2004年12月26日印度尼西亞M W 9.0大震前后震源機(jī)制一致性變化特征研究

孫麗娜 李皓 齊玉妍 溫超刁桂苓

河北省地震局，石家莊市槐中路262號(hào) 050021

0 引言

地震既能給人類(lèi)帶來(lái)重大的災(zāi)害，同時(shí)也給人類(lèi)提供了解地球構(gòu)造及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的豐富信息，這種雙重性在特大地震（8級(jí)及以上地震）中更為凸現(xiàn)。當(dāng)今地學(xué)發(fā)展的重要趨向之一是全球構(gòu)造整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)觀念的建立。作為現(xiàn)今全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最直接表象之一的地震，特別是那些接近或超過(guò)8級(jí)的大地震，更能夠反映全球尺度構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)微動(dòng)態(tài)的重要特征（郭增建等，1988）。據(jù)USGS給出的1900年以來(lái)全球大震的最新排名結(jié)果顯示，2004年MW9.0地震為排名第3的大地震，該震發(fā)生在印度-澳大利亞板塊和歐亞板塊交匯部位的安達(dá)曼弧構(gòu)造帶上，是一次典型的板緣地震（陳學(xué)忠等，2013）。近年來(lái)全球大震頻出，其前兆機(jī)理已引發(fā)了地學(xué)界的深切關(guān)注。

2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震的震中位于巽他海溝東側(cè)的印度洋海床處（3.30°N，95.98°E），距印尼首都雅加達(dá)西北1620km，震源深度30km。Ammon等（2005）研究了該震的震源破裂過(guò)程，結(jié)果顯示，其震源破裂尺度達(dá)1200～1300km，其中600km尺度的同震位錯(cuò)達(dá)15m以上。這次地震所引發(fā)的海嘯席卷了印度洋沿岸的7個(gè)國(guó)家，已造成的死亡人數(shù)突破16.2萬(wàn)（數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截止時(shí)間為2005年1月16日）。其中，印度尼西亞死亡114798人；斯里蘭卡死亡30920人，80萬(wàn)人受傷；印度死亡10714人，5669人失蹤；泰國(guó)死亡5321人，9813人受傷；馬來(lái)西亞死亡72人，130人受傷；馬爾代夫死亡82人；緬甸死亡59人；孟加拉國(guó)死亡2人。另外，還有百名外國(guó)游客遇難（梁凱利，2005）。

Dasgupta等（2007）研究了2004年印尼大震前的b值時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)大震前b值下降到一個(gè)低值。Tanaka（2010）研究了2004年印尼大震前的p值時(shí)空變化，同樣發(fā)現(xiàn)大震前p值也下降到一個(gè)低值。陳颙（1978）根據(jù)海城地震前震序列的研究，提出用震源機(jī)制的一致性作為判別前震的新參數(shù)；刁桂苓等（1994）在分析了夏威夷的Kaoiki地區(qū)的震源機(jī)制變化后，提出了通過(guò)考量震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的改變來(lái)對(duì)地震活動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的思路；王俊國(guó)等（2005）利用震源一致性參數(shù)分析了千島島弧大震前的a值的變化情況，進(jìn)而分析大震前的前兆現(xiàn)象。

本文利用震源一致性參數(shù)a值的變化情況，分析研究2004年印尼MW9.0大震前的演變，以期通過(guò)提取有意義的預(yù)測(cè)信息，為地震活動(dòng)活動(dòng)預(yù)測(cè)研究提供幫助。

1 研究區(qū)域及資料

特大地震通常發(fā)生在板塊交界部位，2004年印尼MW9.0地震就發(fā)生在俯沖帶上，是印度洋-澳大利亞板塊向NE方向巽他次級(jí)板塊下方的俯沖碰撞時(shí)，由于摩擦力作用較大，使得上覆板塊與俯沖板塊一起向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)板塊間的剪切應(yīng)力超過(guò)摩擦極限后，上覆板塊反彈從而產(chǎn)生巨大的逆沖型地震（繆淼等，2013）。

