GPS观测到的2004年印度洋9.3级等大地震前后地壳运动＊

顾国华 王武星

（中国地震局地震预测研究所，北京 100036）

0 引言

印度尼西亚西部苏门答腊及其海域位于太平洋火山地震带，是西南面的澳大利亚板块、西北面的印度板块与东面的巽他板块3个主要板块构造带的结合处，西北面印度板块又划出缅甸小板块，由于板块互相挤压，频发大地震。表1为本文研究的2004—2012年印尼西部海域多次大地震。2004年12月26日印尼苏门答腊以西发生印度洋9.3级巨大地震，是印度板块在缅甸小板块下俯冲产生的逆冲型地震，为21世纪至今全球最强地震，加之由此引发的巨大海啸，造成的伤亡极为惨重。2012年4月11日8.6和8.2级地震为印度—澳大利亚板块板内的走滑型地震，为北北东左旋走滑或北西西右旋走滑。因此，除9.3级地震外，其他地震几乎都是澳大利亚板块与巽他板块边界的逆冲型地震。研究这些大地震前后的地壳运动相互影响是地震预测中的难点之一。印尼是千岛之国，只能在岛上布设GPS连续观测站监测近海地震（图1），站点密度无法与日美等国相比。少数GPS连续站从1998或1999年开始观测，而多数GPS观测站在2004年9.3级大震后才开始观测。不足的是，有的观测站有数据中断现象，甚至停止了观测，特别是有的站震前观测时间短，不利于观测结果的分析。其中多次地震被离震中较近的多个GPS连续观测站观测到，虽然震前观测时间长短不一，但仍获得了非常宝贵的信息，有利于了解各次地震前后较大范围的地壳运动及其相互影响。GPS连续观测站NGNG得到了表1中几乎所有地震的同震水平位移，而几乎所有的观测站都观测到了2012年4月11日8.6（和8.2）级地震的同震水平位移。

图1 印尼西部近海及其邻近区域的大地震（大红点） 及GPS连续观测站（彩色点） 。图右侧为表示GPS观测站大地高程的色码。标有站名的为本文采用的35个GPS连续观测站，其中的10个站文中显示了位移时间序列（站名标为红色） 。震级标记为棕色的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统计Table 1 Statistics of earthquakes in the western offshore of Indonesia from 2004 to 2012

1 GPS数据及其处理与分析

从http://geodesy.unr.edu网站（下称G网站）得到Geoffrey Blewitt教授用美国JPL（喷气推进实验室）GIPSY软件处理得到的印尼西部35个及中国大陆北京附近BJFS等 GPS连续观测站全球参考框架坐标时间序列，由此获得该区域的地壳运动信息。在获取GPS观测结果的同时，连接USGS（美国地质调查局）网站，得到表1、图1和本文涉及的地震、板块构造与地壳运动信息等。

位移参考框架及其核心站（或称为参考基准）是合理描述区域位移的关键[1-3]。根据笔者以往对日本和尼泊尔地震的研究，本文也采用以中国大陆东部稳定区域的BJFS站（距9.3级地震4 406 km）作为核心站，建立区域参考框架，获取该区域的位移结果[4-6]。

尽管9级以上巨大地震前后的地壳水平运动，包括同震水平位移，对全球或区域参考框架有明显影响[4,7]，但区域参考框架位移场消除了各区域的整体位移（包括整体平移和旋转），有利于研究与地震发生密切有关的区域形变，因而有利于地震预测探索前兆位移，也有利于根据同震水平位移与震前水平位移说明地震类型（如倾滑、走滑或两者兼有）等。2015年尼泊尔8.1级大地震是一突出例子，区域参考框架CHLM站的水平位移向量时间序列图完美显示了逆冲型大地震前后的形变特征和印度板块向北水平挤压的地震成因[6]。

2 印尼西部近海多次大地震同震位移

GNSS连续观测的一大优势是可快速并准确获得大地震大范围同震位移，特别是近震中大幅度同震位移，且可为此选用最恰当的（位错）参考框架。本文采用区域参考框架，而9.3级地震此参考框架同震位移与位错参考框架同震位移差别不大；对其他震级的地震，区域参考框架可作为位错参考框架。图2将印尼西部近海及其邻近区域多次大地震同震水平与垂直位移绘于一图，有利于对比所有地震的同震位移及其影响。需说明的是，每日观测结果只能给出同一天2次（甚至多次）地震综合同震位移。Kreemer等[7]给出了9.3级地震在更大范围内的同震位移。

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

尽管各次地震观测到同震位移站的远近和数量不等，但图2仍清楚显示同震水平位移随震级和震中距的显著差别，符合同震位移随震级和震中距而变的一般规律。同震位移是地壳内应变能释放的一种方式。表2为印尼西部多次大地震多个GPS连续观测站同震水平位移及震中距，但未给出同震垂直位移。

