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第4章 认识海啸(4)

海啸发生后,首先在发源地传播,上下翻腾,然后以重力长波的形式向各个方向传播,最后到达近岸,以快速高振幅冲向海岸。海啸在传播过程中,如果不发生反射、绕射和摩擦等现象,则两波线之间的能量与波源的距离无关,波高随相邻两波线间的距离和水深的变化而动。在绝大多数情况下,海啸发源地的海底山脊、陡岩、断层呈狭带状分布。由于海中陡峭隆起与山脊均是波导,而波导面上能量显著集中,引起波高剧烈增大,致使能量辐射具有明显方向性。例如,1946年4月1日的阿留申海啸和1952年11月4日的堪察加海啸,就是明显的例子。在水深急剧变化或海底起伏很大的局部海区,会出现海啸波的反射现象。在大陆架或海岸附近,海啸在传播过程中有相当多的能量被反射,称为强反射;而在深海下的山脊和海底上的反射则属弱反射。如果水深和波长的比值远大于水深的梯度,则不发生反射。此外,海啸波在传播过程中遇到海岸边界、海岛、半岛、海角等障碍物时,还会产生绕射。海啸进入大陆架后,因深度急剧变浅,能量集中,引起振幅增大,并能诱发出以边缘波形式传播的一类长波。当海啸进入湾内后,波高骤然增大,特别是在V形(三角形或漏斗形)的湾口处更是如此。这时湾顶的波高通常为海湾入口处的3~4倍。在U形海湾,湾顶的波高约为入口处的2倍。在袋状的湾口,湾顶的波高可低于平均波高。海啸波在湾口和湾内反复发生反射时,往往会诱发湾内海水的固有振动,使波高激增。这时可出现波高为10~15米的大波,造成波峰倒卷,甚至发生水滴溅出海面的现象,溅出的水珠有时可高达50米以上。

衡量海啸强度

海啸的规模度量和地震的震级一样,用数字表示,目前广泛运用的是日本科学家今村和饭田给出的规模等级m。m的计算是根据发生最大灾害的一定区间内海岸上的海啸高度及其区间的长度而决定的,而不是用特定的物理量和明确的数学算式结合确定的,因此是比较含混的,但非常实用,且一目了然,因此被广泛采用。

海啸规模等级m与地震烈度相似,没有明确物理概念和数学模式。

我们经常用在海岸上观测到的海啸浪高的对数作为海啸大小的度量。如果用H(单位米)代表海啸的浪高,则海啸的等级m为:m=10g2H

根据羽鸟的定义给出的海啸规模m:①它不仅仅是最大破坏海岸的信息,而且离波源很远地方的海啸高度也反映在海啸规模的计算上;②以海啸高度H和从波源开始的传播距离R的数学公式给出海啸规模的定义。从这两点上,可以说它进一步扩展和明确了今村和饭田的海啸定义。

海啸源与海啸

海啸源的分布与类型

地震与海啸虽然没有直接的因果关系,但在空间分布上却是一致的。

世界海啸频发区分布

全球构造运动最活跃的地带,是环太平洋带和地中海—喜马拉雅带,也是地震和火山分布最多的地带。按地槽构造学说,环太平洋带是现代地槽区带,目前仍处于强烈拗陷,岩浆、断裂、褶皱活动最强烈阶段。表现出频繁的地震,强烈的火山喷发,断裂错动,滑坡和崩塌时有发生。而地中海—喜马拉雅带是新近纪地槽回返形成的褶皱带,挤压、断裂、褶皱非常剧烈,形成欧洲的阿尔卑斯山和亚洲的喜马拉雅山,陆地表现为逆冲型地震。在地中海表现为地震、火山和海啸。从板块构造来看,环太平洋带下降岩石圈海洋板块向大陆板块俯冲,由浅震、中震以及深震组成了贝尼奥夫地震带。而阿尔卑斯—喜马拉雅带是非洲及印度板块向欧亚板块碰撞,形成了近东西向的板块碰撞带。虽然,地震不直接引发海啸,但是,啸源大致与地震带一致。全球有记载的破坏性海啸大约有260次,平均六七年发生一次。发生在环太平洋地区的地震海啸就占了约80%,而日本列岛及附近海域的地震又占太平洋地震海啸的60%左右,日本是全球发生地震海啸并且受害最深的国家。

形成海啸源的构造环境及分类

地震是现代构造运动的表现形式之一。它发生在地壳构造活动最活跃的地带,也就是在全球板块构造的板间接触带上,其次在弧后盆地。海啸源发生与地震有一定的关系。从全球地震分布图来看与海啸源的分布几乎一致。海啸主要发生在各种类型俯冲带和碰撞带以及弧后盆地中。

