引用本文
徐志国, 张怀, 周元泽, 梁姗姗, 苏哲, 健宇, 赵博. 2018年12月1日美国阿拉斯加 MW7.0地震震源参数及破裂过程 [J]. 地震地质, 2019,41(5): 1223-1238.
XU Zhi-guo, ZHANG Huai, ZHOU Yuan-ze, LIANG Shan-shan, SU Zhe, SHI Jian-yu, ZHAO-Bo. THE SOURCE PARAMETERS AND RUPTURE PROCESS OF THE MW7.0 EARTHQUAKE IN ALASKA,USA ON DECEMBER 1, 2018 [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(5): 1223-1238.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.05.010
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2018年12月1日美国阿拉斯加 MW7.0地震震源参数及破裂过程
徐志国1,2, 张怀1,*, 周元泽1, 梁姗姗3, 苏哲4, 健宇2, 赵博3
1)中国科学院大学, 计算地球动力学重点实验室, 北京 100049
2)国家海洋环境预报中心, 北京 100081
3)中国地震台网中心, 北京 100045
4)中国地震局地壳应力研究所, 北京 100085
*通讯作者: 张怀, 男, 教授, E-mail: huaizhang@gmail.com。

〔作者简介〕 徐志国, 男, 1979年生, 中国科学院大学地球动力学专业在读博士研究生, 高级工程师, 现主要研究方向为地震监测与海啸预警, 电话: 18501150036, E-mail: xuzhg04@sina.com。

收稿日期: 2019-01-24
基金项目: 自然资源部“全球变化与海气相互作用”(GASI-GEOGE-05)和北京市自然科学基金(8194081)共同资助
摘要

文中对2018年12月1日发生在美国阿拉斯加州的 MW7.0地震开展了震源参数以及破裂过程的反演研究, 并综合研究结果探讨了此次地震发生的动力学背景。 震源机制反演结果表明, 此次地震为拉张型正断地震, 矩心相对于初始震中位置向NE偏移约10km。 破裂过程反演的结果显示此次地震的滑动量分布比较集中, 主要发生在长30km、 宽20km的区域内, 最大滑移量达3.6m。 此外, 破裂并非简单地以震源为中心对称分布。 此次地震的破裂方向和余震分布均呈NE向延伸的趋势, 发震断层的西南段则出现地震空区, 由此可初步判断该地震是一次发生在太平洋板块与北美板块俯冲碰撞带后缘的弧后拉张环境中的典型正断型地震事件。 由于太平洋俯冲板块在向N俯冲的过程中受高温高压作用影响, 造成太平洋板片的俯冲角度变陡、 向后弯曲变形, 由此在碰撞带的后缘形成拉张环境, 造成此次阿拉斯加 MW7.0地震的发生。

关键词: 阿拉斯加地震; 震源机制; 破裂过程; 俯冲碰撞带
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)05-1223-16
THE SOURCE PARAMETERS AND RUPTURE PROCESS OF THE MW7.0 EARTHQUAKE IN ALASKA,USA ON DECEMBER 1, 2018
XU Zhi-guo1,2, ZHANG Huai1, ZHOU Yuan-ze1, LIANG Shan-shan3, SU Zhe4, SHI Jian-yu2, ZHAO-Bo3
1)Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2)National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China
3)China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
4)Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
Abstract

A magnitude MW7.0 earthquake struck north of Anchorage, Alaska, USA on 1 December 2018. This earthquake occurred in the Alaska-Aleutian subduction zone, on a fault within the subducting Pacific slab rather than on the shallower boundary between the Pacific and North American plates. In order to better understand the earthquake source characteristics and slip distribution of source rupture process as well as to explore the effect of tectonic environment on dynamic triggering of earthquake, the faulting geometry, slip distribution, seismic moment, source time function are estimated from broadband waveforms downloaded from IRIS Data Management Center. We use the regional broadband waveforms to infer the source parameters with ISOLA package and the teleseismic body wave recorded by stations of the Global Seismic Network is employed to conduct slip distribution inversion with iterative deconvolution method. The focal mechanism solution indicates that the Alaska earthquake occurred as the result of tensile-type normal faulting, the estimated centroid depth from waveform inversion shows that the earthquake occurred at the depth of 56.5km, and the centroid location is 10km far away in northeast direction relative to the location of initial epicenter. We use the aftershock distribution to constrain the fault-plane strike of a normal fault to set up the finite fault model, the finite fault inversion shows that the earthquake slip distribution is concentrated mainly on a rectangular area with 30km×20km, and the maximum slip is up to 3.6m. In addition, the slip distribution shows an asymmetrical distribution and the range of possible rupture direction, the direction of rupture extends to the northeast direction, which is same as that of aftershock distribution for a period of ten days after the mainshock. It is interesting to note that a seismic gap appears in the southwest of the seismogenic fault, we initially determined that the earthquake was a typical normal fault-type earthquake that occurred in the back-arc extensional environment of the subduction collision zone between the Pacific plate and the North American plate, this earthquake was not related to tectonic movement of faults near the Earth’s surface. Due to the influence of high temperature and pressure during the subduction of the Pacific plate toward to the north, the subduction angle of the Pacific plate becomes steep, causing consequently the backward bending deformation, thus forming to a tensile environment at the trailing edge of the collision zone and generating the MW7.0 earthquake in Alaska.

