南海典型海底滑坡的触发机制及其潜在海啸灾害评估

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.094

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (2): 192 -211. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.094

潘晓仪 ¹(

), 李琳琳 ¹ ^, ²(

), 王大伟 ² ^, ³, 施华斌 ² ^, ⁴

^1.中山大学地球科学与工程学院，广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，广东广州 510275
^2.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519082
^3.中国科学院深海科学与工程研究所，海南三亚 572000
^4.澳门大学科技学院土木及环境工程系，澳门 999078

收稿日期:2022-07-14 修回日期:2022-11-11 出版日期:2023-02-10
通讯作者: 李琳琳 E-mail:panxy35@mail2.sysu.edu.cn;lilinlin3@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
海南省重点研发项目“南海海底滑坡—海啸灾害预测及评估技术开发”(ZDYF2020209);国家自然科学基金项目“南海概率性地震与滑坡海啸灾害评估系统的建立及应用”(41976197)

Triggering Mechanism and Tsunamigenic Potential of Typical Submarine Landslides in South China Sea

Xiaoyi PAN ¹( ), Linlin LI ¹ ^, ²( ), Dawei WANG ² ^, ³, Huabin SHI ² ^, ⁴

^1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun YetSen University, Guangzhou 510275, China
^2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai Guangdong 519082, China
^3.Institute of Deep-Sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya Hainan 572000, China
^4.Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macau 999078, China

Received:2022-07-14 Revised:2022-11-11 Online:2023-02-10 Published:2023-03-02
Contact: Linlin LI E-mail:panxy35@mail2.sysu.edu.cn;lilinlin3@mail.sysu.edu.cn
About author:PAN Xiaoyi (1996-), female, Wuzhou City, Guangxi Zhuang Autonomous Region, Master student. Research areas include numerical simulation of submarine landslide tsunami. E-mail: panxy35@mail2.sysu.edu.cn
Supported by:
Key R & D Project of Hainan Province “Development of prediction and assessment technology for submarine landslide-tsunami disaster in the South China Sea”(ZDYF2020209);The National Natural Science Foundation of China “Application of probabilistic earthquake and landslide tsunami disaster assessment system in South China Sea”(41976197)

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综合调查数据揭示南海域内发育大量海底滑坡，尤其是大陆坡区域。由海底滑坡触发的碎屑流、浊流和海啸等链生灾害，严重威胁深海基础设施及沿海地区人民生命财产安全，亟待进行研究。选取南海域内4处典型海底滑坡，研究其潜在的海啸灾害。在总结各滑坡构造背景和触发因素差异的基础上，提取各滑坡体的特征参数；使用NHWAVE与FUNWAVE-TVD模型组合模拟了滑坡体动态过程及海啸波的产生和传播过程。模拟结果显示，初始水深和坡度差异导致体积相近的白云滑坡和曾母暗沙滑坡触发海啸能力差异巨大。白云滑坡在源区可产生最高约12 m的海啸波，潜在灾害主要危及南海北部区域，尤其是华南沿海；位于较浅初始水深的曾母暗沙滑坡可产生高达约38 m的海啸波，危及整个南海中南部；中建南滑坡可产生近10 m的海啸波，影响范围主要局限于南海西部越南沿岸；西沙海槽北部陆坡滑坡产生的海啸波波高相对较小，约0.9 m。通过分析比较最大波高分布和海啸波传播特点等，发现海底滑坡触发海啸能力受到滑坡几何参数与运动学特性控制，复杂海底地形和海岸线改变了海啸波的能量分布，增加了沿岸海啸灾害评估难度。在南海开展典型滑坡—海啸模拟，建立滑坡—海啸数据库具有重要的研究意义，将有助于推进我国海洋地质灾害评价与预测水平。

