人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，

覺得這次地震很小，

不會(huì)產(chǎn)生海嘯災(zāi)害。

正是這種錯(cuò)誤的認(rèn)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(shuō)禍從天降，殊不知海底惹的禍，要比陸地上大得多、嚴(yán)重得多。”今天我們要講的海底地震和海嘯，就是我們?nèi)祟惷鎸?duì)的重大自然災(zāi)害之一。既然我們不能阻止它，那我們應(yīng)該去認(rèn)識(shí)它，了解它，從而把它產(chǎn)生的災(zāi)害降到最低。

說(shuō)起地震和海嘯，我們需要從大概2億多年前說(shuō)起。那個(gè)時(shí)候，我們的地球家園是連在一起的一個(gè)大陸，叫盤古大陸。這個(gè)大陸在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，洋盆打開產(chǎn)生新洋殼，就發(fā)生了裂解，分成了不同的板塊。

這些板塊會(huì)產(chǎn)生漂移和旋轉(zhuǎn)，比如說(shuō)這里看到印度板塊就產(chǎn)生了大范圍的漂移和旋轉(zhuǎn)，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(gòu)造運(yùn)動(dòng)的演化下，形成了當(dāng)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(xiàn)今這些板塊仍還在以大概每年厘米級(jí)的速度發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

那么它們到底是怎么動(dòng)的呢？我們發(fā)現(xiàn)有些板塊發(fā)生的是匯聚的運(yùn)動(dòng)，有些是發(fā)生分離的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)板塊運(yùn)動(dòng)方式的不同，我們定義了三種不同的板塊邊界。

第一種是轉(zhuǎn)換型邊界，也就是兩個(gè)板塊發(fā)生水平向的滑動(dòng)，比較典型的就是洋中脊的轉(zhuǎn)換斷層。

第二種就是離散型邊界，就是兩個(gè)板塊發(fā)生分離的運(yùn)動(dòng)，也就是洋中脊——新洋殼產(chǎn)生的地方。

第三種我們稱為匯聚型邊界，也就是兩個(gè)板塊發(fā)生匯聚的運(yùn)動(dòng)，我們也叫它俯沖帶，這里是物質(zhì)消亡和能量轉(zhuǎn)換的地方。

這些板塊邊界刻畫的是板塊相互之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也正是地震發(fā)生的地方。

我們一起來(lái)看一看2001-2015年全球大地震的分布。每個(gè)圈代表是一個(gè)地震，圈的大小代表地震震級(jí)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(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)大地震都發(fā)生在環(huán)太平洋的俯沖帶，我們叫它“火環(huán)”。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(fā)的地方，而其他板塊邊界，比如洋中脊的分離邊界還有轉(zhuǎn)換邊界發(fā)生的地震都比較小，也比較少。

地震發(fā)生在海底的時(shí)候，它會(huì)抬高或者是下沉大量的水體，因此會(huì)觸發(fā)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(fā)海嘯。那么今天我們講一個(gè)常見的觸發(fā)重大海嘯的機(jī)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(lái)我就給大家分享一下本世紀(jì)以來(lái)兩次重大的地震海嘯事件。

第一個(gè)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(fā)生在2004年12月26日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間），也就是圣誕節(jié)那一天。地震震級(jí)超過(guò)了9.1級(jí)，它產(chǎn)生的地震海嘯波高達(dá)51米，席卷了印度洋十多個(gè)國(guó)家，造成了超過(guò)22萬(wàn)人員的傷亡。

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

這里有一些照片，記錄了當(dāng)時(shí)特大海嘯事件給我們?nèi)祟悗?lái)的災(zāi)難。在那個(gè)時(shí)候，印度洋還沒(méi)有建立起海嘯預(yù)警系統(tǒng)。因此，沿岸居民絕大多數(shù)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(qū)域發(fā)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(gè)事件的地震震級(jí)是9.1級(jí)，和2004年相當(dāng)，它產(chǎn)生的海嘯波高最大達(dá)到了40米，席卷了整個(gè)太平洋區(qū)域。它造成了約2萬(wàn)人的傷亡，雖然只有2004年的1/10，但是它造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)了2300億美元，非常驚人。

上面這張照片，我想請(qǐng)大家一起來(lái)猜一猜，這是一個(gè)災(zāi)難大片的設(shè)計(jì)場(chǎng)景，還是一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景？

這實(shí)際上是2011年日本東北區(qū)域發(fā)生大地震海嘯時(shí)的一個(gè)實(shí)拍的場(chǎng)景圖。我們?cè)O(shè)想一下，假如您當(dāng)時(shí)在這個(gè)房子里，或者在這個(gè)汽車?yán)铮敲催@個(gè)海嘯波高超過(guò)10多米，也就是超過(guò)兩層樓甚至三層樓的情況下，在幾分鐘之內(nèi)到達(dá)您所在的區(qū)域，您將逃向何處？我們?nèi)祟愒谶@種巨大自然災(zāi)害面前是非常渺小的。

