GPS觀測到的2004年印度洋9.3級等大地震前后地殼運動＊

顧國華 王武星

（中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036）

0 引言

印度尼西亞西部蘇門答臘及其海域位于太平洋火山地震帶，是西南面的澳大利亞板塊、西北面的印度板塊與東面的巽他板塊3個主要板塊構(gòu)造帶的結(jié)合處，西北面印度板塊又劃出緬甸小板塊，由于板塊互相擠壓，頻發(fā)大地震。表1為本文研究的2004—2012年印尼西部海域多次大地震。2004年12月26日印尼蘇門答臘以西發(fā)生印度洋9.3級巨大地震，是印度板塊在緬甸小板塊下俯沖產(chǎn)生的逆沖型地震，為21世紀(jì)至今全球最強地震，加之由此引發(fā)的巨大海嘯，造成的傷亡極為慘重。2012年4月11日8.6和8.2級地震為印度—澳大利亞板塊板內(nèi)的走滑型地震，為北北東左旋走滑或北西西右旋走滑。因此，除9.3級地震外，其他地震幾乎都是澳大利亞板塊與巽他板塊邊界的逆沖型地震。研究這些大地震前后的地殼運動相互影響是地震預(yù)測中的難點之一。印尼是千島之國，只能在島上布設(shè)GPS連續(xù)觀測站監(jiān)測近海地震（圖1），站點密度無法與日美等國相比。少數(shù)GPS連續(xù)站從1998或1999年開始觀測，而多數(shù)GPS觀測站在2004年9.3級大震后才開始觀測。不足的是，有的觀測站有數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，甚至停止了觀測，特別是有的站震前觀測時間短，不利于觀測結(jié)果的分析。其中多次地震被離震中較近的多個GPS連續(xù)觀測站觀測到，雖然震前觀測時間長短不一，但仍獲得了非常寶貴的信息，有利于了解各次地震前后較大范圍的地殼運動及其相互影響。GPS連續(xù)觀測站NGNG得到了表1中幾乎所有地震的同震水平位移，而幾乎所有的觀測站都觀測到了2012年4月11日8.6（和8.2）級地震的同震水平位移。

圖1 印尼西部近海及其鄰近區(qū)域的大地震（大紅點） 及GPS連續(xù)觀測站（彩色點） 。圖右側(cè)為表示GPS觀測站大地高程的色碼。標(biāo)有站名的為本文采用的35個GPS連續(xù)觀測站，其中的10個站文中顯示了位移時間序列（站名標(biāo)為紅色） 。震級標(biāo)記為棕色的3次地震未作研究Fig.1 Large earthquakes （big red dots） and GPS stations of continuous observations （color dots） offshore and in the western part of Indonesia.On the right side is the color code for the geodetic heights at the GPS stations.35 GPS stations of continuous observations used in this paper are marked with station codes，10 of them with displacement time series shown in this paper are marked with station codes in red.Earthquakes marked with magnitudes in brown are not studied in this paper

表1 2004—2012年印尼西部近海多次大地震統(tǒng)計Table 1 Statistics of earthquakes in the western offshore of Indonesia from 2004 to 2012

1 GPS數(shù)據(jù)及其處理與分析

從http://geodesy.unr.edu網(wǎng)站（下稱G網(wǎng)站）得到Geoffrey Blewitt教授用美國JPL（噴氣推進實驗室）GIPSY軟件處理得到的印尼西部35個及中國大陸北京附近BJFS等 GPS連續(xù)觀測站全球參考框架坐標(biāo)時間序列，由此獲得該區(qū)域的地殼運動信息。在獲取GPS觀測結(jié)果的同時，連接USGS（美國地質(zhì)調(diào)查局）網(wǎng)站，得到表1、圖1和本文涉及的地震、板塊構(gòu)造與地殼運動信息等。