关键词: 南海, 海底滑坡, 滑坡海啸, 灾害评估

High-resolution geophysical data indicate that there are numerous submarine landslides in the China Sea region at various scales, particularly on continental slopes. Potentially devastating tsunami hazards generated by submarine landslides pose a great threat to the populous coastal region, fisheries, and oil and gas exploitation in the deep sea. Thus, hazard assessment is necessary. This study investigates the potential tsunami hazards generated by four representative submarine landslides in the South China Sea (SCS). The geological background and triggers of these submarine landslides are summarized. The key parameters of each landslide were constrained by currently available geological and geophysical data. A combined modeling approach, NHWAVE and FUNWAVE-TVD, was used to model the dynamic process of landslide movement and the generation and propagation of landslide tsunamis. The simulation results show that the tsunamigenic capacities of the Baiyun and Zengmu Ansha Slides differ significantly, although they have comparable volumes. This large difference was attributed to the discrepancy in the initial water depth and slope gradient. Tsunami waves generated by the Baiyun Slide rose up to approximately 12 m in the source area and mainly affected the northern region of the SCS, particularly the southern mainland Chinese coast. The Zengmu Ansha Slide generated 38 m tsunami waves that assailed the majority of the coastline of the southern SCS. The Zhongjiannan Slide generated highly localized tsunami waves about 10 m near the source region on the west SCS coast. The North Xisha trough slide produced a minor tsunami impact with tsunami waves that were approximately 0.9 m high in the source region. The distribution of the maximum surface elevation and the propagation characteristics of tsunami waves suggest that the tsunamigenic potential of submarine landslides is controlled by geometric and kinematic parameters. Meanwhile, complex bathymetry and coastlines change the energy distribution of tsunami waves, increasing the difficulty of tsunami hazard assessment. Conducting landslide-tsunami simulations for typical landslides in the SCS and establishing a landslide-tsunami database is of great research significance and will assist in improving the prediction of marine geo-hazards in China.

Key words: The South China Sea, Submarine landslides, Landslide tsunami, Hazard assessment

中图分类号:

P642.22

图1 南海主要构造和本研究涉及到的海底滑坡分布（红色填充多边形）
黑色虚线为盆地边界；红色线为构造线；黄色圆点为南海沿岸主要城市；RRAF：红河—哀牢山断层；PRMB：珠江口盆地；QDNB：琼东南盆地；XTB：西沙海槽盆地；ZJNB：中建南盆地； BBB：Baram-Balabac盆地；PT：巴拉望海槽；XSI：西沙群岛；ZSI：中沙群岛；NSI：南沙群岛；RB：礼乐滩

Fig. 1 The main geological structures in South China Sea and the mentioned distribution of submarine landslides in this study （red polygon）
Black dashed line： geologic structural boundary； Red line： structure line； Yellow dots： major coastal cities； RRAF： Red River-Ailao Fault； PRMB： Pearl-river Mouth Basin； QDNB： Qiong Dong Nan Basin； XTB： Xisha Trough Basin； ZJNB： Zhong Jian Nan Basin； BBB： Baram-Balabac Basin； PT： Palawan Trough； XSI： Xisha Islands； ZSI： Zhongsha Islands； NSI： Nansha Islands； RB： Reed Bank

图2 白云滑坡的位置分布和2.4 Ma以来珠江口盆地海平面变化曲线^{［

31
］}及4期滑坡对应的时间点^{［

19
］}（红色点）

Fig. 2 The distribution of Baiyun slide and the sea-level change of PRMB from 2.4 Ma^{［

31
］}and the corresponding time of 4 MTDs^{［

19
］} （red dots）

图3 曾母暗沙滑坡的位置分布及其剖面（剖面引自参考文献［ 25 ］）

Fig. 3 The distributions of Zengmu Ansha slide and its profile （cited from the reference ［ 25 ］）

图4 西沙海槽北部陆坡海底滑坡MTD1~3分布图以及地震剖面中MTD和BSR的分布（据参考文献［ 54 ］修改）
滑坡头部发育在BSR上方，MTD下方为一系列密集的断裂；蓝色虚线表示BSR（似海底反射层）

Fig. 4 The location of north Xisha trough slide MTD1~3 and the location of MTD and BSR （modified after reference ［ 54 ］）
The headwall scarps of MTDs occurred above BSRs and a series of closely spaced faults beneath MTDs. The blue dotted line indicates a BSR （Bottom Simulating Reflector）

图5 南海西部部分地震目录与主要地质构造和文中涉及4处代表性滑坡地震剖面（据参考文献［ 66 ］修改）
（a）南海西部主要地质构造及地震目录；（b）~（e）中建南滑坡4处代表性滑坡

