GPS約束下的2022年臺灣MW6.9地震破裂滑動分布

胡曉斌

1 中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢市和平大道745號,430063

根據美國地質調查局(USGS)測定,UTC 2022-09-18 06:44:13中國臺灣東海岸發生MW6.9地震,震中位于23.138°N、121.344°E,震源深度10.0 km。臺灣島位于歐亞板塊與菲律賓海板塊匯聚處,屬于西太平洋板塊聚合帶-火山島弧帶-地震帶的一部分。此次地震位于歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊強烈碰撞的縫合帶上,該區域是世界上最年輕、最活躍的造山帶,地震頻發[1],震中附近曾發生多次6.5級以上地震,最近一次發生在2003-12-10,震級達ML6.8;最大一次地震發生在1951-11-25,震級達ML7.3[2]。菲律賓海板塊以約80 mm/a的速率向歐亞板塊運動[3],在臺灣東北部區域沿琉球海溝俯沖到歐亞板塊之下[4],而在臺灣南部區域俯沖方式發生轉換,由歐亞板塊沿馬尼拉海溝俯沖到菲律賓海板塊之下[5]。震源區附近有2條平行斷裂,分別為東傾的縱谷斷裂和西傾的中央山脈斷裂[6]。據USGS公開發布的震源機制解(圖1)可知,此次臺灣地震屬于走滑兼逆沖型破裂事件,地震釋放的地震矩約3.124×1019Nm。震源參數是對復雜震源性質的參數化、定量化描述[7],而此次地震為認識中央山脈斷裂的幾何結構和區域地震運動學特征提供了契機。臺灣島內布設的GPS觀測站為研究本次地震的震源破裂特征提供了寶貴的近場形變數據。為研究此次臺灣MW6.9地震的物理特征,本文以GPS為約束,參考USGS震源機制解結果構建震源破裂幾何模型,反演地震破裂滑動分布,并分析地震斷層破裂特點、地表變形特征及其物理過程,為震源破裂狀態及強地面震動等應急研究和地震危險性評估提供基礎資料。

紅色五角星表示USGS測定的2022年臺灣MW6.9地震震中;白色五角星為臺灣氣象局測定的震中位置。CRF:中央山脈斷裂;LVF:縱谷斷裂

1 GPS同震形變

大地測量數據對于發震斷層的位置、走向和斷層面的滑動分布具有較好的解析,可從臺灣氣象局網站免費申請下載30 s采樣間隔的GPS觀測數據。本文共申請下載了27個GPS站2022-09-18的觀測數據,采用武漢大學導航中心精密單點定位開源軟件PRIDE-PPAR[8]進行數據處理,以提取此次臺灣MW6.9地震引起的地表形變。根據對GPS形變數據的初步分析,選取9個形變明顯的GPS站作為震源破裂模型反演的約束數據(表1)。與USGS破裂模型相比,本文斷層模型上盤具有更多的GPS站,如CHUL、KUA2和YUL1站,USGS均未用到,其中YUL1觀測站靠近震中位置,記錄到比較明顯的地表形變;而USGS破裂模型用到的GPS站主要分布在斷層下盤。本文GPS觀測站點的位置分布及其同震位移如圖1所示,其中TTCS站距離震中最近,EW向、NS向和UD向形變值分別約為25.68 cm、69.80 cm、25.33 cm;YUL1站觀測到的形變量最大,三方向形變值分別約為33.36 cm、80.74 cm、79.57 cm。GPS站點分布在發震斷層東西兩側,表現出較明顯的左旋走滑和逆沖特征,結合震源機制解可初步判定發震斷層的走向和傾角分別為203°和69°,發震斷層傾向NW。

