2019年6月16日新西蘭克馬德克群島M W7.3地震震源機制快速反演與海嘯波高數(shù)值模擬

史健宇，徐志國，王君成，李宏偉

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.自然資源部海嘯預(yù)警中心，北京100081）

1 引言

2019年6月16日06時55分（北京時，下同），美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）測定新西蘭克馬德克群島附近發(fā)生MW7.3地震，地震震中位于30.805°S，178.095°W，震源深度46 km，為該地區(qū)2019年發(fā)生的最大地震[1]。太平洋海嘯預(yù)警中心（Pacific Tsunami Warning Centre，PTWC）在地震發(fā)生6 min后，針對震中周邊地區(qū)發(fā)布了第一份海嘯預(yù)警信息，預(yù)計震中附近可能發(fā)生海嘯。震中附近實際水位觀測數(shù)據(jù)表明，本次地震在震中引發(fā)小規(guī)模的局地海嘯，震中附近的拉烏爾島船灣潮位站觀測到0.09 m海嘯波高。自然資源部海嘯預(yù)警中心（National Tsunami Warning Center，NTWC）也在地震發(fā)生后發(fā)布了海嘯預(yù)警信息，判定此次地震可能會在震中附近引發(fā)局地海嘯，但不會對我國沿岸造成影響。

本次地震震中位于克馬德克群島附近海域（見圖1），處于西南太平洋地區(qū)的湯加-克馬德克俯沖帶。該俯沖帶是環(huán)太平洋地震帶的主要組成部分，從新西蘭北島沿NNE方向一直延伸到薩摩亞島附近，是太平洋板塊向西俯沖至印度-澳大利亞板塊下形成的會聚型邊界。該邊界主要由湯加-克馬德克海溝、火山島弧以及弧后拉伸盆地組成，其中湯加-克馬德克海溝深度超過10 000 m，是全球第二深的海溝[2-4]。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）觀測資料顯示，西南太平洋板塊沿湯加-克馬德克海溝向印度-澳大利亞板塊下俯沖，俯沖速率從克馬德克海溝南部的60 mm/a向北逐漸增加，在湯加海溝北部最高達240 mm/a，這是全球移動最快的板塊之一[5-6]。強烈的板塊間相互作用，使得湯加-克馬德克地區(qū)成為全球俯沖系統(tǒng)中地震和火山活動最活躍的地區(qū)之一，也是目前全球地球動力學(xué)研究重要的熱點區(qū)域之一。USGS歷史地震資料顯示，從1900年起，該地區(qū)共發(fā)生MW7.0以上的地震超過50次，包括9次MW8.0以上地震，其中最大的是2018年8月19日發(fā)生在斐濟附近海域的MW8.2地震。在本次地震震中附近500 km范圍內(nèi)，最大地震為1976年1月14日發(fā)生的MW8.0地震。歷史地震活動分布表明，該地區(qū)地震深度分布范圍比較廣，從淺部地殼到深部700 km左右，均表現(xiàn)出強烈的地震活動性[7-8]。

圖1 研究區(qū)域歷史地震及區(qū)域構(gòu)造背景圖

全球歷史海嘯災(zāi)害數(shù)據(jù)庫（National Centers for Environmental Information，NCEI）顯示，湯加-克馬德克俯沖帶曾發(fā)生過36次海嘯事件，其中最嚴重的是2009年9月29日發(fā)生在薩摩亞附近的MW8.1地震引發(fā)的海嘯，最大海嘯波幅高達22.35 m，超過100人死亡。距離此次震中500 km范圍內(nèi)，歷史上曾發(fā)生過11次海嘯事件，其中影響最大的是1917年11月16日發(fā)生的MW7.5地震引發(fā)的海嘯災(zāi)害，最大海嘯波幅達到2.5 m[5,9]。