圖1 研究區(qū)的背景構(gòu)造圖

該震地處印度板塊和歐亞板塊的交界帶，位于印尼弧形海溝的西端終止處附近（圖1），深海溝是板塊俯沖幅度較大的地方，俯沖對(duì)相鄰的非深海溝地段有牽拉作用，另外，非深海溝地段兩側(cè)還有板塊的擠壓作用，造成了深海溝與非深海溝交接地段的高度應(yīng)力集中，且是一個(gè)構(gòu)造力作用方向及方式轉(zhuǎn)換的地方，因此在這個(gè)地段發(fā)生特大地震是可以理解的（郭安寧等，2006）。歷史上巽他海溝地震活動(dòng)十分頻繁，薛燕等（2005）通過(guò)研究該區(qū)歷史上8級(jí)以上地震破裂尺度的空間分布，發(fā)現(xiàn)巽他海溝東側(cè)1°N～12°N存在著長(zhǎng)約1000km的8級(jí)地震空段。2004年MW9.0地震就發(fā)生在該空段內(nèi)，該震是單側(cè)破裂，沿安達(dá)曼斷層向NW方向形成長(zhǎng)1200～1300km和寬約150km的破裂區(qū)（薛燕等，2008）。

據(jù)USGS的結(jié)果，該震為1900年以來(lái)世界第3大地震（表1），地震引起了巨大海嘯，造成30萬(wàn)人死亡。因此，針對(duì)如此特大地震，進(jìn)行前兆的分析研究，以期對(duì)其活動(dòng)性預(yù)測(cè)提供幫助，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。

表1 1900年以來(lái)全球M W 8.5以上地震目錄

本文用矩形框選取印尼-蘇門(mén)答臘地區(qū)作為2004年印尼大震前兆研究區(qū)域，初始破裂點(diǎn)震中位于3聯(lián)點(diǎn)，即3個(gè)板塊交界處，但由于南部是俯沖帶，北部東側(cè)是轉(zhuǎn)換斷層（徐杰等，2005），二者性質(zhì)不同，所以分兩部分進(jìn)行分析（圖2）。選用的地震目錄源自中國(guó)地震信息網(wǎng)中全球震源機(jī)制的數(shù)據(jù)，此地震目錄的時(shí)段為1976～2014年。目錄顯現(xiàn)，地震呈條帶狀分布，大部分地震屬于淺源地震，南部地震震源深度＜70km的有948次，北部震源深度＜70km的有186次。震級(jí)-頻度分析（圖3）顯示，MW≥5.0地震線性比較好，舍棄不完整MW＜5.0的地震后，可以保證數(shù)據(jù)的完整性。本文所研究的地震是造成災(zāi)害的淺源地震，因此選取的地震目錄刪除了震源深度大于70km的地震。在2004年12月26日印尼MW9.0地震之前，研究區(qū)發(fā)生的最大震級(jí)的地震為MW7.8，而此次大震的震級(jí)遠(yuǎn)超歷史地震震級(jí)上限。又如2011的日本9.0級(jí)地震，盡管每年都有對(duì)震區(qū)的地震活動(dòng)預(yù)測(cè)圖件的研究發(fā)布，但事實(shí)是地殼活動(dòng)將幾個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)域連為一體，形成巨震。下面我們就利用震源機(jī)制的一致性參數(shù)的方法，對(duì)此類(lèi)巨震活動(dòng)的可能前兆進(jìn)行分析探討。

圖2 研究區(qū)內(nèi)本文所用地震分布

圖3 震級(jí)-頻度分布圖（橫坐標(biāo)為：震級(jí)M）

2 研究方法

震源機(jī)制解是研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它反映了震源斷層的力學(xué)特征，可以揭示地震破裂的力學(xué)機(jī)制，反映出地震等效釋放應(yīng)力場(chǎng)。陳颙（1978）研究的強(qiáng)震震例表明，強(qiáng)震前震源機(jī)制解趨于一致的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并提出了用震源機(jī)制一致性描述地震活動(dòng)性，且震源機(jī)制一致性參數(shù)是個(gè)相對(duì)的概念，即其所說(shuō)的前震震源機(jī)制解一致性，并不是指所有前震震源機(jī)制解都一樣，而是相對(duì)余震來(lái)說(shuō)比較一致。

