侯京明，徐志國(guó)

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

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

震源斷層條件：構(gòu)造地震是最主要的產(chǎn)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(chǎn)生海嘯；

震源水深條件：在深水區(qū)發(fā)生的地震更容易產(chǎn)生海嘯；

震級(jí)、震源深度條件：震級(jí)大，震源較淺的地震易于產(chǎn)生海嘯。

從震源斷層條件來(lái)看，引發(fā)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(jī)制解直接反映了地殼斷層結(jié)構(gòu)的活動(dòng)特征（鄭中華等，2006）。因此，本文整理了美國(guó)全球CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)和美國(guó)海洋和大氣管理局（NOAA） 的海嘯數(shù)據(jù)，對(duì)1976-2010年的全球海嘯事件進(jìn)行了對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析。

1 資料情況

美國(guó)CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)是哈佛大學(xué)從20 世紀(jì)70年代末開(kāi)始發(fā)布的，提供了包含全球5 級(jí)以上地震的地震目錄，CMT 的測(cè)定主要是使用遠(yuǎn)震長(zhǎng)周期體波資料和地幔波資料。Helffrich（1971） 對(duì)Harvard，USGS 和ERI 提供的全球地震目錄進(jìn)行了分析，認(rèn)為CMT 目錄的地震完整性最好。本文所用CMT 數(shù)據(jù)為ASCII 碼的ndk 格式，每個(gè)地震事件用5 行數(shù)據(jù)表示，每行80 個(gè)字符。目錄提供的參數(shù)包括地震矩、震級(jí)、斷層節(jié)面參數(shù)、應(yīng)力軸參數(shù)、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(gè)地震事件。

海嘯數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心的全球海嘯源數(shù)據(jù)庫(kù)（World Data System，2012），節(jié)選了數(shù)據(jù)庫(kù)中1976-2010年間的海嘯事件，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括海嘯災(zāi)害的年份、經(jīng)緯度信息、海嘯波波高、海嘯產(chǎn)生類型、可信度等級(jí)和海嘯發(fā)生地點(diǎn)等信息。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本文從數(shù)據(jù)中篩選了可信度等級(jí)較高的海嘯災(zāi)害，去掉了帶有不確定性的海嘯事件以及兩種數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的海嘯事件，共整理海嘯事件278 個(gè)，見(jiàn)圖1，圖中黑線代表板塊邊界。

為了發(fā)現(xiàn)海嘯地震在震源方面存在的相似特征，本文不僅統(tǒng)計(jì)了278 個(gè)海嘯地震的震源機(jī)制解，同時(shí)也統(tǒng)計(jì)了波高1 m 以上的海嘯（以下簡(jiǎn)稱較大海嘯事件） 震源機(jī)制解，以便發(fā)現(xiàn)較大海嘯事件的震源機(jī)制解特征。根據(jù)國(guó)家海洋局頒布的《風(fēng)暴潮、海浪、海嘯和海冰災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》，海嘯警報(bào)分4 級(jí)，一級(jí)警報(bào)對(duì)應(yīng)特別重大海嘯災(zāi)害，其他三級(jí)警報(bào)分別對(duì)應(yīng)重大海嘯災(zāi)害、較大海嘯災(zāi)害和一般海嘯災(zāi)害，發(fā)生1 m 以上的海嘯時(shí)，預(yù)示可能出現(xiàn)較大海嘯災(zāi)害。共統(tǒng)計(jì)較大海嘯事件75 個(gè)，見(jiàn)圖2。

從圖1 和圖2 中可以看出，海嘯事件大多發(fā)生在海洋和陸地板塊的邊界附近，該地區(qū)地殼比較活躍。本文主要對(duì)震級(jí)、斷層節(jié)面、主應(yīng)力軸、震源深度、地震矩張量和區(qū)域特點(diǎn)等方面進(jìn)行了對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 震級(jí)

美國(guó)CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)包含3 個(gè)與震級(jí)有關(guān)的參數(shù)，分別是體波（Mb） 震級(jí)、面波震級(jí)（Ms）、和地震矩（M0）。利用地震矩M0可以計(jì)算出矩震級(jí)Mw，計(jì)算公式為：