為了深入理解和認識新西蘭克馬德克群島地震發(fā)震機制和斷層特征，進一步解釋此次地震產(chǎn)生海嘯的原因，本文首先利用W震相方法快速得到此次地震的斷層面幾何參數(shù)、地震矩和矩心位置等震源參數(shù)，并根據(jù)斷層面反演結(jié)果和已有區(qū)域板塊構(gòu)造背景，識別可能的發(fā)震斷層節(jié)面。然后，采用OKADA理論模型[10]，應(yīng)用美國康奈爾（Cornell）大學(xué)開發(fā)的COMCOT（COrnell Multi-grid COupled Tsunami）模型進行海嘯數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果分析海嘯波能量分布特征，對于海嘯可能到達的地區(qū)及波高進行預(yù)測。

2 資料與方法

2.1 震源機制反演

本研究采用全球虛擬地震臺網(wǎng)長周期三分量地震波形數(shù)據(jù)資料（臺站分布見圖2），選取震中距為5°～90°的地震臺站的數(shù)據(jù)自動提取W震相進行震源機制快速反演計算。W震相是指P波與S波之間斜坡狀的長周期震相（100～1 000 s），最早在1992年日本記錄的尼加拉瓜地震的位移波形中被辨識出，其所攜帶的能量可解釋為P、PP、SP和S等震相的疊加[11-13]。W震相主要在上地幔傳播，其群速度明顯高于面波，波形振幅小，不容易受到大地震振幅裁剪的影響。因此，相較于傳統(tǒng)的面波波形反演方法，W震相方法更適合大地震快速應(yīng)急響應(yīng)，為地震抗震救災(zāi)和海嘯早期預(yù)警提供快速的震源參數(shù)[14]。目前，該方法已應(yīng)用于美國國家地震信息中 心（National Earthquake Information Center，NEIC）、PTWC、日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）和NTWC等多家國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)[15-17]。

圖2 本研究所使用臺站分布（五角星表示震中位置，三角形表示臺站位置）

對于W震相矩心矩張量方法反演而言，待定的震源參數(shù)由地震矩張量f=[Mrr,Mθθ,Mφφ,Mrr,Mθθ,Mφφ,Mrθ,Mrφ,Mθφ]t和 矩 心 的4個 時 空 坐 標(biāo) 參 數(shù)ηc=[θc,φc,rc,τc]t（θc是矩心余緯度，φc是矩心經(jīng)度，rc是矩心深度，τc是矩心時間）確定。完整的W震相矩心矩張量方法反演未知震源參數(shù)可表示為：

矩心位置和矩心矩張量為最佳點源位置以及矩張量。式中，矩心坐標(biāo)ηc可以通過使W震相實際觀測數(shù)據(jù)dω和W震相理論波形Sω之間二次失配函數(shù)最小的網(wǎng)格搜索方法估算[16]：

同時，為了提高震源機制解反演效率，需要預(yù)先構(gòu)建格林函數(shù)庫，我們基于簡振正模疊加（Normal mode summation）方 法，采 用PREM（Preliminary Reference Earth Model）全球一維速度模型計算格林函數(shù)。

2.2 海嘯數(shù)值模擬

本文利用的COMCOT海嘯模式是由美國康奈爾大學(xué)開發(fā)的一個非常成熟的長波數(shù)值模式[18-20]，基于淺水波方程的有限差分模型模擬海嘯產(chǎn)生、傳播和增水全過程。該模式有以下特點：（1）模塊化設(shè)計，控制簡單；（2）多層網(wǎng)格嵌套，最多能夠嵌套4層網(wǎng)格，每層子網(wǎng)格又能嵌套4塊區(qū)域；（3）大小嵌套網(wǎng)格的比例不固定，模式能自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以保持精度和效率的平衡；（4）模式的海嘯源比較靈活，地震、海底滑坡、入射波或人為設(shè)定的源都可以模擬；（5）能夠模擬海嘯的產(chǎn)生、傳播、漫灘和淹沒等海嘯全過程[21-25]。對1960年智利海嘯、2003年阿爾及利亞海嘯以及2004年印度洋大海嘯等大量歷史海嘯事件模擬和復(fù)現(xiàn)的結(jié)果表明，COMCOT模式具有較好的準(zhǔn)確性和適用性[18-19]。

