地震地质Vol. 42, No. 6Dec., 2020第42卷第6期 2020年12月SEISMOLOGY AND GEOLOGY doi : 10.3969/j.issn.0253-4467.2020.06.010
草莓托
2019年11月14日印鲁古海7.1级地震的
传送侦测徐志国12 王君成1 王宗辰1 梁姗姗®
史健宇1
1) 国家海洋环境预报中心，北京100081
2) 中国科学院大学，计算地球动力学重点实验室，北京100049
3) 中国地震台网中心，北京100043摘 要 2019年1月1日1时1分(UTC )，印鲁古附近海域发生了 M 訂.1地震，并引发
小规模海啸。为深入理解和认识该地震的震源参数和发震构造特征，评估其引发海啸的危险性，文 中初步分析了该地震的区域构造背景、震源机制以及海啸数值模拟等内容。W 震相快速矩张量解反 演结果表
明马鲁古海地震是一次浅源、以高倾角右旋斜向逆冲为主的地震事件，余震呈SSW-NNE 向带状分布，推测此次地震是在马鲁古海东、西两侧哈马黑拉弧-桑义赫弧碰撞所产生的区域应力 场的作用下发生的以挤压破裂为主的地震事件。海啸的数值模拟结果表明，在高倾角发震断层近垂 直倾滑的逆冲过程中，海底地形产生了同震垂直位移，使得震源上方的水体突然抬升，从而产生了 小规模的局地海啸；震源周边大部分潮位站记录的海啸首波理论波形和观测波形的到达时间和波形 幅度都较为一致，说明结合W 震相反演所得的地震断层面的几何参数能够用于海啸早期预警，可有 效地预测海啸地震产生的海啸波高，并对于认识海啸成灾过程及灾害分布具有重要的现实意义。
关键词 马鲁古海地震海啸弧-弧碰撞震源机制数值模拟
中图分类号：P31.0 文献标识码：A 文章编号：0233-4967( 2022) 06- 11- 1
电脑台灯0引言
2019年1月14日1时1分(UTC )，印鲁古附近海域(1.621N , 126.416O E )发生 了 M w 7. 1地震，震源深度为33km 。地震发生后，位于北京的联合国教科文组织政府间海洋学 委员会南中国海区域海啸预警中心(UNESCO-IOC/SCSTAC)快速向南中国海区域周边国家发 布了海啸预警信息，预计在震源周边约300km 范围内可能发生局地海啸。震源区附近的潮位 站水位观测数据表明，该地震引发了高约10cm 的海啸波。马鲁古海M w 7 1地震的震感强烈， 最大烈度达M 度①，但由于此次地震震中
位于马鲁古海中，距离沿岸最近处约10km ，故并未 给马鲁古海沿岸地区造成人员伤亡和损失。
从震中位置来看(图1，马鲁古海M w 7.1地震发生于印尼东部地区，处于太平洋板块、［收稿日期〕2220-02-26收稿，2020-08- 1改回。 圆钢加工〔基金项目〕自然资源部“全球变化与海气相互作用"(GASS- GEOGE- 05)和同济大学海洋地质国家重点实
验室开放课题(M GK20224)共同资助。
* 通讯作者：梁姗姗，女，工程师，E- mail ： *********************
① https : 〃v/earthquaCes/eventpage/us600066jldyfiintensity 。
1418
地震地质42卷戈
、H ^
炭
120°125°
A b A'
桑义赫弧 哈马黑拉弧200-0
400-
600- ** _
-600 -300 0
300 600
距离D/km 图1研究区域的构造背景
Fig. 1 Regional tectonic setting of the study areas.