表2 印尼西部海域多次大地震多个GPS连续观测站的震中距与同震水平位移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）级地震是表1中唯一大于8级的板内走滑型地震，其同震水平位移（图2a中用绿色细线箭头表示）向东为主，而其他地震同震水平位移几乎一致向西，方向差别显著。据此推断，8.6级地震的成因不同于其他地震。8.7与8.6级地震赤道南北两侧同震水平位移的差异明显，其原因在后面讨论。2005年6.7级地震的同震水平位移总体方向也与其他地震不同，但震级小得多，且只一个站，无法作进一步分析。在以下的时间序列分析中还将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连续观测站位移时间序列

区域参考框架位移时间序列和空间分布有物理或构造运动意义，可显示大地震前后不同形式的地壳运动时空变化过程，包括构造运动、前兆地壳运动、同震与震后地壳松弛形变等。同震位移是划分地震前后地壳运动明确分界，有助于分析地震前后地壳形变。图3仅给出表1中大地震附近10个GPS连续观测站的位移时间序列，以观测站代码字母顺序编排。所用GPS连续观测站包括，震级最大和离震中最近且同震或震后位移非常显著的站，显示近震中地震前后的位移特点；离震级较大地震距离较远的站，显示大地震前后形变影响范围，特别是前兆形变范围；显示震前尽可能长时间的观测结果，但站点很少；同震水平位移异常的站。图1红色站名标记图3和图4显示的10个站点。

图3 印尼西部海域多次大地震附近多个GPS连续观测站3个位移分量和水平位移向量时间序列。左图为3个分量，即水平位移东西（E，棕色） 和南北（N，红色） 分量与垂直（U，蓝色） 位移时间序列，图上方标出了有明显同震位移的地震震级。右图为水平位移向量时间序列，图右侧为用GPS周表示日期的色码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

图4 GPS连续观测站NGNG的3个位移分量和水平位移向量时间序列。左图为3个分量，即水平位移东西（E，棕色） 和南北（N，红色） 分量与垂直（U，蓝色） 位移时间序列，图上方标出了有明显同震位移的地震震级。右图为水平位移向量时间序列，图右侧为用GPS周表示日期的色码。上图和下图时间段不同Fig.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网站文献说明，在苏门答腊地区印度和澳大利亚板块约以北北东方向60 mm/a左右的水平位移速率朝欧亚板块移动。但在9.3和8.7及8.4级地震前，一些站水平位移向量时间序列清楚显示沿此方向的水平运动，可惜震前给出时间不长，大震前水平位移速率可参考上述数据。

由于地震多，震级大，离观测站远近不一，各观测站的地壳形变错综复杂。尽管如此，除个别站外，此区大于7.5级的地震观测到了大的同震水平位移（如大于50 mm）都是震前积累的水平位移的（弹性）回跳；8级以上大地震震后形变显著，不仅范围广，且持续时间长；而7.5级以下地震观测到的同震水平范围和位移幅度较小，受其他大地震形变影响，其与震前积累的水平位移的关系复杂。

3.1 9.3级巨震和8.7级大地震

USGS网站文献指出，2004年印度洋9.3级巨震触发了震中东南195 km的2005年3月的8.7级地震。地震后，离震中相当大范围内的站水平位移呈指数衰减的粘弹性松弛形变，持续时间长。

图3中SAMP站2次地震同震水平位移总体上是2次地震前水平位移积累的反向突变；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积累的突变（表2）。这2站2次地震同震水平位移均很显著，方向基本一致。2站在相隔不久的2次地震时都出现了同震位移，这表明2次地震的孕震区或震前形变异常区至少在这2站所在区域重合。

8.7级地震前UMLH站观测时间太短，无法判断地震前后水平位移的变化关系，但同震水平位移方向与SAMP站一致。LEWK离8.7级地震震中最近，同震水平位移南北分量N与震前方向相反，且震前9.3级震后松弛水平位移2个分量速率较快。赤道南的PSMK、PTLO和PBAI站8.7级地震同震水平位移大，ABGS站同震水平位移较小（表2），这些均清楚地显示出是震前水平位移积累的反向突变，是弹性回跳。PSMK、PTLO和PBAI站9.3级地震的同震水平位移比不受其他影响的地震（如2011年东日本9.0级地震[4]）相同震中距的同震水平位移小得多，是8.7级地震前一种水平位移异常，与智利近海相邻2次大地震地壳运动相互影响类似[8]。

此区北部和南部2次地震的同震水平位移差别显著。与9.3级地震相比，8.7级地震前的水平位移向南影响范围较远。赤道南观测站主要释放8.7级地震的能量，是8.7级地震前水平位移异常区的一部分。

