料来源是由美国地球物理资料中心(National Geophysical Data Center,NOAA)下载的ETOPO2资料,本研究选用的资料格式为.xyz.

地震海啸的模拟需要精确的震源参数,图 2的断层模型表示了应用COMCOT 模型所需要的震源参数.由于大多数历史地震记录只有根据震害记录推测的震级和震中,没有相应的震源参数,因此,我们对震源参数缺失的历史地震采用以下几个原则进行处理:

图 2 断层参数示意图 Fig. 2 The sketch map of fault parameters

(1) 震中位置不清的按宏观震中处理;

(2) 断层参数不清,我们结合邓起东等[30]和龙锋等[31]对华北和东亚地区统计所获得的的经验公式,通过地震震级(犕)计算断层长度(犔)、宽度(犠)及滑动距离(μ)(见图 2).

(3)震源深度不清,根据张国民等[32]统计的1970年1月~2000年5月期间中国东部犕L≥2.0的地震的震源深度绝大部分位于5~24km,所以本文采用其平均值15km 计算;

(4)产状不清,根据《中国活动构造图》[33]或邻近其他近期地震的震源机制解判断;

断层走向:使用相应的断裂走向.

倾角:正断层65°,逆断层25°,走滑断层90°,正走滑75°,逆走滑35°;

走滑角:正断层270°,逆断层90°,走滑断层0°,正走滑225°,逆走滑45°.

根据上述原则,我们给出了6次历史和仪器记载地震的相关参数(表 2).

表 2 渤海地区强震震源断层的相关参数及其模拟浪高 Table 2 The parameters of seism-tectonics and the height of waves from simulations
4.3 模拟结果

1548年9 月22 日渤海发生7 级地震,震中位于渤海海口(38.0°N、121.0°E),推测发震断层为北西向的长岛—芝罘岛断裂(F1,图 1),为正走滑断层,走向约110°,震源深度设为15km.根据上述经验公式计算出,断层长度51.17km,断层宽度19.72km,滑动量0.89m.模拟结果显示(表 2图 3a),最大浪高也只有0.4 m,最大爬岸浪高发生在山东烟台—蓬莱一带.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实际海啸波高.同样我们模拟出其它5 次地震可能产生的海啸(表 2图 3).模拟结果显示,渤海海域上的历史地震产生海啸的可能性很小,尤其是产生灾难性海啸的可能性更小,由于渤海海域断裂基本都为以水平应力为主的正走滑断层,这更减小了产生灾害性海啸的可能性.而且渤海海域水深普遍比较浅,基本在50m以下,这就更抑制了发生海啸的可能.所以整体来说,渤海区域应该没有发生过灾难性的海啸事件.

图 3 渤海地震的海啸数值模拟结果(a1〜1为初始浪高;a2〜f2为最大浪高) (a) 1548 年;(b) 1568 年;(c) 1597 年;(d) 1888 年;(e) 1922 年;(f) 1969 年 Fig. 3 The tsunami simulation of 1548 earthquake (a1 〜f1,Initial height of waves; a2〜f2, Maximum height of waves)
5 渤海沿岸野外调查

大海啸发生并袭击海岸地区时,海拔高度较低的海岸平原将会被海水淹没,海水甚至能够到达距离海岸较远的地方.此时海啸会侵蚀海岸附近的砂土并搬运到较远的海岸平原,这些被保存在离岸陆相底层中的海砂,称之为海啸堆积物.这些沉积层有时含砾石,其排列方式还可以指示它们的运移方向.另外,包含在沙层中的硅藻和有孔虫等微化石也可以指示其来源[34-37].海啸沉积具有双向水流特征,向岸流的沉积主要由海沙组成,回流沉积主要由土壤、河流砂砾和植物碎片组成[38-39].海啸沉积的影响范围并不局限于沿岸区,还可以延伸至陆架、陆坡、深海扇乃至深海平原.

我们的野外调查只能在沿岸区展开.由于19000~7000aBP冰融期[40]的最末一次海侵使海平面达到现代的高度,而在这一时期之前的海平面远远低于现在的海平面(图 4a)[41],因此我们的野外调查主要针对7000a以来的全新世海岸沉积物.除上述海平面变化外,影响渤海海岸线进退的还有黄河三角洲的不断前进.实际上在渤海西岸由于黄河三角洲的影响,海岸一直向前推进,7000a以来向前推进了大约100km(图 4b)[42].此外,上述三次“海溢"事件都发生在莱州湾和山东半岛.所以,我们开展的海啸沉积物调查主要集中在莱州湾和山东半岛.

图 4 世界与中国晚更新世晚期海平面变化曲线(改 自文献 [41]) (a);渤海全新世海侵范围图(改自文献 [42]) (b) Fig. 4 World and China late Pleistocene sea-level curve (a) and the scope of the Bohai Sea Holocene transgression map ( b )

经过对烟台、蓬莱、龙口、莱州和潍坊等地的10个观察点的调查(表 3),我们没有发现海啸堆积物.

表 3 渤海沿岸野外调查结果表 Table 3 The results of field investigation on the Bohai Sea coast
6 结 论

通过对历史地震和文献中关于“海溢"的记录分析,发现渤海的有记录的地震都没有引起海啸,文献中关于“海溢"的记录又都和地震没有必然联系,可能多为风暴潮.通过数值模拟的方法逐个对渤海海域发生的地震进行数值模拟,结果显示所有地震都没有引发灾难海啸,而且野外调查也没有在最有可能出现海啸堆积物的区域发现海啸堆积物.所以,我们认为渤海地区发生过破坏性海啸事件的可能性极低,几乎不存在发生破坏性海啸的可能性,即使存在过海啸,到岸浪高也不会高于0.5m,而且仅限于东营—潍坊一带.

致谢

本研究由科技部科研院所社会公益研究专项“中国沿海地区古海啸定量研究(2005DIB3J118)"资助完成,感谢匿名审稿者提出的建设性意见.

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