2019年2月27日

神出鬼沒的海底山崩型海嘯大解密

口述|吳祚任/中央大學水文與海洋科學研究所副教授。
撰文|郭家銘/本刊編輯。

2004年,印尼曾發生人類史上最嚴重的南亞海嘯(Indian Ocean tsunami),當時地震的震矩規模(Moment magnitude scale)達9.1,印度洋旁的爪哇海溝(Sunda Trench)受地震影響破裂1200多公里,其所引發的海嘯規模之大,造成約29萬人死亡;而去(2018)年9月,印尼蘇拉威西島(Sulawesi)西北方帶狀峽灣下方的帕魯(Palu,圖一)也發生海嘯,死亡人數據統計約為1500人,同年12月雅加達萬丹西北方的喀拉喀托火山(Krakatau)附近亦傳出類似的海嘯事件。近期這2起事件伴隨的地震規模與傷亡人數,都遠不及南亞海嘯,然而災情卻遠超過預期,且幾乎沒有可以察覺的徵兆,令專家感到震驚。

圖一:2018蘇拉威西地震與海嘯的發生地──帕魯。(Wikimedia-Phoenix7777, https://bit.ly/2V83BNE)

常見的海嘯來源──地震
海嘯的主要成因是地震,地震型海嘯也佔所有海嘯的90%。再往下細看,地震的型態可分為3種──2個板塊水平移動的走向滑移(strike-slip fault,圖二a)、2個板塊彼此離開唯中間陷落的正斷層(normal fault,圖二b)及板塊彼此擠壓導致地層一上一下的逆斷層(reverse fault,圖二c)。這3個地表運動相當不一樣:純粹的走向滑移基本上沒有垂直,只有水平運動,而正斷層與逆斷層皆只有垂直的陷落與抬升。要讓海水擾動並產生大海嘯,仰賴的是垂直運動;也就是說,要引發最強大的海嘯,其地震通常非正斷層即逆斷層,且當中又以逆斷層最常發生。此外,大規模海嘯通常伴隨(地表下35公里以內的)極淺層地震,深度越深的地震反而越不會有影響。若以最糟的情境估算,假設地震的型態為逆斷層、規模7.5,則海嘯高度一般會小於1公尺;若規模為7,則約小於20公分。

圖二:(a)走向滑移、(b)正斷層與(c)逆斷層示意圖。

海嘯的隱藏版菜單──海底山崩
那麼,與去年9月帕魯海嘯有關的地震屬於哪一型呢?答案是:理論上不會產生海嘯的「走向滑移」。當時地震規模僅7.5,海嘯的高度透過數值模擬計算也僅約30公分,然而這些數字都與現場狀況天差地遠。根據目擊者表示,海水沖上岸的波高目測有10公尺,不僅如此,海嘯還相當「扎實」,一座黃色鋼筋混凝橋因此被沖斷。另外,事發當時附近船隻亦發現約有8個由海底山崩所引發的圈狀海浪,加上海底量測的結果,學界多將引發該起海嘯事件的矛頭指向海底山崩(submarine landslide),而非地震所造成的影響。

至於12月的喀拉喀托海嘯,得從喀拉喀托火山中間一座較晚形成的小火山──喀拉喀托之子(Anak Krakatau,圖三)的身世說起。此前,喀拉喀托火山曾於1883年8月噴發並引起超級海嘯,該次事件也造成煙霧沿赤道下降,在陽光無法照射進來的前提下,全球溫度開始下降;然而,與此次海嘯有關的火山噴發運動,卻是由喀拉喀托之子操刀,且海嘯過後其體積也有明顯削減,峭壁上的某些部分可能已掉入水裡。從這裡可以觀察到,只要海床的地形過度陡峭,在遭遇地震或火山噴發時便會崩塌並產生垂直運動,進而引發大海嘯;當然還有另一個原因──海底火山的運動,無論是火山本身或其噴發物所引發,都會產生垂直運動。由海底山崩所引發的海嘯相當棘手,因發生的地點較鄰近,且與海溝型的海嘯相比範圍較窄、波高較高,約15分鐘便發生完畢,幾乎是沒有時間預警的。