一般將一個(gè)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)分為背景應(yīng)力場(chǎng)和變化應(yīng)力場(chǎng)。背景應(yīng)力場(chǎng)主要反映區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)力狀態(tài)，通常要看其是否存在一個(gè)較為穩(wěn)定的空間取向，且認(rèn)為這個(gè)穩(wěn)定的空間取向?qū)?qiáng)震起著控制作用；變化應(yīng)力場(chǎng)反映的是區(qū)域內(nèi)小范圍短時(shí)間的變化、擾動(dòng)，通過(guò)研究變化應(yīng)力場(chǎng)取向的變化，來(lái)發(fā)現(xiàn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的狀況及強(qiáng)震的前兆信息（澤仁志瑪?shù)龋?010）。

背景應(yīng)力場(chǎng)的空間方向由3個(gè)相互正交的應(yīng)力主軸表示：P0、B0、T0，震源機(jī)制解的取向由3個(gè)相互正交的應(yīng)力軸P軸、B軸、T軸表示。定義震源機(jī)制和背景應(yīng)力場(chǎng)的一致性參數(shù)a為：a＝α＋β＋γ，如圖4所示，其中α為P0軸與P軸的夾角，β為B0軸與B軸的夾角，γ為T(mén)0軸與T軸的夾角。一致性參數(shù)a的最大值為270°，最小值為0°（王俊國(guó)等，2005）。

圖4 背景應(yīng)力場(chǎng)3個(gè)主軸和震源機(jī)制3個(gè)應(yīng)力軸夾角示意

本文主要研究2004年印尼MW9.0地震前中小地震的震源機(jī)制解與背景應(yīng)力場(chǎng)一致性變化特征。利用中小地震的震源機(jī)制與背景應(yīng)力場(chǎng)的偏離程度來(lái)描述大震發(fā)生前應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，分析研究大震發(fā)生前震源區(qū)的前兆現(xiàn)象。

3 分析

本文利用震源機(jī)制一致性參數(shù)的計(jì)算方法，分析2004年印尼MW9.0地震前的前兆情況。因?yàn)楸狙芯繀^(qū)內(nèi)1976年以來(lái)9級(jí)以上大震只有2004年12月26日印尼MW9.0地震，本次地震的震源體積較大，相當(dāng)于孕育地震的區(qū)域尺度，能夠反映背景應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地震的控制作用，本文就用該巨震的應(yīng)力軸作為背景應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力主軸取向的近似值（澤仁志瑪?shù)龋?010），應(yīng)力場(chǎng)的3個(gè)力軸取值為：P0az＝222°、P0pl＝38、B0az＝130°、B0pl＝3°、T0az＝36°、T0pl＝52°，然后在3維空間計(jì)算一致性參數(shù)a。圖5和圖6為通過(guò)研究區(qū)域資料計(jì)算所得印尼大震前、后的一致性參數(shù)a隨時(shí)間變化的情況。

圖5中綠色區(qū)域?yàn)橛∧酠W9.0地震前低于a的均值的異常時(shí)間段。從研究區(qū)域的北、南兩區(qū)的圖中可以看出，震前a值都有下降的異常時(shí)段，主震發(fā)生前a值處于動(dòng)蕩起伏不定的最低點(diǎn)處。南區(qū)在異常時(shí)段內(nèi)發(fā)生了1次MW≥7.5地震，北區(qū)先后出現(xiàn)4次顯著的下降過(guò)程，然后發(fā)生主震。實(shí)際上，無(wú)論南、北區(qū)，進(jìn)入顯著低值的時(shí)間都是1992年，可見(jiàn)巨大地震的前兆異常應(yīng)出現(xiàn)在12年以前，這就有可能為鑒別出前兆后采取防御措施提供了時(shí)間。

