2004年苏门答腊(MW9.1)地震前的长期地震平静

Kei Katsumata



2004年苏门答腊(MW9.1)地震前的长期地震平静

Kei Katsumata

摘要2004年苏门答腊(MW9.1)地震之前的地震平静开始于主震之前13年。分析了研究区(80°～110°E，10°S～20°N)内国际地震中心建立的1964～2004年期间的地震目录，包括1 153个震源深度小于100km，体波震级为5.0≤mb≤6.7的地震。用网格化技术(ZMAP)对该地震目录的详细分析显示地震平静区位于3°N和6°N之间，它覆盖了震源区的东南部，包括2004年苏门答腊地震的破裂起始点。观察到的平静区的空间图像可以用位于主震断层较深边缘的长期缓慢滑动引起的应力扰动来解释，这可以通过基于实验室实验得出的摩擦定律的数值模拟来预测。虽然该地震平静在统计上不显著，但这种异常平静会与以前研究中报告的其他长期异常(包括b值降低和潮汐触发减少)在几乎相同的时间和地点发生仍被认为是不大可能的。

0引言

2004年12月26日在印度尼西亚苏门答腊北部西海岸近海的印度洋发生了一次巨震(图1)。美国地质调查局(USGS)确定的震源位置为3.30°N，95.98°E，深度为30km。根据全球矩心矩张量(CMT)解(Arvidsson and Ekström，1998)，震源机制为低角度逆冲型(走向为329°，倾角为8°，滑动角为110°)，地震矩M0为3.95×1022N·m(MW9.0)。美国地质调查局测定的震级为MW9.1。这次引人瞩目的事件是俯冲的印澳板块与逆掩的欧亚板块交界处典型的俯冲带地震。2004年苏门答腊地震破裂的震源区沿安达曼海槽从2°～14°N延伸了1 200～1 300km(Ammonetal，2005；Taniokaetal，2006；Chliehetal，2007；Tanioka and Gusman，2012)。值得注意的是，全球定位系统台网检测到主震前几十分钟在震源区周围电离层总电子含量有明显的前兆正异常(Heki，2011)，尽管这种异常是一个有争议的问题(例如，Thomasetal，2012；Heki and Enomoto，2013；Kamogawa and Kakinami，2013)。

人们对地震发生周期最后阶段发生什么知之甚少。了解这种最后阶段的重要线索之一是地震活动率的变化。通常，俯冲带地区在地震之间以恒定的发生率发生小地震。根据地震平静假说，当大地震迫近时，在后续主震引发破裂的地区及周围小地震会减少(Mogi，1969)。几个案例都支持这一假说(例如，Mogi，1969；Ohtakeetal，1977；Wyss，1985)。Wyss和Habermann(1988)总结了主震前具有前兆地震平静的17个案例，震级范围从M4.7到M8.0，并发现：(1)地震减少率范围从45%到90%；(2)前兆持续时间范围为15～75个月。近来，报道了几个更可靠的前兆地震平静：1988年斯皮塔克地震(M7.0；Wyss and Martiros-yan，1998)，1992年兰德斯地震(M7.5；Wiemer and Wyss，1994)，1994年北海道东北近海地震(M8.3；Katsumata and Kasahara，1999)，1995年兵库县南部地震(M7.3；Enescu and Ito，2001)，以及2003年十胜近海地震(M8.3；Katsumata，2011a)。

另一方面，对巨震(M9)前的地震平静的例子却知之甚少。Kanamori(1981)指出，一些大地震之前的地震平静持续时间超过20多年。Katsumata(2011b)报道了2011年东北太平洋海岸近海地震(M9.0)的长期地震平静始于主震前23.4年。Imoto和Yamamoto(2008)检测到2004年苏门答腊地震之前2～4年地震活动率开始上升，而Bansal和Ogata(2013)发现在2004年苏门答腊地震之前大约4.5年即2000年7月中旬起地震开始活跃。这两项研究将传染型余震序列(ETAS)模型应用于地震活动，从而恰当地模拟了地震活动的时间变化并准确地估计了统计显著性。然而，由于空间分辨率相对较差，因此他们可能无法检测长期地震平静。本研究的目的是用尽可能高的空间和时间分辨率来识别和表征2004年苏门答腊地震之前地震活动率的长期变化(即平静和/或活跃)。

