基于数值模拟的渤海海域地震海啸危险性定量化研究

王培涛，高义，于福江，，范婷婷

（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.国家海洋环境预报中心 海洋灾害预报技术研究国家海洋局重点实验室，北京100081）

1 引言

渤海是中国的内海，其中五分之四的海域被陆地环绕。渤海通过渤海海峡与黄海相通，其平均水深18 m，海峡处最深可达70 m。沿岸分布辽宁、河北、天津、山东三省一市中的13座环渤海城市，环渤海经济圈的加速崛起，使地处环渤海经济带核心位置渤海地区成为中国经济板块中乃至东北亚地区极具影响力的经济隆起地带，加之半岛蓝色经济区建设已成为国家海洋发展战略和区域协调发展战略的重要组成部分，这就促使渤海地区在国家的经济发展规划布局中具有重要地位；同时渤海海盆又是一个新生代盆地，发育有几百米至近万米的新生代陆相沉积层，具有丰富的油气资源，是我国东部主要的油气产区之一，同时也是大陆地震比较活跃的区域之一［1］。因此，有必要加强对该地区地质构造背景、地震活动特征以及潜在地震海啸危险性的认识和研究，这必将对我国的经济发展和海洋防震减灾具有重要的实际意义。

关于渤海历史上是否发生过海啸，近现代是否具有发生灾害性海啸的可能性的讨论一直处于定性的分析和判断的阶段，国内外文献中也均未见到对该地区海啸灾害危险性的定量化研究成果。通过对智利海啸（1960年5月22日，2010年2月27日）和日本海啸（2011年3月11日）的观测、研究分析，可知越洋海啸和区域海啸对渤海的影响较小。鉴于环渤海经济圈的重要经济地位以及该地区的海洋防灾减灾、海啸灾害风险区划工作的客观需求，本文将从渤海海盆的地质构造背景、活动断层断裂特征、地震活动以及基于数值模拟定量计算渤海可能地震海啸这几个方面来研究渤海地区海啸灾害危险性。

2 渤海及周边地区地质构造背景及断裂活动特征

2.1 渤海及周边地区新生代地质构造背景

渤海占据十分重要的大地构造位置，渤海及周边地区具有复杂的断裂构造活动环境。其处在中国东部两条巨型活动构造带，即NNE向郯庐断裂带与NWW向燕渤断裂带的交汇区。郯庐断裂带和燕渤断裂带是两条区域性的重力、航磁、地热、形变和壳幔结构的综合地球物理异常带［2－3］。这两条断裂带内及其旁侧发育有近SN、近EW、NE、NW、NEE、NNW、NNE和NWW 8组断裂，它们互相交汇。渤海所处的特定构造环境和深部构造条件构成了渤海及周围地区的断裂和地震活动的地球动力学环境。王华林等［3］及朱红彬等［4］均对该地区断层活动空间分段特征、时间不均匀性进行了深入研究。渤海及周围地区的地震活动和迁移受控于太平洋板块向欧亚板块的俯冲、向中国大陆传递的NEE向挤压应力和渤海上地幔隆起产生的构造应力的联合作用。板块运动产生的区域NEE向挤压应力持续作用于地壳之中，当板块俯冲运动加剧时，这一挤压应力将增强，构成了渤海及周围地区断裂活动和地震孕育的基本动力［3，5］。

2.2 渤海地区新生代断裂活动特征

按照断裂延伸的方向，渤海及周边地区断裂带可以分为：NNE、NEE－EW和NW向。郯庐断裂带是中国东部一条重要的强烈构造变形带，南起湖北广济、经郯江、郯城，横穿山东中部与渤海，向北穿过东北地区进入俄罗斯远东地区，总长度约为3 500 k m。该断裂带发育着近600条断裂，对渤海盆地的形成和演化起到了重要的作用；燕渤断裂带在地表并不是一条连续的断裂带，而是由20余条不连续的NW走向的次级断裂所组成的复杂断裂带。NNE向郯庐断裂带被NW向的燕山渤海断裂带分割为南、中、北3段，燕山渤海断裂带自东向西分为东、中、西3段。两断裂带的中段为两断裂的交汇段。郯庐断裂带南、北段为较强活动段，中段为强活动段；燕渤断裂带东段为较强活动带，西段和中段为强活动带。多数的研究结果表明：晚第四纪，NNE向郯庐断裂带呈右旋走滑运动为主［6—11］，燕渤断裂带呈左旋走滑断裂［12—17］。