矩震級(jí)是一種新的震級(jí)標(biāo)度，它反映了地震斷層面積和錯(cuò)動(dòng)大小。相比體波震級(jí)和面波震級(jí)等幾種震級(jí)標(biāo)度只測(cè)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(jí)從斷層出發(fā)，直接反應(yīng)了地震釋放的總能量，而且矩震級(jí)也不會(huì)出現(xiàn)所謂震級(jí)飽和的問(wèn)題。對(duì)于海嘯研究來(lái)講，海嘯的能量來(lái)自于地震斷層釋放的總能量，因此，矩震級(jí)要比其他幾種震級(jí)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(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，較大海嘯事件的矩震級(jí)Mw 在5.3～9.0 之間，優(yōu)勢(shì)分布集中在6.5～8.5 級(jí)之間。而海嘯數(shù)據(jù)庫(kù)中，引發(fā)海嘯的最小地震震級(jí)為Ms 3.7（葉琳等，2006）。通常認(rèn)為，6 級(jí)以上的地震才能引發(fā)海嘯，而統(tǒng)計(jì)結(jié)果證明，3.7 級(jí)以上的地震就能引發(fā)海嘯。

2.2 斷層節(jié)面

地震引起的海底位移通常根據(jù)彈性斷層理論進(jìn)行計(jì)算，該理論由Mansinha 和Smylie 在1971年提出（Mansinha et al，1971），假定一個(gè)矩形斷層面埋在一個(gè)半無(wú)限彈性面下，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的應(yīng)力超越地殼所能承受的最大彈性，地殼會(huì)沿?cái)鄬用鏀嗔?，并釋放出所積聚的應(yīng)力，形成地震。描述斷層面的主要參數(shù)是方位角、傾角和滑角，見(jiàn)圖3。斷層面假定為一個(gè)矩形區(qū)域，并且上下邊界相對(duì)于地球表面是平行的。走向角就是從北沿順時(shí)針轉(zhuǎn)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°?；瑒?dòng)方向描述為上懸板塊相對(duì)于下墊板塊在斷層面上的運(yùn)動(dòng)方向，滑角是在斷層面上從走向沿著逆時(shí)針到滑動(dòng)方向的角度，范圍是-180°～180°。

圖3 節(jié)面參數(shù)定義

美國(guó)CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)提供了兩個(gè)P波節(jié)面，但沒(méi)有給出其中哪一個(gè)是實(shí)際的斷層面。要鑒別哪個(gè)是斷層面，還需要補(bǔ)充其他有關(guān)震源的信息，如地表破裂資料、余震空間分布特征等。由于沒(méi)有足夠的資料，因此本文對(duì)兩個(gè)節(jié)面都進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，走向角在每個(gè)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(huì)千差萬(wàn)別。本文按照傾角和滑動(dòng)角度在四個(gè)象限中的位置繪制直線，并列在表中，從表中可以看出，滑動(dòng)角度在0～360°范圍內(nèi)均有分布，傾角在0～90°范圍內(nèi)分布，均沒(méi)有明顯特征。

2.3 主應(yīng)力軸

根據(jù)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(gè)主要類型。不同的地震類型反映了不同的應(yīng)力狀態(tài)，而地震是由推動(dòng)斷層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力引發(fā)的，因此，應(yīng)力狀態(tài)研究是地震研究的一個(gè)重要方面。震源機(jī)制解中用來(lái)描述斷層應(yīng)力狀態(tài)的3 個(gè)主軸分別是P 軸、T 軸和N 軸，美國(guó)CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)中每個(gè)主軸包含方位角、俯角和特征值3 個(gè)參數(shù)。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(duì)這些震源機(jī)制進(jìn)行分類，見(jiàn)表2。

表1 滑動(dòng)角度和傾角統(tǒng)計(jì)

表2 斷層類型統(tǒng)計(jì)