在實際的應(yīng)用過程中，海嘯數(shù)值模擬結(jié)果與實際觀測值之間存在著一定偏差，主要受以下因素影響：（1）地震震源參數(shù)的不確定性對海嘯數(shù)值模擬結(jié)果的影響；（2）計算區(qū)域的近岸海底地形數(shù)據(jù)精度不夠，不能精確反映地形特征，影響數(shù)值模擬結(jié)果的分辨率；（3）數(shù)值模擬過程沒有考慮近岸地形和非線性特征對爬高過程的影響；（4）地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力、頻散效應(yīng)、非線性項和底摩擦項設(shè)置對模擬結(jié)果的影響[25]。

3 結(jié)果與解釋

3.1 震源機制反演結(jié)果

表1中為新西蘭克馬德克MW7.3地震發(fā)生后，基于W震相方法自動快速反演震源機制結(jié)果，地震發(fā)生40 min內(nèi)，共得到了6次反演結(jié)果。由于震中位于臺站分布較為稀疏的海域地區(qū)，地震發(fā)生17 min后，由7個臺站的觀測波形數(shù)據(jù)計算得到初始震源機制解，其后隨著更多臺站接收到地震波形，參與反演的臺站數(shù)也逐漸增多，反演結(jié)果趨于穩(wěn)定，在地震發(fā)生38 min后得到最終結(jié)果：節(jié)面Ⅰ走向角186°/傾角37°/滑動角71°，節(jié)面Ⅱ走向角29°/傾角55°/滑動角104°，矩心位置為30.4°S，177.82°W，矩心深度50.5 km，理論地震圖與觀測波形見圖3。這個結(jié)果與震后統(tǒng)計的USGS、全球矩心矩張量解（Global Centroid-Moment-Tensor，GCMT）、德國波茨坦地學(xué)研究中心（The German Research Center for Geoscience，GFZ）、法 國 全 球 地 震 臺 網(wǎng)（GEOSCOPE）等多家國際地震機構(gòu)給出的結(jié)果（見表2）相比，震源參數(shù)結(jié)果均較為接近，都揭示本次地震的震源斷層以逆沖性質(zhì)為主，這說明了我們反演結(jié)果的可靠性。

圖3 部分臺站記錄到的觀測波形（黑色）與W震相獲得的矩張量解擬合波形（紅色）對比（波形上的紅點范圍為W震相時間窗；五角星表示震中位置；圓形表示參與矩張量反演的臺站；大圓代表對應(yīng)波形的臺站位置）

對于震源機制反演給出的兩個共軛節(jié)面，單純依靠波形數(shù)據(jù)，我們很難判斷哪個節(jié)面為破裂主節(jié)面，即與實際震源破裂面相符。因此，需要借助震中區(qū)域的實際地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、余震分布和地震傳播的方向性等多種手段來判定哪個節(jié)面為真實的破裂斷層節(jié)面。

截至2019年6月24日，本次地震共發(fā)生余震超過60次，最大余震震級M=6.5。通過余震分布圖我們可以看到（見圖4），余震深度分布與該地區(qū)正在向下俯沖的太平洋板片深度分布基本一致，結(jié)合Hayes等[26]的Slab板片俯沖的傾角分布資料，震源附近的板片俯沖傾角約為35°，我們可以推斷節(jié)面Ⅰ可能為此次地震的主節(jié)面，即走向角186°/傾角37°/滑動角71°。我們認為本次地震為發(fā)生在俯沖帶的逆沖斷層，可能是由正在向下俯沖的太平洋板塊造成。