2.3 渤海及周边地区地震活动

渤海及周围地区的地震沿郯庐断裂带和燕渤地震带成带活动特征十分突出，区域内95%以上的5～6级地震和所有7级以上地震都分布在这两条断裂带上。特别是上述两条地震带交汇处，是强震易发地带［18—22］（图1）。自公元1548年以来，在渤海海域及其附近共发生过7级以上地震4次，6级以上地震6次。从以上强震活动可以看出，该地区的地震活动强度大，频度高，特别是7级以上大地震发生频率在华北地震区内是最高的，平均120 a发生1次。谢卓娟等［23］对渤海海域地震震源深度也进行了较为详细的统计分析，认为在渤海海域的中部，地震的震源深度分布比较离散，分布在5～40 k m之间，优势分布在20～40 k m；在胶东半岛北部沿海至渤海中部，地震震源深度多集中在10～20 k m之间。辽东半岛西岸的地震，震级较低震源较浅，优势分布在5～20 k m。总体来讲，渤海海域内地震震源深度略比郯庐断裂带和华北平原地震带内地震震源深度大。

图1 渤海及周边地区地震活动分布及断裂带展布特征

3 渤海海域历史地震海啸危险性计算

20世纪，全球共发生海啸事件500次，其中有68次引发海啸灾难。上述海啸事件86%由地震事件触发，5%由火山活动引起，4%由海底滑坡产生，5%由这些原因的综合过程引起［24］，因此海啸通常又被称为“地震海啸”。海啸的能量大约为1014～1017J，一般为引发海啸地震能量的0.005%～10%。地震海啸的激发与海水深度、地震强度、震源机制和震源深度等密切相关［25－26］，而海啸灾害的强弱不仅与激发因素有关，还与海底地形及海岸线的几何形状等因素有关。

自公元前23世纪到公元21世纪，渤海海域有记录的6级以上地震6次［27—29］，但对应这几次地震均未查阅到对应的海啸记录，说明这几次地震即使引发海啸，也没有引起灾害性影响。同时古籍中关于渤海海域“海溢”的记录仅有3次，但同时期的古籍中却未见有相关地震的记载［30］，故此3次“海溢”是否就是海啸是值得进一步考证和调查。近现代历史记录中只有1969年7月18日发生于渤海中7.4级地震引发的轻微海啸的记载，龙口港有振幅不足4 cm的海啸波，约2 h后由海啸引发的假潮波幅达到10 c m［30］。

渤海历史上是否发生过海啸，至今未见比较一致的研究成果。鲜有的一些研究也只是根据相关古籍中的记载进行推测，缺乏科学推算依据。本节将对渤海海域历史上的4次7级以上的地震引发的局地海啸进行数值模拟，以定量阐述渤海海域地震海啸危险性。

3.1 地震海啸模型简介

地震海啸模型是探索海啸生成机制、评估海啸灾害和建立实时海啸预警系统的重要工具和技术手段。根据海啸波的物理特性，海啸数值模型通常由计算海啸初始位移场的断层模型（Generation）；基于非线性浅水方程或类Boussinesq方程，计算海啸波传播的传播模型（Propagation）；考虑沿岸地形、地物、采用动态移动边界技术来实现海啸爬高及与海岸相互作用的淹没模型（Inundation）3部分模型构成［31］。

传统的矩形网格将岸界概化成折形，若网格较粗则会产生较大误差，网格过细则计算量会成倍增加。自适应四叉树分层网格技术可以有效的处理复杂边界问题。自适应四叉树网格，相对于贴体结构网格，不需要从物理平面到计算平面的转换，因而流场计算中不再需要计算Jacobian矩阵，使通量计算简单，节约计算时间；相对于无结构网格，数据结构较为简单［32］。

