GPS約束下的2022年臺(tái)灣MW6.9地震破裂滑動(dòng)分布

胡曉斌

1 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢市和平大道745號(hào),430063

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)測(cè)定,UTC 2022-09-18 06:44:13中國(guó)臺(tái)灣東海岸發(fā)生MW6.9地震,震中位于23.138°N、121.344°E,震源深度10.0 km。臺(tái)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(qiáng)烈碰撞的縫合帶上,該區(qū)域是世界上最年輕、最活躍的造山帶,地震頻發(fā)[1],震中附近曾發(fā)生多次6.5級(jí)以上地震,最近一次發(fā)生在2003-12-10,震級(jí)達(dá)ML6.8;最大一次地震發(fā)生在1951-11-25,震級(jí)達(dá)ML7.3[2]。菲律賓海板塊以約80 mm/a的速率向歐亞板塊運(yùn)動(dòng)[3],在臺(tái)灣東北部區(qū)域沿琉球海溝俯沖到歐亞板塊之下[4],而在臺(tái)灣南部區(qū)域俯沖方式發(fā)生轉(zhuǎn)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(qū)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(jù)USGS公開(kāi)發(fā)布的震源機(jī)制解(圖1)可知,此次臺(tái)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(shù)是對(duì)復(fù)雜震源性質(zhì)的參數(shù)化、定量化描述[7],而此次地震為認(rèn)識(shí)中央山脈斷裂的幾何結(jié)構(gòu)和區(qū)域地震運(yùn)動(dòng)學(xué)特征提供了契機(jī)。臺(tái)灣島內(nèi)布設(shè)的GPS觀測(cè)站為研究本次地震的震源破裂特征提供了寶貴的近場(chǎng)形變數(shù)據(jù)。為研究此次臺(tái)灣MW6.9地震的物理特征,本文以GPS為約束,參考USGS震源機(jī)制解結(jié)果構(gòu)建震源破裂幾何模型,反演地震破裂滑動(dòng)分布,并分析地震斷層破裂特點(diǎn)、地表變形特征及其物理過(guò)程,為震源破裂狀態(tài)及強(qiáng)地面震動(dòng)等應(yīng)急研究和地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供基礎(chǔ)資料。

紅色五角星表示USGS測(cè)定的2022年臺(tái)灣MW6.9地震震中;白色五角星為臺(tái)灣氣象局測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于發(fā)震斷層的位置、走向和斷層面的滑動(dòng)分布具有較好的解析,可從臺(tái)灣氣象局網(wǎng)站免費(fèi)申請(qǐng)下載30 s采樣間隔的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文共申請(qǐng)下載了27個(gè)GPS站2022-09-18的觀測(cè)數(shù)據(jù),采用武漢大學(xué)導(dǎo)航中心精密單點(diǎn)定位開(kāi)源軟件PRIDE-PPAR[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以提取此次臺(tái)灣MW6.9地震引起的地表形變。根據(jù)對(duì)GPS形變數(shù)據(jù)的初步分析,選取9個(gè)形變明顯的GPS站作為震源破裂模型反演的約束數(shù)據(jù)(表1)。與USGS破裂模型相比,本文斷層模型上盤(pán)具有更多的GPS站,如CHUL、KUA2和YUL1站,USGS均未用到,其中YUL1觀測(cè)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(pán)。本文GPS觀測(cè)站點(diǎn)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(cè)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(diǎn)分布在發(fā)震斷層?xùn)|西兩側(cè),表現(xiàn)出較明顯的左旋走滑和逆沖特征,結(jié)合震源機(jī)制解可初步判定發(fā)震斷層的走向和傾角分別為203°和69°,發(fā)震斷層傾向NW。