圖6是印尼MW9.0地震后震源機(jī)制一致性參數(shù)a的變化情況，從圖中可以看出，震后a值的變化動(dòng)蕩起伏沒(méi)有規(guī)律，無(wú)法找到強(qiáng)余震震前的異常?？梢?jiàn)一致性參數(shù)a值不適用于震后強(qiáng)余震的前兆分析。

圖5 2004年12月26日印尼MW 9.0地震前的震源機(jī)制一致性參數(shù)a隨時(shí)間的變化

圖6 2004年12月26日印尼MW 9.0地震震后的震源機(jī)制一致性參數(shù)a的變化

圖7為印尼MW9.0地震研究區(qū)域內(nèi)震前MW≥5.0地震的震源機(jī)制一致性參數(shù)的平面插值圖，一致性參數(shù)a的大小用等值線形式表示。圖7顯示存在地震危險(xiǎn)性的低值區(qū)域相當(dāng)集中，且MW7.5以上地震基本上都發(fā)生在a值的低值區(qū)。結(jié)合圖5和圖7，筆者認(rèn)為在MW9.0地震之前震源區(qū)附近一致性參數(shù)a比較低，這種現(xiàn)象說(shuō)明震源區(qū)附近的背景應(yīng)力場(chǎng)控制作用增強(qiáng)，意味著將有發(fā)生強(qiáng)震的可能性。不僅時(shí)間上存在低值時(shí)間段，可能預(yù)示未來(lái)有大震發(fā)生，在空間上也存在低值區(qū)域，或許指明未來(lái)大震的破裂位置亦即成災(zāi)區(qū)域。2004年12月26日MW9.0強(qiáng)震發(fā)生后，圖7顯示一致性參數(shù)a開(kāi)始動(dòng)蕩起伏不定，后續(xù)地震的震源機(jī)制散亂，背景應(yīng)力場(chǎng)的控制作用開(kāi)始減弱。

圖7 2004年12月26日印尼MW 9.0地震前的震源一致性參數(shù)a的平面插值圖

一致性參數(shù)a反映了單個(gè)震源機(jī)制解的力軸與平均應(yīng)力張量的差異程度，a值越小，表明與背景應(yīng)力場(chǎng)力軸的重合性越好，反之則遠(yuǎn)離背景構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

4 討論和結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為，強(qiáng)震發(fā)生前的前震活動(dòng)是預(yù)測(cè)大震活動(dòng)規(guī)律的前兆方法之一。王俊國(guó)等（2005）分析了千島島弧地區(qū)的358次地震震源機(jī)制一致性參數(shù)，結(jié)果表明，大震前一致性參數(shù)a重復(fù)出現(xiàn)低值。刁桂苓等（2004）分析了山西大同700余次震源機(jī)制與應(yīng)力場(chǎng)的一致性參數(shù)，結(jié)果表明在1991年和1999年強(qiáng)余震前出現(xiàn)低值異常，且其震源機(jī)制具有方向性的一致性。由此可見(jiàn)，震源機(jī)制一致性參數(shù)的研究，不僅可能描述巨震之前的較長(zhǎng)時(shí)段的前兆變化，甚或能表征更短時(shí)間尺度的震前活動(dòng)形態(tài)。故以此方法探究2004年MW9.0地震前的前兆地震活動(dòng)或是可行的。

印尼MW9.0地震發(fā)生前，孕震區(qū)一系列中小地震震源機(jī)制解一致性參數(shù)比較低，說(shuō)明這些前震可能是受到了震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的統(tǒng)一作用。當(dāng)然，主震發(fā)生前一系列的前震的震源機(jī)制解與背景應(yīng)力場(chǎng)的一致性關(guān)系還需要更多震例的研究，并經(jīng)更長(zhǎng)久的時(shí)間檢驗(yàn)。