位移參考框架及其核心站（或稱為參考基準(zhǔn)）是合理描述區(qū)域位移的關(guān)鍵[1-3]。根據(jù)筆者以往對日本和尼泊爾地震的研究，本文也采用以中國大陸東部穩(wěn)定區(qū)域的BJFS站（距9.3級地震4 406 km）作為核心站，建立區(qū)域參考框架，獲取該區(qū)域的位移結(jié)果[4-6]。

盡管9級以上巨大地震前后的地殼水平運動，包括同震水平位移，對全球或區(qū)域參考框架有明顯影響[4,7]，但區(qū)域參考框架位移場消除了各區(qū)域的整體位移（包括整體平移和旋轉(zhuǎn)），有利于研究與地震發(fā)生密切有關(guān)的區(qū)域形變，因而有利于地震預(yù)測探索前兆位移，也有利于根據(jù)同震水平位移與震前水平位移說明地震類型（如傾滑、走滑或兩者兼有）等。2015年尼泊爾8.1級大地震是一突出例子，區(qū)域參考框架CHLM站的水平位移向量時間序列圖完美顯示了逆沖型大地震前后的形變特征和印度板塊向北水平擠壓的地震成因[6]。

2 印尼西部近海多次大地震同震位移

GNSS連續(xù)觀測的一大優(yōu)勢是可快速并準(zhǔn)確獲得大地震大范圍同震位移，特別是近震中大幅度同震位移，且可為此選用最恰當(dāng)?shù)模ㄎ诲e）參考框架。本文采用區(qū)域參考框架，而9.3級地震此參考框架同震位移與位錯參考框架同震位移差別不大；對其他震級的地震，區(qū)域參考框架可作為位錯參考框架。圖2將印尼西部近海及其鄰近區(qū)域多次大地震同震水平與垂直位移繪于一圖，有利于對比所有地震的同震位移及其影響。需說明的是，每日觀測結(jié)果只能給出同一天2次（甚至多次）地震綜合同震位移。Kreemer等[7]給出了9.3級地震在更大范圍內(nèi)的同震位移。

圖2 印尼西部近海多次大地震同震水平（a） 與垂直（b） 位移Fig.2 Coseismic horizontal displacements （a） and vertical displacements （b） of the large earthquakes offshore the western part of Indonesia

盡管各次地震觀測到同震位移站的遠(yuǎn)近和數(shù)量不等，但圖2仍清楚顯示同震水平位移隨震級和震中距的顯著差別，符合同震位移隨震級和震中距而變的一般規(guī)律。同震位移是地殼內(nèi)應(yīng)變能釋放的一種方式。表2為印尼西部多次大地震多個GPS連續(xù)觀測站同震水平位移及震中距，但未給出同震垂直位移。

表2 印尼西部海域多次大地震多個GPS連續(xù)觀測站的震中距與同震水平位移Table 2 Epicentral distances and coseismic horizontal displacements of stations of continuous GPS observations for several earthquakes in offshore of the western part of Indonesia from 2004 to 2012

8.6（和8.2）級地震是表1中唯一大于8級的板內(nèi)走滑型地震，其同震水平位移（圖2a中用綠色細(xì)線箭頭表示）向東為主，而其他地震同震水平位移幾乎一致向西，方向差別顯著。據(jù)此推斷，8.6級地震的成因不同于其他地震。8.7與8.6級地震赤道南北兩側(cè)同震水平位移的差異明顯，其原因在后面討論。2005年6.7級地震的同震水平位移總體方向也與其他地震不同，但震級小得多，且只一個站，無法作進一步分析。在以下的時間序列分析中還將分析某些地震同震水平位移的特殊性。

3 印尼西部海域多次大地震附近GPS連續(xù)觀測站位移時間序列

區(qū)域參考框架位移時間序列和空間分布有物理或構(gòu)造運動意義，可顯示大地震前后不同形式的地殼運動時空變化過程，包括構(gòu)造運動、前兆地殼運動、同震與震后地殼松弛形變等。同震位移是劃分地震前后地殼運動明確分界，有助于分析地震前后地殼形變。圖3僅給出表1中大地震附近10個GPS連續(xù)觀測站的位移時間序列，以觀測站代碼字母順序編排。所用GPS連續(xù)觀測站包括，震級最大和離震中最近且同震或震后位移非常顯著的站，顯示近震中地震前后的位移特點；離震級較大地震距離較遠(yuǎn)的站，顯示大地震前后形變影響范圍，特別是前兆形變范圍；顯示震前盡可能長時間的觀測結(jié)果，但站點很少；同震水平位移異常的站。圖1紅色站名標(biāo)記圖3和圖4顯示的10個站點。

