海啸地震震源机制解统计

侯京明，徐志国

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

海啸是一种发生在海洋中的具有超大波长和周期的海洋波动。海底地震、滑坡、火山爆发和陨石降落等凡是能引起大规模海水垂直位移的事件都能引发海啸，这些事件均能造成海洋表面大范围的海水扰动，随后在重力作用下海水被拉回，扰动便以波动的形式向周围传播，由此产生海啸（杨港生等，2000）。本文所称海啸地震是指能引发海啸的地震。海底地震是最主要的海啸产生原因（包澄澜，2005）。但并不是所有的海底地震都能引发海啸，一般来说，大多数海底地震不引发海啸。陈顒和陈棋福认为，地震海啸的产生一般受3 个条件控制（陈顒等，2005）：深海、大地震和开阔逐渐变浅的海岸条件，结合陈云泰等人的观点（陈云泰 等，2005），海啸的发生条件可以归纳为以下3 点：

震源断层条件：构造地震是最主要的产生海啸的地震类型，地震必须能引起海底垂直方向上的剧烈变形，才能产生海啸；

震源水深条件：在深水区发生的地震更容易产生海啸；

震级、震源深度条件：震级大，震源较浅的地震易于产生海啸。

从震源断层条件来看，引发海啸的震源在断层方面可能存在着某些相似的特征，而地震震源机制解直接反映了地壳断层结构的活动特征（郑中华等，2006）。因此，本文整理了美国全球CMT 地震矩心矩张量数据和美国海洋和大气管理局（NOAA） 的海啸数据，对1976-2010年的全球海啸事件进行了对比统计分析。

1 资料情况

美国CMT 地震矩心矩张量数据是哈佛大学从20 世纪70年代末开始发布的，提供了包含全球5 级以上地震的地震目录，CMT 的测定主要是使用远震长周期体波资料和地幔波资料。Helffrich（1971） 对Harvard，USGS 和ERI 提供的全球地震目录进行了分析，认为CMT 目录的地震完整性最好。本文所用CMT 数据为ASCII 码的ndk 格式，每个地震事件用5 行数据表示，每行80 个字符。目录提供的参数包括地震矩、震级、断层节面参数、应力轴参数、震源深度、矩心深度和地震矩张量等，涵盖了1976-2010年间的共33 866 个地震事件。

海啸数据来自于美国国家地球物理数据中心的全球海啸源数据库（World Data System，2012），节选了数据库中1976-2010年间的海啸事件，数据内容包括海啸灾害的年份、经纬度信息、海啸波波高、海啸产生类型、可信度等级和海啸发生地点等信息。

2 数据统计分析

本文从数据中筛选了可信度等级较高的海啸灾害，去掉了带有不确定性的海啸事件以及两种数据不统一的海啸事件，共整理海啸事件278 个，见图1，图中黑线代表板块边界。

为了发现海啸地震在震源方面存在的相似特征，本文不仅统计了278 个海啸地震的震源机制解，同时也统计了波高1 m 以上的海啸（以下简称较大海啸事件） 震源机制解，以便发现较大海啸事件的震源机制解特征。根据国家海洋局颁布的《风暴潮、海浪、海啸和海冰灾害应急预案》，海啸警报分4 级，一级警报对应特别重大海啸灾害，其他三级警报分别对应重大海啸灾害、较大海啸灾害和一般海啸灾害，发生1 m 以上的海啸时，预示可能出现较大海啸灾害。共统计较大海啸事件75 个，见图2。

从图1 和图2 中可以看出，海啸事件大多发生在海洋和陆地板块的边界附近，该地区地壳比较活跃。本文主要对震级、断层节面、主应力轴、震源深度、地震矩张量和区域特点等方面进行了对比统计分析。

2.1 震级

美国CMT 地震矩心矩张量数据包含3 个与震级有关的参数，分别是体波（Mb） 震级、面波震级（Ms）、和地震矩（M0）。利用地震矩M0可以计算出矩震级Mw，计算公式为：

矩震级是一种新的震级标度，它反映了地震断层面积和错动大小。相比体波震级和面波震级等几种震级标度只测到地震波的能量，而地震波能量往往只是地震释放总能量的一部分，矩震级从断层出发，直接反应了地震释放的总能量，而且矩震级也不会出现所谓震级饱和的问题。对于海啸研究来讲，海啸的能量来自于地震断层释放的总能量，因此，矩震级要比其他几种震级更适合用于海啸研究。

图1 海啸事件分布图

图2 较大海啸事件分布图

经过统计，较大海啸事件的矩震级Mw 在5.3～9.0 之间，优势分布集中在6.5～8.5 级之间。而海啸数据库中，引发海啸的最小地震震级为Ms 3.7（叶琳等，2006）。通常认为，6 级以上的地震才能引发海啸，而统计结果证明，3.7 级以上的地震就能引发海啸。

2.2 断层节面

地震引起的海底位移通常根据弹性断层理论进行计算，该理论由Mansinha 和Smylie 在1971年提出（Mansinha et al，1971），假定一个矩形断层面埋在一个半无限弹性面下，当地震发生时，构造运动构成的应力超越地壳所能承受的最大弹性，地壳会沿断层面断裂，并释放出所积聚的应力，形成地震。描述断层面的主要参数是方位角、倾角和滑角，见图3。断层面假定为一个矩形区域，并且上下边界相对于地球表面是平行的。走向角就是从北沿顺时针转到走向的角度，范围是0～360°。倾角是从地球表面往下到断层面之间的角度，它的范围是0～90°。滑动方向描述为上悬板块相对于下垫板块在断层面上的运动方向，滑角是在断层面上从走向沿着逆时针到滑动方向的角度，范围是-180°～180°。

