2021年阿拉斯加MW8.2地震震源破裂過程反演

吳石軍

1 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢市和平大道745號，430063

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局USGS測定，2021-07-29 06：15(UTC時)美國阿拉斯加州以南海域發(fā)生MW8.2地震，震中位于55.364°N、157.888°W，震源深度35.0 km。阿拉加斯南部位于北美板塊和太平洋板塊的交界處，太平洋板塊以約55.0 mm/a的速度向北美板塊俯沖[1]，使得該區(qū)域的地震和火山等構(gòu)造運動十分頻繁。阿拉斯加MW8.2地震震中位于太平洋板塊向北美板塊俯沖的阿留申俯沖帶東段，該段構(gòu)造運動以垂直島弧走向的板塊會聚和太平洋板塊向北美大陸巖石圈的俯沖為主。Global CMT測定的震源機制解(圖1)表明，此次地震為低傾角逆沖型破裂事件，地震釋放的地震矩約為2.96×1021Nm。

(a)遠場地震波臺站分布；(b)GPS同震位移圖1 構(gòu)造背景Fig.1 Tectonic setting

震源參數(shù)是對復雜震源性質(zhì)的參數(shù)化、定量化描述，準確測定震源參數(shù)是認識地震發(fā)生、發(fā)展過程的主要方式，有助于揭示震源區(qū)域變形的動力學成因、孕震機制及應力變化狀態(tài)。近年來，地震震源破裂研究主要分為地震的震源機制解和震源破裂過程2部分[2]，地震的破裂過程是評估地震影響范圍、了解強地面震動(peak-ground-velocity, PGV和peak-ground-accumulation, PGA)情況、調(diào)查地表破裂特征，以及計算庫侖應力場和同震、震后形變的基礎(chǔ)[3-4]。此外，反演地震發(fā)生時斷層的位錯滑動，也有助于從地震的運動學特征和震區(qū)的孕震背景2方面來探討地震的發(fā)生機理[5-6]。

阿拉斯加半島和阿留申群島的GPS站記錄到此次地震引起的地表形變，為反演該地震的震源破裂模型提供了寶貴的近場形變數(shù)據(jù)約束；全球地震臺網(wǎng)(global seismic network, GSN)為此次研究提供了優(yōu)質(zhì)的遠場體波資料。為研究阿拉斯加MW8.2地震的震源破裂特征，本文以近場GPS形變和遠場地震波為約束，基于Slab2.0模型[7]構(gòu)建震源位錯模型，反演此次地震的震源破裂過程，并討論海洋俯沖帶地震斷層破裂特點、地表變形特征及其物理過程。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 GPS觀測數(shù)據(jù)

不同類型的數(shù)據(jù)對震源破裂參數(shù)的敏感性不同，在計算發(fā)震斷層的位置、走向以及斷層面上的位移解析度等方面，大地測量數(shù)據(jù)的精度較高。本文采用的是美國內(nèi)華達大地測量實驗室(NGL)發(fā)布的阿拉斯加MW8.2地震GPS同震位移數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是地震發(fā)生次日采用5 min采樣率的時間序列計算得到的結(jié)果。根據(jù)GPS站點的震中距對數(shù)據(jù)進行初步分析后，選取阿拉斯加半島和阿留申群島上16個GPS站點的同震形變觀測數(shù)據(jù)進行計算。觀測站點的位置分布及其同震位移如圖1所示，其中，AB13站點距離震中最近，觀測到的同震位移最大，東西向和南北向同震位移分別約為24.7 cm和35.7 cm。整體上看，距離震中越近的站點，其位移量越大，位移量隨著震中距的增加快速減小，且同震水平位移都指向震源方向。地表位移指向震源破裂集中區(qū)的特點符合逆沖地震位錯理論模型。

1.2 遠場地震數(shù)據(jù)

震源參數(shù)的精確度取決于觀測數(shù)據(jù)的豐富程度和信噪比大小。早期震源參數(shù)的確定主要依賴于地震波資料，由于垂向P波資料具有震相單純、初動易于辨認、時間窗截取相對容易、受其他震相干擾小等優(yōu)點，因此利用該資料可得到較好的反演結(jié)果。全球地震臺網(wǎng)由裝備寬頻帶數(shù)字地震儀器的永久地震臺站均勻布設(shè)而成，本文從GSN(http:∥ds.iris.edu/)中選取震中距在30°～90°范圍內(nèi)的遠場體波數(shù)據(jù)，該震中距范圍內(nèi)的直達P波主要在物質(zhì)相對均勻的地幔中傳播，受介質(zhì)結(jié)構(gòu)非均勻性的影響較小，且震相清晰干凈，易于識別。分析臺站數(shù)據(jù)的信噪比和方位角分布情況后，共挑選出57個臺站的直達P波數(shù)據(jù)(圖1(a))。利用SAC(seismic analysis code)軟件對波形數(shù)據(jù)進行去儀器響應、剪切、濾波等處理，頻率范圍選擇0.005～0.5 Hz，波形長度為150 s(直達P波到時前20 s和后130 s)。