圖3 印尼西部海域多次大地震附近多個GPS連續(xù)觀測站3個位移分量和水平位移向量時間序列。左圖為3個分量，即水平位移東西（E，棕色） 和南北（N，紅色） 分量與垂直（U，藍(lán)色） 位移時間序列，圖上方標(biāo)出了有明顯同震位移的地震震級。右圖為水平位移向量時間序列，圖右側(cè)為用GPS周表示日期的色碼Fig.3 Time series of 3 displacement components （left figure） and horizontal displacement vectors （right figure） at several stations of continuous GPS observations in the western part of Indonesia.The 3 displacement component are the east horizontal component E in brown，north horizontal component N in red and vertical component U in blue.At the top of the figures of 3 displacement components，the magnitudes of the earthquakes are shown.On the right side of each vector figure the color code shows the date in GPS week for time series of the horizontal displacement vectors

圖4 GPS連續(xù)觀測站NGNG的3個位移分量和水平位移向量時間序列。左圖為3個分量，即水平位移東西（E，棕色） 和南北（N，紅色） 分量與垂直（U，藍(lán)色） 位移時間序列，圖上方標(biāo)出了有明顯同震位移的地震震級。右圖為水平位移向量時間序列，圖右側(cè)為用GPS周表示日期的色碼。上圖和下圖時間段不同F(xiàn)ig.4 Time series of 3 displacement components （left figure） and horizontal displacement vectors （right figure） at the station NGNG of continuous GPS observations.The 3 displacement component are the east horizontal component E in brown，north horizontal component N in red and vertical component U in blue.At the top of the figures of 3 displacement components，the magnitudes of the earthquakes are shown.On the right side of each vector figure the color code shows the date in GPS week for time series of the horizontal displacement vectors.The upper and lower figures are different in time periods

USGS網(wǎng)站文獻說明，在蘇門答臘地區(qū)印度和澳大利亞板塊約以北北東方向60 mm/a左右的水平位移速率朝歐亞板塊移動。但在9.3和8.7及8.4級地震前，一些站水平位移向量時間序列清楚顯示沿此方向的水平運動，可惜震前給出時間不長，大震前水平位移速率可參考上述數(shù)據(jù)。

由于地震多，震級大，離觀測站遠(yuǎn)近不一，各觀測站的地殼形變錯綜復(fù)雜。盡管如此，除個別站外，此區(qū)大于7.5級的地震觀測到了大的同震水平位移（如大于50 mm）都是震前積累的水平位移的（彈性）回跳；8級以上大地震震后形變顯著，不僅范圍廣，且持續(xù)時間長；而7.5級以下地震觀測到的同震水平范圍和位移幅度較小，受其他大地震形變影響，其與震前積累的水平位移的關(guān)系復(fù)雜。

3.1 9.3級巨震和8.7級大地震

USGS網(wǎng)站文獻指出，2004年印度洋9.3級巨震觸發(fā)了震中東南195 km的2005年3月的8.7級地震。地震后，離震中相當(dāng)大范圍內(nèi)的站水平位移呈指數(shù)衰減的粘彈性松弛形變，持續(xù)時間長。

圖3中SAMP站2次地震同震水平位移總體上是2次地震前水平位移積累的反向突變；NTUS站2次地震的同震水平位移方向一致，是2次地震震前水平位移積累的突變（表2）。這2站2次地震同震水平位移均很顯著，方向基本一致。2站在相隔不久的2次地震時都出現(xiàn)了同震位移，這表明2次地震的孕震區(qū)或震前形變異常區(qū)至少在這2站所在區(qū)域重合。