Fig. 5 Portion earthquake catalogues in the western South China Sea and the seismic profiles of four representative landslide （modified after reference ［ 66 ］）
（a） The major tectonic structures and the earthquakes catalogs in western SCS；（b）~（e） The profiles of four representative landslides of Zhongjiannan slide

表1 南海典型海底滑坡的海底稳定性影响因素

Table 1 The affected factors of typical submarine landslides in South China Sea

滑坡名称		白云滑坡	曾母暗沙滑坡	西沙海槽北部陆坡滑坡	中建南滑坡
地理位置		114.4°~116.0°E，18.9°~19.8°N	113.2°~113.9°E，5.0°~6.2°N	112.8°~113.1°E，18.3°~18.5°N	约109.8°E，11.9°~13.4°N
构造位置		南海北部被动大陆边缘、珠江口盆地白云凹陷	南海南部主动大陆边缘、南沙海槽盆地	南海北部被动大陆边缘、西沙海槽北部陆坡	南海西部走滑型边界、南海西部陆坡
形成时间		1.59 Ma、0.79 Ma、0.54 Ma、0.19 Ma	2.00~7.00 ka	2.58 Ma	10.00~12.00 ka
滑坡体积/km³		1 024.56	1 200.00	63.48	14.00
海底稳定性影响因素	构造活动	白云凹陷沉降^{［ 40 ］}，发育正断层^{［ 41 ］}	南沙地块向婆罗洲俯冲，不断隆升的背斜^{［ 26 ］}	海槽^{［ 58 ］}，发育大量细小断裂^{［ 56 ］}	陡峭陆坡^{［ 68 ， 70 ］}
	沉积作用	早更新世（约1.8 Ma）沉积速率达到350 m/Ma^{［ 23 ］}	晚第四纪（约11.7 ka）沉积速率459 Mt/a^{［ 37 ］}	第四纪（约2.58 Ma）沉积速率高达约370 m/Ma^{［ 73 - 74 ］}	全新世早期（约11.7 ka）沉积速率为60~120 g/（cm²·ka）^{［ 71 ］}
	流体活动	发育大量气体通道^{［ 40 ］}；岩浆侵入形成裂缝，并伴随强烈流体活动^{［ 23 ， 40 ， 75 ］}	存在BSR^{［ 25 ］}；大量流体向浅部不断聚集^{［ 26 ］}；存在水合物分解证据^{［ 76 - 77 ］}	存在BSR^{［ 53 ］}；岩浆活动使地层隆起，导致坡度增大^{［ 53 ］}	流体沿着高角度断层运移^{［ 70 ］}
	地震活动	大型活跃正断层具有地震活动性^{［ 41 ］}	—	—	最大震级可达M 6.1^{［ 72 ］}
	海平面变化	珠江口盆地经历反复的海侵和海退^{［ 78 ］}，第四纪以来经历3次上升和2次下降，其中MTDa和MTDb发生在海平面上升时期，MTDc和MTDd发生在海平面下降期^{［ 19 ， 31 ］}	第四纪期间，三级海平面变化与全球海平面变化基本一致，有2次低位和1次高位，变化幅度最大约100 m^{［ 79 - 80 ］}	第四纪期间海平面变化周期约为0.3 Ma，变化幅度在100 m左右^{［ 64 - 65 ］}	6~13 ka BP期间，南海西部近海区域海平面从 -80 m上升到-20 m^{［ 71 ］}
触发因素		推测MTDa和MTDb是断层活动及伴随流体活动成因；MTDc和MTDd由天然气水合物分解引发^{［ 19 ］}	流体运移导致背斜构造坍塌^{［ 26 ］}；天然气水合物分解^{［ 25 ］}	削峭作用和流体活动^{［ 53 ］}	地震活动^{［ 72 ］}

