震源運動學破裂過程對馬尼拉俯沖帶潛在海嘯的影響研究

摘要：提高對馬尼拉俯沖帶海嘯生成機制的認識對研究我國東南沿海地區(qū)海洋防災減災具有重要意義。目前，大型俯沖帶震源破裂的運動過程對海嘯生成的影響逐漸受到關注，但震源運動學破裂過程對馬尼拉俯沖帶潛在海嘯的影響尚未明確?；隈R尼拉俯沖帶的典型破裂模型，對不同破裂速度和方向設定的海嘯情景開展數值模擬，評估分析破裂速度和方向對海嘯波傳播特征的影響。結果表明：破裂方向相同時，破裂速度越慢，海嘯波到時越晚，峰值波高越??；破裂速度相同時，與不考慮破裂運動過程的模擬結果相比，破裂前方的場點峰值波高更大，距離初始破裂位置更近的場點到時越早；不同設定情境下，沿海場點的海嘯波到時最大相差10 min左右，峰值波高最大值約為最小值的1.5倍。

關鍵詞：破裂速度；破裂方向；馬尼拉俯沖帶；海嘯；數值模擬

中圖分類號：P315.94文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0541-12

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0057

0引言

海嘯是因海底地震、火山爆發(fā)、海底滑坡或氣象條件驟變而造成的破壞性海浪。歷史上的幾次大海嘯都造成巨大的人員傷亡和財產損失。雖然海嘯災害破壞力極強，但發(fā)生頻次低、觀測資料較少，因此數值模擬成為了研究海嘯災害的重要手段。利用數值模擬可重現海嘯波產生和傳播的過程，獲取目標區(qū)域海嘯波高分布，評估海嘯危險性，探討海嘯波對海岸工程的破壞機理。近年來，隨著海嘯數值模型的發(fā)展、計算機算力的不斷提高，越來越多的學者采用數值模擬的方法開展地震海嘯危險性研究。例如，溫瑞智等（2008）采用線性淺水方程成功對2004年蘇門答臘海嘯進行數值模擬，驗證了數值模擬的可靠性，為下一步地震海嘯危險性研究工作提供了依據；王培濤等（2012）成功模擬了1960年智利大海嘯，模擬結果與實測結果相吻合，我國大陸沿海最大海嘯波高可達100 cm左右，他認為越洋海嘯對我國產生的影響是不能忽視的；溫瑞智等（2011）采用數值模擬技術重現了2011年日本東北海嘯，模擬結果與觀測結果基本一致，并對我國海嘯防災減災提出建議。

以往諸多研究認為控制海嘯波產生和傳播的最主要因素是地震破裂面的幾何尺寸、震源機制和海底地形特征，可忽視震源破裂過程的影響（Ben-Menahem，Rosenman，1972；Geist，1998；Okal，1988；Okal et al，2013），在海嘯數值模擬過程中通常假設地震破裂瞬間完成。隨著研究的深入，研究人員對震源破裂過程的影響逐漸產生了新的認識。Suppasri等（2010）在不同的震源破裂速度假設下，模擬了2004年印度洋海嘯的產生和傳播過程，發(fā)現較快的破裂速度能夠引發(fā)更大的海嘯波高。Satake等（2013）發(fā)現2011年日本東北海嘯在震源區(qū)域附近的海嘯波對震源的破裂過程很敏感，震源破裂的持續(xù)時間是決定日本沿海海嘯波高度和到達時間的關鍵因素，基于瞬時破裂假設模擬的海嘯波比實際觀測的海嘯波抵達時間更早，振幅更大。Williamson等（2019）研究結果表明，若在模擬海嘯時考慮震源的破裂過程，并假設震源發(fā)生單向破裂，在背離破裂方向位置處的海嘯波振幅將略低于基于瞬時破裂假設模擬得到的海嘯波振幅；但在破裂方向的前方，考慮震源破裂過程時，將得到更大的海嘯波振幅。Wang等（2024）研究分析了震源破裂過程、海底坡度水平運動、海水可壓縮性及地球彈性等次物理過程對近場及遠場海嘯波形模擬精度的影響。這些研究都表明考慮震源運動破裂過程將對海嘯波的模擬結果產生影響。