8.7級地震前UMLH站觀測時間太短，無法判斷地震前后水平位移的變化關(guān)系，但同震水平位移方向與SAMP站一致。LEWK離8.7級地震震中最近，同震水平位移南北分量N與震前方向相反，且震前9.3級震后松弛水平位移2個分量速率較快。赤道南的PSMK、PTLO和PBAI站8.7級地震同震水平位移大，ABGS站同震水平位移較?。ū?），這些均清楚地顯示出是震前水平位移積累的反向突變，是彈性回跳。PSMK、PTLO和PBAI站9.3級地震的同震水平位移比不受其他影響的地震（如2011年東日本9.0級地震[4]）相同震中距的同震水平位移小得多，是8.7級地震前一種水平位移異常，與智利近海相鄰2次大地震地殼運動相互影響類似[8]。

此區(qū)北部和南部2次地震的同震水平位移差別顯著。與9.3級地震相比，8.7級地震前的水平位移向南影響范圍較遠(yuǎn)。赤道南觀測站主要釋放8.7級地震的能量，是8.7級地震前水平位移異常區(qū)的一部分。

9.3與8.7級地震同震水平位移顯著的區(qū)域差別表明，雖然這2次地震震級和時空都相近，但孕育2次地震的形變異常區(qū)不完全一致，有部分重合區(qū)，也有非重合區(qū)，這是前者觸發(fā)后者的基本條件。

SAMP、NTUS及PBAI、PTLO、PSMK、NGNG等站9.3級震前的水平位移和PSMK、PBAI站8.7級震前的水平位移，均沿直線向北位移，與USGS網(wǎng)站的文獻所述本區(qū)的構(gòu)造運動方向是一致的。這與其他區(qū)域大地震前的地殼水平運動是一致的。

2008年2月在9.3級地震南發(fā)生了7.4級淺源逆沖型大地震。LEWK站離震中僅25 km，同震水平位移為98.7 mm，遠(yuǎn)小于其他地區(qū)相同震級地震及相近震中距站的同震水平位移量（如2021年我國青?，敹?.4級地震[9]），方向與震前水平位移方向相同，未見此次地震前水平位移速率和方向的變化，即未見此站此次地震震前明顯水平位移異常。2010年10月在9.3級地震北發(fā)生7.2級地震，該站離震中94 km，南西向同震水平位移達55.3 mm，但水平位移方向與震前的方向有明顯差別。2005年8.7級、2008年7.4級和2010年7.2級3次地震空間相近，地震前后的水平位移有一致之處，也有一定差別，僅以此一站的觀測結(jié)果難以在震前預(yù)測后2次地震。

3.2 8.6和8.2級大地震

9.3級巨震7年多后，2012年4月11日當(dāng)日先后發(fā)生了8.6和8.2級地震，與9.3級地震相距分別為326和474 km。離地震較近的觀測站震前受9.3和8.7級地震后地殼形變影響十分強烈。如，LEWK站至8.6級地震前9.3級震后的水平位移累積達889 mm。表2中GPS觀測站均離8.6級地震更近，同震水平位移以8.6級地震的為主。距8.6級地震震中570 km以內(nèi)的站，如LEWK、UMLH、PBLI、HNKO、BTHL和SDKL等站同震水平位移大于30 mm，LEWK站同震水平位移最大（表2）。這些站同震水平位移是震前9.3與8.7級地震后水平位移松弛位移衰減的反向突變，是彈性回跳。可見，9.3和8.7級地震后地殼形變與這2次地震的發(fā)生直接相關(guān)。但因地震附近觀測站太少，觀測時間短，無法排除2次地震發(fā)生的其他因素。此外，在此范圍內(nèi)個別站如BNON和LHW2站震前觀測時間短，未能清楚顯現(xiàn)前兆水平位移的特征。PBLI站還受震中距41 km的2010年4月7.8級地震非常顯著的影響，同震水平位移達325 mm，其東西分量E是震前水平位移的彈性回跳；8.6級地震在此站的同震水平位移南北分量N是9.3級巨震地殼運動衰減過程中的（彈性）回跳。PBLI站7.8級地震同震垂直位移為-120.1 mm，是該區(qū)唯一同震垂直位移也為彈性回跳的站，其原因只能歸于該站所處的特殊構(gòu)造環(huán)境，可參考2016年夏威夷6.9級地震近火山口的GPS觀測到的垂直位移結(jié)果[10]。9.3級和8.7級地震與8.6級地震類型不同，3次同震水平位移方向明顯不同，而LEWK、UMLH與PBLI等站的GPS連續(xù)觀測結(jié)果表明，成因也不同，9.3和8.7級巨大地震后強烈地殼運動應(yīng)是其重要的成因因素。

