2021, Vol. 37
据中国地震台网正式测定，2021年7月29日6时15分(UTC)美国阿拉斯加州以南海域(55.40°N，158.0°W)发生MS8.1 (MW8.2)地震。地震发生后，太平洋海啸预警中心(PTWC)向阿拉斯加南部和阿拉斯加半岛发布了海啸预警，2h后观测到海浪在潮位以上21cm左右，阿拉斯加海岸有6个地点发生小型海啸，2h后海啸警报解除。根据美国地质勘探局(USGS)公布的地震震中位置(55.33°N，157.84°W)，此次地震是继2020年7月22日阿拉斯加半岛MW7.8(位于本次地震西南方向62km)和2020年10月19日阿拉斯加半岛MW7.6(位于本次地震西南方向145km)地震之后，阿留申-阿拉斯加俯冲带发生的又一较大地震事件(图 1)。地震发生后，余震较为活跃，截至2021年8月18日，美国地震信息中心(NEIC)共记录到ML≥2.5余震469次，其中ML＞4.0余震54次，最大余震为8月14日MW6.9地震。
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图 1 阿拉斯加俯冲带区域历史地震分布 白色实线表示俯冲带；白色箭头表示俯冲速度；俯冲带分段区间用黑色线段标记；黑色虚线包围的区域表示阿拉斯加半岛历史强震的破裂范围(Li et al，2018；Liu et al, 2020)；灰色空心圆圈表示自1900年以来NEIC产出的4.5级以上地震目录；灰色五角星表示1938年11月11日阿拉斯加半岛MW8.2地震；紫色五角星分别表示2020年7月22日阿拉斯加半岛MW7.8和2020年10月19日阿拉斯加半岛MW7.6地震；紫色实线包围的区域表示2020年7月22日阿拉斯加半岛MW7.8地震滑动量大于0.3m(Liu et al，2020)；红色五角星表示本次地震震中；浅蓝色的沙滩球表示本次主震的震源机制解；红色实线表示本次地震滑动位移大于1m的等值线 |
阿留申-阿拉斯加俯冲带从最西部的尼尔群岛延伸3000km，至阿拉斯加湾的米德尔顿岛，沿着俯冲带，太平洋板块以5.4~7.6cm/a的速度向北美板块俯冲，俯冲的变化从东部大致垂直于沟槽至西部逐渐倾斜(DeMets et al，2010)。本次地震震中位于阿留申-阿拉斯加俯冲大断裂的上倾部分，太平洋板块以大约6.4cm/a的速度向北美板块俯冲(Argus et al，2010)。根据USGS的地震目录资料，自1900年以来，震中300km范围内共发生7级以上地震13次，其中最大为1938年11月11日阿拉斯加半岛MW8.2地震，Sykes等(1971)和Davies等(1981)根据余震的展布估算了该地震的破裂区域(300km长)，但余震的定位可靠性较低，Freymueller等(2021)利用海啸数据获得的断层滑动模型表明其实际破裂尺度小于余震的展布长度，主要破裂位于震中的东部。
2021年7月29日MW8.2地震是塞米迪群岛发生的又一次大地震，本次地震为研究该区域大地震的活动性提供依据。地震发生后，我们利用远场体波和面波资料在震后2h完成了震源破裂过程的反演，并在中国地震台网中心(CENC)应急工作平台上进行发布和上报，在波形数据更为完备后重新开展了震源破裂过程反演工作，为大震的灾害评估和孕震机制等提供一定的科学基础。
1 资料和方法地震发生后，通过IRIS数据中心Wilber3①下载全球台网(GSN)远震宽频带数据，选取其中方位角分布均匀且信噪比较高的28个远场垂直向P波(30°＜震中距＜90°)、27个远场水平向SH波和55个远场长周期面波的波形资料(图 2)，体波滤波频带为0.0033~1Hz，面波滤波频带为0.004~0.006Hz。基于全球一维模型AK135(Kennett et al，1995)，采用F-K方法(Zhu et al，2002)计算格林函数。
① http://ds.iris.edu/wilber3/find_event
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图 2 GSN台网远场台站分布 |
本文采用有限断层反演方法反演震源破裂过程(Ji et al，2002a、2002b；Hao et al，2013、2017)，有限断层反演方法在小波域实现不同频带的信号分离，采用模拟退火法求解破裂在断层面上的时空分布。该方法在美国地质勘探局已应用多年，并被广泛应用于震源破裂过程反演的研究。
在实现有限断层模型求解前，首先需要震源机制解提供断层面参数。地震发生后，各国际机构迅速给出了各自的反演结果(表 1)，但地震的初始破裂位置差异性较大，由于阿拉斯加州在该区域台站数较多，地震定位精度较高，因此选取USGS发布的地震参数为破裂起始点。各机构产出的震源机制解较为一致⑤，从震源机制解反演结果可以得到2个共轭节面，根据地质构造背景、余震分布可以确定震源破裂面，前人研究表明震中处于低角度逆冲构造(Abers，1992；Zheng et al，1996；Fletcher et al，2001；Fournier et al，2007)，因此本文采用沿SW-NE向的断层节面解(239°/14°/95°)构建断层几何模型，选取一个足够大的长400km、宽54km的平面作为破裂面，将其划分为25×16共400个子断层，快速反演本次地震在破裂面上的滑动位移的时空分布。
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表 1 美国阿拉斯加MW8.2地震震源机制解 |