圖三:由日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的高等陸地觀測衛星資料所分析出關於喀拉喀托之子噴火前後的圖像。(Analysis by GSI from ALOS-2 raw data of JAXA)

我們不一樣!同為海嘯兩樣情
人類史上最高的海嘯,根據歷史記載,為1964年阿留申群島(Aleutian Islands)地震所引發的海嘯(約500公尺)。那是多高呢?想想臺灣最高的建築物「臺北101(樓高509.2公尺)」向著人們倒下的樣子,大概就能略知一二。平均而言,地震所引發的海溝型海嘯約10~30公尺,與500公尺的海嘯相比固然小巫見大巫,然而其攻擊面相當廣(約500~1000公里),如日本311海嘯(東北地方太平洋俯衝地震)。不過,由於這類海嘯通常與一段大陸棚相隔,有20分鐘至高達數小時的預警時間,且目前也有許多相關預警系統被發展出來,故整體的威脅還有降低的可能。地震引發山崩、進而造成的海嘯,過程至少還有地震的暗示,火山噴發直接或間接導致的海嘯就不一樣了。以此次印尼為例,2起事件中「沉默的海嘯」源於火山持續噴發所導致的大規模海底山崩,海嘯可說是來得相當突然。

危機解密──臺灣的火山也曾帶來海嘯
跟地震相比,火山聽起來好像離臺灣人很遙遠,但其實臺灣在過去也有類似的事件發生。1867年的基隆海嘯與9月的印尼帕魯海嘯相似,地震規模不到7,理論上沒有發布海嘯預警的必要,然而根據文獻記載,當時海嘯淹沒後的水位高度達6~7公尺深。此外經考證發現,淹水事件甚至涉及水尾一帶,當地耆老也表示水最後淹到基隆的獅球嶺,該起海嘯事件顛覆人們的想像,原來海嘯不僅能打上岸,甚至還能打到山邊那麼遠。

主流期刊對印尼海底山崩發生的可能推測,包括周圍較陡的地型與火山引發的額外效應;而臺灣的龜山島(圖四),其實也有類似的火山口。龜山島是由烏龜的頭部與身體組成,結構與前面提到的喀拉喀托火山非常相像;而靠向太平洋的那一側,有大面積崩落的痕跡,甚至烏龜的頭部有約1∕3崩塌,顯見當時的海嘯能量有多大。不過,由於該島近期未有明顯的火山運動,因此不至於發生海嘯。臺灣原住民有許多文獻、歌曲等資料,皆有關於幾千年前發生海嘯的記錄,至於是否與龜山島有關,倒是可以進一步地思考的事情。

圖四(左):與喀拉喀托火山有相似火山口與結構的龜山島。(Flickr-Joe Lo, https://flic.kr/p/Bcpq9b)

Made in Taiwan的海嘯,可能出現在哪裡?
話題至此,讀者們多少會好奇,無論印尼還是臺灣,先前發生過海底山崩的地方未來是否會天災重演?儘管海底山崩型的海嘯難以預測,但仍有防治的策略與方向,如海底的斜坡地形就需特別注意。就臺灣來說,除了先前所提到的基隆外海,花東與高屏外海也是我國具海底斜坡地形的代表。

與花東外海有關的,便是1771年於日本石垣島(いしがきじま)發生的「明和大海嘯(明和の大津波)」。從當地眾多海嘯石(圖五)〔註一〕推測,當時海嘯高度約30~40公尺,某些地方甚至高達85公尺,而最新研究中的情境分析(scenario analysis)顯示,花蓮外海的琉球島弧(Ryukyu Arc)最有可能是此海嘯的根源,因此花東外海也需特別提防海底山崩型的海嘯。雖然以石垣島南北走向的地勢來看,海嘯基本上是打不太到臺灣的,但假使海底山崩發生在高屏陸棚斜坡,其角度就很有可能對高雄、屏東甚至臺南造成影響。

圖五(右):位於日本宮古群島下地島的海嘯石,是目前世界上所發現最大的海嘯石之一。(Flickr-yuichi hayakawa, https://flic.kr/p/RnRZif)

