何宏林 冉勇康 宋方敏 陳立春 陳 杰

1)中國地震局地質(zhì)研究所，國家地震活斷層研究中心，北京 100029

2)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

日本宮崎縣石卷平原海嘯堆積物調(diào)查

何宏林1)冉勇康1)宋方敏1)陳立春1)陳 杰2)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，國家地震活斷層研究中心，北京 100029

2)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2007年4月，為執(zhí)行科技部科研院所社會公益課題“中國沿海地區(qū)古海嘯的定量研究”，課題組部分成員訪問了日本，并對日本東北地區(qū)宮崎縣石卷海岸平原的海嘯堆積物做了概略性的調(diào)查。2011年3月11日，該地區(qū)發(fā)生了9.0級大地震并引發(fā)海嘯，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為了使人們對該地區(qū)過去的海嘯歷史有一個概略認(rèn)識，并了解海嘯堆積物的調(diào)查方法，對這次調(diào)查作一簡要報道。這次調(diào)查揭示出3次海嘯事件，最新一次發(fā)生在公元915年十和田火山噴發(fā)之前，對應(yīng)于公元869年的貞觀大海嘯。

海嘯堆積物 日本東北海嘯 大地切片

0 引言

2011年3月11日14時46分，日本宮崎縣東部海域發(fā)生MW9.0地震，震中位于38°2'N，143°9'E，震源深度約10km(日本産業(yè)技術(shù)総合研究所活斷層·地震研究センター，2011)。截至2011年4月8日，發(fā)生了5次7級以上強(qiáng)余震，同時還觸發(fā)了6級以上板內(nèi)地震 (圖1a)(大木等·東京大學(xué)地震研究所，2011)。該地震系列發(fā)生在太平洋板塊和北美板塊之間的俯沖帶上，為海溝型地震。同震GPS觀測數(shù)據(jù)顯示三陸海岸南部向東水平位移了5.3m，向下沉降了1.2m，而結(jié)合地震和海嘯波記錄，推測破裂面南北長400km、寬200km，最大位移向量30m，平均15～20m(日本國土地理院，2011)。這種巨大斷層在海底造成的數(shù)m地殼運(yùn)動，產(chǎn)生了巨大的海嘯。海嘯引發(fā)的巨大災(zāi)難，波及全日本和周邊國家，乃至太平洋東海岸。在日本本州島東北的三陸地區(qū)里亞斯式海灣最為嚴(yán)重，海嘯波最高達(dá)到37.9m，在宮城縣的仙臺平原和石卷平原也達(dá)到10m左右，而引起福島第一核電站的嚴(yán)重核泄漏事故的海嘯波高達(dá)14m(圖1b，都司·東京大學(xué)地震研究所，2011)。

實(shí)際上，人們早已認(rèn)識到日本東北三陸地區(qū)，包括仙臺平原和石卷平原，是一個易于遭受海嘯襲擊的地區(qū)(阿部壽等，1990;菅原大介等，2001)。1933年3月3日的昭和三陸海岸M8.1大地震和1896年明治三陸海岸M8.2～8.5大地震都引發(fā)過巨大海嘯 (圖1b)。據(jù)《日本三代實(shí)錄》的記載，該區(qū)域在公元869年發(fā)生過一次大地震并伴有巨大海嘯，由于該地震海嘯發(fā)生在三代實(shí)錄的貞觀時期，因此被稱為貞觀海嘯?；趾椭惺冈?991年就發(fā)現(xiàn)了該次地震造成的海嘯堆積物(Minoura et al.，1990)，此后仙臺平原和石卷平原就成為日本開展太平洋沿岸海嘯發(fā)生歷史研究的重要地區(qū)。2004年以后日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所活斷層·地震研究中心在該地區(qū)開展了大量海嘯調(diào)查研究，除1896年和1933年具有詳細(xì)記錄的海嘯事件外，至少鑒別出5層海嘯堆積，根據(jù)14C和火山灰的測年結(jié)果推測，從古至今它們分別是3，100～2，800cal a BP、2，300～2，100cal a BP、公元 869 年(869 年貞觀海嘯)、公元 1300—1400 年(14 世紀(jì))和公元1400年以后(1611年慶長海嘯)(宍倉正展等，2007;澤井祐紀(jì)等，2007)。海嘯的復(fù)發(fā)間隔在500～1，000a之間，它比通常認(rèn)為的宮城縣海域地震的復(fù)發(fā)周期要長，但目前我們還無法知道這些海嘯是不是來自同一個波源。