a 马鲁古海及周缘地区主要的俯冲带（锯齿状线）和历史地震（彩圆）分布，黑五角星为马鲁古海M w 7. 1主震震中，
黑三角形表示火山；b 研究区域AT 剖面的震源深度分布，红火山符号表示桑义赫弧和哈马黑拉弧
印度-澳大利亚板块、菲律宾海板块和巽他板块的会聚交界带。GPS 测量结果显示，菲律宾海 板块相对巽他板块以90〜lOOmm/a 的速度向NW 向俯冲会聚（BOd ，2003）。太平洋板块、印 度-澳大利亚板块和欧亚板块的相互作用及其长期演化造就了马鲁古海地区复杂的地质构造背 景，形成了极其复杂的俯冲、碰撞、增生以及弧后扩张等构造过程。通过马鲁古海历史地震的
6期徐志国等：2019年1月14日印鲁古海72级地震的震源机制及海啸数值模拟1419
震源深度剖面曲!'(图16)可知，俯冲于哈马黑拉弧之下的岩石圈板片长达200-300km，形成贝尼奥夫带；而在桑义赫弧之下的贝尼奥夫带在深度上至少可识别至约600km，其历史地震的分布特征与该区域整体的构造背景一致。由于马鲁古海区域构造复杂，因此对该区域的研究一直是地震学与地球动力学的热点之一。大量研究结果表明，马鲁古海板块向E下插于哈马黑拉板块之下，向W下插于桑义赫
板块之下，形成反向、非对称的倒U字形双向俯冲会聚带(McCaffrey,1982)，也被称为离散型双俯冲带(Divergent Double Subduchov)(Zhang et al., 2017)，这使得马鲁古海板块几乎完全俯冲消减在上覆的桑义赫板块和哈马黑拉板块之下，形成了桑义赫弧和哈马黑拉火山弧。马鲁古海两侧的哈马黑拉弧和桑义赫弧以10cm/u的速度相向俯冲会聚(Hinschberger et al,2003)，形成典型的弧-弧碰撞带，也是现今全球构造上弧-弧碰撞造山的惟一实例(潘桂棠等，2004)。马鲁古弧后洋盆向西侧的桑义赫火山弧和东侧的哈马黑拉弧俯冲，两者的弧前带已相互碰撞，极性相反的两弧之间均为俯冲碰撞杂岩(Collnnv complex)，碰撞杂岩向外分别逆冲至哈马黑拉弧和桑义赫弧这2个面对面的弧前区上(Silver et a,1978)，两者的弧前区均向后逆冲于各自依附的弧体之上，并形成塔劳海岭(Talaud Ridge)。沿碰撞杂岩的冲断层系向S追踪可达到苏朗断层(Sorong Fault)，向N则进入棉兰老岛。在塔劳岛与棉兰老岛之间，并无马鲁古海板块在菲律宾海沟与哥达巴托海沟之间发生俯冲的迹象(Halt,1987；Halt et al,1990)。
受板块俯冲作用的影响，马鲁古海地区地震、海啸、火山喷发等灾害频发，是全球地质灾害最为活跃的区域之一。据USGS历史地震目录统计，自1900年以来，在震源区150km范围内发生6级以上地震13次，其中7级以上地震17次，震级最大的一次为1968年7月10日发生的7.6级地震，位于此次地震(即2019年7.1级地震)的SW侧，距离约为23km。美国全球历史海啸数据库(NGDC)资料表明，自2000BC至今，由海底地震或火山喷发等因素引发的确定性历史海啸事件有7次，其中最大的一次海啸灾害由1
电路板测试台871年3月3日位于印尼桑义赫岛最南端的鲁昂火山喷发所致，观测到的最大海啸波幅高达25m，死亡人数超过600人，该次灾难给沿岸人民的生产生活带来严重影响；1859年6月28日马鲁古海附近发生的7.0级地震也引发了大规模区域海啸，最大海啸波幅达10m，但并未造成人员伤亡；时间相隔最近的一次为2014年1月1日马鲁古海发生的7.1级逆冲型地震所引发的小规模海啸，震源区附近印尼Jade潮位站于此次灾难中观测到9cm高的海啸波。
尽管震源区附近地震频繁多发，但由于这些地震远离海岸，单纯的地震灾害并未给沿岸地区造成严重的人员伤亡和经济损失，但由地震、火山喷发所诱发的海啸灾害却不容小觑。马鲁古海M w7.1地震发生后，美国地质调查局(USGS)和哈佛大学(Harv/rd)等相关地震机构给出了此次地震的震源机制解，结果均显示此次地震为一次高倾角的逆断层型事件，断层面走向为NE或SW向。此次地震所处地理位置较为特殊一马鲁古海板块完全俯冲并埋藏于碰撞杂岩之下，无地表迹象可依。为了深入理解和认识此次马鲁古海地震的发震机制和发震断层特征，进一步解释此次地震产生海啸的原因，本文首先利用W震相方法(Kanamoriet al,2008；Hayes et a,,2009；Zachada et a,,2012)快速得到此次地震的断层面几何参数、地震矩、矩心位置和深度以及震源区应力状态等震源特征参数，并结合震源区的地质构造背景探讨地震的发震构造；随后，采用本文中获得的点源震源模型，应用美国Cornell大学开发的COMCOT(Cornell Multi-grid Coupled Ts/eaml Model)模型(Liu et al,1993；Wang et al,2006)进行海啸数值模拟，
1420地震地质42卷
通过模拟结果分析马鲁古地震引发的海啸波的能量分布特征，并比较近岸潮位站观测海啸波高与模拟海啸波高之间的差别，从而验证实际断层参数对模拟结果的影响。
1数据和方法