表1 南海典型海底滑坡的海底稳定性影响因素

Table 1 The affected factors of typical submarine landslides in South China Sea

滑坡名称		白云滑坡	曾母暗沙滑坡	西沙海槽北部陆坡滑坡	中建南滑坡
地理位置		114.4°~116.0°E，18.9°~19.8°N	113.2°~113.9°E，5.0°~6.2°N	112.8°~113.1°E，18.3°~18.5°N	约109.8°E，11.9°~13.4°N
构造位置		南海北部被动大陆边缘、珠江口盆地白云凹陷	南海南部主动大陆边缘、南沙海槽盆地	南海北部被动大陆边缘、西沙海槽北部陆坡	南海西部走滑型边界、南海西部陆坡
形成时间		1.59 Ma、0.79 Ma、0.54 Ma、0.19 Ma	2.00~7.00 ka	2.58 Ma	10.00~12.00 ka
滑坡体积/km³		1 024.56	1 200.00	63.48	14.00
海底稳定性影响因素	构造活动	白云凹陷沉降^{［ 40 ］}，发育正断层^{［ 41 ］}	南沙地块向婆罗洲俯冲，不断隆升的背斜^{［ 26 ］}	海槽^{［ 58 ］}，发育大量细小断裂^{［ 56 ］}	陡峭陆坡^{［ 68 ， 70 ］}
	沉积作用	早更新世（约1.8 Ma）沉积速率达到350 m/Ma^{［ 23 ］}	晚第四纪（约11.7 ka）沉积速率459 Mt/a^{［ 37 ］}	第四纪（约2.58 Ma）沉积速率高达约370 m/Ma^{［ 73 - 74 ］}	全新世早期（约11.7 ka）沉积速率为60~120 g/（cm²·ka）^{［ 71 ］}
	流体活动	发育大量气体通道^{［ 40 ］}；岩浆侵入形成裂缝，并伴随强烈流体活动^{［ 23 ， 40 ， 75 ］}	存在BSR^{［ 25 ］}；大量流体向浅部不断聚集^{［ 26 ］}；存在水合物分解证据^{［ 76 - 77 ］}	存在BSR^{［ 53 ］}；岩浆活动使地层隆起，导致坡度增大^{［ 53 ］}	流体沿着高角度断层运移^{［ 70 ］}
	地震活动	大型活跃正断层具有地震活动性^{［ 41 ］}	—	—	最大震级可达M 6.1^{［ 72 ］}
	海平面变化	珠江口盆地经历反复的海侵和海退^{［ 78 ］}，第四纪以来经历3次上升和2次下降，其中MTDa和MTDb发生在海平面上升时期，MTDc和MTDd发生在海平面下降期^{［ 19 ， 31 ］}	第四纪期间，三级海平面变化与全球海平面变化基本一致，有2次低位和1次高位，变化幅度最大约100 m^{［ 79 - 80 ］}	第四纪期间海平面变化周期约为0.3 Ma，变化幅度在100 m左右^{［ 64 - 65 ］}	6~13 ka BP期间，南海西部近海区域海平面从 -80 m上升到-20 m^{［ 71 ］}
触发因素		推测MTDa和MTDb是断层活动及伴随流体活动成因；MTDc和MTDd由天然气水合物分解引发^{［ 19 ］}	流体运移导致背斜构造坍塌^{［ 26 ］}；天然气水合物分解^{［ 25 ］}	削峭作用和流体活动^{［ 53 ］}	地震活动^{［ 72 ］}

表2 南海 4处代表性滑坡体的几何参数

Table 2 The parameters of four typical submarine landslides in South China Sea

滑坡参数	白云滑坡	曾母暗沙滑坡	西沙海槽北部陆坡滑坡	中建南滑坡
深度/m	1 000.00~3 000.00	200.00~2 000.00	1 100.00~2 100.00	250.00~2 500.00
面积/km²	9 626.75	5 300.00	597.92	76.00
体积/km³	1 024.56	1 200.00	63.48	14.00
坡度/（°）	约1	2~4	约35	约30
滑坡体材料	黏性泥流	黏性泥流	黏性泥流	黏性泥流

表2 南海 4处代表性滑坡体的几何参数

Table 2 The parameters of four typical submarine landslides in South China Sea

滑坡参数	白云滑坡	曾母暗沙滑坡	西沙海槽北部陆坡滑坡	中建南滑坡
深度/m	1 000.00~3 000.00	200.00~2 000.00	1 100.00~2 100.00	250.00~2 500.00
面积/km²	9 626.75	5 300.00	597.92	76.00
体积/km³	1 024.56	1 200.00	63.48	14.00
坡度/（°）	约1	2~4	约35	约30
滑坡体材料	黏性泥流	黏性泥流	黏性泥流	黏性泥流