表1 2022年臺(tái)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(jī)制解是點(diǎn)源模型,展示的震源信息有限。為研究震源破裂的細(xì)節(jié)特征,需對(duì)斷層面進(jìn)行離散化處理,如劃分為大小相同的矩形[9],以反演每片區(qū)域的滑動(dòng)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(gè)測(cè)站相反,說(shuō)明發(fā)震斷裂地表出露位置介于YUL1、TTCS、KUA2和CHUN站所夾空隙內(nèi)。USGS測(cè)定的震中與真實(shí)的發(fā)震斷層存在明顯的偏差,臺(tái)灣氣象局測(cè)定的震源位置更為準(zhǔn)確,結(jié)合震源機(jī)制解(走向和傾角分別設(shè)置為203°和69°)構(gòu)建2022年臺(tái)灣MW6.9地震斷層幾何模型,斷層長(zhǎng)度設(shè)置為90 km,寬度設(shè)置為27.5 km,以2.5 km等間隔劃分,共劃分為36×11個(gè)子斷層。斷層模型上下盤(pán)運(yùn)動(dòng)特征與GPS觀測(cè)結(jié)果一致,即上盤(pán)往南運(yùn)動(dòng)、下盤(pán)往北運(yùn)動(dòng)。震源滑動(dòng)分布反演是一個(gè)線性問(wèn)題(式(1)),通常認(rèn)為斷層面的滑動(dòng)具有連續(xù)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(yōu)平滑因子由數(shù)據(jù)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(cè)值;S表示滑動(dòng)量或地震矩;G表示格林函數(shù),假定地球介質(zhì)是均勻的彈性體,基于彈性位錯(cuò)誤論計(jì)算格林函數(shù)[10];ω表示觀測(cè)值權(quán)重;L為拉普拉斯二階差分算子;α為平滑因子,最優(yōu)值如圖2(b)所示。

圖2 2022年臺(tái)灣MW6.9地震破裂滑動(dòng)分布

2.2 斷層滑動(dòng)分布反演結(jié)果

本文以GPS近場(chǎng)形變?yōu)榧s束反演臺(tái)灣MW6.9地震的震源破裂滑動(dòng)分布。震源破裂滑動(dòng)分布最優(yōu)解如圖2所示,觀測(cè)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(cè)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(dòng)分布反演得到此次臺(tái)灣MW6.9地震的震源破裂集中在0～15 km深度范圍內(nèi),以左旋走滑為主,具有逆沖分量,最大滑動(dòng)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(fā)布的結(jié)果,也略大于GCMT測(cè)定的結(jié)果,與Yagi等[6]的結(jié)果相近,對(duì)應(yīng)的矩震級(jí)均為MW7.1。地震破裂滑動(dòng)分布反演結(jié)果顯示,此次臺(tái)灣地震的破裂主要集中在震中北側(cè),發(fā)震斷層西南端未發(fā)生明顯滑移。地表存在明顯破裂,有2個(gè)破裂中心,分別位于震中附近和震中北側(cè)20 km附近,且第2個(gè)破裂中心的破裂范圍大于第1個(gè),與GPS觀測(cè)結(jié)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(dòng)分布特征與USGS總體一致,但USGS破裂模型的滑動(dòng)更集中,破裂深度范圍稍窄,破裂長(zhǎng)度約為50 km,最大滑動(dòng)量約為3.6 m,震中位置無(wú)明顯破裂滑動(dòng),主要原因可能是USGS的震源破裂模型需要同時(shí)滿足近場(chǎng)GPS、強(qiáng)震儀和遠(yuǎn)場(chǎng)地震波數(shù)據(jù),存在時(shí)間維度,大大增加了模型反演的復(fù)雜性。

圖3 GPS垂向位移

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以GPS同震形變?yōu)榧s束,反演2022年臺(tái)灣MW6.9地震的震源破裂滑動(dòng)分布。反演結(jié)果表明,地震斷層破裂滑移以走滑為主兼逆沖分量,主要沿?cái)鄬酉虮毖由?破裂長(zhǎng)度約為80 km,有2個(gè)破裂集中區(qū),釋放的地震矩約為5.73×1019Nm,對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW7.1。此次地震發(fā)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(tái)灣島構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源。中央山脈斷裂東西兩側(cè)的地殼運(yùn)動(dòng)方向存在明顯差異,西側(cè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)整體往SE向運(yùn)動(dòng),東側(cè)往NEE向運(yùn)動(dòng),斷裂表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng),同時(shí)存在擠壓運(yùn)動(dòng)。此次地震的震源破裂與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征一致。

致謝：本文圖件由Generic Mapping Tools軟件繪制。