1.俯冲带中的地震引发海啸

这类海啸与环太平洋地震带密切相关。有的地震发生在两板块之间,有的地震发生在下降岩石圈内部。地震按一定的深度、宽度和角度形成了贝尼奥夫带。该带从浅到深,在不同的地区地震分布的均匀程度是不一样的。有的地区倾斜较缓,有的地区倾斜较陡,甚至达到90°。由浅入深也不是按同一个角度向同一个方向倾斜,其倾斜角度是多变的,因此其形态各异。太平洋东岸的贝尼奥夫带的倾角较缓,为10°~30°,且地震延续的深度达15°~29°。而太平洋西岸的贝尼奥夫带倾角较陡,一般为60°~70°,最陡者达90°。按照不同性质的板块与板块接触可分三种类型:

(1)洋岛俯冲型。

即日本型贝尼奥夫带,海洋板块向岛弧俯冲,形成了大洋板块按30°~45°倾角向大陆汇聚。地震分布比较连续,由大洋向大陆呈现很有规律的地质现象。即海沟、非火山岛弧、火山岛弧、边缘海。沿该带自北而南深海沟有,千岛海沟深8534~10542米、日本海沟深10554米、伊豆海沟深大于10000米,浅、中、深源地震均有分布。这种类型俯冲带,由于两板块相交角度小,上下层板块之间耦合很好,可以形成大的不稳定滑坡体。故这一带发生的地震,容易引发海啸。如1952年11月4日千岛群岛8.2级地震,1896年6月15日和1933年3月2日于日本三陆先后发生的7.5级、8.5级地震,1952年3月4日,日本十胜8.3级地震都引起海啸。尤其在三陆海啸中,沿岸全部人死亡的村庄就有好几个。此外,在日本关东地区东南部海域、本州南岸、琉球列岛等地都发生过大小不等的地震海啸。

(2)洋洋俯冲型。

即马里亚纳型贝尼奥夫带,无岛弧,主要是两海洋板块互相接触,接触处为深海沟,沟深11022米。贝尼奥夫带倾斜度大于45°,甚至于达90°,如马里亚纳型的贝尼奥夫带、克马德克贝尼奥夫带,浅部震源机制解主张应力轴平行下降岩石圈板块倾斜的方向,而深部震源机制解主压应力轴平行下降岩石圈板块倾斜的方向。这种俯冲型海沟部位出现引张现象。上下层板块之间耦合很差,或者实际就未耦合,由于两板块耦合很差,加之角度又陡,不易形成大的不稳的滑坡体,故不易引发海啸。

(3)洋陆俯冲型。

即太平洋板块向美洲板块俯冲,形成了智利型的贝尼奥夫带。地震震源机制解为混合型,即浅部震源机制解主张应力轴平行下降岩石圈板块倾斜的方向,而深部的震源机制解主压应力轴平行下降岩石圈板块倾斜的方向,如智利型的贝尼奥夫带、秘鲁贝尼奥夫带。这种类型俯冲带没有边缘海。形成了大陆边缘弧,安第斯山最为典型,同时形成了深达6866米的秘鲁海沟和7973米的智利海沟。海沟部位出现挤压现象,海洋板块向大陆俯冲的角度较缓,上下层板块之间耦合是强耦合,易产生大型的滑坡体,一旦发生大震,就易引发滑坡体的滑动,进而引发海啸。其中,1746年10月28日在秘鲁发生烈度为X度的地震,出现海啸,地震与海啸造成18000人死亡。1960年5月22日智利发生8.9级地震,引起大海啸,席卷太平洋两岸,不仅给南北美洲沿岸带来灾难,而且对太平洋对岸的菲律宾和日本造成极大的破坏。1979年12月12日,在厄瓜多尔发生7.9级地震,引起海啸,地震与海啸造成600人死亡。2001年秘鲁南部海啸是由8.4级的强烈地震引起的,致使秘鲁Caman市的20人丧生,数千幢建筑物被摧毁。地震引发的海啸同样袭击了夏威夷、日本和智利。2010年2月27日,在智利康赛西普西翁发生8.8级地震,不久又发生多次6级余震并引起不大的海啸。

