2021年美國阿拉斯加半島MW8.2地震震源特征分析

鄧文澤 孫麗

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定，2021年7月29日6時15分(UTC)美國阿拉斯加州以南海域(55.40°N，158.0°W)發(fā)生MS8.1(MW8.2)地震。地震發(fā)生后，太平洋海嘯預(yù)警中心(PTWC)向阿拉斯加南部和阿拉斯加半島發(fā)布了海嘯預(yù)警，2h后觀測到海浪在潮位以上21cm左右，阿拉斯加海岸有6個地點發(fā)生小型海嘯，2h后海嘯警報解除。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局(USGS)公布的地震震中位置(55.33°N，157.84°W)，此次地震是繼2020年7月22日阿拉斯加半島MW7.8(位于本次地震西南方向62km)和2020年10月19日阿拉斯加半島MW7.6(位于本次地震西南方向145km)地震之后，阿留申-阿拉斯加俯沖帶發(fā)生的又一較大地震事件(圖1)。地震發(fā)生后，余震較為活躍，截至2021年8月18日，美國地震信息中心(NEIC)共記錄到ML≥2.5余震469次，其中ML>4.0余震54次，最大余震為8月14日MW6.9地震。

圖1 阿拉斯加俯沖帶區(qū)域歷史地震分布

阿留申-阿拉斯加俯沖帶從最西部的尼爾群島延伸3000km，至阿拉斯加灣的米德爾頓島，沿著俯沖帶，太平洋板塊以5.4～7.6cm/a的速度向北美板塊俯沖，俯沖的變化從東部大致垂直于溝槽至西部逐漸傾斜(DeMets et al，2010)。本次地震震中位于阿留申-阿拉斯加俯沖大斷裂的上傾部分，太平洋板塊以大約6.4cm/a的速度向北美板塊俯沖(Argus et al，2010)。根據(jù)USGS的地震目錄資料，自1900年以來，震中300km范圍內(nèi)共發(fā)生7級以上地震13次，其中最大為1938年11月11日阿拉斯加半島MW8.2地震，Sykes等(1971)和Davies等(1981)根據(jù)余震的展布估算了該地震的破裂區(qū)域(300km長)，但余震的定位可靠性較低，F(xiàn)reymueller等(2021)利用海嘯數(shù)據(jù)獲得的斷層滑動模型表明其實際破裂尺度小于余震的展布長度，主要破裂位于震中的東部。

2021年7月29日MW8.2地震是塞米迪群島發(fā)生的又一次大地震，本次地震為研究該區(qū)域大地震的活動性提供依據(jù)。地震發(fā)生后，我們利用遠場體波和面波資料在震后2h完成了震源破裂過程的反演，并在中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)應(yīng)急工作平臺上進行發(fā)布和上報，在波形數(shù)據(jù)更為完備后重新開展了震源破裂過程反演工作，為大震的災(zāi)害評估和孕震機制等提供一定的科學(xué)基礎(chǔ)。

1 資料和方法

地震發(fā)生后，通過IRIS數(shù)據(jù)中心Wilber3(1)http://ds.iris.edu/wilber3/find_event下載全球臺網(wǎng)(GSN)遠震寬頻帶數(shù)據(jù)，選取其中方位角分布均勻且信噪比較高的28個遠場垂直向P波(30°<震中距<90°)、27個遠場水平向SH波和55個遠場長周期面波的波形資料(圖2)，體波濾波頻帶為0.0033～1Hz，面波濾波頻帶為0.004～0.006Hz。基于全球一維模型AK135(Kennett et al，1995)，采用F-K方法(Zhu et al，2002)計算格林函數(shù)。

圖2 GSN臺網(wǎng)遠場臺站分布

本文采用有限斷層反演方法反演震源破裂過程(Ji et al，2002a、2002b；Hao et al，2013、2017)，有限斷層反演方法在小波域?qū)崿F(xiàn)不同頻帶的信號分離，采用模擬退火法求解破裂在斷層面上的時空分布。該方法在美國地質(zhì)勘探局已應(yīng)用多年，并被廣泛應(yīng)用于震源破裂過程反演的研究。

在實現(xiàn)有限斷層模型求解前，首先需要震源機制解提供斷層面參數(shù)。地震發(fā)生后，各國際機構(gòu)迅速給出了各自的反演結(jié)果(表1)，但地震的初始破裂位置差異性較大，由于阿拉斯加州在該區(qū)域臺站數(shù)較多，地震定位精度較高，因此選取USGS發(fā)布的地震參數(shù)為破裂起始點。各機構(gòu)產(chǎn)出的震源機制解較為一致⑤，從震源機制解反演結(jié)果可以得到2個共軛節(jié)面，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造背景、余震分布可以確定震源破裂面，前人研究表明震中處于低角度逆沖構(gòu)造(Abers，1992；Zheng et al，1996；Fletcher et al，2001；Fournier et al，2007)，因此本文采用沿SW-NE向的斷層節(jié)面解(239°/14°/95°)構(gòu)建斷層幾何模型，選取一個足夠大的長400km、寬54km的平面作為破裂面，將其劃分為25×16共400個子斷層，快速反演本次地震在破裂面上的滑動位移的時空分布。