這里還有一些其他照片，記錄了當(dāng)時(shí)特大海嘯給人類帶來(lái)的重創(chuàng)，比如說(shuō)環(huán)境污染、火災(zāi)，以及核泄漏，還有房屋等重要基礎(chǔ)設(shè)施遭受到的摧毀性破壞。

為什么會(huì)發(fā)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(chǎn)生機(jī)理到底是什么呢？我們一起來(lái)解密一下。

當(dāng)板塊俯沖的時(shí)候，由于摩擦，和上覆板塊會(huì)耦合到一起，累積能量。它們像一對(duì)熱戀中的戀人，緊緊耦合到一起（上）；當(dāng)能量累積到一定的程度時(shí)，我們稱為臨界狀態(tài)，此時(shí)上覆板塊就會(huì)滑動(dòng)，在幾十秒或者幾分鐘內(nèi)釋放累積的能量，我們稱這個(gè)過(guò)程叫做彈性回彈（中）；彈性回彈的過(guò)程中就會(huì)抬高或者下沉大范圍的水體，水在重力的作用下會(huì)努力恢復(fù)平衡狀態(tài)，因此就會(huì)產(chǎn)生海嘯（下）。

這里有一個(gè)動(dòng)畫，它展示了俯沖帶大地震海嘯產(chǎn)生的過(guò)程。

在這種情況下，地震是產(chǎn)生海嘯的源頭，如果我們搞清楚控制地震的因素，能對(duì)地震和海嘯災(zāi)害評(píng)估起到至關(guān)重要的指導(dǎo)意義。然而，海域俯沖帶的研究有非常大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冏湓陔x陸地上百公里遠(yuǎn)的深海區(qū)域，觀測(cè)嚴(yán)重匱乏。

▲ 左：Qiu et al., 2016, Geology

在2015年，尼泊爾發(fā)生了7.8級(jí)的陸域俯沖帶大地震。因?yàn)檫@次地震發(fā)生在陸地上，有很豐富的觀測(cè)資料，讓我們有機(jī)會(huì)對(duì)斷層的孕震機(jī)理和地震破裂機(jī)制進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)。

▲ Qiu

et al.

我們的研究發(fā)現(xiàn)，如果斷層存在比較復(fù)雜的幾何形態(tài)，能控制地震破裂的傳播，如上圖，橙色區(qū)域的上邊和下邊發(fā)育了比較復(fù)雜的陡坎，陡坎會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，形成一個(gè)間斷的能量累積帶，從而阻止地震破裂的傳播。

▲ Qiu

et al.

這個(gè)動(dòng)畫可以看到平臺(tái)區(qū)域的上面和下面，也就是陡坎區(qū)域產(chǎn)生了滑動(dòng)，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(fā)生之后，是不是就立即進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)或者下一個(gè)周期呢？并不是。因?yàn)檫€有震后調(diào)整的過(guò)程，好比一個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員在結(jié)束短跑后也需要休息、調(diào)整，積累能量，為下一次奔跑做準(zhǔn)備。

對(duì)地震這個(gè)過(guò)程而言，調(diào)整的過(guò)程叫做震后松馳。震后松馳過(guò)程非常復(fù)雜，它包含多種震后機(jī)理，比如斷層上的蠕動(dòng)，以及殼幔黏彈性的形變，而這些機(jī)理會(huì)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(qū)域自2004年以來(lái)，從北到南發(fā)生了多起大地震，如2004年9.1級(jí)、2005年8.6級(jí)、2007年8.4級(jí)以及2010年的7.8級(jí)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(jī)理，比如斷層蠕動(dòng)以及地幔楔黏性形變，可以解釋這里10年以來(lái)大范圍的震后形變。這里小方塊代表的是斷層上的蠕動(dòng)，顏色越紅代表蠕動(dòng)越厲害。長(zhǎng)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(gè)地方黏性形變?cè)絽柡Α?/p>

這里我們發(fā)現(xiàn)，在地震破裂區(qū)域的周圍，會(huì)在大地震后產(chǎn)生蠕動(dòng)，比如2004年破裂區(qū)域上邊和下邊有大范圍的紅色區(qū)域，這些紅色區(qū)域表示將來(lái)發(fā)生大地震的可能性比較低，為將來(lái)地震和海嘯災(zāi)害評(píng)估提供了非常重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR

上面我們講到的是斷層的幾何形態(tài)以及震后的松馳對(duì)地震控制的影響。除此之外，地震破裂的類型還有它的震級(jí)對(duì)海嘯的產(chǎn)生能力會(huì)不會(huì)有影響呢？帶著這個(gè)問(wèn)題，我們就對(duì)全球已發(fā)生過(guò)這種大地震和海嘯的俯沖帶進(jìn)行了詳細(xì)、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(qū)域所示，叫海溝型破裂，這種地震破裂類型它有一個(gè)特點(diǎn)，就是破裂整個(gè)孕震帶。第二種就是藍(lán)色區(qū)域，我們稱它叫隱沒(méi)型地震，因?yàn)樗黄屏焉畈康脑姓饚^(qū)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(qū)。

▲Qiu and Barbot, 2022, ESR

左邊這個(gè)圖就是對(duì)應(yīng)地震破裂類型產(chǎn)生的最大海嘯爬高。這里我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，那就是小震級(jí)的海嘯地震和大震級(jí)的海溝型破裂地震，產(chǎn)生了旗鼓相當(dāng)?shù)淖畲蠛[爬高。

這說(shuō)明一個(gè)什么問(wèn)題呢？說(shuō)明海嘯產(chǎn)生量級(jí)除了跟震級(jí)，還有不同區(qū)域構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，應(yīng)該還有共同的因素或者結(jié)構(gòu)，控制著淺部海嘯發(fā)生的機(jī)制。

▲ Qiu and Barbot, 2022, ESR

經(jīng)過(guò)俯沖帶的充分研究，發(fā)現(xiàn)在俯沖前沿，我們叫它外增生楔，發(fā)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(gè)特點(diǎn)——能更高效地激發(fā)高幅度的水體，從而產(chǎn)生放大效應(yīng)的海嘯。

這種機(jī)制就很好地解釋了為什么俯沖帶海嘯地震能產(chǎn)生超過(guò)預(yù)期的或者說(shuō)放大效應(yīng)的海嘯災(zāi)害。因此，我們稱這個(gè)區(qū)域叫“海嘯的激發(fā)區(qū)域”。

為什么會(huì)出現(xiàn)小地震大海嘯？

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接下來(lái)我給大家分享我親身經(jīng)歷的一次海嘯地震的災(zāi)后調(diào)查。這個(gè)事件是發(fā)生在2010年10月25日蘇門答臘俯沖帶明打威群島。這個(gè)地震震級(jí)在俯沖帶來(lái)看是比較小的，只有7.8級(jí)，但是它產(chǎn)生海嘯的威力是巨大的。

左邊這個(gè)圖紅色的點(diǎn)代表地震的余震，粉紅色區(qū)域代表是地震滑動(dòng)的區(qū)域，紫色區(qū)域代表是2007年，也就是這個(gè)事件3年前大地震的區(qū)域。

2007年地震大、海嘯小，但是2010年反過(guò)來(lái)了，是地震小、海嘯大。人們根據(jù)2007年的經(jīng)驗(yàn)，覺得2010年它產(chǎn)生地震動(dòng)很小，地震震級(jí)也小，認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生這種海嘯災(zāi)害。正是他們的這種錯(cuò)誤的認(rèn)知造成了重大人員傷亡。

▲ 死亡人數(shù)分布圖（紅十字會(huì)）

據(jù)紅十字會(huì)統(tǒng)計(jì)，這次事件造成超過(guò)600人員傷亡，主要分布在巴蓋島（Pagai）這個(gè)區(qū)域。

地震大概兩個(gè)多星期之后，我當(dāng)時(shí)所在的新加坡地球觀測(cè)研究所組建了一支國(guó)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(fā)，在巴蓋島展開為期7天的震后災(zāi)害調(diào)查。

那么我們?nèi)ジ墒裁茨兀课覀內(nèi)ソ议_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(méi)水深、淹沒(méi)最大距離、波浪方向、大小等等。

我們徒步行走每一個(gè)島，去查、去看、去尋找海嘯留下的證據(jù)。比如在樓梯上發(fā)現(xiàn)的石頭，還有墻上的痕跡，以及留下現(xiàn)場(chǎng)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(fā)生最大海嘯波高區(qū)域造成的嚴(yán)重破壞。這里我們發(fā)現(xiàn)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(diào)查，發(fā)現(xiàn)這個(gè)事件產(chǎn)生最大波高達(dá)14米，最大的爬坡高度達(dá)到了16米。至于是什么物理機(jī)制造成這么大的海嘯呢？到目前為止，對(duì)這個(gè)事件來(lái)講仍然存在爭(zhēng)議。

