人們根據經驗，

覺得這次地震很小，

不會產生海嘯災害。

正是這種錯誤的認知造成了重大人員傷亡。

引用汪品先先生的一句話：“住在陸地上的人們，常說禍從天降，殊不知海底惹的禍，要比陸地上大得多、嚴重得多。”今天我們要講的海底地震和海嘯，就是我們人類面對的重大自然災害之一。既然我們不能阻止它，那我們應該去認識它，了解它，從而把它產生的災害降到最低。

說起地震和海嘯，我們需要從大概2億多年前說起。那個時候，我們的地球家園是連在一起的一個大陸，叫盤古大陸。這個大陸在構造運動中，洋盆打開產生新洋殼，就發生了裂解，分成了不同的板塊。

這些板塊會產生漂移和旋轉，比如說這里看到印度板塊就產生了大范圍的漂移和旋轉，最后和歐亞板塊相撞，形成了世界第三極——非常壯觀的喜馬拉雅造山帶。

我們的地球家園就在構造運動的演化下，形成了當今的板塊格局。這里不同的顏色代表的是不同的板塊，線條則代表的是板塊的邊界。現今這些板塊仍還在以大概每年厘米級的速度發生運動。

那么它們到底是怎么動的呢？我們發現有些板塊發生的是匯聚的運動，有些是發生分離的運動。根據板塊運動方式的不同，我們定義了三種不同的板塊邊界。

第一種是轉換型邊界，也就是兩個板塊發生水平向的滑動，比較典型的就是洋中脊的轉換斷層。

第二種就是離散型邊界，就是兩個板塊發生分離的運動，也就是洋中脊——新洋殼產生的地方。

第三種我們稱為匯聚型邊界，也就是兩個板塊發生匯聚的運動，我們也叫它俯沖帶，這里是物質消亡和能量轉換的地方。

這些板塊邊界刻畫的是板塊相互之間的相對運動，也正是地震發生的地方。

我們一起來看一看2001-2015年全球大地震的分布。每個圈代表是一個地震，圈的大小代表地震震級大小，顏色代表是地震深度，從紅到紫是由淺到深的地震。

我們發現，絕大多數大地震都發生在環太平洋的俯沖帶，我們叫它“火環”。除此之外，印度洋的蘇門答臘俯沖帶和爪哇俯沖帶也是大地震頻發的地方，而其他板塊邊界，比如洋中脊的分離邊界還有轉換邊界發生的地震都比較小，也比較少。

地震發生在海底的時候，它會抬高或者是下沉大量的水體，因此會觸發海嘯。除了海底地震以外，海底的滑坡、火山以及隕石撞大洋，都能引發海嘯。那么今天我們講一個常見的觸發重大海嘯的機理——俯沖帶大地震。

造成慘痛損失的地震海嘯事件

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接下來我就給大家分享一下本世紀以來兩次重大的地震海嘯事件。

第一個事件就是2004年印度洋大地震海嘯，我們稱其為“最致命的海嘯”。這次地震發生在2004年12月26日（當地時間），也就是圣誕節那一天。地震震級超過了9.1級，它產生的地震海嘯波高達51米，席卷了印度洋十多個國家，造成了超過22萬人員的傷亡。

這是近幾百年以來人類歷史上人員傷亡最大的海嘯事件。這個事件除了影響印度洋以外，還影響了大西洋和太平洋區域。

這里有一些照片，記錄了當時特大海嘯事件給我們人類帶來的災難。在那個時候，印度洋還沒有建立起海嘯預警系統。因此，沿岸居民絕大多數是在不知情的情況下，喪失了自己最寶貴的生命。

7年以后，在2011年3月11日，日本東北區域發生了一起特大地震和海嘯事件，我們稱其為“最昂貴的事件”。這個事件的地震震級是9.1級，和2004年相當，它產生的海嘯波高最大達到了40米，席卷了整個太平洋區域。它造成了約2萬人的傷亡，雖然只有2004年的1/10，但是它造成的經濟損失超過了2300億美元，非常驚人。

上面這張照片，我想請大家一起來猜一猜，這是一個災難大片的設計場景，還是一個真實的場景？

這實際上是2011年日本東北區域發生大地震海嘯時的一個實拍的場景圖。我們設想一下，假如您當時在這個房子里，或者在這個汽車里，那么這個海嘯波高超過10多米，也就是超過兩層樓甚至三層樓的情況下，在幾分鐘之內到達您所在的區域，您將逃向何處？我們人類在這種巨大自然災害面前是非常渺小的。

這里還有一些其他照片，記錄了當時特大海嘯給人類帶來的重創，比如說環境污染、火災，以及核泄漏，還有房屋等重要基礎設施遭受到的摧毀性破壞。

為什么會發生俯沖帶地震海嘯？

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既然俯沖帶大地震造成的破壞力如此巨大，那么它的產生機理到底是什么呢？我們一起來解密一下。

