海嘯地震震源機制解統計

侯京明，徐志國

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

海嘯是一種發生在海洋中的具有超大波長和周期的海洋波動。海底地震、滑坡、火山爆發和隕石降落等凡是能引起大規模海水垂直位移的事件都能引發海嘯，這些事件均能造成海洋表面大范圍的海水擾動，隨后在重力作用下海水被拉回，擾動便以波動的形式向周圍傳播，由此產生海嘯（楊港生等，2000）。本文所稱海嘯地震是指能引發海嘯的地震。海底地震是最主要的海嘯產生原因（包澄瀾，2005）。但并不是所有的海底地震都能引發海嘯，一般來說，大多數海底地震不引發海嘯。陳顒和陳棋福認為，地震海嘯的產生一般受3 個條件控制（陳顒等，2005）：深海、大地震和開闊逐漸變淺的海岸條件，結合陳云泰等人的觀點（陳云泰 等，2005），海嘯的發生條件可以歸納為以下3 點：

震源斷層條件：構造地震是最主要的產生海嘯的地震類型，地震必須能引起海底垂直方向上的劇烈變形，才能產生海嘯；

震源水深條件：在深水區發生的地震更容易產生海嘯；

震級、震源深度條件：震級大，震源較淺的地震易于產生海嘯。

從震源斷層條件來看，引發海嘯的震源在斷層方面可能存在著某些相似的特征，而地震震源機制解直接反映了地殼斷層結構的活動特征（鄭中華等，2006）。因此，本文整理了美國全球CMT 地震矩心矩張量數據和美國海洋和大氣管理局（NOAA） 的海嘯數據，對1976-2010年的全球海嘯事件進行了對比統計分析。

1 資料情況

美國CMT 地震矩心矩張量數據是哈佛大學從20 世紀70年代末開始發布的，提供了包含全球5 級以上地震的地震目錄，CMT 的測定主要是使用遠震長周期體波資料和地幔波資料。Helffrich（1971） 對Harvard，USGS 和ERI 提供的全球地震目錄進行了分析，認為CMT 目錄的地震完整性最好。本文所用CMT 數據為ASCII 碼的ndk 格式，每個地震事件用5 行數據表示，每行80 個字符。目錄提供的參數包括地震矩、震級、斷層節面參數、應力軸參數、震源深度、矩心深度和地震矩張量等，涵蓋了1976-2010年間的共33 866 個地震事件。

海嘯數據來自于美國國家地球物理數據中心的全球海嘯源數據庫（World Data System，2012），節選了數據庫中1976-2010年間的海嘯事件，數據內容包括海嘯災害的年份、經緯度信息、海嘯波波高、海嘯產生類型、可信度等級和海嘯發生地點等信息。

2 數據統計分析

本文從數據中篩選了可信度等級較高的海嘯災害，去掉了帶有不確定性的海嘯事件以及兩種數據不統一的海嘯事件，共整理海嘯事件278 個，見圖1，圖中黑線代表板塊邊界。

為了發現海嘯地震在震源方面存在的相似特征，本文不僅統計了278 個海嘯地震的震源機制解，同時也統計了波高1 m 以上的海嘯（以下簡稱較大海嘯事件） 震源機制解，以便發現較大海嘯事件的震源機制解特征。根據國家海洋局頒布的《風暴潮、海浪、海嘯和海冰災害應急預案》，海嘯警報分4 級，一級警報對應特別重大海嘯災害，其他三級警報分別對應重大海嘯災害、較大海嘯災害和一般海嘯災害，發生1 m 以上的海嘯時，預示可能出現較大海嘯災害。共統計較大海嘯事件75 個，見圖2。

從圖1 和圖2 中可以看出，海嘯事件大多發生在海洋和陸地板塊的邊界附近，該地區地殼比較活躍。本文主要對震級、斷層節面、主應力軸、震源深度、地震矩張量和區域特點等方面進行了對比統計分析。

