活躍陸緣可致海嘯的海底滑坡

Kiichiro Kawamura Jan Sverre Laberg Toshiya Kanamatsu

0 引言

由于海底滑坡對海底設施以及沿岸居民具有潛在的直接和／或間接影響，其被視作最重要的海洋地質災害之一，并且這已被近期的例子所說明。1998年7月17日，在巴布亞新幾內亞（PNG），約有2 200人死于海底滑坡導致的毀滅性海嘯，此滑坡被認為由MW7.1地震所致（Tappin et al，2001，2008；圖1）。

上例說明海底滑坡可能誘發(fā)海嘯。海底滑坡機制與地震、活動斷層的性質、位置以及大陸坡沉積物破壞前的特性密切相關。盡管模擬結果表明沉積物的流動特征相當重要，但所破壞沉積物的流動行為、體積和初始加速度目前仍知之甚少（Locat and Lee，2002）?；钴S陸緣的海底滑坡可由地震觸發(fā)，但目前對多種滑坡機制仍在探討之中，包括地震導致的液化和地面加速度（Sultan et al，2004）、斷層運動導致的斜坡直接破壞（Yamada et al，2010）和／或沿斷層的液體排出（Bangs et al，2010）。

本文著重分析眾多活躍陸緣上已被調查過的海底滑坡，既包括地質記錄中保存的大型海底滑坡（如帕洛斯弗迪斯滑坡），也包括有史以來的實例（如1998年錫薩諾地震）。然后，我們描述海底滑坡與地震之間的關系以及如何從海底滑坡沉積中揭示古地震活動。最后我們考慮在無地震活動觸發(fā)的情況下是否可發(fā)生海嘯和海底滑坡。

圖1 活躍陸緣主要海底滑坡地理位置圖。來自于歷史記錄的用虛線圓表示，來自于地質記錄的用實線圓表示。Clift與Vannucchi（2004）區(qū)分開了增生陸緣（藍實線）和侵蝕陸緣（藍虛線）。侵蝕陸緣多數(shù)相當于Ruff（1989）所述的壘塹結構（HGS）的俯沖海洋板塊（原圖為彩色圖——譯注）

1 活躍陸緣可致海嘯的海底滑坡

1.1 地質記錄中可致海嘯的大型海底滑坡

最近，Lo lacono等（2012）描述了北戈林奇滑坡。在伊比里亞陸緣西南的戈林奇淺灘北側發(fā)生的這次滑坡體積約80km3，滑移了35km（圖1）。他們認為類似規(guī)模的海底滑坡會產(chǎn)生波高超過15m的海嘯波，約30分鐘后該海嘯波就可抵達葡萄牙南岸。

在哥斯達黎加匯聚陸緣，von Huene等（2004）研究了尼科亞滑坡，據(jù)估計該滑坡體積可達10km3（圖1），由海山俯沖／碰撞造成。此地雖未發(fā)現(xiàn)實際海嘯，但若此類滑坡并非單一事件，即可預測產(chǎn)生了27m高的海嘯（von Huene et al，2004）。在南海增生楔東部，對這種與海山俯沖／碰撞相關的海底滑坡已有研究（Cochonat et al，2002；Kawamura et al，2011）并利用砂箱模擬試驗重構過（Domingues et al，2000）。

Bohannon和 Gardner（2004）討論了洛杉磯近海的帕洛斯弗迪斯滑坡（圖1），推斷該滑坡可追溯到距今7 500年以前。該滑坡長4.5km，寬8km，可能導致了約12m高的海嘯。根據(jù)斜坡穩(wěn)定性分析，Locat等（2004）的研究表明該滑坡由一次7級地震觸發(fā)。

1.2 歷史記錄中可致海嘯的海底滑坡

相對地質記錄而言，歷史記錄中有大量可致海嘯的海底滑坡記載。

1755年11月1日，葡萄牙近海的圣維森特斷層發(fā)生了約MW8.5的里斯本地震（圖1）。強海嘯使里斯本以及歐洲和非洲的北大西洋沿海均成為廢墟。Gracia等（2003）的研究表明，海嘯可能由逆沖斷層上盤的海底滑坡引起。

1771年明和海嘯是由4月24日的地震引起的，襲擊了琉球群島南部（Miyazawa et al，2012；圖1）。在一些區(qū)域，海嘯的最大爬高可達30m，但大部分沿海地區(qū)低于10～15m（Miyazawa et al，2012）。這一罕見的海嘯被認為由發(fā)生在琉球海溝向陸坡的海底滑坡導致（圖1）。