圖1 a 2011年3月11日日本東北MW9.0地震及其余震分布(大木等·東京大學(xué)地震研究所，2011)，背景為日本本州島和北海道地形，細(xì)線為日本及其周邊的四大板塊邊界;右側(cè)黑色框標(biāo)明的為主震和發(fā)生于板塊邊界的7級以上強(qiáng)余震;左側(cè)紅色框標(biāo)明了發(fā)生在板內(nèi)的觸發(fā)地震;下面的色標(biāo)顯示了余震的震源深度;b三陸地區(qū)2011年(紅色點(diǎn))、1933年(藍(lán)色點(diǎn))和1896年(綠色點(diǎn))3次海嘯波高比較(都司·東京大學(xué)地震研究所，2011)Fig.1 a，main shock and aftershocks of Northeast Japan earthquake，March，2011(Oki et al.·Earthquake Research Institute，the University of Tokyo，2011).The background is the topography of Honshou and Hokaido.Narrow black lines show the plate borders.The black frames with time and magnitude of earthquake on the right indicate the inter-plate aftershocks larger than M7，and the red frames with time and magnitude of earthquake on the left indicate intra-plate earthquakes larger than M6 triggered by the main shock.The color bar shows the depth of aftershocks.b，the wave height of three tsunamis occurring in Sanriku area in 2011(red points)，1933(blue points)and 1896(green points)(Tsuji·Earthquake Research Institute，the University of Tokyo，2011).

為執(zhí)行科技部科研院所社會公益課題“中國沿海地區(qū)古海嘯的定量研究”，課題組部分成員于2007年4月訪問了日本，在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所活斷層·地震研究中心的宍倉正展、石山達(dá)也和藤野滋弘等的幫助下，對宮崎縣石卷平原的海嘯堆積物展開了短期實(shí)地調(diào)查，本文對這次調(diào)查結(jié)果作簡要介紹。

1 海嘯堆積物特征及其判別標(biāo)志

大海嘯發(fā)生并襲擊海岸地區(qū)時，海拔高度較低的海岸平原將會被海水淹沒，海水甚至能夠到達(dá)距離海岸較遠(yuǎn)的地方。此時海嘯會侵蝕海岸附近的砂土并搬運(yùn)到較遠(yuǎn)的海岸平原，這些保存在離岸陸相地層中的海相砂礫，被稱為海嘯堆積物。這些沉積層中的礫石，其排列方式還可以指示它們的運(yùn)移方向。另外，包含在沙層中的硅藻和有孔蟲等微化石也可以指示其來源。海嘯沉積具有雙向水流特征，向岸流的沉積主要由海相砂礫組成，回流沉積主要由土壤、河流砂礫和植物碎片組成(Dawson et al.，1996;Nanayama et al.，2000)。海嘯沉積的影響范圍并不局限于沿岸區(qū)，還可以延伸至陸架、陸坡、深海扇乃至深海平原。

鑒于海嘯堆積物的上述特征，其判別標(biāo)志有以下幾點(diǎn):1)海嘯堆積物來自海洋的海砂或含礫海砂;2)多次海嘯波的反復(fù)沖擊，會形成多層特征，而且回流會形成陸相堆積物夾層;3)海嘯堆積物中會包含來自海洋的硅藻和有孔蟲等微化石。