本文选取由美国华盛顿大学应用数学系David L George研究开发的基于波浪追逐原理和自适应网格加密技术的海啸数值模型（Geo Claw）作为此次数值模拟的数学模型［33］。此模型考虑了海啸波在近岸传播的非性线作用、底摩擦以及科氏力效应，并通过对海啸波高的追踪判断来确定是否进行加密计算［34］。

模型的控制方程采用如下守恒形式：

式中，τx，τy分别表示x，y方向底摩擦项，可以表示为

其中n为曼宁系数。

3.2 震源参数选择及海啸危险性计算

断层模型适用性是海啸波传播能否成功模拟的重要因素，它主要通过利用海床位移量来估算地震引起的初始水面高度。震源断层破裂速度约为3 000 m／s，比海啸传播速度快1个数量级。震源破裂的持续时间通常以秒计，在如此短的时间内，断层带上覆盖的海水没有时间流走。因此可以假设海底变形是瞬时的，并且海水表面的初始位移与海底位移是一致的；忽略了断层破裂的复杂性、错位的多向性、破裂层厚度可变性。目前大多数海啸模拟中都是采用上述假定，即瞬态破裂模型。国际上比较通用的是Mansinha和Smylie［35］以及 Okada［36］基于弹性错移理论发展的两套断层模型。4次7级以上地震（图2）震源参数计算机选取参考文献［37—41］，详见下表1。

图2 渤海历史4次7级以上强震分布

表1 渤海强震震源参数

模型计算所采用的第一层水深数据来源于ETOPO5海底地形数据库，第二层水深数据源于GEBCO水深数据和部分渤海海域的海图资料融合得到。该区域海岸线资料采用STRM30卫星数据订正而得。

通过数值计算，分别得到逐次地震事件海啸能量分布及渤海、北黄海沿岸海啸危险性等级分布（见图3）。从模拟的结果可以看出：4次强震引发的局地海啸主要影响渤海南部的渤海湾、莱州湾、及山东半岛北部一带沿海；从海啸波波幅量级来看，几次强震所引发的海啸规模均未达到引发灾难性海啸级别。1888年6月13日7.5级地震在山东潍坊—龙口附近海域只引发了0.8 m的最大海啸波，到达近岸时海啸波最大达0.6 m，其余几次地震引发的海啸到达近岸时最大波幅均未达到0.5 m。按照太平洋海啸警报中心（PT WC）最新的分级标准：Ⅰ：Hts≤0.3 m 无影响；Ⅱ：0.3 m＜Hts≤1.0 m 近海危险；Ⅲ：1.0 m＜Hts≤3.0 m 淹没危险；Ⅳ：Hts＞3.0 m严重淹没危险。只有1888年及1969年两次事件海啸灾害危险性等级达到Ⅱ级，其余两次为Ⅰ级上限，Ⅱ级下限。由此基本可以判断上述几次地震均未引起海啸灾害。但需要说明的是前三次地震海啸过程发生时间距离现在最短的也有百年以上，几百年来、特别是近几十年来渤海海岸环境、特别是渤海防潮能力发生了较大变化，临海的海洋工程建设方兴未艾，这些人类活动及自然变迁对海啸波的计算也有较大影响，例如：河口淤积、围填海工程、防波堤建设都会在近岸局部造成海啸波的传播变形，改变海啸波的波动特性，导致模拟结果有所偏小，但对海啸波能量主要传播方向及能量分布影响不大。

图3 渤海历史强震引发海啸能量分布（左）及渤海沿岸海啸危险性等级（右）

4 渤海海域可能地震海啸危险性计算

图4 渤海潜在地震海啸传播情景（网格线表示自适应网格计算的第一层，时间间隔：30 min，单位：m）

为了研究渤海潜在地震海啸危险性，我们在前节分析中得知，燕渤地震带与郯庐地震带交汇处为强震多发地带，故假设在该区域发生Mw＝7.8级地震，利用基于四叉树自适应加密网格技术的海啸数值模型计算海啸波在渤海沿岸的传播情景（图4）及渤海区潜在海啸危险性（见图5）。从数值计算结果可以看出：海啸波在地震发生5 h内到达渤海各主要影响海域，平均波速可达70 k m／h；即使该区域发生7.8级强烈海震，由海震引发的海啸到达莱州湾、渤海湾近岸时最大海啸波波幅可达1.2 m，海啸灾害危险性达到Ⅲ级。虽然此等规模的海啸波不会对渤海湾近岸造成灾难性影响，但其在地形和潮汐的共同作用下仍然具有局部致灾的可能性。虽然渤海断层活动在晚第四纪多表现为走滑拉伸特征［42］，且渤海海盆主要发震区域水深普遍在30 m左右，故不具备产生灾难性海啸的条件，但对于该地区7.8级以上地震可能引发的局地海啸是有造成一定灾害的可能，因此应加强对该地区强震活动及震源机制的深入研究，重视该地区局地海啸防御工作。

