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海嘯

海嘯,就是海上突然出現的巨浪,如果沖向陸地,所到之處,破壞設施、建築,造成生命財產損失。它是如何發生的?我們應該如何面對海嘯?降低它的災害?
 
 
 
海嘯,就是海上突然出現的巨浪,有時浪高可達十公尺以上。這種巨浪可能在同一地點持續數小時,重複幾十次,如果沖向陸地,所到之處,破壞設施、建築,會造成生命財產的重大損失。

二○○四年十二月二十六日清晨,印尼發生 9.0 級大地震,震央位於蘇門答臘島西北部的亞齊省西南外海 160 公里處。地震引發南亞大海嘯,巨浪沖向印尼、泰國、斯里蘭卡、印度這些印度洋周邊國家,甚至沖向遠在五千公里外的非洲東岸,一天之內造成數十萬人傷亡,數百萬人無家可歸。

海嘯發生的頻率並不低,以臺灣為例,二十世紀就有四次海嘯紀錄,但因規模不大,浪高都不及一公尺,因此未造成重大災害。規模像這次南亞大海嘯的,倒是很少發生,全球平均幾十年才有一次。

海嘯發生的原因

海嘯發生時,沖向陸地的巨浪,速度可達每秒數十公尺。以速度 V = 10 m/s 計算,質量 M = 1 kg 海水持有的動能 K 是

K = 1/2 × MV2 = 1/2 × 1 kg ×(10 m/s)2 = 50 joule
 
而且,海水由海面沖向陸地,至少經過幾十秒的時間,也就是這些海水「持有」這些動能至少達幾十秒。 因此,海嘯的發生,一定是有造成局部海水突然獲得大量動能的機制,海水瞬間開始快速流動,形成巨浪,這種海浪以速度

V =(gh)1/2
 
(其中 g 是重力加速度 9.8 m/s2,h 是水深)向四面八方傳播。以水深三千公尺的海面為例,

V = (9.8 × 3000)1/2 m/s = 170 m/s
 
約等於傳播速度每小時六百公里。 若海水原本的平衡狀態瞬間被破壞,破壞的能量就會轉移到海水,使海水突然獲得大量動能而引發海嘯。這有以下三種可能的原因:(1)巨大外物(例如彗星)撞擊海洋;(2)海底山崩塌;(3)海底淺層地震。

如果不幸有一顆彗星撞擊地球,且撞到海洋,則被撞的局部海水會因此被排開,並吸收彗星的動能,而形成巨浪,引發大海嘯。一九九四年曾有彗星撞木星的事件,至於彗星撞地球,雖然有史以來未曾發生,但在史前曾經發生過,未來還是有可能的。美國亞利桑那州就有一個三萬三千年前產生的直徑1.2公里的彗星撞擊坑。

海底山崩塌是可能引發海嘯的第二個原因。如果海底山發生崩塌,崩塌的部分會掉落海底地表,降低位能,轉換為海水的動能,使海水流動,產生巨浪而引發海嘯。海底山崩塌曾經造成一九九八年的巴布亞紐幾內亞海嘯。最近有人預測西非摩洛哥外海加納利群島中的巴爾默島,可能因火山爆發造成崩塌,而引發高達一百公尺巨浪的大海嘯。不過筆者對發生如此大規模崩塌的可能性,抱持強烈懷疑。

最常引發海嘯的是震源在海底的淺層地震。斷層是板塊邊界,若海底淺層地震造成斷層兩側的板塊產生垂直方向的相對位移,則覆蓋的海水也會跟著產生垂直方向的相對位移,海水原本的平衡狀態被破壞,抬升板塊上方的海水變得比較高,位能變得比較高,於是向位能比較低的下沈板塊方向流動。也就是說,海底淺層地震可能使震央附近的海水突然獲得大量位能,這個位能因地心引力立即轉換為動能,使海水流動,而引發海嘯。