3.3 8.4和7.9級地震

2007年9月的8.4級地震位于9.3級地震東偏南1 058 km，也是對此區(qū)地殼運動影響顯著的淺源大地震，與當(dāng)日13小時后發(fā)生的7.9級淺源地震相距225 km。得到的GPS觀測結(jié)果無法區(qū)分8.4和7.9級地震的影響。表1中GPS站震中距無括號的為8.4級地震的震中距，括號內(nèi)的為7.9級地震的震中距。因有的站離震中近，這2次地震地殼形變比8.6與8.2級地震的地殼形變大且復(fù)雜。表2中PRKB站同震水平位移最大，但此站不是離8.4或7.9級地震最近的。此次地震較大的同震水平位移（大于21.3 mm）是震前水平位移的回跳或彈性回跳。2次地震前，離震中近的多個站的水平位移也沿直線向北位移，即與USGS網(wǎng)站的文獻所顯示的構(gòu)造運動方向一致。震前離震中較近的站 9.3、8.7級地震的同震水平位移較小，與上述8.7級地震和智利地震震前的現(xiàn)象相似，是震前水平位移異常。這2次地震前后形變及其發(fā)生與9.3、8.7級地震無關(guān)。

赤道以南站8.4（和7.9）級地震后地殼水平運動十分顯著，以順時針旋轉(zhuǎn)位移為主（見圖3中BSAT、PRKB、PSMK和SLBU等站），對2012年8.6和8.2級地震的同震水平位移產(chǎn)生較明顯影響。

3.4 7.7級大地震

離2010年10月7.7級大地震震中較近的BSAT、PRKB、SLBU、SMGY和KTET等GPS連續(xù)觀測站的同震水平位移較大。7.7級地震離8.4級地震僅194 km，地震前這幾個站8.4級地震后水平位移E分量衰減速率變緩，而N分量衰減過程出現(xiàn)反向，是彈性回跳。

3.5 2008和2009年的7.6級大地震

2008年2月發(fā)生了一次7.6級大地震。GPS連續(xù)觀測站KTET、SMGY 、SLBU同震水平位移較大，是震前積累水平位移的反向突變。2009年9月的7.6級大地震震源較深，距2008年7.6級地震以北186 km。GPS連續(xù)觀測站ABGS、MSAI、NGNG和PPNJ離震中較近，同震水平位移卻較小，但也是震前積累水平位移的反向突變，以N分量最明顯。PKRT、PPNJ、NGNG和ABGS等站離2008年7.6級地震比離2009年9月7.6級大地震近得多，但前者的同震水平位移卻比后者小或小得多（PPNJ、NGNG站見表2，表中未列入PKRT、ABGS站比之更小的同震水平位移）。尚無其他震源較深地震GPS觀測的結(jié)果，也無法解釋此次地震近震中同震水平位移反而較小的現(xiàn)象。

