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

中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

據中國地震臺網正式測定，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。根據美國地質勘探局(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USGS的地震目錄資料，自1900年以來，震中300km范圍內共發(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，Freymueller等(2021)利用海嘯數據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。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，并在中國地震臺網中心(CENC)應急工作平臺上進行發(fā)布和上報，在波形數據更為完備后重新開展了震源破裂過程反演工作，為大震的災害評估和孕震機制等提供一定的科學基礎。

1 資料和方法

地震發(fā)生后，通過IRIS數據中心Wilber3(1)http://ds.iris.edu/wilber3/find_event下載全球臺網(GSN)遠震寬頻帶數據，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?；谌蛞痪S模型AK135(Kennett et al，1995)，采用F-K方法(Zhu et al，2002)計算格林函數。

圖2 GSN臺網遠場臺站分布

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實現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。該方法在美國地質勘探局已應用多年，并被廣泛應用于震源破裂過程反演的研究。

在實現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。地震發(fā)生后，各國際機構迅速給出了各自的反演結果(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)域臺站數較多，地震定位精度較高，因此選取USGS發(fā)布的地震參數為破裂起始點。各機構產出的震源機制解較為一致⑤，從震源機制解反演結果可以得到2個共軛節(jié)面，根據地質構造背景、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 反演結果

破裂過程反演的結果見圖3，震源時間函數結果(圖3(a))表明此次地震釋放的地震矩約為2.98×1021N·m，對應的矩震級為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，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系數達0.88，反演結果較好地解釋了絕大多數臺站的地震波形。

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，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果，本文反演結果與USGS的結果主要特征表現一致，但在破裂尺度上存在明顯的差異，USGS反演結果顯示沿走向的破裂尺度約110km，本文反演結果顯示沿走向的破裂尺度約160km，本文的反演結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變積累(周云等，2021；Ye et al，2021)，而本次地震的有限斷層反演結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 結論

結合遠場地震體波和面波數據，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，出現這種現象表明震源區(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。