表1 美國阿拉斯加MW8.2地震震源機制解

2 反演結(jié)果

破裂過程反演的結(jié)果見圖3，震源時間函數(shù)結(jié)果(圖3(a))表明此次地震釋放的地震矩約為2.98×1021N·m，對應(yīng)的矩震級為8.25，略高于面波震級；此次地震持續(xù)時間約為120s，前10s的初始破裂釋放能量較小，主要能量釋放在10～50s，之后破裂規(guī)模開始衰減。同震滑移分布(圖3(b))表明本次地震主要包含1個凹凸體，初始破裂點位于高滑移量區(qū)域的邊緣，斷層上的滑動分布在160km×20km的區(qū)域內(nèi)，最大滑動量為5m。雖然地震破裂的高滑動量分布比較集中，但仍呈現(xiàn)出向NE方向發(fā)展的趨勢。

圖3 阿拉斯加州以南海域地震的有限斷層反演結(jié)果

利用遠場波形進行震源破裂過程反演時，不同類型的波形在反演中的作用不同，P波周期短、振幅小，對破裂過程的分辨能力強，但對反演的貢獻度低；相反，面波周期長、振幅大，在聯(lián)合反演中的作用較大。反演得到的理論波形與觀測波形的對比見圖4 和圖5，體波和面波的波形擬合度均較高，其中體波的平均相關(guān)系數(shù)達0.88，反演結(jié)果較好地解釋了絕大多數(shù)臺站的地震波形。

圖4 阿拉斯加地震的體波觀測波形與合成波形對比

圖5 阿拉斯加地震的面波觀測波形與合成波形對比

3 討論

2020年7月22日阿拉斯加半島MW7.8地震與本次地震的震中相距僅54km，均處于俯沖板塊的震間耦合區(qū)域。地震間的耦合度是衡量俯沖界面在大地震之間閉鎖狀態(tài)的重要指標(biāo)，其從東到西大致呈下降的趨勢，(Davies et al，1981；Sykes et al，1980；Li et al，2018；周云等，2021)。在高耦合度地區(qū)，板塊邊界上方10～30km的區(qū)域不易發(fā)生滑動，而深部可以持續(xù)滑動，因此造成俯沖帶淺部應(yīng)變能積累，是形成大地震的主要原因，而耦合度較低的區(qū)域主要產(chǎn)生蠕變滑動，以小地震為主。地震發(fā)生后，USGS給出了本次地震震源破裂過程快速反演的結(jié)果，本文反演結(jié)果與USGS的結(jié)果主要特征表現(xiàn)一致，但在破裂尺度上存在明顯的差異，USGS反演結(jié)果顯示沿走向的破裂尺度約110km，本文反演結(jié)果顯示沿走向的破裂尺度約160km，本文的反演結(jié)果獲得破裂的尺度與余震展布的長度基本相等(圖3)。

Herman等(2021)研究表明2020年7月22日阿拉斯加半島MW7.8地震引起震中南部和東部的庫侖應(yīng)力增強，并對2020年10月19日阿拉斯加半島MW7.6地震有觸發(fā)作用，圖1 顯示本次地震位于2020年7月22日阿拉斯加半島MW7.8地震破裂區(qū)域的邊緣(Freymueller et al，2021)，處于其東部的應(yīng)力增大區(qū)域，2次地震的破裂區(qū)域在震中附近存在交叉，但破裂的發(fā)展方向相反，其對本次地震孕震的影響有待進一步研究。前人研究表明舒馬金空區(qū)自1913年以來存在較大的應(yīng)變積累(周云等，2021；Ye et al，2021)，而本次地震的有限斷層反演結(jié)果和余震分布均顯示破裂向東發(fā)展，未破裂至震中以西的舒馬金空區(qū)，與1938年11月11日阿拉斯加半島MW8.2地震的破裂區(qū)域基本一致，說明舒馬金空區(qū)東部的地震危險性仍然存在。

4 結(jié)論

結(jié)合遠場地震體波和面波數(shù)據(jù)，采用有限斷層反演方法獲得2021年7月29日阿拉斯加半島MW8.2地震的時空破裂過程。結(jié)果表明，本次地震釋放的地震矩為2.98×1021N·m，矩震級為8.25，是一次低角度的逆沖事件。本次地震造成的滑動分布并不復(fù)雜，僅涉及到一個凹凸體的破裂和錯動，最大滑動量達5m。地震的主體破裂深度在20～40km之間，破裂由深部向淺部發(fā)展的趨勢明顯，說明破裂釋放了俯沖帶淺部的應(yīng)變能。此外，我們注意到主震破裂區(qū)域中的余震分布較少，大部分余震發(fā)生在主震的南部，出現(xiàn)這種現(xiàn)象表明震源區(qū)的破裂較為徹底，并觸發(fā)了俯沖帶淺部位置的地震，本次地震的有限斷層反演結(jié)果和余震分布均顯示破裂向東發(fā)展，但未破裂至震中以西的舒馬金空區(qū)，表明舒馬金空區(qū)東部的地震危險性仍然存在。