在過去幾千年里，中國記錄了100多起與海嘯或“海溢”有關的事件，其中大部分集中在中國南海沿岸（王曉青等，2006）。美國地質調查局（USGS）海嘯研究組認為中國南海東部的馬尼拉海溝發(fā)生海嘯的風險較高。馬尼拉海溝附近海面開闊，發(fā)生海嘯將對我國南部沿海地區(qū)產生影響。目前針對海嘯對中國沿海地區(qū)的潛在影響的研究，已開展較多的相關工作，既有針對整個沿海地區(qū)（Liu et al，2007；Ren et al，2017；楊智博，2015；劉也，2018）、也有針對特定場點（Ren et al，2014；張鵬，2017）；有基于俯沖帶動力學參數來評估海嘯威脅（李宏偉等，2024；鄭旭，周少輝，2022）的，也有通過耦合不確定性因素對馬尼拉海溝俯沖帶和琉球海溝俯沖帶的地震海嘯危險性進行評估的（劉哲，任魯川，2024），但這些研究在模擬海嘯時很少考慮震源破裂過程的影響。而馬尼拉海溝空間跨度較大，當發(fā)生大地震時，很有可能出現持續(xù)時間較長的震源破裂過程。

Ren等（2019）對海嘯波在等深度的外海和從深海到大陸架傳播時的運動源效應進行了數值研究，證明震源運動破裂過程對海嘯振幅和到達時間的影響是明顯的，海嘯振幅在深海的影響比在大陸坡的影響更顯著，但他關于震源破裂過程影響分析是較為寬泛的，主要關注整體的震源破裂過程影響，而對其中的具體影響因素研究較少，缺乏關于破裂速度和破裂方向對馬尼拉俯沖帶可能產生的海嘯傳播特征的影響深入分析。

本文以Megawati等（2009）給出的馬尼拉俯沖帶典型斷層滑動分布為基礎，構建不同破裂速度和破裂方向的破裂模型，采用考慮震源運動學破裂過程的數值模擬方法模擬不同破裂方向和速度情況下的海嘯傳播情景，通過對比分析沿海場點在不同情景下的海嘯波時程，評估分析震源的運動學破裂過程對馬尼拉俯沖帶海嘯的潛在影響。

1基于震源破裂運動學的海嘯數值模擬

海嘯的數值模擬過程包含海嘯的生成和傳播過程。海嘯生成過程即海底發(fā)生的地震引發(fā)海床發(fā)生大規(guī)模變形導致海平面發(fā)生抬升的過程。通常采用Okada（1992）給出的均勻彈性半空間位錯理論計算地震引發(fā)的海床變形，假設海床產生的垂直變形可視為海平面的抬升。

在模擬海嘯生成階段時，為了較好地反映破裂面復雜度，通常將矩形破裂面劃分為若干個矩形子斷層，為每個子斷層分配不同的滑動量以反映斷層面滑動的不均勻性。利用均勻彈性半空間位錯理論計算得到每個子斷層破裂后在海床處產生的垂直變形?；趶椥晕诲e模型的線性性質，整個斷層破裂后在海床處產生的垂直變形可采用線性疊加原理得到（Ren et al，2019）：

2馬尼拉俯沖帶海嘯情景的設定

馬尼拉俯沖帶被認為是中國南海內部最有可能產生區(qū)域性大海嘯的海嘯源，是目前中國南海海嘯災害的主要研究對象（李琳琳等，2022）。馬尼拉俯沖帶位于歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊的交界處，南起巴拉望島北端，北至臺灣島，沿菲律賓呂宋島西緣延伸約1 000 km。菲律賓海板塊正以70 mm/a的速度俯沖到歐亞大陸板塊下方，導致俯沖板塊和上覆板塊之間長時間的輻合和擠壓，隨著累積應力的釋放，存在發(fā)生巨大或特大地震的風險。馬尼拉俯沖帶發(fā)生特大地震誘發(fā)的海嘯將直接襲擊我國臺灣、福建、廣東、海南等沿海地區(qū)。

典型海嘯情景的數值模擬是評估海嘯災害的重要手段。Megawati等（2009）根據地質構造、地球物理探測和大地測量數據提出了一個矩震級（MW）為9.0的馬尼拉俯沖帶典型破裂模型，該模型假定自1560年以來，歐亞大陸板塊和菲律賓板塊在馬尼拉俯沖帶處完全耦合，根據呂宋島和臺灣南部的GNSS觀測得到的板塊俯沖速率，預測總累積滑移虧損量及滑移分布。模型基于俯沖帶的幾何形狀將俯沖界面離散為 33個矩形單元，各矩形單元具有不同的幾何尺寸、傾角、深度和滑移量，如圖1所示。其中1～18號單元覆蓋了從地表到15 km深度的俯沖界面，19～33號單元覆蓋了 15～55 km深度的俯沖界面。