图3 节面参数定义

美国CMT 地震矩心矩张量数据提供了两个P波节面，但没有给出其中哪一个是实际的断层面。要鉴别哪个是断层面，还需要补充其他有关震源的信息，如地表破裂资料、余震空间分布特征等。由于没有足够的资料，因此本文对两个节面都进行了统计。经过统计后发现，走向角在每个角域都有分布，这是由于地震分布在不同的断层处，因此走向角度会千差万别。本文按照倾角和滑动角度在四个象限中的位置绘制直线，并列在表中，从表中可以看出，滑动角度在0～360°范围内均有分布，倾角在0～90°范围内分布，均没有明显特征。

2.3 主应力轴

根据断层破裂方式，地震可以划分为正断层、逆断层和走滑断层3 个主要类型。不同的地震类型反映了不同的应力状态，而地震是由推动断层运动的动态应力引发的，因此，应力状态研究是地震研究的一个重要方面。震源机制解中用来描述断层应力状态的3 个主轴分别是P 轴、T 轴和N 轴，美国CMT 地震矩心矩张量数据中每个主轴包含方位角、俯角和特征值3 个参数。按照王辉等（2005）提供的断层类型分类方法，可以依照P、B 和T 轴的俯角，对这些震源机制进行分类，见表2。

表1 滑动角度和倾角统计

表2 断层类型统计

从表2 中可以看出，引发海啸的地震在断层类型方面以逆断型为主，占总数的63%，逆断型震源引发的海啸在震级和海啸波爬高高度上都比走滑型和正断型略大，这与一般逆断型地震释放的能量较大有关，正断型所占比率为16%。现有理论认为，发生断层垂直位移的地震类型更倾向于引发海啸，但经过统计后发现，走滑型地震也能引发海啸，而且也能引发较大海啸事件，此类型约占统计事件的20%。这说明一个位于海底的纯走滑断层一样会产生海底的隆升和下降，它所引起的海底隆升和下降的幅度虽然不及强度相同的纯倾滑断层，但仍有可能激发海啸。

2.4 矩心深度及震源深度

震源深度是描述震源的最基本参数之一，对了解地震能量集结、释放等活动的构造背景有重要意义（张晁军等，2010）。一般认为，震源深度较浅的海底地震引发海啸的可能性大。美国CMT 地震矩心矩张量数据中提供两个深度，分别是矩心深度和震源深度。矩心深度是通过波形反演得到的深度，深度位置相当于断层面的中心深度。而震源深度是由震相到时定位得到的震源深度，相当于断层起始破裂点的深度。本文对这两个震源深度均进行了统计，统计结果见表3。

表3 深度统计

从表3 可以看出，引发的海啸的地震大多属于浅源地震（小于60 km），占总数的97%，优势分布范围多集中在10～40 km。较大海啸事件的浅源地震所占比率达到了99%，优势分布范围集中在10～35 km。

2.5 地震矩张量Mrr

美国CMT 地震矩心矩张量数据中提供了6 个地震矩张量，Mrr 是地震矩张量的第1 个分量，从物理上说，与地震矩张量的其他分量相比，Mrr 的特殊之处在于这个分量中包含了垂直运动的信息，垂直运动的信息反映了势能的变化，而势能的变化反映了应力状态，正值代表压缩状态，而负值代表拉张状态（吴忠良等，2003）。经过统计，约有70%的海啸事件中地震矩张量Mrr 为正值，较大海啸事件中约有69%的海啸事件中地震矩张量Mrr 为正值。

从表中可以看出，逆断层Mrr 为正值，正好反映出逆断层的压缩状态，正断层均为负值，代表拉张状态。从大小来看，逆断层的Mrr 值偏大，反映出较大的势能，对应着可能的较大海啸。

表4 矩张量Mrr 统计

2.6 区域特点

图4 为海啸地震事件震源机制解的沙滩球图示，从图中可以看出，部分地区的沙滩球图示极其相似，如南美洲西海岸、中美洲西海岸，也有地区的沙滩球图示呈现一种“杂乱”的表象，如日本沿岸、印度洋东岸。下面以南美洲西海岸和日本沿岸为例，讨论海啸地震震源机制解的区域特点。

从图4 可以看出，南美洲西海岸海啸地震的走向角、倾角和滑动角度均非常接近。表明这些地区的板块运动方向比较固定。表5 中，该地区的海啸地震以逆断层为主，与其自然概率地震差异较大。这些结论可以作为判断该地区能否发生海啸的一项重要依据。

图4 海啸地震震源机制解沙滩球分布图

表5 南美洲西海岸断层类型统计

从表6 可以看出，日本沿岸的海啸地震虽然也以逆断层占多数，但与其自然概率地震的差异变小，而且走向角、倾角和滑动角度各不相同，表明了该地区板块运动的复杂性。因此，单从震源机制来判断日本沿岸能否发生海啸是比较困难的。

表6 日本沿岸断层类型统计

3 小结

本文主要从地震能否引发海啸的角度出发，统计分析了1976-2010年25年间的全球地震海啸震源机制解。经过统计发现海啸地震在震源机制方面存在着一些统计特点，如引发海啸的地震震级最小可到Ms 3.7；断层类型方面，海啸地震逆断型占多数，为63%，走滑型所占比率也不小，为21%；海啸地震大多为浅源地震等。较大海啸事件在震源参数方面也有类似的统计特征，没有出现很大的不同。另外，不同地区的海啸地震震源机制解也有各自的统计特点，在数据资料充足的前提下，对某一地区的海啸地震震源机制解进行详细的分析可以帮助判断地震能否引发海啸，对海啸防灾减灾具有指导意义。

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