2004年12月26日印度尼西亚M W 9.0大震前后震源机制一致性变化特征研究

孙丽娜 李皓 齐玉妍 温超刁桂苓

河北省地震局，石家庄市槐中路262号 050021

0 引言

地震既能给人类带来重大的灾害，同时也给人类提供了解地球构造及其运动状态的丰富信息，这种双重性在特大地震（8级及以上地震）中更为凸现。当今地学发展的重要趋向之一是全球构造整体协调运动观念的建立。作为现今全球构造运动最直接表象之一的地震，特别是那些接近或超过8级的大地震，更能够反映全球尺度构造应力场微动态的重要特征（郭增建等，1988）。据USGS给出的1900年以来全球大震的最新排名结果显示，2004年MW9.0地震为排名第3的大地震，该震发生在印度-澳大利亚板块和欧亚板块交汇部位的安达曼弧构造带上，是一次典型的板缘地震（陈学忠等，2013）。近年来全球大震频出，其前兆机理已引发了地学界的深切关注。

2004年12月26日印尼苏门答腊MW9.0地震的震中位于巽他海沟东侧的印度洋海床处（3.30°N，95.98°E），距印尼首都雅加达西北1620km，震源深度30km。Ammon等（2005）研究了该震的震源破裂过程，结果显示，其震源破裂尺度达1200～1300km，其中600km尺度的同震位错达15m以上。这次地震所引发的海啸席卷了印度洋沿岸的7个国家，已造成的死亡人数突破16.2万（数据统计截止时间为2005年1月16日）。其中，印度尼西亚死亡114798人；斯里兰卡死亡30920人，80万人受伤；印度死亡10714人，5669人失踪；泰国死亡5321人，9813人受伤；马来西亚死亡72人，130人受伤；马尔代夫死亡82人；缅甸死亡59人；孟加拉国死亡2人。另外，还有百名外国游客遇难（梁凯利，2005）。

Dasgupta等（2007）研究了2004年印尼大震前的b值时空变化，发现大震前b值下降到一个低值。Tanaka（2010）研究了2004年印尼大震前的p值时空变化，同样发现大震前p值也下降到一个低值。陈颙（1978）根据海城地震前震序列的研究，提出用震源机制的一致性作为判别前震的新参数；刁桂苓等（1994）在分析了夏威夷的Kaoiki地区的震源机制变化后，提出了通过考量震源区应力场的改变来对地震活动进行预测的思路；王俊国等（2005）利用震源一致性参数分析了千岛岛弧大震前的a值的变化情况，进而分析大震前的前兆现象。

本文利用震源一致性参数a值的变化情况，分析研究2004年印尼MW9.0大震前的演变，以期通过提取有意义的预测信息，为地震活动活动预测研究提供帮助。

1 研究区域及资料

特大地震通常发生在板块交界部位，2004年印尼MW9.0地震就发生在俯冲带上，是印度洋-澳大利亚板块向NE方向巽他次级板块下方的俯冲碰撞时，由于摩擦力作用较大，使得上覆板块与俯冲板块一起向下运动，当板块间的剪切应力超过摩擦极限后，上覆板块反弹从而产生巨大的逆冲型地震（缪淼等，2013）。

图1 研究区的背景构造图

该震地处印度板块和欧亚板块的交界带，位于印尼弧形海沟的西端终止处附近（图1），深海沟是板块俯冲幅度较大的地方，俯冲对相邻的非深海沟地段有牵拉作用，另外，非深海沟地段两侧还有板块的挤压作用，造成了深海沟与非深海沟交接地段的高度应力集中，且是一个构造力作用方向及方式转换的地方，因此在这个地段发生特大地震是可以理解的（郭安宁等，2006）。历史上巽他海沟地震活动十分频繁，薛燕等（2005）通过研究该区历史上8级以上地震破裂尺度的空间分布，发现巽他海沟东侧1°N～12°N存在着长约1000km的8级地震空段。2004年MW9.0地震就发生在该空段内，该震是单侧破裂，沿安达曼断层向NW方向形成长1200～1300km和宽约150km的破裂区（薛燕等，2008）。

据USGS的结果，该震为1900年以来世界第3大地震（表1），地震引起了巨大海啸，造成30万人死亡。因此，针对如此特大地震，进行前兆的分析研究，以期对其活动性预测提供帮助，有着非常现实的意义。

表1 1900年以来全球M W 8.5以上地震目录

本文用矩形框选取印尼-苏门答腊地区作为2004年印尼大震前兆研究区域，初始破裂点震中位于3联点，即3个板块交界处，但由于南部是俯冲带，北部东侧是转换断层（徐杰等，2005），二者性质不同，所以分两部分进行分析（图2）。选用的地震目录源自中国地震信息网中全球震源机制的数据，此地震目录的时段为1976～2014年。目录显现，地震呈条带状分布，大部分地震属于浅源地震，南部地震震源深度＜70km的有948次，北部震源深度＜70km的有186次。震级-频度分析（图3）显示，MW≥5.0地震线性比较好，舍弃不完整MW＜5.0的地震后，可以保证数据的完整性。本文所研究的地震是造成灾害的浅源地震，因此选取的地震目录删除了震源深度大于70km的地震。在2004年12月26日印尼MW9.0地震之前，研究区发生的最大震级的地震为MW7.8，而此次大震的震级远超历史地震震级上限。又如2011的日本9.0级地震，尽管每年都有对震区的地震活动预测图件的研究发布，但事实是地壳活动将几个预测区域连为一体，形成巨震。下面我们就利用震源机制的一致性参数的方法，对此类巨震活动的可能前兆进行分析探讨。