南臺灣就曾在1781年時有1次海嘯紀錄。根據《台灣採訪冊》記載的傳聞推測,當時第一波海嘯淹沒的高度為2~3公尺,人們須躲到屋頂或竹林上才能倖免於難,這波海嘯也僅淹死1位待公婆不佳的婦女。有趣的是,若該段歷史僅為呈現民間傳奇,其實故事理當到此為止,然而30分鐘後的第二波海嘯高達4~5公尺,卻使人不得不乘坐竹筏逃生。該歷史資料相當可信,不僅因其描述傳神,內容也真切對應海嘯發生時的情境,而後來亦有新加坡學者針對該地進行研究,發現該次海嘯極可能是由高屏陸棚斜坡打上來的。

你所不知道的海嘯預警系統
在解釋完去年印尼海嘯所屬的類型後,不難發現:過去全球海嘯預測系統仍有漏洞,無法準確預警幾乎毫無預兆可言的海底山崩型海嘯。其實,光是陸地上的山崩,如8年前臺灣國道2號走山事件,就很難預測其再現的可能性;即使是每天車來車往的高速公路,誰也沒料到旁邊的山居然會崩塌,更不用說深居海底的斜坡了。話雖如此,解決這個問題的方案還是有的,不過在此之前讀者可能得先了解現行的海嘯預警系統。

海嘯預警系統首要的考量是距離較近的「近源海嘯」,可透過雷達、海底電纜(submarine communications cable)與近海浮標(buoy,圖六)作即時監測。海底電纜的佈設,主要可防範地震引發的海溝型海嘯,由於距離較遠,可協助有關單位在第一時間發布預警;然而,如果海嘯的源頭較近,則需把這些「偵察兵」都撤回來,相對就需依靠距離較近的雷達與近海浮標。如果要在臺灣使用這些設備,前文所提的基隆、花東與高屏外海就會是佈設的最佳地點,目前中央大學已為中央氣象局開發一種海嘯預警系統,而中央氣象局也正為該系統佈設浮標與海底電纜。雖說地震所引發的海嘯仍佔多數,但倘若真不幸發生海底山崩事件,仍可靠一些「周邊資訊」預測其所帶來的影響,因此臺灣仍須努力架設系統,尤其是針對距離較遠的地點,如馬尼拉海溝(Manila Trench)。

圖六:許多國家目前所採用的浮標型態。(Flickr-NOAA PMEL, https://flic.kr/p/xeKxhk)

浮標與速算系統則是目前全球海嘯預警系統的主流配備。作為全世界最廣泛使用的海嘯預測工具,浮標下方偵測水壓的壓力計能在海嘯經過時感應下方水體的壓力變化,並將資料透過衛星回傳至相關單位。提到浮標,想必讀者對它的印象就是那經典的「塔狀建築」,然而由於這種形態的海嘯浮標很容易被海盜勾走並向政府索勒贖金,故近年也有廠商推出新款造型,以改善這樣的問題。海嘯浮標通常沿板塊佈設,如美國在太平洋佈設的浮標,如此便能讓有關當局在海嘯發生前10幾個小時進行戒備。

浮標搭配速算系統,萬無一失
放置浮標聽起來很理想,但現實的狀況是:由於臺灣海域並不大,加上海嘯購置與維護的成本驚人,基本上只有美國跟日本才有國力養得起。正因如此,臺灣除了有限的海嘯浮標預警系統外,更需要一些可靠且維護費用低廉的工具,像是海嘯速算系統,來因應當前的困境。這套由中央大學吳祚任教授所建立的系統,可抓取地震資訊(規模、位置與深度),進而算出從日本到南中國海這一段海域可能發生的所有海嘯,以及迅速得到臺灣各地沿海嘯的高度。此外,吳祚任教授也對中央氣象局提出要求美國加密佈設網格並加入其速算系統的建議,不僅讓資訊的解析度更趨實用,也能多角化地經營、支援預警。

〔註一〕海嘯石一般多為水中的珊瑚礁,受海嘯襲擊、搬運上岸後,即稱海嘯石。

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