图5 渤海地区潜在地震海啸能量分布（左）及渤海沿岸海啸危险性等级（右）

5 结论

（1）渤海为一个走滑拉张海盆，地质结构以水平应力场作用下的走滑运动为主，且不具备大规模海底滑坡的可能，渤海海域的水深又普遍在30 m以内，这就一定程度上限制了渤海海域发生灾难性海啸的可能。

（2）通过对渤海历史上4次7级以上地震引发的局地海啸的数值计算，结果显示：4次地震引发的局地海啸主要波能聚集区为渤海湾和莱州湾沿岸地区，海啸到达近岸时的波高均在0.6 m（经格林公式订正）以下，虽然此量级的波高不会对近岸造成灾害性影响，但局地海啸所引发的激流在近岸区域配合微地形的影响，会对近岸海工建筑物产生一定的影响。特别是在防灾能力较弱的渤海沿岸，需要引起足够的重视。

（3）对燕渤地震带与郯庐地震带交汇处假想Mw7.8级地震进行了数值计算，得到该规模的地震引发的海啸在莱州湾潍坊至龙口一带沿岸海啸波幅可达1.2 m，此等规模的海啸若叠加在天文高潮位上势必具有对近岸局部地区造成灾害的可能，除此以外还会对近海作业的船只及海洋平台产生影响。因此加强对该地区强震活动规律、震源机制研究以及海啸灾害风险评价及区划工作具有重要现实意义。

［1］盖永浩，刘爱群 .地震震源参数及震源机制解在渤海湾的应用［J］.海洋地质动态，2007，23（1）：37－40.

［2］刘光夏，张先，贺为民，等 .渤海及邻区居里等温面的研究［J］.地震地质，1996，18（4）：398－402.

［3］王华林，王永光，刘希强，等 .渤海及周围地区断裂构造与强震活动研究［J］.地震研究，2000，23（1）：35－43.

［4］朱红彬，邢成起，李红，等 .华北构造区主要地震带分段与强震活动［J］.地震学报，2010，32（6）：705－717.

［5］苗庆杰，周翠英，马玉香，等.1969年渤海7.4级地震研究述评［J］.华北地震科学，2010，28（1）：8－15.

［6］林怀存，郭爱香，华爱军 .郯庐断裂带地震活动特征［J］.高原地震，1994，6（1）：47－54.

［7］万桂梅，汤良杰，周心杯，等 .郯庐地震带在渤海海域渤东地区的构造特征［J］.石油学报，2009，30（3）：342－346.

［8］高祥林 .渤海中部郯庐地震断裂带的近期活动与渤海新近纪新生断裂［J］.地质科学，2006，41（2）：355－363.

［9］陈祖安，白武明，林邦惠，等.1966年以来华北地区一系列七级大震破裂过程的数值模拟［J］.地球物理学报，2003，46（3）：373－381.

［10］徐杰，高战武，孙建宝，等 .1969年渤海7.4级地震区地质构造和发震构造的初步研究［J］.中国地震，2001，17（2）：121－133.

［11］周焕鹏，盖殿广，李霞 .渤海地区的地震活动特征［J］.高原地震，2000，12（1）：50－54.

［12］杨港生，赵根模.1969年渤海7.4级大震前后的区域地震活动图像［J］.华北地震科学，2000，18（1）：39－43.

［13］李西双，刘保华，华清峰，等 .张家口－蓬莱断裂带渤海段晚第四纪活动特征［J］.海洋科学进展，2009，27（3）：332－341.

［14］高战武，徐杰，宋长青，等 .张家口—蓬莱断裂带的分段特征［J］.华北地震科学，2001，19（1）：35－54.