當板塊俯沖的時候，由于摩擦，和上覆板塊會耦合到一起，累積能量。它們像一對熱戀中的戀人，緊緊耦合到一起（上）；當能量累積到一定的程度時，我們稱為臨界狀態，此時上覆板塊就會滑動，在幾十秒或者幾分鐘內釋放累積的能量，我們稱這個過程叫做彈性回彈（中）；彈性回彈的過程中就會抬高或者下沉大范圍的水體，水在重力的作用下會努力恢復平衡狀態，因此就會產生海嘯（下）。

這里有一個動畫，它展示了俯沖帶大地震海嘯產生的過程。

在這種情況下，地震是產生海嘯的源頭，如果我們搞清楚控制地震的因素，能對地震和海嘯災害評估起到至關重要的指導意義。然而，海域俯沖帶的研究有非常大的挑戰，因為它們坐落在離陸地上百公里遠的深海區域，觀測嚴重匱乏。

▲ 左：Qiu et al., 2016, Geology

在2015年，尼泊爾發生了7.8級的陸域俯沖帶大地震。因為這次地震發生在陸地上，有很豐富的觀測資料，讓我們有機會對斷層的孕震機理和地震破裂機制進行深入認識。

▲ Qiu

et al.

我們的研究發現，如果斷層存在比較復雜的幾何形態，能控制地震破裂的傳播，如上圖，橙色區域的上邊和下邊發育了比較復雜的陡坎，陡坎會產生滑動，形成一個間斷的能量累積帶，從而阻止地震破裂的傳播。

▲ Qiu

et al.

這個動畫可以看到平臺區域的上面和下面，也就是陡坎區域產生了滑動，形成了這種能量累積的間斷帶，從而影響、控制地震破裂的傳播。

地震發生之后，是不是就立即進入到下一個循環或者下一個周期呢？并不是。因為還有震后調整的過程，好比一個短跑運動員在結束短跑后也需要休息、調整，積累能量，為下一次奔跑做準備。

對地震這個過程而言，調整的過程叫做震后松馳。震后松馳過程非常復雜，它包含多種震后機理，比如斷層上的蠕動，以及殼幔黏彈性的形變，而這些機理會在地表形成大范圍的震后形變。

▲ Qiu e

t al.

蘇門答臘俯沖帶區域自2004年以來，從北到南發生了多起大地震，如2004年9.1級、2005年8.6級、2007年8.4級以及2010年的7.8級事件。這一系列大地震在地表大范圍形成了震后的形變。

▲ Qiu

et al.

我們用剛才提到的震后機理，比如斷層蠕動以及地幔楔黏性形變，可以解釋這里10年以來大范圍的震后形變。這里小方塊代表的是斷層上的蠕動，顏色越紅代表蠕動越厲害。長方體上面的顏色代表的是地幔楔黏性形變，顏色越深，代表這個地方黏性形變越厲害。

這里我們發現，在地震破裂區域的周圍，會在大地震后產生蠕動，比如2004年破裂區域上邊和下邊有大范圍的紅色區域，這些紅色區域表示將來發生大地震的可能性比較低，為將來地震和海嘯災害評估提供了非常重要的科學指導意義。

▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR

上面我們講到的是斷層的幾何形態以及震后的松馳對地震控制的影響。除此之外，地震破裂的類型還有它的震級對海嘯的產生能力會不會有影響呢？帶著這個問題，我們就對全球已發生過這種大地震和海嘯的俯沖帶進行了詳細、深入的研究。

我們把地震破裂的類型分為三種：第一種就是紅色區域所示，叫海溝型破裂，這種地震破裂類型它有一個特點，就是破裂整個孕震帶。第二種就是藍色區域，我們稱它叫隱沒型地震，因為它只破裂深部的孕震帶區域。第三種比較少，但是比較特殊，也比較重要，是海嘯地震型破裂，它只破裂非常淺部的俯沖帶孕震區。

▲Qiu and Barbot, 2022, ESR

左邊這個圖就是對應地震破裂類型產生的最大海嘯爬高。這里我們發現一個非常有趣的現象，那就是小震級的海嘯地震和大震級的海溝型破裂地震，產生了旗鼓相當的最大海嘯爬高。

這說明一個什么問題呢？說明海嘯產生量級除了跟震級，還有不同區域構造環境有關，應該還有共同的因素或者結構，控制著淺部海嘯發生的機制。

▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR

經過俯沖帶的充分研究，發現在俯沖前沿，我們叫它外增生楔，發育有很多高角度的逆沖斷層。這種斷層和下面的俯沖斷層相比有一個特點——能更高效地激發高幅度的水體，從而產生放大效應的海嘯。

這種機制就很好地解釋了為什么俯沖帶海嘯地震能產生超過預期的或者說放大效應的海嘯災害。因此，我們稱這個區域叫“海嘯的激發區域”。

為什么會出現小地震大海嘯？

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接下來我給大家分享我親身經歷的一次海嘯地震的災后調查。這個事件是發生在2010年10月25日蘇門答臘俯沖帶明打威群島。這個地震震級在俯沖帶來看是比較小的，只有7.8級，但是它產生海嘯的威力是巨大的。