從表2 中可以看出，引發(fā)海嘯的地震在斷層類型方面以逆斷型為主，占總數(shù)的63%，逆斷型震源引發(fā)的海嘯在震級(jí)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(guān)，正斷型所占比率為16%。現(xiàn)有理論認(rèn)為，發(fā)生斷層垂直位移的地震類型更傾向于引發(fā)海嘯，但經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，走滑型地震也能引發(fā)海嘯，而且也能引發(fā)較大海嘯事件，此類型約占統(tǒng)計(jì)事件的20%。這說(shuō)明一個(gè)位于海底的純走滑斷層一樣會(huì)產(chǎn)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(qiáng)度相同的純傾滑斷層，但仍有可能激發(fā)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(shù)之一，對(duì)了解地震能量集結(jié)、釋放等活動(dòng)的構(gòu)造背景有重要意義（張晁軍等，2010）。一般認(rèn)為，震源深度較淺的海底地震引發(fā)海嘯的可能性大。美國(guó)CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)中提供兩個(gè)深度，分別是矩心深度和震源深度。矩心深度是通過(guò)波形反演得到的深度，深度位置相當(dāng)于斷層面的中心深度。而震源深度是由震相到時(shí)定位得到的震源深度，相當(dāng)于斷層起始破裂點(diǎn)的深度。本文對(duì)這兩個(gè)震源深度均進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 深度統(tǒng)計(jì)

從表3 可以看出，引發(fā)的海嘯的地震大多屬于淺源地震（小于60 km），占總數(shù)的97%，優(yōu)勢(shì)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(dá)到了99%，優(yōu)勢(shì)分布范圍集中在10～35 km。

2.5 地震矩張量Mrr

美國(guó)CMT 地震矩心矩張量數(shù)據(jù)中提供了6 個(gè)地震矩張量，Mrr 是地震矩張量的第1 個(gè)分量，從物理上說(shuō)，與地震矩張量的其他分量相比，Mrr 的特殊之處在于這個(gè)分量中包含了垂直運(yùn)動(dòng)的信息，垂直運(yùn)動(dòng)的信息反映了勢(shì)能的變化，而勢(shì)能的變化反映了應(yīng)力狀態(tài)，正值代表壓縮狀態(tài)，而負(fù)值代表拉張狀態(tài)（吳忠良等，2003）。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，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(tài)，正斷層均為負(fù)值，代表拉張狀態(tài)。從大小來(lái)看，逆斷層的Mrr 值偏大，反映出較大的勢(shì)能，對(duì)應(yīng)著可能的較大海嘯。

表4 矩張量Mrr 統(tǒng)計(jì)

2.6 區(qū)域特點(diǎn)

圖4 為海嘯地震事件震源機(jī)制解的沙灘球圖示，從圖中可以看出，部分地區(qū)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(qū)的沙灘球圖示呈現(xiàn)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(jī)制解的區(qū)域特點(diǎn)。

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(dòng)角度均非常接近。表明這些地區(qū)的板塊運(yùn)動(dòng)方向比較固定。表5 中，該地區(qū)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(jié)論可以作為判斷該地區(qū)能否發(fā)生海嘯的一項(xiàng)重要依據(jù)。

圖4 海嘯地震震源機(jī)制解沙灘球分布圖

表5 南美洲西海岸斷層類型統(tǒng)計(jì)

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(shù)，但與其自然概率地震的差異變小，而且走向角、傾角和滑動(dòng)角度各不相同，表明了該地區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。因此，單從震源機(jī)制來(lái)判斷日本沿岸能否發(fā)生海嘯是比較困難的。

表6 日本沿岸斷層類型統(tǒng)計(jì)

3 小結(jié)

本文主要從地震能否引發(fā)海嘯的角度出發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析了1976-2010年25年間的全球地震海嘯震源機(jī)制解。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)海嘯地震在震源機(jī)制方面存在著一些統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)，如引發(fā)海嘯的地震震級(jí)最小可到Ms 3.7；斷層類型方面，海嘯地震逆斷型占多數(shù)，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(shù)方面也有類似的統(tǒng)計(jì)特征，沒(méi)有出現(xiàn)很大的不同。另外，不同地區(qū)的海嘯地震震源機(jī)制解也有各自的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)資料充足的前提下，對(duì)某一地區(qū)的海嘯地震震源機(jī)制解進(jìn)行詳細(xì)的分析可以幫助判斷地震能否引發(fā)海嘯，對(duì)海嘯防災(zāi)減災(zāi)具有指導(dǎo)意義。

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