Keyword: Alaska earthquake; focal mechanism; rupture process; subduction collision zone
0 引言

据中国地震台网中心正式测定, 北京时间2018年12月1日01时29分, 美国阿拉斯加州南部发生了 MW7.0地震(图 1), 震中(61.35° N, 150.06° W)位于阿拉斯加州最大城市安克雷奇以北约18km处, 震源深度40km。 此次地震造成安克雷奇市大面积停电, 道路和桥梁受损, 水管断裂, 岩石滑塌, 部分地区的通信和电力中断, 极震区烈度达Ⅸ 度。 地震发生后, 太平洋海啸预警中心(PTWC)向位于阿拉斯加地区的库克湾沿岸和基奈半岛南部发布了海啸预警, 在确认无海啸灾害发生后, 取消了海啸预警①（① http: ∥ptwc.weather.gov/ptwc/index.php。）。

图 1 研究区区域构造背景图
历史地震震源机制解为哈佛大学GCMT结果。 其中红色和绿色沙滩球分别表示浅源地震(H< 70km)和中深源地震(H≥ 70km)的震源机制; 蓝色五角星为本次阿拉斯加MW7.0地震的震中; 黑色沙滩球为本研究得到的此次地震的震源机制结果; 黄色五角星为1964年3月28日阿拉斯加南部威廉王子湾发生的MW9.2地震的震中。 红线代表研究区内主要的断层(Koehler et al., 2012a, b), 箭头表示板块俯冲方向, 灰色三角形表示火山的位置Fig. 1 The regional tectonic background of the study area.

本次地震属于浅源地震, 是阿拉斯加地区37a以来最严重的一次地震。 阿拉斯加MW7.0主震发生后, 余震活动十分频繁。 据美国地震信息中心(NEIC)测定, 截至2018年12月10日, 共发生ML2.5以上地震725个, 包括ML4.0以上地震33个, 其中最大一次余震为主震后5min发生的ML5.7地震。

本次地震的震中位于太平洋板块向北美板块俯冲所形成的阿留申岛弧的东部地区, 该区域由威廉王子块体、 亚库塔特地体和楚加奇块体等众多增生地块组成(柳存喜等, 2014)。 已有研究表明太平洋板块以约60mm/a的速度向阿拉斯加板块俯冲①（①http: ∥ptwc.weather.gov/ptwc/index.php。）。 板块的俯冲作用伴随着一系列复杂而强烈的地质活动, 如地震活动、 火山喷发、 山体抬升及板内变形等。 阿拉斯加南部与阿留申海沟近平行的长约2 500km的区域密集分布着80多座活火山(图 1)。 同时, 该区域地表断层复杂, 发育迪纳利(Denali Fault)、 楚加奇(Chugach-St. Elias Faults)、 城堡山(Castle Mountain Fault)等多条断层带。

相关研究表明, 区域内大部分浅源地震的震中分布在断层带周围(Tobin et al., 1966), 本次MW7.0地震的震中邻近城堡山断层带(图 1)。 城堡山断层是位于阿拉斯加南缘的一条长约200km、 与造山带平行的弧形右旋发震断层(Bunds, 2001), 该断层是阿留申前弧构造的活动构造单元(Koehler et al., 2012a, b), 其独特的地理位置和复杂的构造环境使得该区域的地震活动强度大、 频度高。 根据美国地质调查局(USGS)所统计的历史地震资料, 自1900年以来, 距此次地震震中300km的范围内共发生7级以上地震14次, 其中最大地震为1964年3月28日阿拉斯加南部威廉王子湾地区发生的MW9.2大型逆冲地震, 并引发强烈海啸, 共造成139人死亡, 是美国历史上记录到的最强烈的地震。