2008年2月7.6級地震與2010年10月7.7級大地震相距僅122 km，相隔近3年，但未見7.6級地震對7.7級地震孕育明顯的影響。

3.6 NGNG站的地殼運動

GPS連續(xù)觀測站NGNG受不同震級、不同震中距多次大地震影響，是GPS連續(xù)觀測站中地殼運動最復(fù)雜的觀測站（圖4）。此站2007年8.4級地震同震水平位移最大，達161.7 mm，且是震前積累的水平位移的反向變化（彈性回跳），N分量最明顯。2005年和2009年分別在離此站41 km和43 km處各發(fā)生一次6.7級地震，同震水平位移分別為91 mm（與該站震前水平位移積累的方向一致）和58.8 mm，方向相同，但2次地震同震水平位移與震前水平位移的關(guān)系明顯不同于此區(qū)其他大地震。NGNG站9.3和8.7級2次最大地震同震水平位移明顯小于離2次地震震中更遠(yuǎn)的NTUS站（表2）。9.3和8.7級地震離該站較遠(yuǎn)，同震水平位移很小。而2005年震級較小的6.7級地震未影響相距370 km的8.4級地震前該站水平位移的積累。該站其他地震的同震水平位移均小于50 mm。對類似站地殼運動的分析尚需綜合性的理論模型。

4 結(jié)論與討論

2004—2012年印尼蘇門答臘西部海域發(fā)生數(shù)次大地震，其中5次為8級以上大地震，9.3級巨震為21世紀(jì)最強，大震時間間隔較短，空間間距較近。印尼海島上有一定數(shù)量的GPS連續(xù)觀測站，仍可分辨較大范圍內(nèi)各次大地震前后地殼運動的不同特點、成因和相互影響，觀測得到的地殼形變現(xiàn)象非常豐富，是利用GPS觀測研究前兆形變難得的機遇。

此區(qū)7.5級以上地震，觀測到的較大的同震水平位移（大于50 mm）幾乎都是震前積累的水平位移的（彈性）回跳，因此，震前積累的水平位移是前兆；8級以上大地震后形變顯著，不僅范圍廣，且持續(xù)時間長；而7.5級以下地震觀測到的同震水平位移幅度較小，受其他大地震形變影響復(fù)雜，其與震前積累的水平位移的關(guān)系較復(fù)雜。

由于遠(yuǎn)場同震水平位移是震前水平位移積累的彈性回跳，通過同震水平位移小的觀測站分布或影響范圍，可了解孕震或震前水平位移異常范圍和不同地震的相互影響[9]。多次大地震大量GPS觀測表明，即使不考慮強余震，震級及時空相近，特別是空間相近的大地震前后地殼形變是有相互影響的，但產(chǎn)生相互影響的因素較多，也很復(fù)雜，包括地震震級、時空間隔、地殼構(gòu)造和介質(zhì)強度等。9.3與8.7級地震震級與時空相近，前兆形變異常孕震區(qū)有重合和不重合部分，是前者觸發(fā)后者的基本條件。9.3與8.7級地震強烈震后地殼水平運動是促成2012年8.6和8.2級地震發(fā)生的重要因素。8.4級地震與9.3和8.7級地震前后地殼形變無關(guān)，且都是構(gòu)造運動的產(chǎn)物，但8.4級震后水平位移影響了其附近GPS站8.6和8.2級地震的同震水平位移。

已有越來越多的GNSS觀測結(jié)果清楚顯示7級以上大地震震前的水平位移積累時空發(fā)展過程[6]。本項研究未獲得臨震前兆形變。臨震前兆現(xiàn)象更復(fù)雜，研究工作量大，還可包括利用GPS觀測獲取TEC（電離層總電子含量）臨震異常，需要投入更多研究。

印尼臨近海域多次大地震前兆形變震例研究表明，該地區(qū)構(gòu)造和構(gòu)造運動非常復(fù)雜，地震活動頻繁，可能是全球探索地震預(yù)測復(fù)雜性最典型的地區(qū)。為預(yù)測8級以下、7級以上大地震，尚需增加GNSS連續(xù)觀測站密度。

致謝

本文利用了從http://geodesy.unr.edu網(wǎng)站得到的Geoffrey Blewitt教授用GIPSY軟件處理得到的GPS連續(xù)觀測站坐標(biāo)時間序列[11]。本文使用GMT軟件繪圖[12]。在此一并表示感謝。