2.弧后盆地型的地震引发海啸

边缘海或称弧后盆地,一般认为是大洋下降岩石圈板块向大陆板块俯冲,形成岛弧,其后由于引张而成,如日本海。也有相对俯冲而形成的,如中国南海。

(1)日本海型的边缘海。

一个典型的弧后盆地是太平洋西侧由日本列岛、库页岛及俄罗斯东部沿海、朝鲜半岛所包围的鄂霍茨克海、日本海。海深达3000~4000米。这类边缘海是剪切一拉张型的洋壳地堑。构造运动以海底多轴扩张为主,地堑受岩石圈断裂控制,地壳厚度5~10千米,形成菱形、三角形、多边形小洋盆,较高热流值,高值布格重力异常,磁异常条带明显或不明显,盆地内的构造线,沟弧系近于直交,有较薄的深海沉积,以蛇绿岩建造为特征。地震类型有走滑型、正倾滑型,间而有逆倾滑型。由于靠岛弧一侧,构造活动强烈。水下地形较陡,易孕育滑坡体。故岛弧西侧发生强震,有时就引发海啸。据不完全统计,从古代到1983年为止,日本发生过28次地震海啸。最有影响的是1741年渡岛大岛伴有火山喷发引起的海啸,1833年山形县近海的地震海啸和1983年日本中部地震海啸,这三个可称为日本海的三大海啸。1940年神威海角近海地震海啸和1964年新潟两次地震海啸是仅次于上述三大海啸的次级海啸,在能登半岛、隐岐群岛、朝鲜半岛的江原道等地可以找到它们的遗迹。

(2)中国南海型的边缘海。

此种边缘海是由挤压型过渡壳地堑所组成。构造运动表现为海底下沉,侧向挤压,掀斜块断运动。区域应力场从拉张转向挤压出现海沟和反向俯冲带,以及向边缘一侧凸出的岛弧。

从陆向海的剖面顺序即由东而西是吕宋岛弧、吕宋海槽、马尼拉海沟、南海中央海盆。

西吕宋海槽断堑长220千米,宽55千米,水深2230~2540米,断堑东侧为平行吕宋的西海岸、位于陆架和上陆坡,具有正重力异常(+150mgal)基底隆起;西侧以南北展布的断垒构成的美岸脊与马尼拉海沟断堑带分开。西吕宋海槽断堑被75mgal自由空间异常等值线封闭,最低负异常达值-145mgal;而美岸脊为正的自由空间异常圈封,异常值为+5~+75mgal,磁异常在海槽内为宽缓正异常,磁性基底埋深3~4千米,地震折射表明具有4千米厚的沉积物,其速度值为2.1~2.5千米/秒推测为新近纪,其下基底速度为4.4千米/秒。

马尼拉海沟断堑带位于南海中央海盆和吕宋弧前断褶带之间,呈南北向展布,向西凸出的深槽地,管事滩以南海沟沟底宽10千米,地形平坦,水深4800~4900米。沉积物厚2千米,产状近水平,深层向东倾斜。马尼拉海沟是明显受正断裂控制的断堑槽地,海沟东侧为美岸脊断垒,海沟西侧为南海中央海盆,洋壳呈阶梯状向沟底断落。海沟为负自由空间异常,近轴部最小值为80mgal,磁异常与海底地形和基底起伏无明显直接关系,其走向不平行海沟,幅度在近海沟轴部变化相当大。海沟西侧为洋壳,层2在海沟处,从哗央海盆的1.6千米,增至2.0千米,层3在中央海盆的厚度为3.4~4.0千米,接近海沟有减薄的趋势。马尼拉海沟地震震中大量分布在海沟东侧西吕宋海槽北部和民都乐一带,即马尼拉海沟的南北两个凹入角附近,震源深度一般小于100千米,大于100千米的地震大多数围绕塔尔湖分布。

吕宋海槽断堑和马尼拉海沟断堑带,断堑两侧与海底地形反差较大,易孕育滑坡体,若发生强震,很易引发海啸。查菲律宾地震资料,菲律宾自1627~1991年曾经发生过20次地震海啸。尤其是吕宋岛西1934年2月14日发生的7.9级地震,震源深25千米和1983年8月17日发生的6.5级地震、震源深29千米,都引发了海啸,对菲律宾造成了一定的破坏。

3.地中海型的地震引发海啸

地中海,位于欧、亚、非三大洲陆地海岸的环抱之中。如果没有西面的直布罗陀海峡与大西洋相连。它就是个典型的内陆海了。地中海东西长约4000千米,南北最大宽度约1800千米,总面积为251.6万平方千米,平均水深为1491米,是世界上最深、最大的陆间海。从历史上看,意大利南部沿海地区曾经历过数次地震和海啸袭击.其中最严重的是1908年发生在墨西拿海峡的特大地震引发的海啸,给周围数十个城市和村镇造成重大人员伤亡和财产损失。除南部卡拉布里亚大区、西西里岛之外,撒丁岛也处于海啸发生的危险地区,因为这些地区的地理特点构成了引发海啸的有利条件。希腊特别容易受到地震活动冲击,欧洲的地震有一半都集中在该国发生。

大西洋与欧亚大陆西岸交界地段,实际上是地中海—阿尔卑斯东西向构造向西的延伸,如1755年葡萄牙里斯本地震与海啸就是发生在葡萄牙大西洋沿岸南端圣维生特角(St.Vincent)南西西方向约200千米海底发生Ⅺ度(8级)大震后引发的海啸,给欧洲带来巨大灾难。

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