阿拉斯加MW7.0地震发生后, 相关机构对该地震进行了初步分析和研究。 美国哈佛大学全球矩心矩张量解(GCMT)显示此次地震为正断型地震。 阿留申岛弧东段从东部的阿拉斯加半岛一直延伸到西部的福克斯群岛, 该段的构造运动以垂直岛弧走向的板块会聚和太平洋板块向大陆岩石圈下方的俯冲为主, 发生在上覆板块地壳内部的浅源地震往往是这种持续挤压作用的结果(邵同宾等, 2015)。 历史震源机制数据表明, 这些浅源板内地震的发震断层大多数为逆断或走滑性质(图 1)。 然而, 俯冲带地区整体处于挤压状态, 却发生了一次以拉伸为主的正断型地震。 那么, 地震的发生是受浅层地壳断层错动的作用, 还是受到太平洋板块向北美板块俯冲过程的影响?如果是后者, 那么在整体的挤压背景下, 拉张型正断地震的孕育与发生的过程是怎样的, 这一问题值得思考和研究。

相关研究表明, 震源机制解提供了俯冲板片内部的应力状态信息(Slancová; et al., 2010), 有助于人们理解俯冲带地震活动的形成过程(Isacks et al., 1969)。 为了更好地认识阿拉斯加MW7.0地震的发震构造和作用机理, 地震发生后, 作者开展了震源机制和破裂过程的反演工作, 对地震的震源参数及震源运动学特征加以分析。 首先应用ISOLA(ISOLated Asperities)近震全波形反演方法(Sokos et al., 2008)确定此次地震的矩震级、 矩心位置、 矩心深度、 断层面几何参数以及震源区应力状态等震源参数, 并结合区域地质构造背景和余震序列空间分布特征确定实际地震破裂面。 然后, 根据已经确定的震源深度和真实发震断层, 采用远震体波有限断层模型(Kikuchi et al., 1982, 1991, 1993)反演破裂面上的滑移量分布及破裂尺度、 破裂方向等有限震源模型参数。 之后综合以上结果, 进一步探讨此次地震的主要动力学机制, 为研究阿拉斯加地区的地震活动特征和孕育机制提供科学参考。

1 数据与方法

本文所用数据是由美国地震学研究联合会数据管理中心(IRIS/DMC)提供的宽频带地震波形资料, 包括近场和远场地震波形记录。 台站分布如图 2 所示。

图 2 本文所用地震台站的分布图
蓝色五角星为本次地震的震中; 三角形为地震台站的位置。 大图为近震全波形反演震源机制解所用台站, 左上小图为远震体波反演所用台站Fig. 2 The distribution of seismic stations used in this study.

本研究采用Sokos等(2008)提出的ISOLA近震全波形方法反演地震矩张量解, 并与GCMT结果相比较, 确定反演结果的可靠性和稳定性。 ISOLA反演方法可采用单一点源或多点源模型, 通过网格搜索和最小二乘法反演得到地震的最佳矩张量解。 该方法具有纯双力偶(DC)、 偏量矩张量(双力偶分量DC及补偿线性矢量偶极分量CLVD)、 全矩张量(DC、 CLVD及ISO分量)和固定震源机制(fixed mechanism)4种求解方式, 可在点、 线、 面3种不同维度空间范围搜索最优解, 其中固定震源机制解的求解方式仅可反演得到矩心时间偏移、 深度和地震矩。 该方法可采用多种量化参数评估反演解的稳定性和可靠性, 如方差减小量(VR)、 条件数(CN)、 震源机制变化指数(FMVAR)和时空变化指数(STVAR)等, 详细的计算方法和说明见相关研究文献(Sokos et al., 2008, 2013)。

在反演过程中, 采用单一点源模型, 应用偏量矩张量的求解方式, 选择震中距200~600km范围内的三分量宽频带波形记录(图 2)。 选取高信噪比、 方位角覆盖良好的近场台站波形资料, 对原始记录进行去除仪器响应、 去倾斜以及去平均值等预处理。 共有14个台站记录参与反演计算。 为了减少地壳速度模型的不确定性对结果的影响, 采用频带为0.01~0.05Hz的四阶巴特沃斯滤波器进行滤波。 参考Page等(1989)提供的P波速度模型(表1 ), 取波速比(VP/VS)为1.78, 采用离散波数法(Discrete Wavenumber)(Kennett et al., 1979; Bouchon, 1981)计算格林函数, 设采样频率为0.2Hz。

表1 震源机制反演所用的地壳速度模型 Table1 The crustal velocity model used for the focal mechanism inversion