1964年3月27日發(fā)生的一次MW9.2的地震在阿拉斯加引發(fā)了一場（Mt）9.1的強海嘯（Abe，1979；圖1）。Plafker和 Mayo（1965）描述了由河流三角洲、終磧等發(fā)生的水下滑坡所觸發(fā)的局部海嘯波。該海嘯約高3.0～4.5m，在震后19～20min內襲擊了眾多海灣區(qū)域。

1998年7月17日，在一次MW7.1地震之后產(chǎn)生的最大浪高15m的海嘯淹沒了巴布新幾內亞的錫薩諾（Kawata et al，1999；圖1）。基于詳細的海底測繪數(shù)據(jù)，Tappin等（2001，2008）斷定強海嘯是由瀉湖離岸區(qū)的海底滑坡所致。該海嘯由地震迅速激發(fā)（Newman and Okal，1988），但卻由隨后的海底滑坡所產(chǎn)生（Tappin et al，2008）。

2007年3月25日，位于日本西北部的能登半島附近發(fā)生了MW6.7能登半島地震（Abe et al，2008；圖1）。盡管海嘯在震后一小時才抵達海岸，但仍有一些地方記錄到了異常潮波，這被認為是海底滑坡所致（Abe et al，2008）。

2010年1月12日，MW7.0的海地地震顯示的主要是走滑運動，但仍觸發(fā)了海嘯（Hornbach et al，2010；圖1）。該地震導致多個河流三角洲發(fā)生液化現(xiàn)象，并且液化迅速加劇導致了破壞。據(jù)斷定，該地震在沿海岸線的一些位置導致了可致海嘯的海底滑坡。

總之，所有這些由海底滑坡導致海嘯的歷史案例都源于地震活動。我們從這些案例中可知，目前為止并不是所有海嘯事件都直接由地震時的破裂擴展以及斷層位錯造成。

2 斜坡穩(wěn)定性分析的古地震

利用 Urgeles等（2006）和Strasser等（2007）給出的事后分析計算斜坡穩(wěn)定性時，我們需要評估古地震活動和／或對未來地震預測的地震活動。對前人有關斜坡穩(wěn)定性破壞機制的量化研究綜述如下。

1929年11月18日，紐芬蘭南部發(fā)生了一次面波震級（MS）7.2的地震（圖1）。12條海底電纜被濁流切斷，這緣于上陸坡發(fā)生的海底滑坡（Heezen and Ewing，1952）。大淺灘滑坡塊體運動的最大速度可能達到70m／s（Canals et al，2004）。Clague 等（2003）報告說，發(fā)生在紐芬蘭由地震導致的海嘯浪高達3.0～7.5m?？芍潞[的海底滑坡的數(shù)值模擬與這些觀測數(shù)據(jù)一致（Fine et al，2005）。

Mikada等（2006）利用在日本千島海溝布設的海底電纜系統(tǒng)觀測了一次正在發(fā)生的濁流。這次由N－NE到S－SW的濁流流速高于1m／s，厚度約為 60m（Mikada et al，2006）。根據(jù)他們的研究，此次濁流緣于2003年9月25日19∶50（世界標準時間）十勝近海MW8.1地震導致的斜坡破壞，并且這是地震濁流的第一次實時觀測。類似的地震濁流在相模海槽（Kasayaet al，2009）和日本海溝（Arai et al，2013）也曾觀測到。

2009年8月11日，日本駿河灣海床以下23km發(fā)生了一次MW6.4的地震（圖1）。Matsumoto等（2012）利用基于地震前后所采集數(shù)據(jù)的微分等深圖，探測到水深在斜坡區(qū)域下降，在下坡盆地區(qū)域上升。他們（利用潛水器）也發(fā)現(xiàn)斜坡區(qū)的水管系統(tǒng)遭到破壞，并斷定此處發(fā)生過地震海底滑坡。該滑坡破壞了水管，使沉積物在下坡盆地沉積，并造成海嘯。他們的研究結果有助于我們理解海底滑坡發(fā)生所需的定量條件。