為了探究馬尼拉潛在海嘯源發(fā)生海嘯時，斷層破裂的運動過程對海嘯波的影響，本文基于Megawati等（2009）提出的馬尼拉俯沖帶典型破裂模型的滑移分布，構建不同破裂運動方式的海嘯情景。當滑移分布確定時，斷層的破裂方向性和破裂速度是控制破裂運動的最主要因素。針對破裂方向性的影響，構建了3個破裂速度相同但破裂方向不同的海嘯情景（情景1、5和6）；針對破裂速度的影響，構建了4個破裂方向相同但破裂速度不同的海嘯情景（情景1、2、3和4）。同時在我國東南沿海地區(qū)沿岸30 m水深處設置了6個虛擬驗潮站捕捉海嘯波的演變特征。表1中給出了本文構建的海嘯情景的破裂速度和破裂方向特征，除上述設定海嘯情景外，額外構建了1個基于瞬時破裂假設的海嘯情景，用于比較分析震源運動學破裂過程對海嘯的影響。

3破裂速度的影響

為了探究破裂速度的影響，構建4個破裂起點相同但破裂速度不同的海嘯情景；破裂速度影響著各子斷層的破裂時間，各子斷層的破裂時間是反映震源運動過程最直接的參數。對于已發(fā)生的地震海嘯，各子斷層的破裂時間可通過海嘯波反演結果確定。但評估危險性時，對設定海嘯場景開展數值模擬則需根據破裂速度對各子斷層的破裂時間進行合理的估計。根據Graves和Pitarka（2010）的研究，斷層破裂在滑移較大時傳播較快，而在滑移較小時破裂傳播較慢，所以各子斷層的起始破裂時間可根據震源的基礎破裂速度和子斷層的滑移量進行估計。震源的基礎破裂速度Vr可表示為：

在本文設定的4種海嘯情景中，設定相同的滑移分布和破裂起始位置，滑移分布均參考Megawati等（2009）給出的典型破裂模型，破裂起點均設定在俯沖帶的北段。為各海嘯情景設定不同破裂速度，VS是控制破裂速度的基礎參數，假設每個海嘯場景中各子斷層處的VS相同；考慮到在2004年印度洋海嘯的研究中Grilli等（2007）以及Fujii和Satake（2007）建議破裂速度取1.0 km/s時最能符合實際觀測到的海嘯波形，以及考慮以往地震發(fā)生的破裂速度和馬尼拉海嘯潛源的地質條件，將4種海嘯情景的VS分別設定為1.0、2.0、3.0和4.0 km/s。圖2中展示了4種海嘯情景中各子斷層的起始破裂時間，可以看出即使是破裂時間最短的海嘯情景需要大約5 min，而在1.0 km/s的海嘯情景下，其破裂時間超過20 min，是2.0 km/s海嘯情景下的2倍。

對4種海嘯情景開展基于破裂運動學的海嘯數值模擬，計算域為（12°～32°N，104°～126°E），數值模擬所需的水深地形數據采用GEBCO30數據，網格分辨率設置為1弧分，時間步長設置為0.5 s。圖3中以1號驗潮站為例展示了不同海嘯情景下的海嘯波時程，除上述4種設定海嘯場景外，基于相同的滑移分布采用瞬時破裂假設（不考慮震源的運動學破裂過程）額外模擬了一個海嘯情景作為比較參考。如圖3所示，不考慮震源的運動學破裂過程時，所有滑動同時發(fā)生，產生的海嘯波最早到達1號驗潮站，斷層破裂后約6 900 s（115 min）海嘯波到達1號驗潮站；考慮震源的運動過程時，海嘯波到達驗潮站的時間向后推遲，且推遲時間隨著破裂位置處剪切波速VS的減小而增大，當VS=1.0 km/s時，斷層破裂后約7 500 s（125 min）海嘯波到達，與不考慮震源運動過程的模擬結果相比，到達時間推遲了10 min。

在上述幾個海嘯情景下，1號驗潮站的峰值波高隨破裂速度的減慢而出現輕微的降低，在瞬時破裂的假設下，峰值波高約2.5 m，當假設VS=1.0 km/s時，峰值波高降低為2.2 m。各海嘯情景間波峰出現時間的差異與海嘯波到達時間的差異一致，表明海嘯波在海水中的運動速度不受震源的運動學破裂過程影響。

圖4為各海嘯情境下6個驗潮站記錄的海嘯波時程。總體上，海嘯發(fā)生2 h后1號和3號驗潮站最早記錄到海嘯波，3 h左右2、4和5號驗潮站記錄到海嘯波，到達6號驗潮站的時間最晚，超過7 h。距離潛在海嘯源較近的1、2、3號驗潮站處的峰值海嘯波高較大，均超過2 m。4、5、6號驗潮站處的峰值海嘯波高相對較小，均在1 m左右。