在确定阿拉斯加MW7.0地震的发震断层面后, 采用Kikuchi等(1982, 1991, 1993)提出的非负最小二乘法(NNLS)来反演此次地震的矩张量及其静态滑移量分布。 选取30° ~90° 震中距范围内全球数字地震台网(GSN)的宽频带体波波形数据。 由于震中距为30° ~90° 的体波震相射线离源角小, 传播路径主要在介质相对均匀的下地幔中, 受上地幔速度不连续面、 地壳结构以及核幔边界等介质的横向不均匀性影响较小, 能较好地反映震源信息(赵翠萍等, 2005)。 在有限断层模型反演中, 震源附近的地壳速度结构与震源机制反演采用同样的速度模型, 接收台站附近的速度结构采用JB全球走时模型(Jeffreys et al., 1940)。

2 结果分析
2.1 近震全波形反演震源机制解

在反演过程中, 首先参考美国地质调查局(USGS)给出的初始定位结果, 固定震中位置, 在深度方向搜索震源机制最优解。 深度搜索范围为20~80km, 搜索步长为2km; 时间搜索范围为发震时刻前4s— 震后10s, 时间搜索步长为0.2s。 将震源机制反演得到的波形互相关系数作为震源深度的函数, 反演不同深度的震源机制解, 以最大波形拟合系数相应的震源深度和震源机制解为最佳结果。 图 3 给出了震源深度与波形相关系数间的关系。 从图中可以看出, 震源机制解在不同深度上变化不大, 均显示为正断型地震, 矩心深度59km处, 波形相关系数最大, 其对应的波形拟合图方差减少量VR为0.79。

图 3 不同深度上震源机制解及其波形相关系数Fig. 3 The focal mechanism solution and its inversion correlation coefficient at different depths.

为了减少初始地震定位结果和大地震有限断层长度对反演结果的影响, 结合余震走向和固定震中位置搜索的最优震源机制解, 以初始震中和搜索的最佳矩心深度为参考点(45号网格点), 在走向16° 和倾角29° 的平面内搜索最优震源机制解, 搜索范围为40× 40km, 网格步长为5× 5km, 共81个网格点。

图 4显示了矩心深度平面内81个不同网格点上的震源机制解及波形拟合系数。 由图 4 可知, 43号网格点对应的波形互相关系数最大, 其对应的结果为最优震源机制解, 以最大的震源球表示。 深度平面网格搜索的最佳震源机制解为: 节面Ⅰ 的走向、 倾角和滑动角为10° 、 32° 和-83° , 节面Ⅱ 的走向、 倾角和滑动角为182° 、 59° 和-94° ; 震源区应力主轴的空间取向为: 主压力轴P的方位角和倾角为79° 和76° , 主张力轴T的方位角和倾角为275° 和14° ; 最佳矩心位置为61.432° N, 149.903° W, 矩心深度56.5km, 矩心时间偏移5.0s, 矩震级MW7.0。 搜索的矩心位置相对于初始震中位置向NE偏移约10km。 图 5 为在矩心深度平面网格区域内搜索的最佳震源机制解对应的波形拟合图, 其平均方差减少量为0.89, 相比固定震中位置搜索的方差减小量变大。 研究结果表明, 对于阿拉斯加MW7.0地震而言, 发震源并不是简单的单个点源, 而是具有一定区域范围, 破裂的矩心位置相对初始震中的偏差, 也显著表明了此次大地震破裂的方向性, 破裂从初始破裂点开始向NE展开。

图 4 不同网格点上震源机制解及波形相关系数
五角星为震源机制搜索参考点在地表上的投影点; 彩色等值线表示波形相关系数; 最大的震源球位置为最优震源机制解Fig. 4 The focal mechanism solution and the waveform fitting correlation coefficient at the grids.

参加反演的台站数量、 台站分布方位等因素可影响计算震源机制结果的可靠性。 为了估算震源机制反演断层面解参数的不确定度, 我们采用刀切法(Jackknifing Method)对反演的参数进行不确定度分析。 考虑到不同方位台站的记录对反演结果的影响, 对14个台站进行反演时, 每次减少1个台站则重新进行反演。 图 6 是每次反演参数(走向角、 倾角、 滑动角、 矩心位置、 矩心时间偏移和双力偶成分)的直方图, 从图中可见各参数分布相对集中。 将所有反演的震源机制结果投影到同一震源球上(图 6)可以看出, 断层面节面线分布集中, 说明多次反演结果比较稳定。 同时, 采用Kagan(1991)定义的不同震源机制间的最小旋转角(Kagan角)来衡量反演结果间的差别。 选取14个台站的震源机制反演结果作为参考解, 计算不同台站的反演结果与参考解之间的Kagan角。 如图6h所示, Kagan角为0° ~3.3° , 主要集中分布在1.0° ~2.0° , 变化相对稳定, 这表明本研究得到的震源机制具有可靠性和稳定性。

图 5 近震震源机制反演波形拟合图
红线表示的理论波形, 黑线表示观测波形; 波形下方数字表示方差减小量VR; 左侧大写字母表示台站名Fig. 5 The waveform fitting curve by the local focal mechanism inversion.

