GPS测定的2020年阿拉斯加MW7.8地震震时地表动态变形及永久同震形变场

王东振, 赵 斌, 余建胜(1. 中国地震局地震研究所, 湖北 武汉 430071;

2. 中国地震局地震大地测量重点实验室, 湖北 武汉 430071; 3. 湖北省地震局, 湖北 武汉 430071)

0 引言

2020年7月22日在美国阿拉斯加州以南海域发生了MW7.8地震(55.07°N,158.55°W),震源深度约28 km,震中300 km范围内发出海啸预警。根据GCMT给出的本次地震震源机制结果基本可以确定,本次地震发生在太平洋板块与北美板块的俯冲带上,以俯冲为主(图1)。自1900年以来,在本次地震250 km范围内,共发生了6次7级及以上地震。其中最大的一次地震是1938年11月10日发生的8.2级地震,发生地点与本次地震几乎相同。该地区大地震频发的主要原因是该地区受太平洋板块的推挤速率约60 mm/yr(图1),使得该地区大地震后能量可迅速积累[1-2]。

图1 2020年7月22日阿拉斯加地震构造背景及GPS站点分布Fig.1 Seismotectonic background and GPS station distribution in Alaska on July 22,2020

随着GPS观测精度和解算精度的不断提高,现今除可准确监测地震同震静态形变场外,对于地壳形变监测逐渐朝着动态瞬时变化的方向发展[3-4]。目前,利用GPS 30 s观测间隔的数据可获取静态同震形变场,用于地震同震滑动分布的反演,而GPS高频(1 Hz)数据被广泛用于大地震震时地表动态变形观测以及结合地震波进行震源破裂过程反演[4-7]。本文基于阿拉斯加地区30个GPS站点30 s和1 s的采样观测数据(图1),利用GAMIT/GLOBK10.6软件分别获取了本次地震的静态同震形变场和震时动态形变波形,这些结果可为后续地震动态破裂过程和同震滑动分布等研究提供基础资料。

1 GPS观测数据及处理

本文采用的1 Hz和30 s GPS观测数据主要由UNAVCO提供 (ftp://data-out.unavco.org),主要包括距离震中最近的8个GPS站点1 Hz采样数据和30个采样间隔为30 s的GPS站点观测数据。数据处理采用GAMIT/GLOBK 10.6软件[8],其中1 Hz数据处理主要利用该软件的TRACK运动学分析模块[9]。由于该地震为NW向的逆冲型地震,所以本文选取了距离震中较远,不受同震影响,且位于板块运动方向的AC58 GPS点(170.22°W,57.16°N)作为参考站,其他8个GPS站点作为流动站。同时,为了验证选取的参考站AC58未受地震影响,在震中的东北方向且距震中约875 km的AC19站点作为计算AC58的参考点。数据处理采用IGS精密星历,以LCPC(消电离层相位伪距组合观测值)为观测值,大气延迟模型采用GMF,湿度因子为0.5,温压模型采用GPT,基线模式采用长基线,卡尔曼滤波采用平滑方式,站点的先验坐标采用UNAVCO公布的站点坐标[10]。最终得到每个流动观测站相对于参考站的NEU坐标时间序列。

静态同震形变场主要通过对地震前后共20天的30个GPS站点观测数据进行处理[11]。第一步,单日松弛解处理中采用最新的卫星、天线绝对相位中心改正模型,对固体潮、极潮、海潮进行改正,采用最新的GPT2[12]全球气压温度模型对对流层延迟进行改正,估计得到包括测站坐标、卫星轨道、天顶对流层延迟的单日松弛解。第二步,利用GLOBK将区域单日松弛解与SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center)产出的全球IGS站的单日松弛解合并,得到一个包含全球IGS站和本文GPS站的单日松弛解。第三步,在全球范围内选择用于实现参考框架转换的参考站,以全球单日松弛解做为准观测值,利用GLOBK通过7参数(3个平移、3个旋转、1个尺度因子)的相似变换得到ITRF14[13]参考框架下的单日坐标解。