2 震源破裂滑動分布反演

2.1 地震位錯反演模型的構(gòu)建

由于較大地震的震源破裂尺度也相對較大，因此無法再將震源看作單純點源[6]。假如將地震斷層面近似看作平面，則有限斷層反演方法可根據(jù)地震斷層的產(chǎn)狀將斷層面劃分為若干矩形塊，每個矩形塊代表一個子斷層或子事件，每個子事件的震源時間函數(shù)(或地震矩釋放過程)可看作由若干個一定“形狀”的時間窗組成，需要指定或搜索時間窗的寬度[2,6,8]。子斷層的滑動角是未知量，由走滑和傾滑方向的滑動量大小約束[9]。由于此次地震發(fā)生在俯沖帶上，屬于逆沖型破裂事件，因此可將斷層的滑動方向約束在 90° ± 45°的范圍內(nèi)。本文基于Slab2.0模型給出的阿拉斯加地區(qū)太平洋板塊俯沖幾何數(shù)據(jù)，參考USGS有限斷層破裂模型的破裂范圍后，構(gòu)建2021年阿拉斯加MW8.2地震的曲面斷層幾何模型，設(shè)置斷層的長度為280 km，寬度為200 km。對斷層模型進行約8.0 km的等間隔劃分，共劃分為35×25個子斷層，每個子斷層的震源時間函數(shù)由2個三角形函數(shù)表示，每個三角形函數(shù)的時間窗長為2.0 s，即每個子斷層破裂持續(xù)時間跨度最大為3.0 s。確定斷層模型的幾何參數(shù)后，建立斷層面上滑動參數(shù)與觀測數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系。在解算各子斷層的滑動量或標量地震矩參數(shù)時，除了要考慮理論計算結(jié)果同觀測數(shù)據(jù)的擬合程度，還需要考慮滑動分布粗糙度，即

‖w(G·M-D)‖2+

β2‖L·M‖2=minmum

(1)

式中，D為觀測值；M為滑動量或地震矩，G為格林函數(shù)，G·M為模擬值；w為觀測值權(quán)重，單一類型數(shù)據(jù)的w=1；L為拉普拉斯二階差分算子；β為平滑因子。遠場P波格林函數(shù)的計算工具(hudson96)和近場GPS格林函數(shù)計算工具(hstat96)由CPS(computer program in seismology)提供。遠場P波格林函數(shù)的震源時間函數(shù)時間窗長為1.0 s，采用AK135一維地球速度模型表示；近場GPS格林函數(shù)采用Crust1.0地殼速度結(jié)構(gòu)表示。本文聯(lián)合近場GPS形變和遠場直達P波反演2021年阿拉斯加MW8.2地震震源破裂過程，由于GPS精度較高，因此其權(quán)重被設(shè)置為1.0；地震波權(quán)重通過搜索確定，搜索范圍為0.1～1.0，間隔為0.1，最優(yōu)權(quán)重為0.5。平滑因子β由模型的粗糙度和殘差的折合曲線共同確定，本文最優(yōu)平滑因子為0.13(圖2(b))。

(a)震源時間函數(shù)；(b)殘差-粗糙度折合曲線；(c)震源破裂滑動分布圖2 2021年阿拉斯加MW8.2地震震源破裂過程Fig.2 Rupture process of the 2021 Alaska MW8.2 earthquake

2.2 斷層滑動分布反演結(jié)果

震源破裂過程的最優(yōu)解如圖2所示，觀測值和模擬值的符合度如圖3所示。由圖3可見，模擬值和觀測值基本吻合，即破裂模型可以合理解釋觀測數(shù)據(jù)，本文反演獲得的地震破裂滑動分布模型具有可靠性。此次阿拉斯加MW8.2地震的最大滑動量約為1.87 m，釋放的地震矩約為1.59×1021Nm，上述結(jié)果與USGS有限斷層反演結(jié)果相近。地震持續(xù)時間約100 s，能量釋放主要集中在前50 s。本文反演的地震斷層滑動分布與USGS利用地震波快速反演得到的結(jié)果存在一定差異，這是因為USGS有限斷層模型的斷層滑動分布缺少近場數(shù)據(jù)的約束，滑移量大的子斷層集中在震中附近，滑動方向基本垂直于島弧走向。本文地震破裂滑動分布反演結(jié)果顯示，此次阿拉斯加MW8.2地震的斷層破裂并非以震中為中心對稱分布，而是主要發(fā)生在震中的北東側(cè)，發(fā)震斷層的西南端并未發(fā)生明顯滑移。相比于USGS單一平面模型，基于Slab2.0曲面模型構(gòu)建的同震破裂滑動分布模型的子斷層走向和傾角是變化的，因此得到的破裂區(qū)比USGS的破裂區(qū)更深。GPS近場數(shù)據(jù)的加入豐富了破裂細節(jié)，進而分辨出3個破裂集中區(qū)。

圖3 模擬值和觀測值Fig.3 Simulation and observed values

3 結(jié) 語

本文以GPS近場形變和遠場P波資料為約束，利用Slab2.0模型構(gòu)建斷層幾何模型，反演阿拉斯加MW8.2地震的震源破裂過程。相比于USGS單一平面模型，本文模型子斷層的走向和傾角是變化的。反演結(jié)果顯示，斷層破裂并非以震中為中心對稱分布，而是自震中沿斷層向NEE延伸，破裂主要發(fā)生在震中的北東側(cè)，發(fā)震斷層的西南端未發(fā)生明顯滑移。GPS近場數(shù)據(jù)的加入豐富了破裂細節(jié)，進而分辨出3個破裂集中區(qū)，震源破裂持續(xù)時間約100 s，釋放的地震矩約為1.59×1021Nm。同震形變整體上符合海溝特大地震的逆沖斷層彈性回跳理論模式[10]。受到斷層閉鎖的影響，太平洋板塊俯沖北美板塊，使得上盤北美板塊受到長時間持續(xù)擠壓，地震發(fā)生瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘埶沙跔顟B(tài)。