图 6 断层面参数不确定度的估计
使用刀切法估计断层面参数不确定度。 a— f分别为走向角、 倾角、 滑动角、 震源位置、矩心时间偏移和双力偶成分的直方图; g断层节面分布; h Kagan角频度图Fig. 6 The estimation of the uncertainty of the fault plane parameters.

阿拉斯加MW7.0地震发生后, 国内外多家地震研究机构对该地震进行了初步分析和研究。 我们收集了3家主要地震研究机构给出的震源机制反演结果(表2)。 从表2中可以看出, 本文的研究结果与美国哈佛大学GCMT、 美国地质调查局(USGS)和中国地震台网中心(CENC)给出的节面Ⅰ 和节面Ⅱ 的走向、 倾角和滑动角存在细小差别, 但以上结果均表明该地震是一次正断型地震, 断层上盘相对于下盘向近垂直的方向错动, 但错动程度稍有不同。 震源机制解参数间存在的细微差别, 可能由采用的资料、 计算方法和地壳速度模型不同所致, 进而导致不同震源机制解之间存在偏差。

表2 不同机构给出的阿拉斯加MW7.0地震的震源机制解 Table2 The focal mechanism solutions of the MW7.0 earthquake in Alaska given by different institutions
2.2 体波有限断层模型反演

在有限断层反演过程中, 需要提前确定断层面的几何参数, 固定有限断层的走向和倾角, 仅仅依赖震源机制反演结果不能确定2个共轭节面中哪一个与实际的地震破裂面相近(马淑田等, 1998)。 研究表明, 一般可通过震中附近区域的地质构造、 余震分布和地震破裂的多普勒效应等手段识别真实的发震断层(张勇等, 2014)。 此次地震震中位于太平洋板块向北美板块俯冲形成的俯冲带, 震源深度介于40~50km, 极有可能为板内地震, 而与浅层地表断层无关。 因此, 需要借助余震空间分布刻画主震断层的几何形态, 以确定实际的发震断层面。 我们收集了阿拉斯加MW7.0主震震后10d的余震序列定位结果, 如图 7 所示, 其中五角星表示初始定位的震中位置。 主、 余震平面分布显示, 主震位于余震区的东南端, 余震序列沿NNE方向单侧扩展, 呈1条明显的线状集中带。 深度剖面AA’ 显示, 此次地震的余震区长约40km, 宽约20km, 余震序列的震源深度主要集中在15~58km, 且余震主要位于主震震源的上方, 大量余震可能受主震破裂的影响而被触发; 深度剖面BB'显示发震断层具有明显的SEE倾向趋势。 综合余震空间展布特征以及近震全波形反演的主震震源机制解等结果, 推断节面Ⅰ 可能为阿拉斯加MW7.0地震的发震断层。

图 7 阿拉斯加MW7.0地震的余震序列空间分布
a余震序列震中分布; b 余震序列震级频度; c 沿剖面AA’ 的震源深度分布; d 沿剖面BB’ 的震源深度分布Fig. 7 Spatial distribution of aftershock sequences of the MW7.0 earthquake in Alaska.

在地震断层面解确定的前提下进行震源破裂过程反演研究。 采用USGS给出的初始震源深度46.7km以及震源机制解确定的节面Ⅰ 的走向10° 、 倾角32° 构建断层模型, 设定平面断层的长和宽分别为60km和48km, 并将其划分为单位面积为6× 6km的80个子断层。