3.2 海嘯數(shù)值模擬

在進行地震海嘯的數(shù)值模擬過程中，我們假設(shè)初始海嘯波由斷層的突然垂向錯動引起，不考慮斷層破裂過程，假設(shè)海水表面的向上運動和海底位移一致，可由各向同性的彈性半空間中的斷層位錯公式確定。根據(jù)JMA的經(jīng)驗公式[27]，我們可以快速估計斷層長度L=53.7 km，寬度W=26.85 km，斷層的平均滑動量D=2.5 m，剛性系數(shù)μ取3×1010N/m2。根據(jù)W震相反演得到的震源機制結(jié)果和區(qū)域構(gòu)造特征，我們選取走向角=186°，傾角=37°，滑動角=71°的斷層面幾何參數(shù)構(gòu)建斷層位錯模型。通過COMCOT海嘯模擬數(shù)值模式計算得到海嘯傳播最大波幅場（見圖5），結(jié)果顯示，最大海嘯波幅為0.28 m，在震中附近，而在拉烏爾島船灣潮位站附近的模擬結(jié)果為0.05 m，與實際觀測值基本一致。本次地震發(fā)生后，在震中附近引發(fā)了局地海嘯，但是海嘯波幅較小，且本次震中所處的海域附近不利于人的常年居住，人為活動較少，因此，本次地震海嘯并未產(chǎn)生破壞性影響。

圖5 克馬德克M W7.3地震產(chǎn)生海嘯傳播最大波幅場

4 討論與結(jié)論

本文使用全球虛擬地震臺網(wǎng)長周期三分量地震波形數(shù)據(jù)資料，采用基于W震相的快速震源機制反演方法，研究得到2019年6月16日新西蘭克馬德克群島附近海域MW7.3地震信息。結(jié)果表明，本次地震是一次淺源逆沖型地震事件，矩心位置為30.4°S，177.82°W，矩心深度50.5 km，斷層面解結(jié)果為節(jié)面Ⅰ：走向角186°/傾角37°/滑動角71°，節(jié)面Ⅱ：走向角29°/傾角55°/滑動角104°，該結(jié)果與國際上其他機構(gòu)給出的研究結(jié)果基本一致。

本次地震是發(fā)生在太平洋板塊和印度-澳大利亞板塊之間的板間地震。由于密度大的大洋板塊俯沖至密度小的大陸板塊之下，上覆板塊和俯沖板塊之間的淺部界面由于斷層閉鎖-摩擦滑動，造成局部應(yīng)力不斷累積并最后釋放而導(dǎo)致地震的發(fā)生。板塊界面通過瞬時滑移誘發(fā)地震來釋放日益積累的應(yīng)力和能量。研究表明，世界上大多數(shù)震級較大的淺源地震都是以這種方式誘發(fā)的板間地震[28]。因此，我們認為本次地震發(fā)生的原因是由于密度較大的西南太平洋板塊受重力牽引往密度較小的澳大利亞板塊下俯沖，兩個板塊之間的活動因摩擦力而受阻，板片之間被閉鎖，閉鎖區(qū)域內(nèi)應(yīng)力與能量逐漸積累，當(dāng)應(yīng)力積累到一定程度時，板塊間發(fā)生相對滑動產(chǎn)生地震，釋放積累的能量。

基于震源機制反演得到的震源參數(shù)，采用COMCOT海嘯數(shù)值模式模擬的海嘯傳播結(jié)果顯示，本次地震事件在震中附近引發(fā)了較小的海嘯，該數(shù)值模擬結(jié)果與震后實際震中附近潮位站的觀測值基本一致。由于此次地震震中遠離陸地和島嶼沿岸地區(qū)，并未給沿岸居民生產(chǎn)生活帶來破壞性影響。

值得說明的是，海嘯波首波到達時間和最大波高是海嘯預(yù)警時需要提供的兩個重要參數(shù)。海嘯數(shù)值模擬是定量化海嘯預(yù)警預(yù)報的有效手段之一，能夠較為準(zhǔn)確地模擬海嘯傳播以及近岸爬坡的全過程，為海嘯預(yù)警提供參考數(shù)據(jù)以及必要支撐。在海嘯數(shù)值模擬計算過程中，W震相測定的地震斷層面幾何參數(shù)、地震矩、矩心位置和矩心深度等震源參數(shù)，為海嘯數(shù)值模擬提供了真實的海嘯波生成初始條件，對提高地震海嘯預(yù)警的時效性與準(zhǔn)確性具有重要的現(xiàn)實意義。