GPS測定的2020年阿拉斯加MW7.8地震震時地表動態(tài)變形及永久同震形變場

王東振, 趙 斌, 余建勝(1. 中國地震局地震研究所, 湖北 武漢 430071;

2. 中國地震局地震大地測量重點實驗室, 湖北 武漢 430071; 3. 湖北省地震局, 湖北 武漢 430071)

0 引言

2020年7月22日在美國阿拉斯加州以南海域發(fā)生了MW7.8地震(55.07°N,158.55°W),震源深度約28 km,震中300 km范圍內(nèi)發(fā)出海嘯預(yù)警。根據(jù)GCMT給出的本次地震震源機制結(jié)果基本可以確定,本次地震發(fā)生在太平洋板塊與北美板塊的俯沖帶上,以俯沖為主(圖1)。自1900年以來,在本次地震250 km范圍內(nèi),共發(fā)生了6次7級及以上地震。其中最大的一次地震是1938年11月10日發(fā)生的8.2級地震,發(fā)生地點與本次地震幾乎相同。該地區(qū)大地震頻發(fā)的主要原因是該地區(qū)受太平洋板塊的推擠速率約60 mm/yr(圖1),使得該地區(qū)大地震后能量可迅速積累[1-2]。

圖1 2020年7月22日阿拉斯加地震構(gòu)造背景及GPS站點分布Fig.1 Seismotectonic background and GPS station distribution in Alaska on July 22,2020

隨著GPS觀測精度和解算精度的不斷提高,現(xiàn)今除可準(zhǔn)確監(jiān)測地震同震靜態(tài)形變場外,對于地殼形變監(jiān)測逐漸朝著動態(tài)瞬時變化的方向發(fā)展[3-4]。目前,利用GPS 30 s觀測間隔的數(shù)據(jù)可獲取靜態(tài)同震形變場,用于地震同震滑動分布的反演,而GPS高頻(1 Hz)數(shù)據(jù)被廣泛用于大地震震時地表動態(tài)變形觀測以及結(jié)合地震波進行震源破裂過程反演[4-7]。本文基于阿拉斯加地區(qū)30個GPS站點30 s和1 s的采樣觀測數(shù)據(jù)(圖1),利用GAMIT/GLOBK10.6軟件分別獲取了本次地震的靜態(tài)同震形變場和震時動態(tài)形變波形,這些結(jié)果可為后續(xù)地震動態(tài)破裂過程和同震滑動分布等研究提供基礎(chǔ)資料。

1 GPS觀測數(shù)據(jù)及處理

本文采用的1 Hz和30 s GPS觀測數(shù)據(jù)主要由UNAVCO提供 (ftp://data-out.unavco.org),主要包括距離震中最近的8個GPS站點1 Hz采樣數(shù)據(jù)和30個采樣間隔為30 s的GPS站點觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK 10.6軟件[8],其中1 Hz數(shù)據(jù)處理主要利用該軟件的TRACK運動學(xué)分析模塊[9]。由于該地震為NW向的逆沖型地震,所以本文選取了距離震中較遠,不受同震影響,且位于板塊運動方向的AC58 GPS點(170.22°W,57.16°N)作為參考站,其他8個GPS站點作為流動站。同時,為了驗證選取的參考站AC58未受地震影響,在震中的東北方向且距震中約875 km的AC19站點作為計算AC58的參考點。數(shù)據(jù)處理采用IGS精密星歷,以LCPC(消電離層相位偽距組合觀測值)為觀測值,大氣延遲模型采用GMF,濕度因子為0.5,溫壓模型采用GPT,基線模式采用長基線,卡爾曼濾波采用平滑方式,站點的先驗坐標(biāo)采用UNAVCO公布的站點坐標(biāo)[10]。最終得到每個流動觀測站相對于參考站的NEU坐標(biāo)時間序列。

靜態(tài)同震形變場主要通過對地震前后共20天的30個GPS站點觀測數(shù)據(jù)進行處理[11]。第一步,單日松弛解處理中采用最新的衛(wèi)星、天線絕對相位中心改正模型,對固體潮、極潮、海潮進行改正,采用最新的GPT2[12]全球氣壓溫度模型對對流層延遲進行改正,估計得到包括測站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道、天頂對流層延遲的單日松弛解。第二步,利用GLOBK將區(qū)域單日松弛解與SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center)產(chǎn)出的全球IGS站的單日松弛解合并,得到一個包含全球IGS站和本文GPS站的單日松弛解。第三步,在全球范圍內(nèi)選擇用于實現(xiàn)參考框架轉(zhuǎn)換的參考站,以全球單日松弛解做為準(zhǔn)觀測值,利用GLOBK通過7參數(shù)(3個平移、3個旋轉(zhuǎn)、1個尺度因子)的相似變換得到ITRF14[13]參考框架下的單日坐標(biāo)解。