針對每個驗潮站，震源的破裂速度影響海嘯波的到時和峰值波高。海嘯波到時方面，隨著破裂速度的減慢，波到時逐漸向后推遲；海嘯波峰值波高方面，呈現出隨著破裂速度的減慢，峰值波高逐漸減小的趨勢。

但震源的破裂速度對不同位置驗潮站的影響程度不完全一致。在海嘯波到時方面，1、2號驗潮站的海嘯波到時受破裂速度的影響較大，與瞬時破裂相比，VS=1.0 km/s時海嘯波到達時間最長可推遲10 min。3～6號驗潮站的海嘯波到時受破裂速度的影響較小，在瞬時破裂和不同破裂速度的假設下，海嘯波幾乎在相同的時間到達驗潮站。在峰值波高方面，3號驗潮站的峰值波高受破裂速度的影響較大，瞬時破裂與VS=1.0 km/s時的海嘯情景相比，峰值波高相差1.5 m；其余5個驗潮站的海嘯峰值波高受破裂速度的影響較小，在不同情景下峰值波高的差不超過0.3 m。

4破裂方向性的影響

破裂方向也是描述震源運動學破裂過程的重要因素，為討論破裂方向性的影響構建了3種破裂

起點不同但破裂速度相同的海嘯情景，破裂起點分別設置在馬尼拉俯沖帶的最北端、最南端和中段，使斷層發(fā)生由北至南、由南至北的單向破裂以及由中間至兩端的雙向破裂。各海嘯情景的滑動分布與上文相同，剪切波速VS均設置1 km/s，采用與上文相同的方法估計各子斷層的起始破裂時間，各海嘯情景的估計結果如圖5所示，從圖中可知當VS=1 km/s時，即使是雙向破裂，其時間也長達十幾分鐘，而單向破裂情況依舊高達二十多分鐘。

對3種海嘯情景開展基于破裂運動學的海嘯數值模擬，計算域、水深數據、空間網格和時間網格大小與上文一致。圖6中以1號驗潮站為例展示了不同海嘯情景下的海嘯波時程。如圖所示，當斷層由馬尼拉俯沖帶北端向南破裂和由南端向北破裂時，海嘯波到時幾乎一致，約為7 500 s（125 min）。當斷層由馬尼拉俯沖帶中段向兩端破裂時，海嘯波更早到達1號驗潮站，約7 000 s（117 min），接近瞬時破裂的到達時間，比由南至北破裂和由北至南破裂的情況提前了500 s。在峰值波高方面，由中間至兩端破裂和由北至南的破裂情景中，峰值波高小于瞬時破裂的情景，其中假設斷層由中間至兩端破裂時，峰值波高最小約為2.0 m；假設由南至北破裂時，峰值波高最大，約為3.0 m，大于瞬時破裂的情景。在各破裂情景間，峰值波高最大值為最小值的1.5倍。

圖7中展示了不同破裂方向的海嘯情境下，6個驗潮站記錄的海嘯波時程。如圖所示，不同的破裂方向對海嘯波到時和峰值波高均產生影響。在海嘯波到時方面，當采用瞬時破裂假設時，海嘯波到達時間最早；當假設斷層由南至北破裂時，海嘯波到達時間最晚；當假設斷層由北至南破裂和由中間至兩端破裂時，海嘯波到達時間的前后關系則與驗潮站的相對位置相關，驗潮站距離初始破裂位置越近，海嘯到達時間越早。

在峰值波高方面，假設斷層由南至北破裂時，在各驗潮站處的峰值波高幾乎均為各海嘯情景中的最大值；假設斷層由北至南破裂和由中間至兩端破裂時，峰值波高與驗潮站的位置相關。在1號和2號驗潮站中，由北至南的破裂方向產生的海嘯波高比由中間至兩端的破裂方向產生的波高大了許多。在3～6號驗潮站發(fā)生了相反的現象，由中間至兩端的破裂方向產生了比由北至南的破裂方向較大的波高。這些現象表明在考慮震源運動學的海嘯數值模擬中，在斷層破裂前方的波高較大，當斷層由南至北破裂時，本文設置的所有驗潮站均位于破裂的前方，在各驗潮站處產生了較大的海嘯波高，甚至超過瞬時破裂的情景；當斷層由北至南破裂時，1號和2號驗潮站位于破裂的前方，產生了較大的峰值波高，而4～6號驗潮站位于破裂的后方，產生的海嘯波高在所有破裂情景中最小。