图6 白云滑坡在不同时刻的厚度分布
白色箭头的方向和长度代表该点滑坡物质的运动方向和速度

Fig. 6 The thickness distribution of the Baiyun slide at different times
The direction and length of the white arrows indicate the main directions of slide motion and their velocities

图7 曾母暗沙滑坡在不同时刻的厚度分布
白色箭头的方向和长度代表该点滑坡物质的主要运动方向和速度

Fig. 7 The thickness distribution of the Zengmu Ansha slide at different times
The direction and length of the white arrows indicate the main directions of slide motion and their velocities

图8 白云滑坡和曾母暗沙滑坡分别在不同时间后海啸波传播图［（a）和（c）］和剖面图［（b）和（d）］

Fig. 8 The propagation of tsunami generated by the Baiyun slide and the Zengmu Ansha slide at different times ［（a） and （c）］ after failure and their profiles ［（b） and （d）］

图9 白云滑坡与曾母暗沙滑坡的空间分布以及沿I-I'和Ⅱ-Ⅱ'的剖面图（据参考文献［ 21 ］修改）
（a）白云滑坡体厚度分布；（b）曾母暗沙滑坡体厚度分布；（c）白云滑坡峡谷坡度剖面；（d）曾母暗沙滑坡峡谷坡度剖面

Fig. 9 The distribution of the Baiyun slide and the Zengmu Ansha slide and the profiles along I-I'， Ⅱ-Ⅱ'， the distribution of slide thickness （modified after reference ［ 21 ］）
The distribution of slide thickness of：（a） The Baiyun slide；（b） The Zengmu Ansha slide. And the slope profiles：（c） The Baiyun slide；（d） The Zengmu Ansha slide

图10 滑坡海啸的最大波高分布图及走时

Fig. 10 The distribution of maximum wave generated by submarine landslides and their travel time

图11 滑坡产生的海啸在南海北部的最大波高分布
红色柱：对应站点位置的最大波高

Fig. 11 The distribution of maximum wave generated by submarine landslides in north South China Sea
Red columns： the maximum wave height in the specified tide gauges

图12 在滑坡发生5 min后的最大波高分布图
（a）白云滑坡；（b）曾母暗沙滑坡；（c）西沙海槽北部陆坡滑坡；（d）中建南滑坡

Fig. 12 The distribution of maximum wave generated by submarine landslides at t=5 min after slope failure
（a） The Baiyun slide；（b） The Zengmu Ansha slide；（c） North Xisha Trough slide；（d） The Zhongjiannan slide

表3 4处海底滑坡各项参数

Table 3 The parameters of four typical submarine landslides in South China Sea

滑坡名称	最小初始水深h/（m）	滑坡体体积 $V l s /$ （km³）	海啸波体积 $V w /$ （km³）	坡度 $θ$ /（°）	$μ / (× 103)$
白云滑坡	1 000	1 024.560 0	63.098 1	约1	0.003 9
曾母暗沙滑坡	200	1 200.000 0	15 364.000 0	2~4	2.627 6
西沙海槽北部陆坡滑坡	1 100	63.481 3	1.695 0	约35	0.000 5
中建南滑坡	250	14.000 0	71.994 5	约30	1.057 8

表3 4处海底滑坡各项参数

Table 3 The parameters of four typical submarine landslides in South China Sea

滑坡名称	最小初始水深h/（m）	滑坡体体积 $V l s /$ （km³）	海啸波体积 $V w /$ （km³）	坡度 $θ$ /（°）	$μ / (× 103)$
白云滑坡	1 000	1 024.560 0	63.098 1	约1	0.003 9
曾母暗沙滑坡	200	1 200.000 0	15 364.000 0	2~4	2.627 6
西沙海槽北部陆坡滑坡	1 100	63.481 3	1.695 0	约35	0.000 5
中建南滑坡	250	14.000 0	71.994 5	约30	1.057 8

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