依震源深度,可以把地震分為淺層(深度 0 ~ 70 公里)、中層(深度 70 ~ 300 公里)、深層(深度超過 300 公里)三種。斷層地震都發生在板塊邊界處,依照板塊之間相互移動的方式,斷層可分為平移型、發散型和聚合型三種。發散型斷層是上盤向下滑移(下沈),又稱正斷層,聚合型斷層是上盤向上滑移(抬升),又稱為逆斷層。正斷層和逆斷層都是傾斜滑移斷層。

如果海底地震是由平移斷層引發,斷層沒有傾斜滑移,則海底板塊只會發生水平位移。因海水是流體,雖然會跟隨發生水平位移,但位移量遠小於海底板塊的位移量,海水原本的平衡狀態被破壞得很有限。而且這種破壞僅限於水平方向,不涉及重力加速度,海水不會增加位能,因此即使發生海嘯,規模也不大。

如果發生海底傾斜滑移斷層地震,但震源很深,斷層破裂面並未延伸到海底地表,只局限在海底地表以下,則地震波傳到海水時,海水只是傳播震波的介質,震波傳過之後海水又恢復平靜。震波雖然可能產生盆地效應,即震波在一個封閉水體中來回擺盪而產生加成作用,但這種擺盪只會在小面積的水體,如湖泊或內海產生。由於封閉水體的水量有限,且傳播的只是震波,不是海浪,震波能量會由海水傳入海底而消散。

至於海水流入海底斷層的裂隙,不太可能是產生海嘯的原因。因為斷層的裂隙通常非常小,特別是傾斜滑移斷層,裂隙多在十公分以內,幾乎看不到。以臺灣一九九九年的 921 地震為例,在斷層面上兩板塊緊密接合,根本沒有裂隙,海水無法流入,因此不太可能引發海嘯。

斷層破裂面在陸上的地震,除非破裂面延伸到海底地表,否則海水的角色只是震波傳播的介質。地震波到達之後,海水雖短暫獲得振動的動能,卻無法「持有」這個動能,這個動能在不到一秒之內就傳播到別處,海水又恢復平靜,不會流動。所以陸上地震幾乎不可能引發海嘯。

最可能引發海嘯的,是斷層破裂面在海底地表的海底傾斜滑移地震。這種地震會造成斷層兩側板塊的地表產生垂直方向的相對位移,正斷層是下盤抬升,逆斷層則是上盤抬升,由於覆蓋在板塊上方的海水隨著板塊產生垂直方向的相對位移,在抬升板塊上方的海水面跟著抬升,於是高於下沈板塊上方的海水面,這個過程只需要幾秒鐘時間。隨後地心引力迫使具有較高位能的海水向下沈板塊快速流動,形成巨浪向四面擴散,而引發海嘯。

海底的斷層,大部分是位於海洋板塊衝入大陸板塊底下,或海洋板塊衝入另一海洋板塊底下的隱沒帶的聚合型斷層,屬於逆斷層,且斷層附近有海溝,發生地震時是上盤抬升,下盤下沈。雖然斷層也有平移型和發散型,但比較少。以這次引發南亞大海嘯的地震為例,就是印度板塊和澳洲板塊衝入緬甸小板塊和桑達板塊的逆斷層。

海底斷層傾斜滑移,抬升板塊上方的海水到底具有多少能量(位能)?以 1226 南亞大海嘯為例,斷層傾斜滑移造成上盤抬升達 30 公尺,斷層破裂面長度超過一千公里(106 m)。假設上盤抬升與下盤下沈發生在斷層兩側各一百公里(105 m)範圍內,則上盤抬升的海水質量 M 是(海水密度是 103 kg/m3

M = 106 m × 30 m × 105 m × 103 kg/m3 = 3 × 1015 kg
 
獲得的位能 U(以 U = mgh 計算,重力加速度 g = 9.8 m/s2,海水平均抬升高度 h = 15 m)

U = 3 × 1015 kg × 15 m × 9.8 m/s2 = 4.4 × 1017 joule
 
大約是兩千顆廣島型原子彈的能量!如此巨大的重力位能瞬間轉為海水流動的動能,可以想見造成海浪及海浪衝擊的力量有多大!