图1　本研究中沿苏门答腊—安达曼俯冲带的研究区域以及用于计算Z值的地震(1964年1月1日至2004年12月25日，5.0≤mb≤6.7，0≤震源深度≤100km)震中分布图，这是应用了去丛集处理后的国际地震中心地震目录。图中显示了包括2004年苏门答腊、2005年尼亚斯和2007年明古鲁MW8.5及以上特大地震的震源机制(这是由全球矩心矩张量项目测定的)。箭头表示相对欧亚板块的板块运动方向(DeMets et al，1994)

1数据

本研究使用了1964年1月1日至2004年12月25日的国际地震中心(ISC)地震目录。国际地震中心目录中公布了各种震级，包括体波震级mb，面波震级MS，矩震级MW以及一些近震震级。国际地震中心在1964到2004年之间连续测定并公布了体波震级mb。面波震级的公布始于1978年。本项研究使用了mb的地震列表。选择了沿安达曼群岛、尼科巴群岛和大巽他群岛的震源深度小于100km的地震，包括弧后地区地壳中的浅源地震。

使用Wiemer和Wyss(2000)的方法，检查了地震目录中地震累积数与震级之间的关系来估计震级完整度Mc。结果是，Mc从1964年至1970年期间的约5.0逐渐降低到2004年的4.0。因此，本文使用1964年至2004年期间mb≥5.0且定位成功的地震。由于mb不能合理代表大地震的大小，因此本研究只使用5.0≤mb≤6.7的地震。

使用由Zhuang等(2002)开发的随机去丛集方法从国际地震中心目录中去掉了如震群和余震的丛集地震。该方法根据传染型余震序列模型将地震活动分为两个过程：背景地震和丛集地震。在下面的分析中使用背景地震。将原始未去丛集的国际地震中心目录与背景地震目录进行比较以检查该方法是否有效。使用此方法对体波震级段为5.0≤mb≤6.7的国际地震中心目录去丛集。虽然没有包含mb6.7以上的地震，但对大地震后余震的删除相当有效。例如，2000年6月4日M7.8的特大地震后一个月内在南北向延伸100km以上的余震区内发生了27次余震。我证实通过使用随机去丛集方法明显删除了余震。

最终，在应用了随机去丛集方法(Zhuangetal，2002)后，我使用了从国际地震中心地震目录中选择的1964～2004年期间震源深度浅于100km，5.0≤mb≤6.7范围的1 153个地震，这是本研究分析的基础(图1)。

2分析

2.1网格化技术

使用简单的网格化技术(ZMAP；Wie-mer and Wyss，1994)系统地搜索了地震发生率在空间和时间上的变化。网格化技术的分析参数见表1。本文研究区(10°S～20°N，80°～110°E)内的网格尺度是0.5°×0.5°。计算了所有地震对和节点的震中距，我在每个节点周围选择N=40个地震。当选择N=40个地震时，围绕每个节点画一个圆，其半径增大至包含40个震中位置。对所有节点固定参数N以便进行统计比较。用N=40地震对中的最大震中距来定义节点的空间分辨率r：如果地震活动率高，r就小；如果地震活动率低，r就大。选择的40个地震都发生在t0(1964年1月1日)至te(2004年12月25日)期间。根据每个节点的累积数曲线，按如下方法计算Z值。首先，我以开始时间为Ts，结束时间为Ts+Tw设置时间窗，此时假设Tw=5年。其次，计算时间窗Tw内的平均地震活动率Rw和背景时间段内的平均地震活动率Rbg。Rbg在时间段t0到te之间确定，不包括Tw。然后，通过下列公式得到Z值：

(1)

式中Sbg和nbg分别是背景时段内的方差和样本数，Sw和nw分别是时间窗Tw内的方差和样本数。计算研究区内所有节点在开始时间Ts的Z值，按0.1年的步长移动时间窗。Katsumata(2011a)也用实例描述了该网格化技术方法。