2.1 震級

美國CMT 地震矩心矩張量數據包含3 個與震級有關的參數，分別是體波（Mb） 震級、面波震級（Ms）、和地震矩（M0）。利用地震矩M0可以計算出矩震級Mw，計算公式為：

矩震級是一種新的震級標度，它反映了地震斷層面積和錯動大小。相比體波震級和面波震級等幾種震級標度只測到地震波的能量，而地震波能量往往只是地震釋放總能量的一部分，矩震級從斷層出發，直接反應了地震釋放的總能量，而且矩震級也不會出現所謂震級飽和的問題。對于海嘯研究來講，海嘯的能量來自于地震斷層釋放的總能量，因此，矩震級要比其他幾種震級更適合用于海嘯研究。

圖1 海嘯事件分布圖

圖2 較大海嘯事件分布圖

經過統計，較大海嘯事件的矩震級Mw 在5.3～9.0 之間，優勢分布集中在6.5～8.5 級之間。而海嘯數據庫中，引發海嘯的最小地震震級為Ms 3.7（葉琳等，2006）。通常認為，6 級以上的地震才能引發海嘯，而統計結果證明，3.7 級以上的地震就能引發海嘯。

2.2 斷層節面

地震引起的海底位移通常根據彈性斷層理論進行計算，該理論由Mansinha 和Smylie 在1971年提出（Mansinha et al，1971），假定一個矩形斷層面埋在一個半無限彈性面下，當地震發生時，構造運動構成的應力超越地殼所能承受的最大彈性，地殼會沿斷層面斷裂，并釋放出所積聚的應力，形成地震。描述斷層面的主要參數是方位角、傾角和滑角，見圖3。斷層面假定為一個矩形區域，并且上下邊界相對于地球表面是平行的。走向角就是從北沿順時針轉到走向的角度，范圍是0～360°。傾角是從地球表面往下到斷層面之間的角度，它的范圍是0～90°。滑動方向描述為上懸板塊相對于下墊板塊在斷層面上的運動方向，滑角是在斷層面上從走向沿著逆時針到滑動方向的角度，范圍是-180°～180°。

圖3 節面參數定義

美國CMT 地震矩心矩張量數據提供了兩個P波節面，但沒有給出其中哪一個是實際的斷層面。要鑒別哪個是斷層面，還需要補充其他有關震源的信息，如地表破裂資料、余震空間分布特征等。由于沒有足夠的資料，因此本文對兩個節面都進行了統計。經過統計后發現，走向角在每個角域都有分布，這是由于地震分布在不同的斷層處，因此走向角度會千差萬別。本文按照傾角和滑動角度在四個象限中的位置繪制直線，并列在表中，從表中可以看出，滑動角度在0～360°范圍內均有分布，傾角在0～90°范圍內分布，均沒有明顯特征。

2.3 主應力軸

根據斷層破裂方式，地震可以劃分為正斷層、逆斷層和走滑斷層3 個主要類型。不同的地震類型反映了不同的應力狀態，而地震是由推動斷層運動的動態應力引發的，因此，應力狀態研究是地震研究的一個重要方面。震源機制解中用來描述斷層應力狀態的3 個主軸分別是P 軸、T 軸和N 軸，美國CMT 地震矩心矩張量數據中每個主軸包含方位角、俯角和特征值3 個參數。按照王輝等（2005）提供的斷層類型分類方法，可以依照P、B 和T 軸的俯角，對這些震源機制進行分類，見表2。

表1 滑動角度和傾角統計

表2 斷層類型統計

從表2 中可以看出，引發海嘯的地震在斷層類型方面以逆斷型為主，占總數的63%，逆斷型震源引發的海嘯在震級和海嘯波爬高高度上都比走滑型和正斷型略大，這與一般逆斷型地震釋放的能量較大有關，正斷型所占比率為16%?，F有理論認為，發生斷層垂直位移的地震類型更傾向于引發海嘯，但經過統計后發現，走滑型地震也能引發海嘯，而且也能引發較大海嘯事件，此類型約占統計事件的20%。這說明一個位于海底的純走滑斷層一樣會產生海底的隆升和下降，它所引起的海底隆升和下降的幅度雖然不及強度相同的純傾滑斷層，但仍有可能激發海嘯。