由於抬升板塊上方的水體先流向下沈板塊,因此抬升板塊後方的海岸先發生大退潮,之後才會遭到海浪侵襲。相反地,下沈板塊後方的海岸不會因海嘯發生退潮。以這次南亞大海嘯為例,倖存的泰國普吉島遊客描述海嘯當時先發生大退潮,「來不及退游的魚在沙灘上掙扎,接著巨浪侵襲……」因為普吉島位於逆斷層上盤(抬升板塊)的後方,海水先向下盤流動,因此先發生大退潮。一八六七年基隆大海嘯也是先發生大退潮,是基於相同的原因。

哪裡可能因地震引發海嘯

板塊邊界可分為聚合型、發散型和平移型三種。中洋脊包括發散型和平移型板塊邊界,且占了海底發散型板塊邊界的大部分。由於中洋脊地殼溫度很高(可能高達攝氏一千度以上),只會發生小規模地震(規模 4 以下),不太可能引發海嘯。不在中洋脊的平移型海底板塊邊界則都是平移斷層,如前所述,不會引發海嘯。

由於隱沒帶占了海域傾斜滑移板塊邊界的大部分,因此可能引發海嘯的海底斷層大多是聚合型的逆斷層,只有少數是正斷層。海底聚合型板塊邊界主要分布在:(1)環太平洋地震帶:由南美洲智利外海向北至中美洲,由北美洲阿拉斯加向西南,經阿留申群島、千島群島、日本、琉球群島、馬里亞納群島、菲律賓、紐幾內亞、所羅門群島到紐西蘭東部外海;(2)阿爾卑斯地震帶:包括地中海、孟加拉灣、印尼南方外海。

這次發生南亞大海嘯的地震震央,印尼亞齊省西南方外海,就是阿爾卑斯地震帶的一部分。環太平洋地震帶大部分是海底隱沒帶逆斷層,阿爾卑斯地震帶則大約一半是海底隱沒帶逆斷層。 會引發海嘯的隱沒帶多在大陸邊緣,逆斷層上盤在近陸地的一邊,下盤在面向大洋的一邊。發生海嘯時,上盤抬升的結果,海水先向下盤方向流動,因此上盤後方海岸先發生大退潮。所以,對大多數海岸而言,海嘯的發生是先有大退潮,然後才是大浪侵襲。

臺灣是否可能發生海嘯?是的,一七八一年在臺南,一八六七年在基隆、淡水,都有大海嘯的紀錄。臺灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊邊界上,斷層經過臺灣陸地,由於南方海域及東北方海域都是板塊邊界的隱沒帶(海底逆斷層),因此,海嘯可能在南北兩端發生,侵襲臺灣。

海嘯災害防治

海嘯是自然現象,無法避免。既然無法避免,就要面對它,與它和平共存,設法把海嘯的災害降到最低。 海嘯的傳播速度是每小時數百公里,除非正好在斷層附近,海嘯由斷層傳到陸地,總有幾分鐘以上的時間,利用這一點時間就可以減少災害。

以 1226 南亞大海嘯為例,由震央(印尼亞齊省外海)到斯里蘭卡距離約一千六百公里,海嘯的巨浪到達需 2.5 小時,如果能預先發布警報,所有的人都有足夠的時間撤至安全地點。由於缺少預警系統,斯里蘭卡傷亡慘重,甚至遠在東非的索馬利亞也有數百人喪生。但在震央附近的印尼錫默盧島 (Simeulue),島民憑藉「發生地震立即往山上跑」的古老傳說,據報導在這次南亞大海嘯中竟然全島無一人傷亡!

由於地震發生後.鄰近的監測站可以在一分鐘之內測知,然後在幾秒內判定震央及強度,及時對可能受海嘯侵襲的地區發出警報,技術上不是問題。因此,建立海嘯預警系統,並且準備好發生海嘯時的撤離路線,是必須的。

臺灣如果發生海嘯,震央可能在臺灣南方或北方海域,與臺灣陸地有數百公里的距離,因此臺灣有大約一小時的預警時間,足夠避免嚴重損失,也因此臺灣有必要儘早建立海嘯預警系統。
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