海嘯地震震源機制解統(tǒng)計

侯京明，徐志國

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

海嘯是一種發(fā)生在海洋中的具有超大波長和周期的海洋波動。海底地震、滑坡、火山爆發(fā)和隕石降落等凡是能引起大規(guī)模海水垂直位移的事件都能引發(fā)海嘯，這些事件均能造成海洋表面大范圍的海水擾動，隨后在重力作用下海水被拉回，擾動便以波動的形式向周圍傳播，由此產(chǎn)生海嘯（楊港生等，2000）。本文所稱海嘯地震是指能引發(fā)海嘯的地震。海底地震是最主要的海嘯產(chǎn)生原因（包澄瀾，2005）。但并不是所有的海底地震都能引發(fā)海嘯，一般來說，大多數(shù)海底地震不引發(fā)海嘯。陳顒和陳棋福認為，地震海嘯的產(chǎn)生一般受3 個條件控制（陳顒等，2005）：深海、大地震和開闊逐漸變淺的海岸條件，結合陳云泰等人的觀點（陳云泰 等，2005），海嘯的發(fā)生條件可以歸納為以下3 點：

震源斷層條件：構造地震是最主要的產(chǎn)生海嘯的地震類型，地震必須能引起海底垂直方向上的劇烈變形，才能產(chǎn)生海嘯；

震源水深條件：在深水區(qū)發(fā)生的地震更容易產(chǎn)生海嘯；

震級、震源深度條件：震級大，震源較淺的地震易于產(chǎn)生海嘯。

從震源斷層條件來看，引發(fā)海嘯的震源在斷層方面可能存在著某些相似的特征，而地震震源機制解直接反映了地殼斷層結構的活動特征（鄭中華等，2006）。因此，本文整理了美國全球CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)和美國海洋和大氣管理局（NOAA） 的海嘯數(shù)據(jù)，對1976-2010年的全球海嘯事件進行了對比統(tǒng)計分析。

1 資料情況

美國CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)是哈佛大學從20 世紀70年代末開始發(fā)布的，提供了包含全球5 級以上地震的地震目錄，CMT 的測定主要是使用遠震長周期體波資料和地幔波資料。Helffrich（1971） 對Harvard，USGS 和ERI 提供的全球地震目錄進行了分析，認為CMT 目錄的地震完整性最好。本文所用CMT 數(shù)據(jù)為ASCII 碼的ndk 格式，每個地震事件用5 行數(shù)據(jù)表示，每行80 個字符。目錄提供的參數(shù)包括地震矩、震級、斷層節(jié)面參數(shù)、應力軸參數(shù)、震源深度、矩心深度和地震矩張量等，涵蓋了1976-2010年間的共33 866 個地震事件。

海嘯數(shù)據(jù)來自于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心的全球海嘯源數(shù)據(jù)庫（World Data System，2012），節(jié)選了數(shù)據(jù)庫中1976-2010年間的海嘯事件，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括海嘯災害的年份、經(jīng)緯度信息、海嘯波波高、海嘯產(chǎn)生類型、可信度等級和海嘯發(fā)生地點等信息。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本文從數(shù)據(jù)中篩選了可信度等級較高的海嘯災害，去掉了帶有不確定性的海嘯事件以及兩種數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的海嘯事件，共整理海嘯事件278 個，見圖1，圖中黑線代表板塊邊界。

為了發(fā)現(xiàn)海嘯地震在震源方面存在的相似特征，本文不僅統(tǒng)計了278 個海嘯地震的震源機制解，同時也統(tǒng)計了波高1 m 以上的海嘯（以下簡稱較大海嘯事件） 震源機制解，以便發(fā)現(xiàn)較大海嘯事件的震源機制解特征。根據(jù)國家海洋局頒布的《風暴潮、海浪、海嘯和海冰災害應急預案》，海嘯警報分4 級，一級警報對應特別重大海嘯災害，其他三級警報分別對應重大海嘯災害、較大海嘯災害和一般海嘯災害，發(fā)生1 m 以上的海嘯時，預示可能出現(xiàn)較大海嘯災害。共統(tǒng)計較大海嘯事件75 個，見圖2。

從圖1 和圖2 中可以看出，海嘯事件大多發(fā)生在海洋和陸地板塊的邊界附近，該地區(qū)地殼比較活躍。本文主要對震級、斷層節(jié)面、主應力軸、震源深度、地震矩張量和區(qū)域特點等方面進行了對比統(tǒng)計分析。