图2显示了国际地震中心地震目录Ts等于1975～1999年期间Z值分布图的时间图。在计算Z值之前应用了随机去丛集处理。对于每个时间片，如果分辨率圆的半径r小于或等于170km，那么研究区内的所有网格点都被着色，这是有效网格点的定义。每个时间片有261个有效网格点，并且因为有359个时间片，用于计算Z值的网格点总数是93 699。

表1　本研究中网格化技术的特征参数1)

1)网格化技术分析的基础是将N=40个地震的累积数作为时间的函数。累积数的图开始时间为t0(1964年1月1日)，结束时间为te(2004年12月25日)。时间窗的开始时间为Ts，结束时间为Ts+Tw，其中t0≤Ts≤Ts+Tw≤te

2.2地震平静

在261个网格点中，只有6个的Z值等于+6.6，这是1964.1

异常1体内的震中空间范围如图3所示。大多数的震中都集中在4°和6°N之间，这里是2004年主震破裂的起始点并观测到大的同震滑动。异常1体内的地震累积数显示地震平静突然开始于1991年中期，地震活动率每年从0.91个地震下降到0.17个(下降81%)。平静期持续到1999年，之后到主震前地震活动率立即恢复。在Z值为+6.4的异常1附近的网格点(4.0°N，96.5°E)也观察到相似的时间行为(图3)。

通过计算AS(t)函数(Habermann，1987；Wiemer and Wyss，1994)得到异常1的开始时间是1991年7月。AS(t)函数定量地估计累积数曲线斜率的改变点。因此，地震平静开始于主震前13.3年(2004年9月至1991年7月共为13.3年)。地震平静区的空间范围由异常1附近Z值大于等于+6.4的网格点来确定(图4)。以这些网格点为圆心的圆圈内地震的震中分布表明该地区经历了地震平静。根据这个定义，地震平静区从2004年苏门答腊地震破裂震源区的东南端向西北方向延伸了400km。在该破裂区的东南部观察到了大的同震滑动(Ammonetal，2005；Chliehetal，2007；Tanioka and Gusman，2012)。这个空间匹配表明该地震平静与2004年主震之间存在一些关系。

为了确认空间图像，我下载了经过双差定位法(Pesiceketal，2010)重新定位的震源数据并将它们绘制在竖向横截面上(图4)。可识别出震源位置朝东北方向分布，这与印澳板块的俯冲作用有关。平静区内的震源经过重定位后不但沿深度超过30km的俯冲板块分布，而且在大陆下面的地壳内。

图2　使用去丛集后的国际地震中心地震目录计算的各时间的Z值分布。时间窗起始于Ts，结束于Ts+Tw，其中Tw=5年。如果分辨率圆的半径小于170km，则所有网格点都着色。红色(正Z值)和蓝色(负Z值)分别代表地震活动率的降低和增加(原图为彩色图——译注)。Ts=1 994.0和1 999.0的时间片内的空心五角星分别表示2004年苏门答腊地震和2007年明古鲁地震的震中位置

2.3地震平静的统计显著性

在所有有效节点计算的Z值直方图直观地显示出此时观测到的大于+6.0的Z值很少(图5)。例如，等于或大于+6.4的Z值有180个，这占93 699的很少一部分。报警立方图是显示可能是虚报的Z值异常的另一种方法(Wiemer，1996；Wyssetal，1996；Wyss and Martirosyan，1998)。在图5中，横轴表示研究区的空间坐标，纵轴表示时间。“正异常”被定义为当N=40，Tw=5年的情况下在任何节点及Ts=1964.1～1999.9的任何时间上Z≥+6.3的情形。其中，报警立方体只包含两个标记为A1和A2的显著正异常，这直观说明Z=+6.6的异常似乎是该地区这个时期的一个异常现象。

Z=+6.6确实是异常现象吗？即使我们通过使用统计参数发现了显著的地震平静，但这一发现也往往并不真实(Matthews and Reasenberg，1988)。为了估计本研究中检测到的Z值异常的统计显著性，进行了数值模拟。首先，从1964年1月1日至2004年12月25日之间随机抽取一个日期并重复1 153次来生成一个具有1 153个地震的合成地震目录。其次，将所抽取的天数分配给每个地震；而对震中经度和纬度的原始值都保留。因为只有时间有变动，地震活动的分布保持不变。第三，用上述同样的方式计算Z值，然后获得最大Z值(Zmax)。这个过程重复2 000次，并对每次重复估算Zmax。