［15］王若柏，顾国华，徐杰，等 .张家口—渤海地震构造带的地形变化研究［J］.地震地质，2004，26（4）：586－596.

［16］陈国光，徐杰，高战武，华北渤海湾盆地大震的构造特征［J］.华北地震科学，2003，21（2）：7－15.

［17］赖晓玲，李松林，孙译 .渤海及邻区3次7级以上地震的深部构造背景［J］.大地测量与地球动力学，2007，27（1）：31－34.

［18］刘蒲熊，吕晓健 .唐山地震序列空间分布复杂性原因研究［J］.地震，2011，31（4）：1－13.

［19］魏光兴，季同仁，李秉锋 .渤海地震序列及其特征［J］.地震地质，1984，6（1）：21－29.

［20］魏光兴 .关于渤海7.4级地震震源断层面的讨论［J］.地震地质，1980，2（3）：1－2.

［21］周斌，张英凯，李继训 .渤海及邻区地震地质、地球物理场合地震活动特征［J］.西北地震学报，2000，22（3）：333－337.

［22］傅征祥，刘杰，刘桂萍 .张家口—蓬莱断裂带的中长期强地震危险性研究［J］.中国地震，2000，16（4）：334－341.

［23］谢卓娟，吕悦军，彭艳菊，等 .渤海海域地震震源深度的分布特征［J］.震灾防御技术，2008，3（3）：311－320.

［24］Rhodes B，Tuttle M，Horton B，et al.Paleotsunami research［J］.EOS Trans AGU，2006，87（21）：205－209.

［25］陈运泰，杨智娴，许力生 .海啸、地震海啸与海啸地震［J］.物理，2005，34（12）：864－872.

［26］Hayir A.The effects of variable speeds of a sub marine block slide on near－field tsunami amplitudes［J］.Ocean Engineering，2003，30：2329－2342.

［27］国家地震局震害防御司 .中国历史强震目录（公元前23世纪—公元1911年）［M］.北京：地震出版社，1995.

［28］中国地震局震害防御司 .中国近代地震目录（公元1912—1990年Ms≥4.7）［M］.北京：中国科学技术出版社，1999.

［29］王健 .渤海海域历史地震和海啸［J］.地震学报，2007，29（5）：549－557.

［30］高焕臣，闵庆方 .渤海地震海啸发生的可能性分析［J］.海洋预报，1994，11（1）：63－66.

［31］王培涛，赵联大，于福江，等 .海啸灾害数值预报技术研究现状［J］.海洋预报，2011，28（3）：74－79.

［32］刘晓东，华祖林，赵玉萍 .基于四叉树网格的Godunov型二维水流数值计算模式［J］.河海大学学报（自然科学版），2002，30（6）：1－5.

［33］Leveque R J.Wave propagation algorith ms for multi－di mensional hyperbolic systems［J］.Journal of Computational Physics，1997，131：327－335.

［34］王培涛，于福江，赵联大，等 .越洋海啸的数值模拟及其对我国的影响分析［J］.海洋学报，2012，34（2）：39－47.

［35］Mansinha L，Smylie D E.The displacement fields of inclined faults［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，1971，61（5）：1433－1440.

［36］Okada Y.Surface defor mation due to shear and tensile faults in a half－space［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，1985，75（4）：113－1154.

［37］魏光兴，季同仁 .渤海地震的研究综述［J］.地震学刊，1990，3：1－6.

［38］张德元，赵根模 .环渤海地区地震构造和大地震学研究［M］.北京：地震出版社，1996：20－85.

［39］董旭光，周翠英，华爱军 .渤海海峡及邻区现代小震震源机制解分析［J］.内陆地震，1999，13（1）：7－15.

［40］邓起东，于贵华，叶文华 .地震地表破裂参数与震级关系的研究［M］.北京：地震出版社，1992.

［41］龙峰，闻学泽，徐锡伟 .华北地区地震活动断层的震级－破裂长度、破裂面积的经验关系［J］.地震地质，2006，28（4）：511－535.

［42］李西双 .渤海活动构造特征及其与地震活动的关系研究［D］.青岛：中国海洋大学，2008.