2.1 震級

美國CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)包含3 個與震級有關的參數(shù)，分別是體波（Mb） 震級、面波震級（Ms）、和地震矩（M0）。利用地震矩M0可以計算出矩震級Mw，計算公式為：

矩震級是一種新的震級標度，它反映了地震斷層面積和錯動大小。相比體波震級和面波震級等幾種震級標度只測到地震波的能量，而地震波能量往往只是地震釋放總能量的一部分，矩震級從斷層出發(fā)，直接反應了地震釋放的總能量，而且矩震級也不會出現(xiàn)所謂震級飽和的問題。對于海嘯研究來講，海嘯的能量來自于地震斷層釋放的總能量，因此，矩震級要比其他幾種震級更適合用于海嘯研究。

圖1 海嘯事件分布圖

圖2 較大海嘯事件分布圖

經(jīng)過統(tǒng)計，較大海嘯事件的矩震級Mw 在5.3～9.0 之間，優(yōu)勢分布集中在6.5～8.5 級之間。而海嘯數(shù)據(jù)庫中，引發(fā)海嘯的最小地震震級為Ms 3.7（葉琳等，2006）。通常認為，6 級以上的地震才能引發(fā)海嘯，而統(tǒng)計結果證明，3.7 級以上的地震就能引發(fā)海嘯。

2.2 斷層節(jié)面

地震引起的海底位移通常根據(jù)彈性斷層理論進行計算，該理論由Mansinha 和Smylie 在1971年提出（Mansinha et al，1971），假定一個矩形斷層面埋在一個半無限彈性面下，當?shù)卣鸢l(fā)生時，構造運動構成的應力超越地殼所能承受的最大彈性，地殼會沿斷層面斷裂，并釋放出所積聚的應力，形成地震。描述斷層面的主要參數(shù)是方位角、傾角和滑角，見圖3。斷層面假定為一個矩形區(qū)域，并且上下邊界相對于地球表面是平行的。走向角就是從北沿順時針轉到走向的角度，范圍是0～360°。傾角是從地球表面往下到斷層面之間的角度，它的范圍是0～90°?；瑒臃较蛎枋鰹樯蠎野鍓K相對于下墊板塊在斷層面上的運動方向，滑角是在斷層面上從走向沿著逆時針到滑動方向的角度，范圍是-180°～180°。

圖3 節(jié)面參數(shù)定義

美國CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)提供了兩個P波節(jié)面，但沒有給出其中哪一個是實際的斷層面。要鑒別哪個是斷層面，還需要補充其他有關震源的信息，如地表破裂資料、余震空間分布特征等。由于沒有足夠的資料，因此本文對兩個節(jié)面都進行了統(tǒng)計。經(jīng)過統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，走向角在每個角域都有分布，這是由于地震分布在不同的斷層處，因此走向角度會千差萬別。本文按照傾角和滑動角度在四個象限中的位置繪制直線，并列在表中，從表中可以看出，滑動角度在0～360°范圍內(nèi)均有分布，傾角在0～90°范圍內(nèi)分布，均沒有明顯特征。

2.3 主應力軸

根據(jù)斷層破裂方式，地震可以劃分為正斷層、逆斷層和走滑斷層3 個主要類型。不同的地震類型反映了不同的應力狀態(tài)，而地震是由推動斷層運動的動態(tài)應力引發(fā)的，因此，應力狀態(tài)研究是地震研究的一個重要方面。震源機制解中用來描述斷層應力狀態(tài)的3 個主軸分別是P 軸、T 軸和N 軸，美國CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)中每個主軸包含方位角、俯角和特征值3 個參數(shù)。按照王輝等（2005）提供的斷層類型分類方法，可以依照P、B 和T 軸的俯角，對這些震源機制進行分類，見表2。

表1 滑動角度和傾角統(tǒng)計

表2 斷層類型統(tǒng)計

從表2 中可以看出，引發(fā)海嘯的地震在斷層類型方面以逆斷型為主，占總數(shù)的63%，逆斷型震源引發(fā)的海嘯在震級和海嘯波爬高高度上都比走滑型和正斷型略大，這與一般逆斷型地震釋放的能量較大有關，正斷型所占比率為16%。現(xiàn)有理論認為，發(fā)生斷層垂直位移的地震類型更傾向于引發(fā)海嘯，但經(jīng)過統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，走滑型地震也能引發(fā)海嘯，而且也能引發(fā)較大海嘯事件，此類型約占統(tǒng)計事件的20%。這說明一個位于海底的純走滑斷層一樣會產(chǎn)生海底的隆升和下降，它所引起的海底隆升和下降的幅度雖然不及強度相同的純傾滑斷層，但仍有可能激發(fā)海嘯。

