日本三陆地区不同海岸地貌下的海啸模拟与巨石输运研究

《Geomorphology》：Tsunami simulation and boulder transport across contrasting coastal geomorphologies in Sanriku, Japan

本研究针对海啸巨石输运机制不清的问题，通过整合野外数据与验证后的海啸模拟，追踪了日本2011年海啸事件中两个地貌迥异场点的波浪参数。研究人员开展了海啸模拟生成关键位置的海上波浪参数和岸上流动参数，收集了巨石输运信息并评估了不同地貌环境下海啸与海岸巨石沉积的相互作用，测试了常用起动运动方程。结果表明，尽管近期改进显著提高了方程准确性，但仍可能高估巨石输运所需的最小流速。该研究为未来海啸巨石研究和模型发展提供了关键参考。

　　

在全球气候变化加剧海洋极端事件的背景下，海啸灾害研究日益受到重视。海岸巨石沉积（Coastal Boulder Deposits, CBDs）作为重建古海啸事件的关键指标，其完整的输运过程却始终迷雾重重。传统研究方法存在明显局限：物理实验难以复现真实海啸波形，数值模拟缺乏现场验证，而常用的起动运动方程（initiation of motion equations）更是存在严重的高估倾向。这些问题严重制约了通过CBDs准确反演历史海啸规模的能力，直接影响海岸灾害评估的准确性。

针对这些挑战，由Storm Roberts、Daisuke Sugawara、Hidetoshi Masuda和Sarah J. Boulton组成的研究团队在日本三陆海岸开展了创新性研究。他们选择2011年东日本大地震海啸影响的两个地貌对比鲜明的场点——世田井（Settai）平原和星山（Hoshiyama）砾石海滩，通过综合野外调查与数值模拟方法，首次实现了对巨石输运全过程中波浪参数的精准追踪。这项重要研究成果发表在著名地学期刊《Geomorphology》上，为海啸沉积学研究树立了新的标杆。

研究人员采用多学科交叉的研究方法：首先通过无人机航拍（DJI mini 2 SE）和手持LiDAR（Scaniverse on iPhone 12 Pro）技术进行高精度地形测量，建立分辨率达7.5厘米的数字高程模型（DEM）；运用结构光扫描（SfM）技术获取巨石的精确三维模型和体积数据；采用水位移法测量岩石湿密度；最重要的是建立了六级嵌套网格（最高分辨率5米）的非线性浅水模型TUNAMI-N2进行海啸模拟，并通过GPS浮标数据、目击者报告和地方记录进行了严格验证。

研究结果揭示了丰富的地质现象和动力学过程。

在研究区域特征方面，三陆海岸作为典型的里亚式海岸，具有陡峭的岩质悬崖和众多小海湾，历史上遭受过包括2011年在内的多次海啸袭击。世田井地区为缓坡河流平原（坡度0.6°），原设有13米高海啸防护墙；而星山海滩则为陡坡地貌（坡度7.7°），这些地貌差异显著影响了海啸的传播和巨石沉积模式。

通过海啸模拟获得的波浪参数显示，近岸流速在世田井站点达到最大值7.55米/秒，星山海滩为6.51米/秒。在内陆世田井地区，部分损毁的防护墙内侧记录到最高15.56米/秒的流速和17.49米的水深。通过离岸波浪仪序列，研究人员成功捕捉了海波从400米水深到岸边的演变过程，波幅从6.1米增至10.3米，为后续物理实验提供了宝贵的数据参考。

巨石分布特征分析表明，两个场点的沉积模式存在显著差异。世田井平原的巨石运输距离最远达979米，沉积呈现三个集群（100-200米、530-770米和870-980米），最大的安山岩巨石（#265）A轴达6.5米；而星山海滩的巨石主要沿滨线分布，最大运输距离仅75米，但出现了更大的个体（#1的A轴达7.35米，体积82立方米，重213吨）。这种分布差异主要受坡度控制——世田井的缓坡允许海波长距离推进，而星山的陡坡则限制了 inundation 距离但增强了局部流速。

岩石学分析显示，两地巨石主要源自安山岩熔岩和凝灰角砾岩（世田井89%，星山大部分），但星山海滩存在相当比例的砂岩和砾岩（占transect的2%），这些沉积岩成分可能来自海外约275米的Oshima岛，证明了海啸具有将海底物质搬运上岸的能力。海洋附壳生物（如软体动物碎片和钙化藻类）的存在，进一步证实了这些巨石的海洋来源。

起动运动方程的验证取得了重要进展。通过应用Nott (2003)、Nandasena et al. (2011) 和 Nandasena et al. (2022) 三种方程计算最小起动流速，发现越新的方程估算值越低，越接近模拟值。例如星山海滩的#1巨石，Nott (2003) 计算需要10.57米/秒（水下）流速，而Nandasena et al. (2022) 仅需6.46米/秒（滑动），与模拟的最大流速6.51米/秒高度接近。然而，该巨石叠置于其他巨砾之上的沉积特征表明，实际搬运需要更大能量，提示即使最新方程仍可能低估实际需求。

敏感性分析表明，在岸上区域，曼宁粗糙系数变化0.005对流速和水深的影响大于初始波高±10%的变化；而在近岸区域，变形率的影响更为显著。这一发现强调了准确设定地表粗糙度对模拟精度的重要性。

综合讨论认为，尽管两个场点受同一海啸事件影响，但局部地貌特征显著改变了波浪参数和巨石输运模式。世田井平原中部出现的"清扫区"（200-500米无巨石沉积）对应模拟中的高速流区（>12米/秒），而沉积集群则与地形变窄导致的流速骤减相关。星山海滩的巨石主要堆积在河谷两侧，中部相对清洁，可能是回流（backwash）作用的结果。

研究结论强调，基于CBDs的海啸重建必须充分考虑局部地貌的影响。起动运动方程经过多年改进已显著提升，但即使是最新的Nandasena et al. (2022) 方程仍可能存在高估最小流速的倾向。通过结合详细野外观察与数值模拟，本研究首次提供了涵盖巨石输运全过程的参数记录，为未来海啸巨石研究和模型发展建立了关键参考框架。

这项研究的科学意义在于：一是建立了海啸模拟与野外实证研究相结合的新范式；二是揭示了地貌因素对海啸巨石输运的关键控制作用；三是验证并优化了起动运动方程在实际场点的适用性；四是为基于沉积记录的古海啸重建提供了更可靠的科学依据。随着全球海岸带人口持续增长，此类研究对提升海啸灾害评估准确性、保障沿海社区安全具有日益重要的现实意义。