2 海嘯堆積物調(diào)查

2.1 調(diào)查位置和調(diào)查方法

石卷平原是一種沿岸沙堤十分發(fā)育的海岸低地平原。平行海岸線的沙堤逐漸向前發(fā)展，構(gòu)成了石卷濱海平原的總體格架，通過航空影像解譯可以識別出20列左右的沙堤(圖2)(宍倉正展等，2007)。這種地貌形態(tài)易于保存由海嘯帶上陸地的海砂，尤其是在沙堤之間的凹地。

圖2 石卷平原沙堤列分布及海嘯堆積物調(diào)查點(diǎn)(宍倉正展等，2007)，紅色五角星指示我們的調(diào)查點(diǎn)Fig.2 Series of sand barriers and investigation sites of tsunami deposit in Ishinomaki Plain(Shishikura Masanobu et al.，2007).Red star shows our investigation site.

在濱海區(qū)域開展海嘯堆積物調(diào)查主要采用天然露頭觀察和淺鉆或大地切片2種方法，我們這次在石卷平原的調(diào)查采用了大地切片方法。首先，我們使用直壓式半圓槽土壤取樣器尋找海嘯堆積物，確定適合開展切片調(diào)查的位置;然后選擇合適的切片工具，或手動切片(Handy Geoslicer)或振動切片(Vibrate hammer Geo-slicer)(圖3)，開展取樣調(diào)查。

圖3 調(diào)查方法，a直壓式半圓槽土壤取樣器;b手動切片，右上角為操作情景;c振動切片，右上角為切片提出情形Fig.3 Investigation methods of tsunami deposit.a Directly pressured soil sample in semi-circular groove;b Handy geo-slicer;c Vibrate-hammer geo-slicer.Upper-right shows the extracting of geo-slicer.

2.2 切片剖面和海嘯事件識別

這次調(diào)查我們共獲得了3個切片剖面，圖4顯示的是采用振動切片所獲得的包含海嘯堆積物的石卷平原海岸沉積地層，從中我們可以觀察到3層明顯的海嘯堆積砂層。地層剖面自上至下分別是:1)16cm厚的表層耕作土;2)夾有3層海嘯堆積層的泥炭質(zhì)黏土，總厚度42cm，其中3次海嘯堆積物的厚度自上至下分別為2.5cm、6.5cm和15.5cm，此外在頂部還堆積了薄層或零星火山灰;3)厚層沙堤堆積砂層，揭露厚度約42cm，而且下部25cm厚的砂層具有較好的層理。

事件1海嘯堆積物只有2.5cm厚，而且呈透鏡狀，為不連續(xù)堆積。在切片揭露的地層頂部約20cm的位置，出露零星的火山灰，它來自公元915年日本本州島北部的十和田火山的噴發(fā)。該層火山灰?guī)缀醺采w了整個日本東北地區(qū)，具有重要的地質(zhì)年代指標(biāo)意義(町田洋等，2003)。第1層海嘯堆積物位于該火山灰的下部，說明其發(fā)生年代早于公元915年。據(jù)《日本三代實(shí)錄》的記載，該區(qū)域在公元869年發(fā)生過一次大地震并伴有巨大海嘯，稱為貞觀海嘯。因此，判斷該層海嘯堆積物應(yīng)該形成于公元869年的海嘯事件。另外，此次事件記錄到的最大海嘯波高也為30m，與今年(2011)日本東北地震造成的最大海嘯波高相同，說明公元869年的地震及其引發(fā)的海嘯應(yīng)該與今年的地震和海嘯規(guī)模相當(dāng)。

圖4 包含海嘯堆積物的海岸沉積地層切片剖面。自右至左:標(biāo)尺、切片剖面、切片剖面氈片、切片剖面解釋、事件說明和圖例。紅色箭頭指示海的方向Fig.4 Geologic column of coastal deposit including tsunami sediment.From right to left:scale，geo-slicer，interpretation of the geo-slicer，explanation of tsunami events and legend.Red arrow shows direction of sea.