2.4 矩心深度及震源深度

震源深度是描述震源的最基本參數(shù)之一，對了解地震能量集結、釋放等活動的構造背景有重要意義（張晁軍等，2010）。一般認為，震源深度較淺的海底地震引發(fā)海嘯的可能性大。美國CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)中提供兩個深度，分別是矩心深度和震源深度。矩心深度是通過波形反演得到的深度，深度位置相當于斷層面的中心深度。而震源深度是由震相到時定位得到的震源深度，相當于斷層起始破裂點的深度。本文對這兩個震源深度均進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表3。

表3 深度統(tǒng)計

從表3 可以看出，引發(fā)的海嘯的地震大多屬于淺源地震（小于60 km），占總數(shù)的97%，優(yōu)勢分布范圍多集中在10～40 km。較大海嘯事件的淺源地震所占比率達到了99%，優(yōu)勢分布范圍集中在10～35 km。

2.5 地震矩張量Mrr

美國CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)中提供了6 個地震矩張量，Mrr 是地震矩張量的第1 個分量，從物理上說，與地震矩張量的其他分量相比，Mrr 的特殊之處在于這個分量中包含了垂直運動的信息，垂直運動的信息反映了勢能的變化，而勢能的變化反映了應力狀態(tài)，正值代表壓縮狀態(tài)，而負值代表拉張狀態(tài)（吳忠良等，2003）。經(jīng)過統(tǒng)計，約有70%的海嘯事件中地震矩張量Mrr 為正值，較大海嘯事件中約有69%的海嘯事件中地震矩張量Mrr 為正值。

從表中可以看出，逆斷層Mrr 為正值，正好反映出逆斷層的壓縮狀態(tài)，正斷層均為負值，代表拉張狀態(tài)。從大小來看，逆斷層的Mrr 值偏大，反映出較大的勢能，對應著可能的較大海嘯。

表4 矩張量Mrr 統(tǒng)計

2.6 區(qū)域特點

圖4 為海嘯地震事件震源機制解的沙灘球圖示，從圖中可以看出，部分地區(qū)的沙灘球圖示極其相似，如南美洲西海岸、中美洲西海岸，也有地區(qū)的沙灘球圖示呈現(xiàn)一種“雜亂”的表象，如日本沿岸、印度洋東岸。下面以南美洲西海岸和日本沿岸為例，討論海嘯地震震源機制解的區(qū)域特點。

從圖4 可以看出，南美洲西海岸海嘯地震的走向角、傾角和滑動角度均非常接近。表明這些地區(qū)的板塊運動方向比較固定。表5 中，該地區(qū)的海嘯地震以逆斷層為主，與其自然概率地震差異較大。這些結論可以作為判斷該地區(qū)能否發(fā)生海嘯的一項重要依據(jù)。

圖4 海嘯地震震源機制解沙灘球分布圖

表5 南美洲西海岸斷層類型統(tǒng)計

從表6 可以看出，日本沿岸的海嘯地震雖然也以逆斷層占多數(shù)，但與其自然概率地震的差異變小，而且走向角、傾角和滑動角度各不相同，表明了該地區(qū)板塊運動的復雜性。因此，單從震源機制來判斷日本沿岸能否發(fā)生海嘯是比較困難的。

表6 日本沿岸斷層類型統(tǒng)計

3 小結

本文主要從地震能否引發(fā)海嘯的角度出發(fā)，統(tǒng)計分析了1976-2010年25年間的全球地震海嘯震源機制解。經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)海嘯地震在震源機制方面存在著一些統(tǒng)計特點，如引發(fā)海嘯的地震震級最小可到Ms 3.7；斷層類型方面，海嘯地震逆斷型占多數(shù)，為63%，走滑型所占比率也不小，為21%；海嘯地震大多為淺源地震等。較大海嘯事件在震源參數(shù)方面也有類似的統(tǒng)計特征，沒有出現(xiàn)很大的不同。另外，不同地區(qū)的海嘯地震震源機制解也有各自的統(tǒng)計特點，在數(shù)據(jù)資料充足的前提下，對某一地區(qū)的海嘯地震震源機制解進行詳細的分析可以幫助判斷地震能否引發(fā)海嘯，對海嘯防災減災具有指導意義。

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