本研究采用美国地震学研究联合会数据管理中心（IRIS/DMC）提供下载的全球数字地震台网（GSN）记录的宽频带（BH）三分量地震波形数据，选取了信噪比较高且相对震源具有均匀方位角覆盖的数十个台站的波形资料，用于研究马鲁古海＞w7.1地震的震源特征（图3）。在海啸模拟过程中，采用国际海道测量组织（（HO）和政府间海洋学委员会（IOC）联合编制的GEB-CO_2014海底地形和沿岸高程数据集进行数值模拟，其地形分辨率为30arc-sec（1/120。）。同时，为验证海啸数值模拟结果的可靠性，我们收集了印尼地理信息局（Gecseatial Information Agency,BIG）提供的马鲁古海周边地区沿岸的4个验潮站（图7a）记录的海啸波形数据①，并对观测值与模拟结果进行比较，以验证海啸数值模拟的可靠性。
首先，我们采用基于W震相求取矩张量解的方法反演确定此次地震的震源特征参数。由于W震相是P波和S波之间斜坡状的长周期震相（100-1000s），其能量为P、PP、SP和S等多个体波震相的叠加，该震相的速度为4.5~9km/s，比传统的面波速度快，且振幅不容易出现限幅状态，适用于快速测定
较大震级地震的震源参数，可为大地震应急救灾和海啸预警提供服务（郭志等，2018；梁姗姗等，2018）。Kanamoc等（2008）采用W震相方法反演了M w&7.5地震的震源参数，分析结果表明，W震相能够快速反演得到可靠的震源参数，能够很好地确定大地震引发海啸的潜能。
pc104总线由W震相反演未知震源的参数向量m可由式（1）表示：
其中，地震矩张量/=[M”，M aa，M”，M c，M”，M ai r，n表征矩心时空坐标，n=〔仇，亿，心, t]T，参数化、亿、心和T分别表示矩心余纬度、矩心经度、矩心深度及矩心相对发震时刻的时间偏移。
在求解震源未知参量m时，假设点源位置随着震源过程时间的变化而变化。若已知矩心位置、震源持续时间和矩心时间偏移，则把其作为最佳矩心时空坐标n的初始值，震源参数的求解过程可归纳为最小二乘线性意义上的线性方程求解。为了确定最佳的矩心时空坐标n，可通过空间网格搜索法，使得定义的误差函数最小：
X(m)=t(Sw(m)
〃W)(S W(m)-“W)
误差函数主要用于表征理论和实际波形二者之间的拟合程度，其中S w和“W为W震相理论地震图和实际观测波形。为了提高震源机制解的反演效率，需要预先构建格林函数库。我们基于简振正型叠加方法（Woodhouse，1988），采用PREM全球一维速度模型（Dziewonski et al., 1981）计算格林函数。
在地震矩张量反演之初，我们对5。~85。震中距范围内的宽频带三分量数字波形记录进行
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6期徐志国等：2019年1月14日印鲁古海73级地震的震源机制及海啸数值模拟1421
去除仪器响应、去均值和倾斜趋势等处理，采用0.001〜0.01Hz带通滤波器对波形数据进行滤波，自动提取理论初至P波后1倍震中距（单位为。）时间窗（单位为s）范围内的W震相。在反演过程中，将USGS测定的地震基本参数（包括发震时刻、震中经纬度、震源深度和震级）作为初始值，采用空间网格搜索方法反演得到震源参数的最优解。
随后，应用美国Coreell大学开发的COMCOT模式对马鲁古海M w7.1地震开展海啸数值计算。该模式基于球坐标系下线性和非线性浅水长波方程模拟海啸在深海和浅海中的传播。文中采用球坐标系下非线性浅水方程模拟近岸潮位站的海啸波形，考虑底摩擦效应，并对模拟结果和观测结果进行比较。在进行地震海啸的数值模拟过程时，通常认为初始海啸波由海底断层的瞬时垂向错动引起，同时假设海水表面的升降与海底位移变形一致，忽略断层破裂过程的复杂性对海啸的影响。
基于上述矩张量反演得到的震源机制解参数，利用Blasxo等（2010）提出的大洋俯冲带逆冲型地震震级（M w）与断层长度（厶）、宽度（W）之间的统计关系式计算断层参数：
logio厶-a+bx M w,a二一 2.81,6二0.62(3)
logi o甲-a+bx M w,a-- 1.68,b-0.63(4)平均滑移量(D)通过式(5)、式(6)得到：
M0-fiDS(5)
S-W XL(6)式中，S为断层面积，"为剪切模量，取"二3xl0i0N/m2。利用Okdu（1985）提出的均匀弹性半空间中的有限矩形位错模型计算震后海底表面的垂直同震形变，为海啸的生成提供初始条件。图2为有限矩形位错模型示意图，其中L为断层长度，W为断层宽度，〃为震源深度（以断层下底面为参考），&为走向角，5为倾角，入为滑动角。以断层的走向方向为X轴，水平地面的垂线方向为Z轴，在
水平面内垂直于X、Z轴的方向为Y轴。d为位错矢量，〃二［〃1，心,〃3］。其中,d、心、d分别表示断层上盘相对下盘任意位错的走滑、倾滑和张性位错分量，在整个
图2有限矩形位错模型示意图
Fi-.2Sketch of a finite dctangulao dislochtiov moVet.
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