2.4 矩心深度及震源深度

震源深度是描述震源的最基本參數之一，對了解地震能量集結、釋放等活動的構造背景有重要意義（張晁軍等，2010）。一般認為，震源深度較淺的海底地震引發海嘯的可能性大。美國CMT 地震矩心矩張量數據中提供兩個深度，分別是矩心深度和震源深度。矩心深度是通過波形反演得到的深度，深度位置相當于斷層面的中心深度。而震源深度是由震相到時定位得到的震源深度，相當于斷層起始破裂點的深度。本文對這兩個震源深度均進行了統計，統計結果見表3。

表3 深度統計

從表3 可以看出，引發的海嘯的地震大多屬于淺源地震（小于60 km），占總數的97%，優勢分布范圍多集中在10～40 km。較大海嘯事件的淺源地震所占比率達到了99%，優勢分布范圍集中在10～35 km。

2.5 地震矩張量Mrr

美國CMT 地震矩心矩張量數據中提供了6 個地震矩張量，Mrr 是地震矩張量的第1 個分量，從物理上說，與地震矩張量的其他分量相比，Mrr 的特殊之處在于這個分量中包含了垂直運動的信息，垂直運動的信息反映了勢能的變化，而勢能的變化反映了應力狀態，正值代表壓縮狀態，而負值代表拉張狀態（吳忠良等，2003）。經過統計，約有70%的海嘯事件中地震矩張量Mrr 為正值，較大海嘯事件中約有69%的海嘯事件中地震矩張量Mrr 為正值。

從表中可以看出，逆斷層Mrr 為正值，正好反映出逆斷層的壓縮狀態，正斷層均為負值，代表拉張狀態。從大小來看，逆斷層的Mrr 值偏大，反映出較大的勢能，對應著可能的較大海嘯。

表4 矩張量Mrr 統計

2.6 區域特點

圖4 為海嘯地震事件震源機制解的沙灘球圖示，從圖中可以看出，部分地區的沙灘球圖示極其相似，如南美洲西海岸、中美洲西海岸，也有地區的沙灘球圖示呈現一種“雜亂”的表象，如日本沿岸、印度洋東岸。下面以南美洲西海岸和日本沿岸為例，討論海嘯地震震源機制解的區域特點。

從圖4 可以看出，南美洲西海岸海嘯地震的走向角、傾角和滑動角度均非常接近。表明這些地區的板塊運動方向比較固定。表5 中，該地區的海嘯地震以逆斷層為主，與其自然概率地震差異較大。這些結論可以作為判斷該地區能否發生海嘯的一項重要依據。

圖4 海嘯地震震源機制解沙灘球分布圖

表5 南美洲西海岸斷層類型統計

從表6 可以看出，日本沿岸的海嘯地震雖然也以逆斷層占多數，但與其自然概率地震的差異變小，而且走向角、傾角和滑動角度各不相同，表明了該地區板塊運動的復雜性。因此，單從震源機制來判斷日本沿岸能否發生海嘯是比較困難的。

表6 日本沿岸斷層類型統計

3 小結

本文主要從地震能否引發海嘯的角度出發，統計分析了1976-2010年25年間的全球地震海嘯震源機制解。經過統計發現海嘯地震在震源機制方面存在著一些統計特點，如引發海嘯的地震震級最小可到Ms 3.7；斷層類型方面，海嘯地震逆斷型占多數，為63%，走滑型所占比率也不小，為21%；海嘯地震大多為淺源地震等。較大海嘯事件在震源參數方面也有類似的統計特征，沒有出現很大的不同。另外，不同地區的海嘯地震震源機制解也有各自的統計特點，在數據資料充足的前提下，對某一地區的海嘯地震震源機制解進行詳細的分析可以幫助判斷地震能否引發海嘯，對海嘯防災減災具有指導意義。

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