3 海嘯地震抑或海底滑坡？

沿匯聚陸緣發(fā)生弱震后，也記錄到過強海嘯，地震學家將此類事件稱為海嘯地震或者慢地震（如Kanamori，1972）。然而，其中有些也可能是海底滑坡的結果（Kanamori and Kikuchi，1993；Tappin et al，2001；Fryer et al，2004；Tappin et al，2008；Kawamura et al，2012）。因此，我們應謹慎評估海底滑坡對海嘯的貢獻程度以及可致海嘯的海底滑坡在 “海嘯地震”中的產(chǎn)生概率。有幾個未研究透徹的海嘯地震事件仍舊存疑，下文詳述。

3.1 1896年明治三陸地震與海嘯

1896年6月15日，明治三陸地震盡管只是MS7.2，地震烈度也較小，但產(chǎn)生了最大波浪爬高37m的毀滅性海嘯，造成了日本歷史上最嚴重的海嘯災難（Tanioka and Satake，1996）。Abe（1979）研究表明盡管地震的面波震級（MS）較低，但海嘯的大小等級（Mt）高達8.6。為了解釋地震面波震級與海嘯大小等級之間的差異，1896年三陸地震被歸因于沿斷層的緩慢破裂（Kanamori，1972）、海底滑坡（Kanamori and Kikuchi，1993）以及沉積楔的附加迅速堆積（Tanioka and Seno，2001）。Kawamura等（2012）在地質結構與地形分析的基礎上，支持海底滑坡誘因假說，這在先前的構造侵蝕研究中多有涉及（如von Huene and Lallemand，1990；圖1）。

3.2 1946年阿留申地震與海嘯

1946年4月1日發(fā)生的MS7.1地震（Fryer et al，2004），導致了Mt9.3的強海嘯，造成阿拉斯加沿海167人喪生。Fryer等（2004）提出海嘯由海底滑坡（尤加馬克滑坡；圖1）造成，其滑坡前緣在沿岸區(qū)水下約200m處。不過，Rathbum等（2009）斷定被認為是 “尤加馬克滑坡”的地質特征根本就不是滑坡，也并非由1946年大地震所致。

3.3 2011年東北近海地震與海嘯

2011年3月11日在日本海溝發(fā)生MW9.0地震（Ide et al，2011），是由北美板塊（西北日本島?。┡c太平洋板塊邊界處的大規(guī)模逆沖滑動造成。據(jù)估計，地震時沿逆斷層的滑移錯位達60～80m（Fujiwara et al，2011；Ito et al，2011），但該錯位看來太大，而不能由一次地震的逆沖造成。Kawamura等（2012）認為大型海底滑坡是此次滑移的主因，但存在不確定性（Romano et al，2012）。解釋這次大滑移錯位仍存在幾個假說，包括過沖假說（Ide et al，2011）。

Strasser等（2013）利用微分測深調查、地震勘察和活塞取樣等方法研究了2011年東北近海地震的海嘯源。他們描述了海嘯源區(qū)大規(guī)模的60m隆起和60m沉陷（圖2）。我們認為這種測深差別是由發(fā)生在楔腳的長10km、寬2～3km的海底滑坡所致（圖3）。這些海底滑坡的發(fā)生機制可用斜坡失穩(wěn)導致的楔腳滑塌解釋（圖4）。楔腳被推至60m或80m遠的松散海溝充填沉積物上，對其迅速施壓，致使楔腳垮塌（圖4）。所以，當破裂沿逆斷層擴展至海溝時，海溝充填沉積物能導致楔腳處發(fā)生海底滑坡，如2011年東北近海地震的情況就是如此（Kodaira et al，2012）。

4 活躍陸緣可致海嘯的海底滑坡預處理因素

通常，海嘯由海底迅速變形所致，變形引起海水運動而產(chǎn)生海嘯。2011年東北近海地震中，誘發(fā)海嘯的海底變形發(fā)生在日本海溝的前楔（Maeda et al，2011）。雖然破裂擴展持續(xù)了約2分鐘（Ide et al，2011），但誘發(fā)海嘯的海底變形至少持續(xù)了4分鐘（Satake et al，2013）。在與1896年明治三陸地震相同的海嘯源區(qū)，沒有破裂擴展的條件下海底變形持續(xù)了約2分鐘（Satake et al，2013）。

圖2 在2011年東北近海地震海嘯源區(qū)的日本海溝底部的微分測深圖，（a）為1999年的結果，（b）為2011年的結果（原圖為彩色圖——譯注）。等高距20m。1999年日本海溝底部海床面較平坦，但2011年的數(shù)據(jù)顯示，此處有約10km長、2～3km寬的約60m的隆起。向陸坡的紫色區(qū)（西側）2011年比1999年變小了。這片區(qū)域對應Strasser等（2013）的沉陷區(qū)