事件2和事件3的堆積物厚度分別為6.5cm和15.5cm，可以看出這2次堆積物中都具有較好的成層性，層間多為海岸陸相泥炭質(zhì)黏土碎片分隔。事件2大約可以分出5層，事件3可以分出6層，說明這2次事件可能分別存在5次或6次大的海嘯波。日本的歷史資料中沒有與這2層海嘯堆積物相對應(yīng)的海嘯記錄，但從堆積物的厚度看，事件2和3要比事件1規(guī)模大，史料漏記的可能性不大，因此可能這2次事件發(fā)生在日本有歷史記錄之前。根據(jù)日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所活斷層·地震研究中心對3層海嘯堆積物上下泥炭質(zhì)黏土層的14C測定結(jié)果(宍倉正展等，2007)，這2 次海嘯事件分別發(fā)生在 2，100 ～2，300cal a BP 和2，800 ～3，100cal a BP。

3 結(jié)論

這次調(diào)查的結(jié)果揭示了3次海嘯事件，最新一次發(fā)生在公元915年十和田火山噴發(fā)之前，與歷史上記載的公元869年貞觀海嘯地震事件相對應(yīng)。另外2次海嘯事件發(fā)生得更早，分別發(fā)生在 2，100～2，300cal a BP和 2，800～3，100cal a BP。此外，除最新一次與貞觀海嘯地震對應(yīng)的海嘯堆積物外，較早2次的堆積物中可以觀察到5次和6次堆積亞層，分別反映出5次或6次大的海嘯波。

致謝 感謝日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所活斷層·地震研究中心的宍倉正展博士、石山達(dá)也博士和藤野滋弘博士，在他們的幫助下，石卷平原海嘯堆積物的概略調(diào)查得以順利完成。

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INVESTIGATION OF TSUNAMI DEPOSITS IN ISHINOMAKI PLAIN，MIYAKI COUNTY，JAPAN

HE Hong-lin1)RAN Yong-kang1)SONG Fang-min1)CHEN Li-chun1)CHEN Jie2)

1)National Center for Active Fault Studies，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

2)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

To carry out the project“Study on paleo-tsunami in east and southeast seashore area of China”supported by China Ministry of Science and Technology，we made a study tour to Japan in April，2007.In this visit，we investigated roughly the tsunami deposits in Ishinomaki Plain，Miyaki County，Japan，where a huge earthquake of MW9.0 occurred at March 11，2011.This earthquake caused a great tsunami along the northeast coast of Honsyu Island，Japan，bringing lots of death and huge economic loss.To understand the tsunami history in this area and the methods of investigating tsunami deposits，it is necessary to introduce briefly our investigation in Ishinomaki Plain，Miyaki County，Japan.Our investigation results demonstrated three tsunami events occurred in this area.The latest one occurred before 915 AD，when the Towada volcano erupted and the tephra from this eruption covered almost all of the Northeast Japan，corresponding to the 869 AD Jogan earthquake tsunami.

tsunami deposit，northeast Japan earthquake，geo-slicer

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0472-08

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.020

2011-04-28收稿，2011-05-22改回。

科技部科研院所社會公益課題“中國沿海地區(qū)古海嘯的定量研究”(2005DIB3J118)資助。

何宏林，1964年生，1985年畢業(yè)于北京大學(xué)地質(zhì)系，1988年在中國地震局地質(zhì)研究所獲碩士學(xué)位，2000年獲東京大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，研究員，主要研究方向?yàn)榛顒訕?gòu)造和構(gòu)造地貌、活動斷層與地震、GIS技術(shù)應(yīng)用與災(zāi)害預(yù)測評估，電話:010-62009215，E-mail:honglinhe 123@vip.sina.com。