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 050021

0 引言

地震既能給人類帶來重大的災害，同時也給人類提供了解地球構造及其運動狀態(tài)的豐富信息，這種雙重性在特大地震（8級及以上地震）中更為凸現(xiàn)。當今地學發(fā)展的重要趨向之一是全球構造整體協(xié)調(diào)運動觀念的建立。作為現(xiàn)今全球構造運動最直接表象之一的地震，特別是那些接近或超過8級的大地震，更能夠反映全球尺度構造應力場微動態(tài)的重要特征（郭增建等，1988）。據(jù)USGS給出的1900年以來全球大震的最新排名結果顯示，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曼弧構造帶上，是一次典型的板緣地震（陳學忠等，2013）。近年來全球大震頻出，其前兆機理已引發(fā)了地學界的深切關注。

2004年12月26日印尼蘇門答臘MW9.0地震的震中位于巽他海溝東側的印度洋海床處（3.30°N，95.98°E），距印尼首都雅加達西北1620km，震源深度30km。Ammon等（2005）研究了該震的震源破裂過程，結果顯示，其震源破裂尺度達1200～1300km，其中600km尺度的同震位錯達15m以上。這次地震所引發(fā)的海嘯席卷了印度洋沿岸的7個國家，已造成的死亡人數(shù)突破16.2萬（數(shù)據(jù)統(tǒng)計截止時間為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，80萬人受傷；印度死亡10714人，5669人失蹤；泰國死亡5321人，9813人受傷；馬來西亞死亡72人，130人受傷；馬爾代夫死亡82人；緬甸死亡59人；孟加拉國死亡2人。另外，還有百名外國游客遇難（梁凱利，2005）。

Dasgupta等（2007）研究了2004年印尼大震前的b值時空變化，發(fā)現(xiàn)大震前b值下降到一個低值。Tanaka（2010）研究了2004年印尼大震前的p值時空變化，同樣發(fā)現(xiàn)大震前p值也下降到一個低值。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)的震源機制變化后，提出了通過考量震源區(qū)應力場的改變來對地震活動進行預測的思路；王俊國等（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，以期通過提取有意義的預測信息，為地震活動活動預測研究提供幫助。

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方向巽他次級板塊下方的俯沖碰撞時，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動，當板塊間的剪切應力超過摩擦極限后，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，俯沖對相鄰的非深海溝地段有牽拉作用，另外，非深海溝地段兩側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力集中，且是一個構造力作用方向及方式轉換的地方，因此在這個地段發(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十分頻繁，薛燕等（2005）通過研究該區(qū)歷史上8級以上地震破裂尺度的空間分布，發(fā)現(xiàn)巽他海溝東側1°N～12°N存在著長約1000km的8級地震空段。2004年MW9.0地震就發(fā)生在該空段內(nèi)，該震是單側破裂，沿安達曼斷層向NW方向形成長1200～1300km和寬約150km的破裂區(qū)（薛燕等，2008）。

據(jù)USGS的結果，該震為1900年以來世界第3大地震（表1），地震引起了巨大海嘯，造成30萬人死亡。因此，針對如此特大地震，進行前兆的分析研究，以期對其活動性預測提供幫助，有著非常現(xiàn)實的意義。

表1 1900年以來全球M W 8.5以上地震目錄

本文用矩形框選取印尼-蘇門答臘地區(qū)作為2004年印尼大震前兆研究區(qū)域，初始破裂點震中位于3聯(lián)點，即3個板塊交界處，但由于南部是俯沖帶，北部東側是轉換斷層（徐杰等，2005），二者性質(zhì)不同，所以分兩部分進行分析（圖2）。選用的地震目錄源自中國地震信息網(wǎng)中全球震源機制的數(shù)據(jù)，此地震目錄的時段為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-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)生的最大震級的地震為MW7.8，而此次大震的震級遠超歷史地震震級上限。又如2011的日本9.0級地震，盡管每年都有對震區(qū)的地震活動預測圖件的研究發(fā)布，但事實是地殼活動將幾個預測區(qū)域連為一體，形成巨震。下面我們就利用震源機制的一致性參數(shù)的方法，對此類巨震活動的可能前兆進行分析探討。

圖2 研究區(qū)內(nèi)本文所用地震分布

圖3 震級-頻度分布圖（橫坐標為：震級M）

2 研究方法

震源機制解是研究構造應力場的基礎數(shù)據(jù)，它反映了震源斷層的力學特征，可以揭示地震破裂的力學機制，反映出地震等效釋放應力場。陳颙（1978）研究的強震震例表明，強震前震源機制解趨于一致的現(xiàn)象時有發(fā)生，并提出了用震源機制一致性描述地震活動性，且震源機制一致性參數(shù)是個相對的概念，即其所說的前震震源機制解一致性，并不是指所有前震震源機制解都一樣，而是相對余震來說比較一致。