2 结果

2.1 震时动态形变

图2为阿拉斯加MW7.8地震震时8个高频GPS观测站的EW、SN和垂直向的动态坐标时间序列。上述8个GPS观测站均记录到了本次地震的震时动态形变波。结合图1的站点位置和震时动态形变波形可以看出,动态位移振幅最大的站点为距离震中最近的AC12站点,EW向最大振幅约200 mm,SN向约400 mm,垂直向约600 mm,其中垂向形变为抬升,与其他近场的垂向形变方向相反。本次地震对站点的动态形变的影响并不完全遵循距离越近振幅越大的规律。如AB13虽然距离震中较近,但其动态形变量明显小于距离震中更远的AC25和AC40,且静态同震水平位移量级相当。同时由AB07和AB13站点的动态形变结果可以看出,地震波抵达AB07的时间明显早于与之距震中距离相当的AB13站点。高频GPS动态形变波形除可以看出其动态形变外,还可以看出其永久位移。如AC12、AC21、AB28和AB07站点的动态位移可以看出,同震位移的方向都为ES向。由AC19作为参考点计算的AC58的动态位移时间序列可以看出,AC58站点受该地震的同震形变影响不明显。

2.2 静态三维同震形变场

利用GAMIT/GLOBK 10.6解算得到的GPS原始坐标时间序列主要包含长期线性形变和同震形变。为此,本文首先利用震前线性速率对时间序列进行去趋势处理,得到去趋势的时间序列(图3),然后对同震前后的坐标时间序列进行估计求差,得到该地震的同震三维形变场(图4)。由于图幅有限,图3只展示了同震形变量最大的4个站点的坐标时间序列。结果显示,GPS监测到的同震水平位移场符合逆冲型地震的同震形变模式。其中距离震中最近的AC12站点向ES方向移动了约26.7 cm,抬升了约33.5 cm。远场GPS站点同震水平形变方向为EN向,垂直形变为抬升。近场GPS站点同震水平形变方向都朝向震中,垂直形变除AC12站点外,其他为下沉,其中下沉最大的站点为AC28,约为76 mm。

3 讨论

GPS动态形变波形可为地震同震滑动分布反演提供必要的数据支持,但振幅和响应时间有时也受地位因素、地震破裂方向等的影响。如本次地震观测到的AC13站点的动态形变量明显小于距离震中更远的AC25和AC40站点,同时静态同震水平位移也明显小于上述站点。根据其站点位置可以看出,AC13位于震中东北方,该方向与发震断层走向几乎平行,而逆冲型地震的形变一般主要发生在垂直与断层走向的方向,所以这一现象符合逆冲型地震的动态形变特征。同时,AB07站点同震形变响应的时间明显早于与之距震中距离相当的AB13,根据周云等[14]反演的同震破裂模型可知,该地震的破裂方向为WS向,所以同震动态形变的响应时间与地震波的传播方向和同震破裂方向密切相关。

图2 1 Hz GPS观测站监测到的阿拉斯加MW7.8地震同震动态位移时序(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)

本次计算得到的GPS静态同震水平位移场与周云等[14]的结果在特征和数值上基本相同,并与UNAVCO(ftp://dataout.unavco.org/pub/)计算的结果进行了比较,验证了本文结果的可靠性。根据发布的该地震同震破裂模型显示,2020年7月22日发生的阿拉斯加地震是发生在舒马金地震空区东段的一次逆冲型地震[14]。而根据板块汇聚速率计算,该地区有能力产生M8特大地震,所以太平洋板块向北美板块的俯冲是该地震的主要成因。

图3 时间序列Fig.3 Time series

4 结论

阿拉斯加附近的连续GPS观测数据揭示了2020年阿拉斯加MW7.8地震的近、远场三维同震位移。由于下盘位于海洋,无法提供有效的下盘形变、运动特征。但通过对上盘的GPS 1Hz和30 s采样数据分别进行处理分析发现:(1)在距离震中270 km左右依然可以监测到地表动态形变,距离震中最近的AC12站点,EW向最大振幅约200 mm,SN向约400 mm,垂直向约600 mm。地震震中N向、NW向的GPS站点的动态形变振幅比NE向的大,这可能与地震同震破裂的方向有关。(2)静态水平同震位移场显示GPS水平运动方向一致朝向震中,符合逆冲型地震的形变模式。其中距离震中最近的约102 km AC12站点向ES方向移动约26.7 cm,抬升约33.5 cm。除AC12以外,近场其他站点主要表现为下沉,其中下沉最大的站点为AC28,约为76 mm。

图4 阿拉斯加地震静态水平及垂直同震形变场Fig.4 Horizontal and vertical coseismic deformation field of Alaska earthquake