结果，所有2 000次重复都显示Zmax=+6.6。这个结果意味着在1964～2004年期间在某处至少观察到一次Z=+6.6异常，虽然地震活动随机发生。因此，本研究中检测到的Z=+6.6异常并非罕见现象。2004年苏门答腊地震之前在破裂区东南端周围观测到了Z=+6.6的地震平静；然而，该异常是偶然巧合的可能性很高。

2.4美国地质调查局震的初定目录

Bansal和Ogata(2013)比较了两种地震目录：美国地质调查局震的初定目录(PDE目录国家地震信息中心)和国际地震中心地震目录；他们认为国际地震中心地震目录不适合调查2004年苏门答腊地震前的地震活动。这里，我也比较了美国地质调查局和国际地震中心的地震目录以说明美国地质调查局地震目录的结果与国际地震中心地震目录的结果几乎相同。本研究使用的美国地质调查局地震目录包含1974年1月1日至2004年12月25日期间M≥5.0，震源深度浅于100km的位于图1显示区内的所有地震，对此没有应用去丛集处理。

在分辨率圆同样的半径内选择异常1体内的震中，即与图3所示和图6中所绘的具有相同的圆形区域。异常1的开始时间是1991年中期，这与使用国际地震中心目录获得的开始时间一致。每年的地震活动率从2.1个地震降低到1.1个(下降48%)，这与国际地震中心地震目录的结果一致，而下降的比例较小。

总之，这两种地震目录之间的一致性证实在2004年苏门答腊地震之前在震源区的东南部及周围有明显的平静。有待解决的问题是这种明显的平静是由背景地震活动率的随机波动还是由不同的机制造成的。

3讨论

3.1观测与理论的比较

根据全球矩心矩张量解(Dziewonskietal，1981)，平静区内发生的下倾扩张型地震的深度超过50km，表明这些是俯冲板块内的板内地震。此外，在平静地区，大陆下面浅于30km的区域内右旋走滑地震占主导，这主要与苏门答腊断层上的地震活动有关。

在以往的研究中，已经提出了一些解释前兆地震活动平静的可能机制，包括应变软化(Stuart，1979)、断裂强度的双峰分布(Kanamori，1981)和膨胀硬化(Scholz，1988)。然而，最合理的模型可能是由于震前滑动引起的区域应力松弛(Wyssetal，1981；Katoetal，1997；Kato，2003)。基于数值模拟，Kato等(1997)提出了前兆地震活动平静的空间图案。由于震前的准稳定滑动，逆掩板块内的板内压应力将降低(图10b，Katoetal，1997)。在这项研究中，我发现苏门答腊断层内及周围逆掩板块内的地震平静。如果假定震前滑动发生在约30km深的板块边界上，就可以定性地解释所观测到的地震平静。尽管Kato等(1997)没有明确提到，但震前滑动引起了地震活动的另一种变化。在震前滑动较深那边附近的俯冲板块内压应力会增加。如果俯冲板块内中等深度的地震活动是由下倾张力引起的(Simoesetal，2004；Engdahletal，2007)，那么地震活动率应受到抑制。我发现在俯冲板块内深于30km的下倾扩张型地震确实减少了。

图3　(a)红色和蓝色空心圆分别表示在图2中检测到的具有Z=+6.6和+6.4的Z值异常的节点周围采样得到的N=40个震中(原图为彩色图——译注)。星号表示美国地质调查局确定的2004年苏门答腊地震的震中。2004年苏门答腊地震的同震滑动模型以5m间隔显示为等值线(Chlieh et al，2007)。(b)样本震中的累积数曲线。红色和蓝色线分别对应于图a中的红色和蓝色震中。(c)图a中红色和蓝色震中的时空分布图。图b和图c中的阴影区表示地震平静期的时段