一般將一個區(qū)域的應力場分為背景應力場和變化應力場。背景應力場主要反映區(qū)域內(nèi)的平均應力狀態(tài)，通常要看其是否存在一個較為穩(wěn)定的空間取向，且認為這個穩(wěn)定的空間取向?qū)娬鹌鹬刂谱饔?；變化應力場反映的是區(qū)域內(nèi)小范圍短時間的變化、擾動，通過研究變化應力場取向的變化，來發(fā)現(xiàn)構造運動的狀況及強震的前兆信息（澤仁志瑪?shù)龋?010）。

背景應力場的空間方向由3個相互正交的應力主軸表示：P0、B0、T0，震源機制解的取向由3個相互正交的應力軸P軸、B軸、T軸表示。定義震源機制和背景應力場的一致性參數(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T0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°（王俊國等，2005）。

圖4 背景應力場3個主軸和震源機制3個應力軸夾角示意

本文主要研究2004年印尼MW9.0地震前中小地震的震源機制解與背景應力場一致性變化特征。利用中小地震的震源機制與背景應力場的偏離程度來描述大震發(fā)生前應力場的變化情況，分析研究大震發(fā)生前震源區(qū)的前兆現(xiàn)象。

3 分析

本文利用震源機制一致性參數(shù)的計算方法，分析2004年印尼MW9.0地震前的前兆情況。因為本研究區(qū)內(nèi)1976年以來9級以上大震只有2004年12月26日印尼MW9.0地震，本次地震的震源體積較大，相當于孕育地震的區(qū)域尺度，能夠反映背景應力場對地震的控制作用，本文就用該巨震的應力軸作為背景應力場應力主軸取向的近似值（澤仁志瑪?shù)龋?010），應力場的3個力軸取值為：P0az＝222°、P0pl＝38、B0az＝130°、B0pl＝3°、T0az＝36°、T0pl＝52°，然后在3維空間計算一致性參數(shù)a。圖5和圖6為通過研究區(qū)域資料計算所得印尼大震前、后的一致性參數(shù)a隨時間變化的情況。

圖5中綠色區(qū)域為印尼MW9.0地震前低于a的均值的異常時間段。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段，主震發(fā)生前a值處于動蕩起伏不定的最低點處。南區(qū)在異常時段內(nèi)發(fā)生了1次MW≥7.5地震，北區(qū)先后出現(xiàn)4次顯著的下降過程，然后發(fā)生主震。實際上，無論南、北區(qū)，進入顯著低值的時間都是1992年，可見巨大地震的前兆異常應出現(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間。

圖6是印尼MW9.0地震后震源機制一致性參數(shù)a的變化情況，從圖中可以看出，震后a值的變化動蕩起伏沒有規(guī)律，無法找到強余震震前的異常?？梢娨恢滦詤?shù)a值不適用于震后強余震的前兆分析。

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

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顯示存在地震危險性的低值區(qū)域相當集中，且MW7.5以上地震基本上都發(fā)生在a值的低值區(qū)。結合圖5和圖7，筆者認為在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)象說明震源區(qū)附近的背景應力場控制作用增強，意味著將有發(fā)生強震的可能性。不僅時間上存在低值時間段，可能預示未來有大震發(fā)生，在空間上也存在低值區(qū)域，或許指明未來大震的破裂位置亦即成災區(qū)域。2004年12月26日MW9.0強震發(fā)生后，圖7顯示一致性參數(shù)a開始動蕩起伏不定，后續(xù)地震的震源機制散亂，背景應力場的控制作用開始減弱。

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反映了單個震源機制解的力軸與平均應力張量的差異程度，a值越小，表明與背景應力場力軸的重合性越好，反之則遠離背景構造應力場。

4 討論和結論

國內(nèi)外學者研究認為，強震發(fā)生前的前震活動是預測大震活動規(guī)律的前兆方法之一。王俊國等（2005）分析了千島島弧地區(qū)的358次地震震源機制一致性參數(shù)，結果表明，大震前一致性參數(shù)a重復出現(xiàn)低值。刁桂苓等（2004）分析了山西大同700余次震源機制與應力場的一致性參數(shù)，結果表明在1991年和1999年強余震前出現(xiàn)低值異常，且其震源機制具有方向性的一致性。由此可見，震源機制一致性參數(shù)的研究，不僅可能描述巨震之前的較長時段的前兆變化，甚或能表征更短時間尺度的震前活動形態(tài)。故以此方法探究2004年MW9.0地震前的前兆地震活動或是可行的。

印尼MW9.0地震發(fā)生前，孕震區(qū)一系列中小地震震源機制解一致性參數(shù)比較低，說明這些前震可能是受到了震源區(qū)應力場的統(tǒng)一作用。當然，主震發(fā)生前一系列的前震的震源機制解與背景應力場的一致性關系還需要更多震例的研究，并經(jīng)更長久的時間檢驗。