9.3与8.7级地震同震水平位移显著的区域差别表明，虽然这2次地震震级和时空都相近，但孕育2次地震的形变异常区不完全一致，有部分重合区，也有非重合区，这是前者触发后者的基本条件。

SAMP、NTUS及PBAI、PTLO、PSMK、NGNG等站9.3级震前的水平位移和PSMK、PBAI站8.7级震前的水平位移，均沿直线向北位移，与USGS网站的文献所述本区的构造运动方向是一致的。这与其他区域大地震前的地壳水平运动是一致的。

2008年2月在9.3级地震南发生了7.4级浅源逆冲型大地震。LEWK站离震中仅25 km，同震水平位移为98.7 mm，远小于其他地区相同震级地震及相近震中距站的同震水平位移量（如2021年我国青海玛多7.4级地震[9]），方向与震前水平位移方向相同，未见此次地震前水平位移速率和方向的变化，即未见此站此次地震震前明显水平位移异常。2010年10月在9.3级地震北发生7.2级地震，该站离震中94 km，南西向同震水平位移达55.3 mm，但水平位移方向与震前的方向有明显差别。2005年8.7级、2008年7.4级和2010年7.2级3次地震空间相近，地震前后的水平位移有一致之处，也有一定差别，仅以此一站的观测结果难以在震前预测后2次地震。

3.2 8.6和8.2级大地震

9.3级巨震7年多后，2012年4月11日当日先后发生了8.6和8.2级地震，与9.3级地震相距分别为326和474 km。离地震较近的观测站震前受9.3和8.7级地震后地壳形变影响十分强烈。如，LEWK站至8.6级地震前9.3级震后的水平位移累积达889 mm。表2中GPS观测站均离8.6级地震更近，同震水平位移以8.6级地震的为主。距8.6级地震震中570 km以内的站，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）。这些站同震水平位移是震前9.3与8.7级地震后水平位移松弛位移衰减的反向突变，是弹性回跳。可见，9.3和8.7级地震后地壳形变与这2次地震的发生直接相关。但因地震附近观测站太少，观测时间短，无法排除2次地震发生的其他因素。此外，在此范围内个别站如BNON和LHW2站震前观测时间短，未能清楚显现前兆水平位移的特征。PBLI站还受震中距41 km的2010年4月7.8级地震非常显著的影响，同震水平位移达325 mm，其东西分量E是震前水平位移的弹性回跳；8.6级地震在此站的同震水平位移南北分量N是9.3级巨震地壳运动衰减过程中的（弹性）回跳。PBLI站7.8级地震同震垂直位移为-120.1 mm，是该区唯一同震垂直位移也为弹性回跳的站，其原因只能归于该站所处的特殊构造环境，可参考2016年夏威夷6.9级地震近火山口的GPS观测到的垂直位移结果[10]。9.3级和8.7级地震与8.6级地震类型不同，3次同震水平位移方向明显不同，而LEWK、UMLH与PBLI等站的GPS连续观测结果表明，成因也不同，9.3和8.7级巨大地震后强烈地壳运动应是其重要的成因因素。

3.3 8.4和7.9级地震

2007年9月的8.4级地震位于9.3级地震东偏南1 058 km，也是对此区地壳运动影响显著的浅源大地震，与当日13小时后发生的7.9级浅源地震相距225 km。得到的GPS观测结果无法区分8.4和7.9级地震的影响。表1中GPS站震中距无括号的为8.4级地震的震中距，括号内的为7.9级地震的震中距。因有的站离震中近，这2次地震地壳形变比8.6与8.2级地震的地壳形变大且复杂。表2中PRKB站同震水平位移最大，但此站不是离8.4或7.9级地震最近的。此次地震较大的同震水平位移（大于21.3 mm）是震前水平位移的回跳或弹性回跳。2次地震前，离震中近的多个站的水平位移也沿直线向北位移，即与USGS网站的文献所显示的构造运动方向一致。震前离震中较近的站 9.3、8.7级地震的同震水平位移较小，与上述8.7级地震和智利地震震前的现象相似，是震前水平位移异常。这2次地震前后形变及其发生与9.3、8.7级地震无关。

赤道以南站8.4（和7.9）级地震后地壳水平运动十分显著，以顺时针旋转位移为主（见图3中BSAT、PRKB、PSMK和SLBU等站），对2012年8.6和8.2级地震的同震水平位移产生较明显影响。

3.4 7.7级大地震

离2010年10月7.7级大地震震中较近的BSAT、PRKB、SLBU、SMGY和KTET等GPS连续观测站的同震水平位移较大。7.7级地震离8.4级地震仅194 km，地震前这几个站8.4级地震后水平位移E分量衰减速率变缓，而N分量衰减过程出现反向，是弹性回跳。