左邊這個圖紅色的點代表地震的余震，粉紅色區域代表是地震滑動的區域，紫色區域代表是2007年，也就是這個事件3年前大地震的區域。

2007年地震大、海嘯小，但是2010年反過來了，是地震小、海嘯大。人們根據2007年的經驗，覺得2010年它產生地震動很小，地震震級也小，認為不會產生這種海嘯災害。正是他們的這種錯誤的認知造成了重大人員傷亡。

▲ 死亡人數分布圖（紅十字會）

據紅十字會統計，這次事件造成超過600人員傷亡，主要分布在巴蓋島（Pagai）這個區域。

地震大概兩個多星期之后，我當時所在的新加坡地球觀測研究所組建了一支國際研究小組，包括我和我的夫人，我們利用漁船從明古魯出發，在巴蓋島展開為期7天的震后災害調查。

那么我們去干什么呢？我們去揭開這次海嘯的滔天罪證。海嘯的這種罪證到底是什么呢？這里面包括了它的波高、淹沒水深、淹沒最大距離、波浪方向、大小等等。

我們徒步行走每一個島，去查、去看、去尋找海嘯留下的證據。比如在樓梯上發現的石頭，還有墻上的痕跡，以及留下現場的堆積物，還有樹木上被折斷的新鮮樹枝。

這里有一些照片，顯示的是發生最大海嘯波高區域造成的嚴重破壞。這里我們發現有大面積的樹木和房屋被破壞和卷走，一片狼藉，非常驚人。

▲ Hill

et al.

我們這次調查，發現這個事件產生最大波高達14米，最大的爬坡高度達到了16米。至于是什么物理機制造成這么大的海嘯呢？到目前為止，對這個事件來講仍然存在爭議。

▲ 左：Hill et al., 2012, JGR；右：Hananto et al., 2020, EPSL

有很多學者對這個事件進行了詳細的研究，他們發現在俯沖斷層上產生了大概9米滑移，也就是我們看到的紅色區域（左圖）。那么紅色區域正好對著前面提到這個俯沖帶前沿，也就是外增生楔（右圖）。

這里我們發現有很多這種高角度的逆沖斷層，有前置、后置的，像漏斗一樣。如果每一個逆沖斷層都在地震發生的時候產生了滑動，它們就會造成放大效應的海嘯。這就是為什么俯沖帶會有這種小地震而引發大海嘯的案例。

中國是否面臨著海嘯威脅？

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上面我們談的都是其他國家和地區的地震海嘯事情。我們國家是不是和海嘯沒有關系呢？很不幸的是，我國華南沿海在歷史上曾經發生過強震，并引發海嘯。

▲ 李，邱*等, 2022，中國科學.地球科學

歷史記錄以來，這里有4次超過7級地震，有18次超過了6級地震，這些地震主要發生在華南沿海上千公里長的濱海斷裂帶。

其中在東部在1600年和1918年發生了南澳地震，以及1604年泉州大地震。最西邊有1605年瓊州海峽大地震，當時瓊州海峽大地震造成了大面積的塌陷，幾十個村莊被淹沒到海底。

中間留下一大片區域，到目前為止還沒有發生過大地震和海嘯。我國學者定義這個區域為地震空區，這個區域正對我們粵港澳大灣區。將來這個區域會不會發生地震和海嘯，需要更多的學者參與進來去查明真相。

▲ 李，邱*等, 2022，中國科學.地球科學

除了濱海斷裂帶，我國華南沿海受到海嘯威脅最大的地方應該來自南海北部的馬尼拉俯沖斷層。根據我們前面對全球俯沖帶的研究，我們發現馬尼拉俯沖斷層的結構跟之前的2004年、2011年發生過大地震海嘯區域的結構非常相似。

如果馬尼拉俯沖帶也發生類似9級的地震，那我國華南沿海地區可能會面臨嚴重的海嘯威脅。尤其是海嘯波，在南海北部陸坡的影響下，能量會產生匯聚而直沖粵港澳大灣區，影響巨大。

目前已有的地球物理資料顯示，將來馬尼拉俯沖帶有發生大地震的可能。不過大家也不用擔憂，因為我國在過去幾十年對海嘯災害也是非常重視的。

目前自然資源部海嘯預警中心已經成功建立海嘯預警系統，中心的監測和預警實力已經達到國際的先進水平。

聯合國教科文組織授權給我國海嘯預警中心，為南海周邊9個國家地區提供24小時全天候的海嘯預警服務。海嘯預警中心也自主開發了一套智能化海嘯預警系統，現在已經對30次6級以上地震發布了33期預警信息，平均海嘯預警時間低于9分鐘。

我們知道，地震和海嘯是海底產生的重大自然災害之一。地震和海嘯災害已經作為第三個旗艦項目，被納入到地球科學系統里最大的一個科學計劃——2050年科學大洋鉆探之中。這說明地震和海嘯的研究應該是將來的熱點和前沿。

然而，我們人類對海洋的認知還遠遠不足，在此我們呼吁有更多的年輕學者加入進來，共同建立我們安全、宜居的美好家園。

謝謝大家！

來源：格致論道講壇

編輯：千里雁啼

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