3.2地震平静的持续时间

将地震平静持续时间Tq定义为平静期开始到主震之间的时段。在本研究中，2004年苏门答腊地震(MW9.1)的持续时间Tq=13.3年。许多作者报道一些特大地震之前有明显的长期地震活动平静。这里，我从板内俯冲地震中挑选出9个可靠的近期成果：1964年阿拉斯加地震(MW9.2；Kanamori，1981)的Tq=28年、1957年阿留申群岛地震(MW9.2；Kanamori，1981)的Tq=21年、2011年本州太平洋海岸近海地震(MW9.0；Katsumata，2011b)的Tq=23.4年、2003年日本十胜近海地震(MW8.3；Katsumata，2011a)的Tq=5年、1968年十胜近海地震(MW8.2；Habermann，1981)的Tq=6.3年、1986年阿留申群岛地震(MW8.0；Kisslinger，1988)的Tq=3.5年、1976年克马德克地震(MW7.9；Wyssetal，1984)的Tq=5.3年、1978年瓦哈卡地震(MW7.7；Ohtakeetal，1977)的Tq=5.5年以及1989年三陆近海地震(MW7.4；Wyssetal，1999)的Tq=2.5年。

图4　地震平静区的空间范围。(a)十字表示Z值等于或大于+6.4的节点，它们在时空上紧靠5.0°N，94.5°E处的节点，该节点具有+6.6的最大Z值。也画出了它们的分辨率圆。星号表示美国地质调查局确定的2004年苏门答腊地震的震中。2004年苏门答腊地震的同震滑动分布模型按5m间隔显示为细等值线(Chlieh et al，2007)。近海的一条粗线表示海沟轴线。(b)灰色圆表示本研究使用的地震的震中。其中，中心灰色圆点的黑圆表示图a中分辨率圆内的地震的震中。(c)在图b图中沿A-A′的竖向横截面。在图b和图c中绘出的所有震源都是由Pesicek等(2010)使用双差地震层析成像方法重定位的

图5　(a)Z值分布。该研究区内网格点的数目是3 721个，间距为0.5°×0.5°；其中，每个时间片选择分辨率圆等于或小于170km的网格点261个。由于从1964年1月至1999年9月按0.1年的时间步长计共有359个时间点，计算出Z值的网格点总数是93 699个。(b)报警立方体。横轴表示研究区内的空间坐标，纵轴表示时间。正异常定义为N=40和Tw=5年的情况下1964年1月至1999年9月期间任何节点和任何时间上具有Z≥+6.3的情形。标记为A1和A2的粗黑线代表Z>+6.6的异常，这是本研究中观测到的最大Z值

事实上，本研究中检测的视平静的持续时间不到13.3年。1990年代末地震活动返回到接近其长期活动率，这可以从图3c和图2的1 999图片中看出。视平静期结束至主震之间大约5年的时间间隔被称为β阶段(Ohtakeetal，1981)。在81例地震平静中发现28例的地震活动性有这种更新。震前滑动模型无法解释β阶段的物理机制。

3.2其他的长期变化

Nanjo等(2012)发现1988年在2004年苏门答腊地震的震源区南部b值开始下降至低于b=1.2。b值异常的面积和开始时间与本研究观测到的地震平静的面积和时间一致。

Tanaka(2010)在2004年苏门答腊地震前观测到地震的潮汐触发。她测量了2004年苏门答腊地震震源区及附近固体潮与地震发生之间的相关性。统计分析表明，2004年主震前10年就观测到高度相关性。此外，她发现前兆强潮汐相关性集中在破裂起始区周围而不在震源区北部。这一事实表明，在主震前的地震平静区内地震对潮汐触发敏感。

Mignan等(2006)识别出2004年苏门答腊地震具有大同震滑动的段(Mignanetal，2006的图4中的5，6，7和8段)具有加速矩释放(AMR)。然而，Hardebeck等(2008)指出，加速矩释放假设在统计上不显著。

Imoto和Yamamoto(2008)检测到在2004年苏门答腊地震之前的2～4年地震活动率增加了，并且Bansal和Ogata(2013)发现这种地震活跃开始于2004年苏门答腊地震之前约4.5年的2000年7月中旬。这些以前的研究结果与地震平静的持续时间一节中提到的异常1体内地震平静期后的地震活动率恢复具有一致性。