為了研究馬尼拉海嘯潛源傳播的震源運動學效應，圖8繪制了海嘯發(fā)生10 h瞬時破裂情景下最大海嘯波高空間分布，圖9繪制了7種設定考慮震源運動學破裂過程的海嘯情景最大海嘯波高與瞬時破裂情景差值空間分布圖。從圖中可以看到，差值超過1 m的空間集中在馬尼拉附近區(qū)域，以及中國南海北部。隨著破裂速度的下降，考慮震源運動學破裂過程海嘯情景最大海嘯波高與瞬時破裂情景差值超過1 m的空間分布越廣。而在3個破裂起點不同但破裂速度相同的海嘯情景中，從南到北破裂情景下最大海嘯波高與瞬時破裂情景差值超過1 m在中國南海的空間分布最廣，其次是從中間向兩邊的雙向破裂情景，而從北到南破裂情景下最大海嘯波高與瞬時破裂情景差值超過1 m在中國南海的空間分布是最有限的。

總之，考慮震源運動學破裂過程海嘯情景和瞬時破裂情景兩者產生的最大海嘯波高差集中在馬尼拉附近區(qū)域和中國南海北部。這表明海嘯的最大幅度位置可能會發(fā)生偏移，這對海嘯預防是不可忽視的。值得注意的是，破裂速度越慢，考慮震源運動學破裂過程海嘯情景和瞬時破裂情景兩者產生的最大海嘯波高差空間分布越廣。

5結論

本文引入了一種考慮震源破裂速度和方向的海嘯數值模擬方法，應用于馬尼拉俯沖帶典型海嘯源情景的海嘯數值模擬中。為了研究破裂速度和破裂方向對馬尼拉俯沖帶潛在海嘯的影響，分別構建了4個破裂方向一致但破裂速度不同的海嘯情景，以及3個破裂速度相同但破裂方向不一致的海嘯情景，并與瞬時破裂假設下的模擬結果對比，得出以下結論：

（1）震源的破裂速度和破裂方向影響海嘯波的到時和峰值波高。在本文的設定海嘯情景中，同一位置處的海嘯波到時最大可相差10 min，峰值波高最大值約為最小值的1.5倍。

（2）在破裂初始位置相同時，破裂速度越慢，海嘯波到達驗潮站的時間越晚。在破裂速度相同時，初始破裂位置距離驗潮站越近，海嘯波到達驗潮站的時間越早。

（3）在破裂方向相同時，破裂速度越慢海嘯波峰值波高越小。在破裂速度相同時，若驗潮站位于破裂方向的前方，其峰值波高將超過瞬時破裂假設下的海嘯情景。若驗潮站位于破裂方向的后方，則低于瞬時破裂假設下的海嘯情景。

綜上所述，震源的破裂速度和破裂方向將對馬尼拉俯沖帶海嘯的到時和峰值波高產生影響，評估馬尼拉俯沖帶海嘯危險性及開展海嘯預警工作時建議予以考慮。

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Impact of Earthquake Source Kinematic Rupture Process on the Potential

Tsunami in the Manila Subduction Zone

REN Yefei1，2，LIU Jie1，2，LIU Ye1，2，WANG Hongwei1，2，WEN Ruizhi1，2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，

China Earthquake Administration，Harbin 150000，Heilongjiang，China）

（2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation，Ministry of Emergency Management，Harbin 150000，Heilongjiang，China）

Abstract

Enhancing the understanding of the tsunami generation mechanism in the Manila subduction zone is of great significance to marine disaster prevention and reduction in the southeastern coastal areas of China.So far，scientistshave shown great concern about the impact of the kinematic source rupture process in the large-scale subduction zone on the tsunami generation.However，the impact of the earthquake source kinematic rupture process in the Manila subduction zone has not been investigated clearly yet.Based on the typical scenario of rupture model of the Manila subduction zone，this study conducts numerical simulations of tsunami scenarios with different rupture velocities and directions separately.It aims to evaluate and analyze the influence of rupture velocity and rupture direction on the propagation characteristics of the tsunami wave.The results show that when the rupture direction keeps the same，the slower the rupture velocity，the later the tsunami wave arrives and the smaller the peak wave height.When the rupture velocity keeps the same，the peak wave height at the sites in front of the rupture is much higher，and the wave at sites closer to the initial rupture location will arrive earlier，compared with the simulation results that do not consider the rupture kinematic process.Among the different scenarios，the arrival time of tsunami waves at the coastal sites may differ 10 minutes at most，and the maximum peak-wave value is about 1.5 times as large as the minimum peak-wave value.

Keywords：rupture velocity；rupture direction；the Manila subduction zone；tsunamis；numerical simulation