为保证反演结果的稳定性, 增加了解的光滑性约束, 相邻子断层的滑动率之差在同一个时刻不超过0.5s。 反演过程中需要设定破裂速度, 经过多次试算, 最终选取的破裂速度为2.5km/s。 对选取的速度波形进行去倾斜、 去均值以及去除仪器响应等预处理, 将速度记录积分为位移记录, 并进行0.01~0.2Hz带通滤波, 共选取了45个P波段参与计算。 地震破裂滑动分布结果(图 8)表明, 此次地震释放的地震矩能量为4.3× 1019N· m, 矩震级为MW7.0, 整个破裂过程持续时间约22s, 震源破裂时间过程比较简单, 并没有明显的多次子事件的破裂特征。 地震破裂具有单侧破裂特征, 初始破裂点位于高滑移量区域的边缘, 断层面上的滑动量集中在30× 20km的区域内, 最大滑移量为3.6m。 虽然地震破裂的滑动量分布比较集中, 但并非简单地以震源为中心对称分布, 而是呈现出一定的方向性, 破裂方向具有向NE延伸扩展的趋势。

图 8 2018年12月1日阿拉斯加MW7.0地震破裂过程反演结果
a 归一化震源时间函数; b 断层面静态滑动量分布; c 滑动量分布在地表的投影。五角星表示初始破裂点位置, 箭头表示滑动量大小和方向, 红线表示断层面的走向Fig. 8 Inversion results of the rupture process of the MW7.0 earthquake in Alaska on December 1, 2018.

图 9为有限断层模型的远场P波波形拟合结果。 从反演的理论波形和观测波形来看, 波形拟合总体较好, 在参与反演的45个波段中, 波形拟合方差为0.32, 表明了反演结果的可靠性。 另外, 主震后余震序列主要沿发震断层向主震的N侧延伸, 密集分布于主震震中以北的长约32km、 宽15~20km的区域内, 深度为20~50km, 余震的空间分布形态与主震破裂面的特征一致, 表明此次地震的优势破裂方向为NE向。

图 9 远场体波反演破裂过程观测波形与理论波形的比较
黑线为观测波形, 红线为理论波形; 波形图左侧的字母和数字由上至下分别表示台站名和方位角Fig. 9 Comparison of observed waveforms and theoretical waveforms of the teleseismic body wave inversion.

由于震中附近区域地质构造复杂, 在大地震发生后的短时间之内并不能快速准确地确定实际发震断层面。 为了快速得到大地震的有限断层破裂模型, 可分别采用2个节面的参数作为发震断层面参数进行反演, 探讨2个共轭节面对反演结果的影响。 采用节面Ⅱ 的走向182° 、 倾角59° 重新构建断层模型, 在数据和反演参数设置都与节面Ⅰ 完全一致的情况下, 反演结果显示阿拉斯加地震的矩震级为MW7.0, 最大滑动量接近3.5m。 其中, 得到的节面Ⅱ 的主要滑动分布显示, 破裂没有明显的方向性, 只是在初始破裂点附近相对集中。 反演的理论波形和观测波形的拟合方差为0.41, 与节面Ⅰ 相比方差明显偏大。 综合分析2个节面的反演结果和可能的破裂方向, 进一步判断节面Ⅰ 可能为阿拉斯加MW7.0地震的实际发震断层面。

3 讨论与结论

本文利用高信噪比、 台站覆盖良好的近场台站资料, 采用近震全波形方法反演了阿拉斯加MW7.0地震的震源机制解, 得到节面Ⅰ 的走向、 倾角和滑动角分别为10° 、 32° 和-83° , 节面Ⅱ 的走向、 倾角和滑动角分别为182° 、 59° 和-94° ; 震源区主压力轴P的方位角为79° 、 倾角为76° , 主张力轴T的方位角为275° 、倾角为14° ; 最佳矩心位置为61.432° N, 149.903° W, 矩心深度为56.5km, 矩心时间偏移为5.0s, 矩震级为MW7.0。 震源机制解结果显示该地震是一次发生在板块俯冲区域的正断型地震, 上盘相对于下盘近垂直错动。 此次地震的主压力轴P近垂直, 主张力轴T近水平, 近EW向的主张应力方向近平行于海沟走向, 表明此次地震是由于拉张型构造运动引起的张性断层破裂。 反演的矩心位置相对于初始破裂点向NE偏移约10km。 综合余震空间展布特征和震源机制结果, 初步推测节面Ⅰ 可能为阿拉斯加MW7.0地震的实际破裂面。