图6　(a)空心圆是在异常1节点周围的震中样本。使用的美国地质调查局地震目录是1974年1月1日至2004年12月25日期间M≥5.0，深度浅于100km的地震，且没应用去丛集处理。采样地震时圆的半径与图3相同。星号表示美国地质调查局测定的2004年苏门答腊地震的震中。2004年苏门答腊地震的同震滑动分布模型以5米间隔显示为等值线(Chlieh et al，2007)。(b)震中样本的累积数曲线。(c)为图a中震中的时空分布图。图b和图c中的阴影区表示地震平静的时段，这与图3中显示的完全相同

3.4虚报和意外事件

虚报率的定义是地震平静出现多久而没有紧随主震发生。意外发生率的定义是主震发生多久之前没有地震平静。本研究中的异常2尚未后跟任何主震，因此这是虚报的一个候选。另一方面，在明打威群岛地区，2007年9月12日发生了一次MW8.5的特大地震(图1)，本研究将此地震称为2007年明古鲁地震。该震源区是250×100km2，这个事件是一个类似2004年苏门答腊地震的典型板间地震(Gusmanetal，2010)。

2007年明古鲁地震可能就是意外事件的一个例子。本研究也识别到2007年明古鲁地震前有地震平静(图7)。然而，该平静体内的地震定位后远离2007年明古鲁地震破裂震源区北端。此地震平静开始于1997年中期，持续了大约5年。在该平静期内，没有观测到地震且Z值为+6.3。如图5所示，经常观测到Z=+6.3的异常，因此它在统计上不显著。所以，我不能断定这个具有Z=+6.3的地震平静与2007年明古鲁地震之间有某种关系。

图7　(a)空心圆代表每个具有Z=+6.3的Z值的节点周围的N=40个样本震中。星号表示美国地质调查局测定的2007年明古鲁地震的震中。2007年明古鲁地震的同震滑动分布模型显示为等值线(名古屋大学的地震记录；见数据与来源一节)。(b)震中样本的累积数曲线。(c)图a中震中的时空分布图。图b和图c中的阴影区表示地震平静的时段

4结论

我调查了2004年苏门答腊地震(MW9.1)之前地震活动的变化，发现了持续时间为13.3年的地震平静长期异常。地震平静程度用+6.6的Z值来测量，经历此地震平静的地区位于2004年主震破裂震源区的东南部。尽管具有Z=+6.6的地震平静并非罕见现象，但它可能仍然被认为是不可能的，因为这种异常可能发生在与前人研究报告的其他长期异常几乎相同的时间和相同的位置，包括b值的降低和潮汐触发。这个事实可能表明巨大地震前肯定存在中期(几十年)前兆过程。

数据与来源

使用faculty.smu.edu/hdeshon/SUMATRA/index.html检索了苏门答腊项目数据库(最后访问时间为2014年3月)。使用www.globalcmt.org/搜索了全球矩心矩张量项目数据库(最后访问时间为2014年3月)。使用www.seis.nagoyau.ac.jp/sanchu/Seismo_Note/搜索了名古屋大学(NGY)地震记录(最后访问时间为2014年3月)。使用http：//wwweic.eri.u-tokyo.ac.jp/sanchu/Seismo_Note/搜索了地震信息中心地震记录(最后访问时间为2014年3月)。

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译 者 简 介

张淑贤(1980—)，女，宁夏回族自治区地震局助理工程师，主要从事地震观测工作及相关研究。E-mail：zhangxianxian@163.com。

Kei Katsumata.2015.A long-term seismic quiescence before the 2004 Sumatra(MW9.1)earthquake.Bull.Seismic.Soc.Am.105(1)：167-176.doi：10.1785/0120140116

张淑贤，李万金，邓存华 译.2016.2004年苏门答腊(MW9.1)地震前的长期地震平静.世界地震译丛.47(4)：295-308.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201604003

宁夏回族自治区地震局张淑贤，云南省地震局个旧地震台李万金，昆明基准地震台邓存华译

中国地震局地球物理研究所吕春来校