图2 研究区内本文所用地震分布

图3 震级-频度分布图（横坐标为：震级M）

2 研究方法

震源机制解是研究构造应力场的基础数据，它反映了震源断层的力学特征，可以揭示地震破裂的力学机制，反映出地震等效释放应力场。陈颙（1978）研究的强震震例表明，强震前震源机制解趋于一致的现象时有发生，并提出了用震源机制一致性描述地震活动性，且震源机制一致性参数是个相对的概念，即其所说的前震震源机制解一致性，并不是指所有前震震源机制解都一样，而是相对余震来说比较一致。

一般将一个区域的应力场分为背景应力场和变化应力场。背景应力场主要反映区域内的平均应力状态，通常要看其是否存在一个较为稳定的空间取向，且认为这个稳定的空间取向对强震起着控制作用；变化应力场反映的是区域内小范围短时间的变化、扰动，通过研究变化应力场取向的变化，来发现构造运动的状况及强震的前兆信息（泽仁志玛等，2010）。

背景应力场的空间方向由3个相互正交的应力主轴表示：P0、B0、T0，震源机制解的取向由3个相互正交的应力轴P轴、B轴、T轴表示。定义震源机制和背景应力场的一致性参数a为：a＝α＋β＋γ，如图4所示，其中α为P0轴与P轴的夹角，β为B0轴与B轴的夹角，γ为T0轴与T轴的夹角。一致性参数a的最大值为270°，最小值为0°（王俊国等，2005）。

图4 背景应力场3个主轴和震源机制3个应力轴夹角示意

本文主要研究2004年印尼MW9.0地震前中小地震的震源机制解与背景应力场一致性变化特征。利用中小地震的震源机制与背景应力场的偏离程度来描述大震发生前应力场的变化情况，分析研究大震发生前震源区的前兆现象。

3 分析

本文利用震源机制一致性参数的计算方法，分析2004年印尼MW9.0地震前的前兆情况。因为本研究区内1976年以来9级以上大震只有2004年12月26日印尼MW9.0地震，本次地震的震源体积较大，相当于孕育地震的区域尺度，能够反映背景应力场对地震的控制作用，本文就用该巨震的应力轴作为背景应力场应力主轴取向的近似值（泽仁志玛等，2010），应力场的3个力轴取值为：P0az＝222°、P0pl＝38、B0az＝130°、B0pl＝3°、T0az＝36°、T0pl＝52°，然后在3维空间计算一致性参数a。图5和图6为通过研究区域资料计算所得印尼大震前、后的一致性参数a随时间变化的情况。

图5中绿色区域为印尼MW9.0地震前低于a的均值的异常时间段。从研究区域的北、南两区的图中可以看出，震前a值都有下降的异常时段，主震发生前a值处于动荡起伏不定的最低点处。南区在异常时段内发生了1次MW≥7.5地震，北区先后出现4次显著的下降过程，然后发生主震。实际上，无论南、北区，进入显著低值的时间都是1992年，可见巨大地震的前兆异常应出现在12年以前，这就有可能为鉴别出前兆后采取防御措施提供了时间。

图6是印尼MW9.0地震后震源机制一致性参数a的变化情况，从图中可以看出，震后a值的变化动荡起伏没有规律，无法找到强余震震前的异常。可见一致性参数a值不适用于震后强余震的前兆分析。

图5 2004年12月26日印尼MW 9.0地震前的震源机制一致性参数a随时间的变化

图6 2004年12月26日印尼MW 9.0地震震后的震源机制一致性参数a的变化

图7为印尼MW9.0地震研究区域内震前MW≥5.0地震的震源机制一致性参数的平面插值图，一致性参数a的大小用等值线形式表示。图7显示存在地震危险性的低值区域相当集中，且MW7.5以上地震基本上都发生在a值的低值区。结合图5和图7，笔者认为在MW9.0地震之前震源区附近一致性参数a比较低，这种现象说明震源区附近的背景应力场控制作用增强，意味着将有发生强震的可能性。不仅时间上存在低值时间段，可能预示未来有大震发生，在空间上也存在低值区域，或许指明未来大震的破裂位置亦即成灾区域。2004年12月26日MW9.0强震发生后，图7显示一致性参数a开始动荡起伏不定，后续地震的震源机制散乱，背景应力场的控制作用开始减弱。

图7 2004年12月26日印尼MW 9.0地震前的震源一致性参数a的平面插值图

一致性参数a反映了单个震源机制解的力轴与平均应力张量的差异程度，a值越小，表明与背景应力场力轴的重合性越好，反之则远离背景构造应力场。

4 讨论和结论

国内外学者研究认为，强震发生前的前震活动是预测大震活动规律的前兆方法之一。王俊国等（2005）分析了千岛岛弧地区的358次地震震源机制一致性参数，结果表明，大震前一致性参数a重复出现低值。刁桂苓等（2004）分析了山西大同700余次震源机制与应力场的一致性参数，结果表明在1991年和1999年强余震前出现低值异常，且其震源机制具有方向性的一致性。由此可见，震源机制一致性参数的研究，不仅可能描述巨震之前的较长时段的前兆变化，甚或能表征更短时间尺度的震前活动形态。故以此方法探究2004年MW9.0地震前的前兆地震活动或是可行的。

印尼MW9.0地震发生前，孕震区一系列中小地震震源机制解一致性参数比较低，说明这些前震可能是受到了震源区应力场的统一作用。当然，主震发生前一系列的前震的震源机制解与背景应力场的一致性关系还需要更多震例的研究，并经更长久的时间检验。