文中采用远震体波反演有限断层震源模型, 分别采用2个震源节面参数作为发震断层面参数进行反演, 探讨2个共轭节面对反演结果的影响。 在数据和反演参数设置完全一致的情况下, 反演结果均显示阿拉斯加地震的矩震级为MW7.0, 最大滑动量接近3.5m。 其中, 采用节面Ⅰ 得到的反演结果显示这次地震的静态滑移量比较集中, 破裂主要集中分布在30× 20km的范围内, 主要集中在初始破裂点斜下方, 最大滑移量为3.6m。 虽然地震破裂的滑动量分布比较集中, 但并非简单地以震源为中心对称分布, 而是呈现出一定的方向性, 破裂方向具有向NE延伸扩展的趋势, 且强度低于SW向, 表明此次地震的优势破裂方向为NE向, 这一结果与地震余震的空间分布形态基本一致。 而采用节面Ⅱ 得到的主要滑动分布中, 破裂没有明显的方向性, 只是在初始破裂点附近相对集中。 节面Ⅱ 反演的理论波形和观测波形的拟合方差相对于节面Ⅰ 明显偏大。 综合2个节面的反演结果和可能的破裂方向, 进一步分析判断节面Ⅰ 可能为阿拉斯加MW7.0地震的实际发震断层面。 此次地震震级大、 震源深度浅且滑动量分布集中, 导致震中附近区域地震动较为强烈, 给附近地区造成严重损失。

图 10 研究区域板片阿拉斯加MW7.0地震震源深度剖面图
a 实心圆为1900— 2018年阿拉斯加地区发生的M≥ 5.0的地震震中, 等值线为研究区域俯冲带的上边界, 黑色的锯齿型实线为阿拉斯加-阿留申大俯冲带, 板片模型数据来源于slab1.0; b 蓝线为AA’剖面俯冲带的上边界, 实心圆为沿剖面10km范围内的地震震中Fig. 10 The focal depth profile of the MW7.0 earthquake in Alaska in the study area.

参考USGS俯冲带模型(Hayes et al., 2010, 2018), 本文给出了阿拉斯加地区俯冲板片上边界以及沿AA’ 剖面的板片倾角变化和震源深度剖面图(图 10)。 图中AA’剖面通过此次地震震中, 方向与板片走向近垂直。 从图中可以看出, 太平洋板块俯冲至南美板块之下, 并延伸到北美大陆内部, 靠近太平洋一侧的板片较浅, 而靠近陆地一侧则较深, 最深达180km。 沿剖面AA’的延伸方向, 俯冲带的倾角随着深度增加由平坦逐渐变陡, 在深度40km以下, 俯冲带倾角约45° 。 此次阿拉斯加MW7.0地震震中位于北美板块的内部, 震源深度介于40~50km, 参考Crust2.0模型可知, 震源靠近莫霍面(深度约32km), 由此排除了城堡山断层带作为发震断层的可能性。 基于本研究的反演结果推断, 可能在太平洋板块向北美板块俯冲的过程中, 由于俯冲角度变陡, 造成太平洋板块在40~50km深处发生了向S的“ 挠曲回撤” 运动, 由此造成靠近北美板块一侧的拉张环境, 从而导致了此次正断性质地震的发生。