3.5 2008和2009年的7.6级大地震

2008年2月发生了一次7.6级大地震。GPS连续观测站KTET、SMGY 、SLBU同震水平位移较大，是震前积累水平位移的反向突变。2009年9月的7.6级大地震震源较深，距2008年7.6级地震以北186 km。GPS连续观测站ABGS、MSAI、NGNG和PPNJ离震中较近，同震水平位移却较小，但也是震前积累水平位移的反向突变，以N分量最明显。PKRT、PPNJ、NGNG和ABGS等站离2008年7.6级地震比离2009年9月7.6级大地震近得多，但前者的同震水平位移却比后者小或小得多（PPNJ、NGNG站见表2，表中未列入PKRT、ABGS站比之更小的同震水平位移）。尚无其他震源较深地震GPS观测的结果，也无法解释此次地震近震中同震水平位移反而较小的现象。

2008年2月7.6级地震与2010年10月7.7级大地震相距仅122 km，相隔近3年，但未见7.6级地震对7.7级地震孕育明显的影响。

3.6 NGNG站的地壳运动

GPS连续观测站NGNG受不同震级、不同震中距多次大地震影响，是GPS连续观测站中地壳运动最复杂的观测站（图4）。此站2007年8.4级地震同震水平位移最大，达161.7 mm，且是震前积累的水平位移的反向变化（弹性回跳），N分量最明显。2005年和2009年分别在离此站41 km和43 km处各发生一次6.7级地震，同震水平位移分别为91 mm（与该站震前水平位移积累的方向一致）和58.8 mm，方向相同，但2次地震同震水平位移与震前水平位移的关系明显不同于此区其他大地震。NGNG站9.3和8.7级2次最大地震同震水平位移明显小于离2次地震震中更远的NTUS站（表2）。9.3和8.7级地震离该站较远，同震水平位移很小。而2005年震级较小的6.7级地震未影响相距370 km的8.4级地震前该站水平位移的积累。该站其他地震的同震水平位移均小于50 mm。对类似站地壳运动的分析尚需综合性的理论模型。

4 结论与讨论

2004—2012年印尼苏门答腊西部海域发生数次大地震，其中5次为8级以上大地震，9.3级巨震为21世纪最强，大震时间间隔较短，空间间距较近。印尼海岛上有一定数量的GPS连续观测站，仍可分辨较大范围内各次大地震前后地壳运动的不同特点、成因和相互影响，观测得到的地壳形变现象非常丰富，是利用GPS观测研究前兆形变难得的机遇。

此区7.5级以上地震，观测到的较大的同震水平位移（大于50 mm）几乎都是震前积累的水平位移的（弹性）回跳，因此，震前积累的水平位移是前兆；8级以上大地震后形变显著，不仅范围广，且持续时间长；而7.5级以下地震观测到的同震水平位移幅度较小，受其他大地震形变影响复杂，其与震前积累的水平位移的关系较复杂。

由于远场同震水平位移是震前水平位移积累的弹性回跳，通过同震水平位移小的观测站分布或影响范围，可了解孕震或震前水平位移异常范围和不同地震的相互影响[9]。多次大地震大量GPS观测表明，即使不考虑强余震，震级及时空相近，特别是空间相近的大地震前后地壳形变是有相互影响的，但产生相互影响的因素较多，也很复杂，包括地震震级、时空间隔、地壳构造和介质强度等。9.3与8.7级地震震级与时空相近，前兆形变异常孕震区有重合和不重合部分，是前者触发后者的基本条件。9.3与8.7级地震强烈震后地壳水平运动是促成2012年8.6和8.2级地震发生的重要因素。8.4级地震与9.3和8.7级地震前后地壳形变无关，且都是构造运动的产物，但8.4级震后水平位移影响了其附近GPS站8.6和8.2级地震的同震水平位移。

已有越来越多的GNSS观测结果清楚显示7级以上大地震震前的水平位移积累时空发展过程[6]。本项研究未获得临震前兆形变。临震前兆现象更复杂，研究工作量大，还可包括利用GPS观测获取TEC（电离层总电子含量）临震异常，需要投入更多研究。

印尼临近海域多次大地震前兆形变震例研究表明，该地区构造和构造运动非常复杂，地震活动频繁，可能是全球探索地震预测复杂性最典型的地区。为预测8级以下、7级以上大地震，尚需增加GNSS连续观测站密度。

致谢

本文利用了从http://geodesy.unr.edu网站得到的Geoffrey Blewitt教授用GIPSY软件处理得到的GPS连续观测站坐标时间序列[11]。本文使用GMT软件绘图[12]。在此一并表示感谢。