② https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/ak0219neiszm/moment-tensor
④ http://geofon.gfz-potsdam.de/eqinfo/event.php?id=gfz2021jxef
⑤ https://mp.weixin.qq.com/s/2FnFufeExXyeeqKlb5T-Mg
2 反演结果破裂过程反演的结果见图 3，震源时间函数结果(图 3(a))表明此次地震释放的地震矩约为2.98×1021N · m，对应的矩震级为8.25，略高于面波震级；此次地震持续时间约为120s，前10s的初始破裂释放能量较小，主要能量释放在10~50s，之后破裂规模开始衰减。同震滑移分布(图 3(b))表明本次地震主要包含1个凹凸体，初始破裂点位于高滑移量区域的边缘，断层上的滑动分布在160km×20km的区域内，最大滑动量为5m。虽然地震破裂的高滑动量分布比较集中，但仍呈现出向NE方向发展的趋势。
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图 3 阿拉斯加州以南海域地震的有限断层反演结果 (a)震源时间函数; (b)断层面上静态滑动位移分布；(c)地震断层滑动分布投影(b)中黑色实线表示破裂等时线图(单位：s) |
利用远场波形进行震源破裂过程反演时，不同类型的波形在反演中的作用不同，P波周期短、振幅小，对破裂过程的分辨能力强，但对反演的贡献度低；相反，面波周期长、振幅大，在联合反演中的作用较大。反演得到的理论波形与观测波形的对比见图 4和图 5，体波和面波的波形拟合度均较高，其中体波的平均相关系数达0.88，反演结果较好地解释了绝大多数台站的地震波形。
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图 4 阿拉斯加地震的体波观测波形与合成波形对比 黑线表示观测波形；红色表示合成波形；每个记录的结果：震相(左上)、台站名(左下)、方位角(中上，单位：°)、震中距(中下，单位：°)、最大振幅(右上，单位：μm/s)、观测波形与合成波形的相关系数(右下) |
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图 5 阿拉斯加地震的面波观测波形与合成波形对比 黑线表示观测波形；红色表示合成波形；每个记录的结果：震相(左上)、台站名(左下)、方位角(中上，单位：°)、震中距(中下，单位：°)、最大振幅(右上，单位：μm/s) |
2020年7月22日阿拉斯加半岛MW7.8地震与本次地震的震中相距仅54km，均处于俯冲板块的震间耦合区域。地震间的耦合度是衡量俯冲界面在大地震之间闭锁状态的重要指标，其从东到西大致呈下降的趋势，(Davies et al，1981；Sykes et al，1980；Li et al，2018；周云等，2021)。在高耦合度地区，板块边界上方10~30km的区域不易发生滑动，而深部可以持续滑动，因此造成俯冲带浅部应变能积累，是形成大地震的主要原因，而耦合度较低的区域主要产生蠕变滑动，以小地震为主。地震发生后，USGS给出了本次地震震源破裂过程快速反演的结果，本文反演结果与USGS的结果主要特征表现一致，但在破裂尺度上存在明显的差异，USGS反演结果显示沿走向的破裂尺度约110km，本文反演结果显示沿走向的破裂尺度约160km，本文的反演结果获得破裂的尺度与余震展布的长度基本相等(图 3)。
Herman等(2021)研究表明2020年7月22日阿拉斯加半岛MW7.8地震引起震中南部和东部的库仑应力增强，并对2020年10月19日阿拉斯加半岛MW7.6地震有触发作用，图 1显示本次地震位于2020年7月22日阿拉斯加半岛MW7.8地震破裂区域的边缘(Freymueller et al，2021)，处于其东部的应力增大区域，2次地震的破裂区域在震中附近存在交叉，但破裂的发展方向相反，其对本次地震孕震的影响有待进一步研究。前人研究表明舒马金空区自1913年以来存在较大的应变积累(周云等，2021；Ye et al，2021)，而本次地震的有限断层反演结果和余震分布均显示破裂向东发展，未破裂至震中以西的舒马金空区，与1938年11月11日阿拉斯加半岛MW8.2地震的破裂区域基本一致，说明舒马金空区东部的地震危险性仍然存在。
4 结论结合远场地震体波和面波数据，采用有限断层反演方法获得2021年7月29日阿拉斯加半岛MW8.2地震的时空破裂过程。结果表明，本次地震释放的地震矩为2.98×1021N · m，矩震级为8.25，是一次低角度的逆冲事件。本次地震造成的滑动分布并不复杂，仅涉及到一个凹凸体的破裂和错动，最大滑动量达5m。地震的主体破裂深度在20~40km之间，破裂由深部向浅部发展的趋势明显，说明破裂释放了俯冲带浅部的应变能。此外，我们注意到主震破裂区域中的余震分布较少，大部分余震发生在主震的南部，出现这种现象表明震源区的破裂较为彻底，并触发了俯冲带浅部位置的地震，本次地震的有限断层反演结果和余震分布均显示破裂向东发展，但未破裂至震中以西的舒马金空区，表明舒马金空区东部的地震危险性仍然存在。
周云、李予青、王卫民等, 2021, 2020年阿拉斯加MW7.8地震震源特征及邻区地震危险性分析, 地球物理学报, 64(2): 498-506. |
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