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

有很多學(xué)者對(duì)這個(gè)事件進(jìn)行了詳細(xì)的研究，他們發(fā)現(xiàn)在俯沖斷層上產(chǎn)生了大概9米滑移，也就是我們看到的紅色區(qū)域（左圖）。那么紅色區(qū)域正好對(duì)著前面提到這個(gè)俯沖帶前沿，也就是外增生楔（右圖）。

這里我們發(fā)現(xiàn)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(gè)逆沖斷層都在地震發(fā)生的時(shí)候產(chǎn)生了滑動(dòng)，它們就會(huì)造成放大效應(yīng)的海嘯。這就是為什么俯沖帶會(huì)有這種小地震而引發(fā)大海嘯的案例。

中國(guó)是否面臨著海嘯威脅？

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上面我們談的都是其他國(guó)家和地區(qū)的地震海嘯事情。我們國(guó)家是不是和海嘯沒(méi)有關(guān)系呢？很不幸的是，我國(guó)華南沿海在歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)強(qiáng)震，并引發(fā)海嘯。

▲ 李，邱*等, 2022，中國(guó)科學(xué).地球科學(xué)

歷史記錄以來(lái)，這里有4次超過(guò)7級(jí)地震，有18次超過(guò)了6級(jí)地震，這些地震主要發(fā)生在華南沿海上千公里長(zhǎng)的濱海斷裂帶。

其中在東部在1600年和1918年發(fā)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(dāng)時(shí)瓊州海峽大地震造成了大面積的塌陷，幾十個(gè)村莊被淹沒(méi)到海底。

中間留下一大片區(qū)域，到目前為止還沒(méi)有發(fā)生過(guò)大地震和海嘯。我國(guó)學(xué)者定義這個(gè)區(qū)域?yàn)榈卣鹂諈^(qū)，這個(gè)區(qū)域正對(duì)我們粵港澳大灣區(qū)。將來(lái)這個(gè)區(qū)域會(huì)不會(huì)發(fā)生地震和海嘯，需要更多的學(xué)者參與進(jìn)來(lái)去查明真相。

▲ 李，邱*等, 2022，中國(guó)科學(xué).地球科學(xué)

除了濱海斷裂帶，我國(guó)華南沿海受到海嘯威脅最大的地方應(yīng)該來(lái)自南海北部的馬尼拉俯沖斷層。根據(jù)我們前面對(duì)全球俯沖帶的研究，我們發(fā)現(xiàn)馬尼拉俯沖斷層的結(jié)構(gòu)跟之前的2004年、2011年發(fā)生過(guò)大地震海嘯區(qū)域的結(jié)構(gòu)非常相似。

如果馬尼拉俯沖帶也發(fā)生類似9級(jí)的地震，那我國(guó)華南沿海地區(qū)可能會(huì)面臨嚴(yán)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(huì)產(chǎn)生匯聚而直沖粵港澳大灣區(qū)，影響巨大。

目前已有的地球物理資料顯示，將來(lái)馬尼拉俯沖帶有發(fā)生大地震的可能。不過(guò)大家也不用擔(dān)憂，因?yàn)槲覈?guó)在過(guò)去幾十年對(duì)海嘯災(zāi)害也是非常重視的。

目前自然資源部海嘯預(yù)警中心已經(jīng)成功建立海嘯預(yù)警系統(tǒng)，中心的監(jiān)測(cè)和預(yù)警實(shí)力已經(jīng)達(dá)到國(guó)際的先進(jìn)水平。

聯(lián)合國(guó)教科文組織授權(quán)給我國(guó)海嘯預(yù)警中心，為南海周邊9個(gè)國(guó)家地區(qū)提供24小時(shí)全天候的海嘯預(yù)警服務(wù)。海嘯預(yù)警中心也自主開發(fā)了一套智能化海嘯預(yù)警系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)30次6級(jí)以上地震發(fā)布了33期預(yù)警信息，平均海嘯預(yù)警時(shí)間低于9分鐘。

我們知道，地震和海嘯是海底產(chǎn)生的重大自然災(zāi)害之一。地震和海嘯災(zāi)害已經(jīng)作為第三個(gè)旗艦項(xiàng)目，被納入到地球科學(xué)系統(tǒng)里最大的一個(gè)科學(xué)計(jì)劃——2050年科學(xué)大洋鉆探之中。這說(shuō)明地震和海嘯的研究應(yīng)該是將來(lái)的熱點(diǎn)和前沿。

然而，我們?nèi)祟悓?duì)海洋的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，在此我們呼吁有更多的年輕學(xué)者加入進(jìn)來(lái)，共同建立我們安全、宜居的美好家園。

謝謝大家！

來(lái)源：格致論道講壇

編輯：千里雁啼

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