表1 2022年臺灣MW6.9地震GPS同震形變

2 震源破裂特征

2.1 反演方法

由于震源機制解是點源模型,展示的震源信息有限。為研究震源破裂的細節特征,需對斷層面進行離散化處理,如劃分為大小相同的矩形[9],以反演每片區域的滑動量。由圖1可知,CHUN、YUL1、TTCS和KUA2站大致處于一條直線上,與中央山脈斷裂近乎平行,其中CHUN站位移方向與其他3個測站相反,說明發震斷裂地表出露位置介于YUL1、TTCS、KUA2和CHUN站所夾空隙內。USGS測定的震中與真實的發震斷層存在明顯的偏差,臺灣氣象局測定的震源位置更為準確,結合震源機制解(走向和傾角分別設置為203°和69°)構建2022年臺灣MW6.9地震斷層幾何模型,斷層長度設置為90 km,寬度設置為27.5 km,以2.5 km等間隔劃分,共劃分為36×11個子斷層。斷層模型上下盤運動特征與GPS觀測結果一致,即上盤往南運動、下盤往北運動。震源滑動分布反演是一個線性問題(式(1)),通常認為斷層面的滑動具有連續性,因此需引入平滑矩陣。本文選擇拉普拉斯二階平滑矩陣,最優平滑因子由數據殘差和模型粗糙度的折合曲線確定:

‖ω(G·S-d)‖2+α2‖L·S‖2=min

(1)

式中,d表示觀測值;S表示滑動量或地震矩;G表示格林函數,假定地球介質是均勻的彈性體,基于彈性位錯誤論計算格林函數[10];ω表示觀測值權重;L為拉普拉斯二階差分算子;α為平滑因子,最優值如圖2(b)所示。

圖2 2022年臺灣MW6.9地震破裂滑動分布

2.2 斷層滑動分布反演結果

本文以GPS近場形變為約束反演臺灣MW6.9地震的震源破裂滑動分布。震源破裂滑動分布最優解如圖2所示,觀測值和模擬值的符合度如圖1(水平分量)和圖3(垂直分量)所示。由圖可知,GPS模擬值和觀測值吻合度很好,其中YUL1、TTCS、KUA2站的垂直分量幾乎完全一致。地震震源破裂滑動分布反演得到此次臺灣MW6.9地震的震源破裂集中在0～15 km深度范圍內,以左旋走滑為主,具有逆沖分量,最大滑動量約為2.72 m,釋放的地震矩約為5.73×1019Nm。本文破裂模型的地震矩大于USGS發布的結果,也略大于GCMT測定的結果,與Yagi等[6]的結果相近,對應的矩震級均為MW7.1。地震破裂滑動分布反演結果顯示,此次臺灣地震的破裂主要集中在震中北側,發震斷層西南端未發生明顯滑移。地表存在明顯破裂,有2個破裂中心,分別位于震中附近和震中北側20 km附近,且第2個破裂中心的破裂范圍大于第1個,與GPS觀測結果一致,距離震中最近的TTCS站記錄到的形變值小于YUL1站。本文地震斷層滑動分布特征與USGS總體一致,但USGS破裂模型的滑動更集中,破裂深度范圍稍窄,破裂長度約為50 km,最大滑動量約為3.6 m,震中位置無明顯破裂滑動,主要原因可能是USGS的震源破裂模型需要同時滿足近場GPS、強震儀和遠場地震波數據,存在時間維度,大大增加了模型反演的復雜性。

圖3 GPS垂向位移

3 結 語

本文以GPS同震形變為約束,反演2022年臺灣MW6.9地震的震源破裂滑動分布。反演結果表明,地震斷層破裂滑移以走滑為主兼逆沖分量,主要沿斷層向北延伸,破裂長度約為80 km,有2個破裂集中區,釋放的地震矩約為5.73×1019Nm,對應矩震級MW7.1。此次地震發生在中央山脈斷裂中段,菲律賓海板塊與歐亞板塊之間的相互俯沖及碰撞作用是臺灣島構造運動的主要動力來源。中央山脈斷裂東西兩側的地殼運動方向存在明顯差異,西側運動趨勢整體往SE向運動,東側往NEE向運動,斷裂表現為左旋走滑運動,同時存在擠壓運動。此次地震的震源破裂與區域構造運動特征一致。

致謝：本文圖件由Generic Mapping Tools軟件繪制。