2 結(jié)果

2.1 震時動態(tài)形變

圖2為阿拉斯加MW7.8地震震時8個高頻GPS觀測站的EW、SN和垂直向的動態(tài)坐標(biāo)時間序列。上述8個GPS觀測站均記錄到了本次地震的震時動態(tài)形變波。結(jié)合圖1的站點位置和震時動態(tài)形變波形可以看出,動態(tài)位移振幅最大的站點為距離震中最近的AC12站點,EW向最大振幅約200 mm,SN向約400 mm,垂直向約600 mm,其中垂向形變?yōu)樘?與其他近場的垂向形變方向相反。本次地震對站點的動態(tài)形變的影響并不完全遵循距離越近振幅越大的規(guī)律。如AB13雖然距離震中較近,但其動態(tài)形變量明顯小于距離震中更遠的AC25和AC40,且靜態(tài)同震水平位移量級相當(dāng)。同時由AB07和AB13站點的動態(tài)形變結(jié)果可以看出,地震波抵達AB07的時間明顯早于與之距震中距離相當(dāng)?shù)腁B13站點。高頻GPS動態(tài)形變波形除可以看出其動態(tài)形變外,還可以看出其永久位移。如AC12、AC21、AB28和AB07站點的動態(tài)位移可以看出,同震位移的方向都為ES向。由AC19作為參考點計算的AC58的動態(tài)位移時間序列可以看出,AC58站點受該地震的同震形變影響不明顯。

2.2 靜態(tài)三維同震形變場

利用GAMIT/GLOBK 10.6解算得到的GPS原始坐標(biāo)時間序列主要包含長期線性形變和同震形變。為此,本文首先利用震前線性速率對時間序列進行去趨勢處理,得到去趨勢的時間序列(圖3),然后對同震前后的坐標(biāo)時間序列進行估計求差,得到該地震的同震三維形變場(圖4)。由于圖幅有限,圖3只展示了同震形變量最大的4個站點的坐標(biāo)時間序列。結(jié)果顯示,GPS監(jiān)測到的同震水平位移場符合逆沖型地震的同震形變模式。其中距離震中最近的AC12站點向ES方向移動了約26.7 cm,抬升了約33.5 cm。遠場GPS站點同震水平形變方向為EN向,垂直形變?yōu)樘＝鼒鯣PS站點同震水平形變方向都朝向震中,垂直形變除AC12站點外,其他為下沉,其中下沉最大的站點為AC28,約為76 mm。

3 討論

GPS動態(tài)形變波形可為地震同震滑動分布反演提供必要的數(shù)據(jù)支持,但振幅和響應(yīng)時間有時也受地位因素、地震破裂方向等的影響。如本次地震觀測到的AC13站點的動態(tài)形變量明顯小于距離震中更遠的AC25和AC40站點,同時靜態(tài)同震水平位移也明顯小于上述站點。根據(jù)其站點位置可以看出,AC13位于震中東北方,該方向與發(fā)震斷層走向幾乎平行,而逆沖型地震的形變一般主要發(fā)生在垂直與斷層走向的方向,所以這一現(xiàn)象符合逆沖型地震的動態(tài)形變特征。同時,AB07站點同震形變響應(yīng)的時間明顯早于與之距震中距離相當(dāng)?shù)腁B13,根據(jù)周云等[14]反演的同震破裂模型可知,該地震的破裂方向為WS向,所以同震動態(tài)形變的響應(yīng)時間與地震波的傳播方向和同震破裂方向密切相關(guān)。

圖2 1 Hz GPS觀測站監(jiān)測到的阿拉斯加MW7.8地震同震動態(tài)位移時序(2020-07—22T06:12)Fig.2 Coseismic dynamic displacement time series of Alaska MW7.8 earthquake monitored by 1 Hz GPS stations (2020-07—22T06:12)

本次計算得到的GPS靜態(tài)同震水平位移場與周云等[14]的結(jié)果在特征和數(shù)值上基本相同,并與UNAVCO(ftp://dataout.unavco.org/pub/)計算的結(jié)果進行了比較,驗證了本文結(jié)果的可靠性。根據(jù)發(fā)布的該地震同震破裂模型顯示,2020年7月22日發(fā)生的阿拉斯加地震是發(fā)生在舒馬金地震空區(qū)東段的一次逆沖型地震[14]。而根據(jù)板塊匯聚速率計算,該地區(qū)有能力產(chǎn)生M8特大地震,所以太平洋板塊向北美板塊的俯沖是該地震的主要成因。

圖3 時間序列Fig.3 Time series

4 結(jié)論

阿拉斯加附近的連續(xù)GPS觀測數(shù)據(jù)揭示了2020年阿拉斯加MW7.8地震的近、遠場三維同震位移。由于下盤位于海洋,無法提供有效的下盤形變、運動特征。但通過對上盤的GPS 1Hz和30 s采樣數(shù)據(jù)分別進行處理分析發(fā)現(xiàn):(1)在距離震中270 km左右依然可以監(jiān)測到地表動態(tài)形變,距離震中最近的AC12站點,EW向最大振幅約200 mm,SN向約400 mm,垂直向約600 mm。地震震中N向、NW向的GPS站點的動態(tài)形變振幅比NE向的大,這可能與地震同震破裂的方向有關(guān)。(2)靜態(tài)水平同震位移場顯示GPS水平運動方向一致朝向震中,符合逆沖型地震的形變模式。其中距離震中最近的約102 km AC12站點向ES方向移動約26.7 cm,抬升約33.5 cm。除AC12以外,近場其他站點主要表現(xiàn)為下沉,其中下沉最大的站點為AC28,約為76 mm。

圖4 阿拉斯加地震靜態(tài)水平及垂直同震形變場Fig.4 Horizontal and vertical coseismic deformation field of Alaska earthquake