圖3 日本海溝構造侵蝕環(huán)境下發(fā)生于活躍陸緣的海底滑坡圖解，以2011年東北近海地震為例。日本海溝的海底滑坡滑移至海溝軸充填了地塹。構造侵蝕可進一步引起后退式海底滑坡，并觸發(fā)海嘯

圖4 以2011年東北近海地震為例的日本海溝海底滑坡原理模型（Strasser et al，2013）。因斜坡失穩(wěn)，楔腳滑至海溝，迅速施壓給海溝底部的松散沉積物（Strasser et al，2013）。Yamada等（2010）認為增生陸緣柱腳部位海底滑坡具有相同機制

運用地震波反演分析，先前的研究發(fā)現(xiàn)在24km深的震源處有約20m的滑移。Ito等（2011）研究指出，該震源20m的滑移在海床面則增大到80m的滑移。通常，破裂擴展過程中，沿斷層的滑移量應隨距震源的距離增大而減小。此處滑移為何隨著深度的減少而增多呢？Ide等（2011）認為2011年東北近海地震期間，在前緣楔發(fā)生了動態(tài)過沖的淺層相對平靜的破裂，而Kawamura等（2012）認為大規(guī)模的正斷層形成了滑脫構造，可能對淺層區(qū)造成額外的斷層滑移。

在這種情況下，如果上盤的沉積物不穩(wěn)定，地震和／或破裂擴展就會觸發(fā)海嘯（圖3，圖4）。破裂擴展可能并非海嘯發(fā)生的主因，而只是一種觸發(fā)因素?；?011年東北近海地震／海嘯的證據(jù)，向陸海溝斜坡的穩(wěn)定性理應決定著海嘯的規(guī)模。

2011年東北近海地震期間發(fā)生在前緣楔的60m或80m滑移可用海底滑坡解釋為附加海嘯源（Kawamura et al，2012）。

5 討論

正如上文所述，此類滑坡的觸發(fā)機制多與地震有關，尤其是位于無增生的匯聚陸緣的可致海嘯的海底大滑坡（Ruff，1989；Clift and Vannucchi，2004；圖1）；例如日本海溝（1896年明治三陸地震和2011年東北近海地震）、琉球海溝（1771年明和海嘯）和哥斯達黎加陸緣（尼科亞滑坡）。這些海嘯可能由大型海底滑坡所引起，并與構造侵蝕和／或匯聚陸緣俯沖海洋板塊上的壘塹構造相關（圖4）。事實上，日本海溝的此類海底滑坡已如Taira和Ogawa（1991）所述觀測到并闡述過。

先前認為，除了火山和／或小型滑坡的局部效應外（Plafker and Mayo，1965），海底滑坡僅由活動斷層作用導致的海底地形變化所引起。然而，可致海嘯的海底滑坡已知可在世界不同地區(qū)發(fā)生。因此，所有關于海嘯發(fā)生機制以及海嘯地震——如2011年東北近海地震——前后地形變化的資料均應細致檢查，以提高人們對海嘯產(chǎn)生的理解。

一些東北地方的居民稱歷史上的東北海嘯為尤達（yoda），這對海嘯而言另有寓意，意指海嘯并非總由強地震所引起（Yoshimura，2004）。這些事件不僅包括1896年明治三陸地震，也包括1960年造成海嘯橫掃太平洋的智利地震。盡管有文檔記錄在案，但由于海嘯僅能由海底變形和破裂擴展所致的信條，此類尤達事件發(fā)生的可能性近期仍被忽視。我們必須迅速重新考慮海嘯觸發(fā)的基本機制，否則面臨的可能性就是未將海底滑坡導致海嘯情形考慮在內的日本海嘯預警系統(tǒng)可能不足以處理潛在海嘯情形的整個范疇。

6 結論

1）活躍陸緣環(huán)境中海底滑坡的首要觸發(fā)機制被認為是地震活動。然而，也有一些包括海底滑坡產(chǎn)生在內的可能發(fā)生機制的其他假說。

2）可致海嘯的大型海底滑坡多發(fā)生在非增生的陸緣。

3）這些觀測結果對海嘯預警系統(tǒng)有一定的借鑒意義，因為日本的海嘯預警系統(tǒng)尚未考慮海底滑坡觸發(fā)海嘯的情形。

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