致谢 本研究使用了Sokos等提供的ISOLA近震全波形反演和Kikuch教授提供的远震体波反演程序; 本文所用资料是美国地震学研究联合会数据管理中心(IRIS/DMC)提供的全球地震台网(GSN)波形数据; 文中图件使用GMT绘图软件包制作。 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 柳存喜, 王志. 2014. 南阿拉斯加地壳及上地幔结构成像研究[J]. 地球物理学报, 57(7): 2113—2126. [本文引用:1]
[2] LIU Cun-xi, WANG Zhi. 2014. Structure imaging of the crust and upper mantle in south of Alaska[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57(7): 2113—2126(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 马淑田, 姚振兴, 纪晨. 1998. 1996年5月3日内蒙古包头西 MS6. 4地震的震源机制研究[J]. 地球物理学报, 41(6): 795—803. [本文引用:1]
[4] MA Shu-tian, YAO Zhen-xing, JI Chen. 1998. A study for the mechanism of MS6. 4 earthquake on May 3, 1996, at west Bao Tou, Nei Mongol[J]. Chinese Journal of Geophysics, 41(6): 795—803(in Chinese). [本文引用:1]
[5] 邵同宾, 嵇少丞. 2015. 俯冲带地震诱发机制: 研究进展综述[J]. 地质论评, 61(2): 245—268. [本文引用:1]
[6] SHAO Tong-bin, JI Shao-cheng. 2015. Earthquake mechanisms of subductions zone: A state-of-the-art overview[J]. Geological Review, 61(2): 245—268(in Chinese). [本文引用:1]
[7] 张勇, 许力生, 陈运泰, 等. 2014. 2014年8月3日云南鲁甸 MW6. 1( MS6. 5)地震破裂过程[J]. 地球物理学报, 57(9): 3052—3059. [本文引用:1]
[8] ZHANG Yong, XU Li-sheng, CHEN Yun-tai, et al. 2014. Rupture process of the 3 August 2014 Ludian, Yunnan, MW6. 1( MS6. 5)earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57(9): 3052—3059(in Chinese). [本文引用:1]
[9] 赵翠萍, 陈章立, 郑斯华, 等. 2005. 2003年9月27日中、 俄、 蒙边界 MS7. 9地震震源机制及破裂过程研究[J]. 地震学报, 27(3): 237—249. [本文引用:1]
[10] ZHAO Cui-ping, CHEN Zhang-li, ZHENG Si-hua, et al. 2005. Moment tensor inversion and source rupture process of the September 27, 2003 MS=7. 9 earthquake occurred in the border area of China, Russia and Mongolia[J]. Acta Seismologica Sinica, 27(3): 237—249(in Chinese). [本文引用:1]
[11] Bouchon M. 1981. A simple method to calculate Green’s functions for elastic layered media[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 71(4): 959—971. [本文引用:1]
[12] Bunds M P. 2001. Fault strength and transpressional tectonics along the Castle Mountain strike-slip fault, southern Alaska[J]. Geological Society of America Bulletin, 113(7): 908—919. [本文引用:1]
[13] Hayes G P, Moore G L, Portner D E, et al. 2018. Slab2, a comprehensive subduction zone geometry model[J]. Science, 362(5): 58—61. [本文引用:1]
[14] Hayes G P, Wald D J, Johnson R L. 2010. Slab1. 0: A three-dimensional model of global subduction zone geometries[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 117(B1): B01302. [本文引用:1]
[15] Isacks B, Molnar P. 1969. Mantle earthquake mechanisms and the sinking of the lithosphere[J]. Nature, 223(5211): 1121—1124. [本文引用:1]
[16] Jeffreys S H, Bullen K E. 1940, Seismological Tables[M]. London: Gray Milne Trust. [本文引用:1]
[17] Kagan Y Y. 1991. 3-D rotation of double-couple earthquake sources[J]. Geophysical Journal International, 106(3): 709—716. [本文引用:1]
[18] Kennett B L N, Kerry N J. 1979. Seismic wave in a stratified half-space[J]. Geophysical Journal International, 57(3): 557—583. [本文引用:1]
[19] Kikuchi M, Kanamori H. 1982. Inversion of complex body waves-I[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 72(2): 491—506. [本文引用:1]
[20] Kikuchi M, Kanamori H. 1991. Inversion of complex body waves-Ⅲ[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 81: 2335—2350. [本文引用:1]
[21] Kikuchi M, Kanamori H, Satake K. 1993. Source complexity of the 1988 Armenian earthquake: Evidence for a slow after-slip event[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 98(B9): 15797—15808. [本文引用:1]
[22] Koehler R D, Farrell R E, Burns P A C, et al. 2012 a. Quaternary faults and folds in Alaska: A digital database [EB/OL]. Alaska Division of Geological and Geophysical Surveys Miscellaneous Publication, 141: 1—31. [本文引用:1]
[23] Koehler R D, Reger D, Frohman R A. 2012 b. The Castle Mountain Fault, south-central Alaska: New lidar-based observations on the sense of slip[C]. American Geophysical Union, Fall Meeting 2012, abstract id: S53D-2530. [本文引用:1]
[24] Page R A, Stephens C D, Lahr J C. 1989. Seismicity of the Wrangell and Aleutian Wadati-Benioff zones and the North American Plate along the Trans-Alaska Crustal Transect, Chugach Mountains and Copper River Basin, southern Alaska[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 94(B11): 16059—16082. [本文引用:1]
[25] Slancová A, Špikčá A, Hanuš V, et al. 2010. How the state of stress varies in the Wadati-Benioff zone: Indications from focal mechanisms in the Wadati-Benioff zone beneath Sumatra and Java[J]. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 143(3): 909—930. [本文引用:1]
[26] Sokos E N, Zahradnik J. 2008. ISOLA: A Fortran code and a Matlab GUI to perform multiple-point source inversion of seismic data[J]. Computers and Geosciences, 34: 967—977. [本文引用:2]
[27] Sokos E N, Zahradnik J. 2013. Evaluating centroid-moment-tensor uncertainty in the new version of ISOLA software[J]. Seismological Research Letters, 84(4): 656—665. [本文引用:1]
[28] Tobin D G, Sykes L R. 1966. Relationship of hypocenters of earthquakes to the geology of Alaska[J]. Journal of Geophysical Research, 71(6): 1659—1667. [本文引用:]