2024, Vol. 44
根据美国地质调查局(USGS)测定，UTC 2022-09-18 06:44:13中国台湾东海岸发生MW6.9地震，震中位于23.138°N、121.344°E，震源深度10.0 km。台湾岛位于欧亚板块与菲律宾海板块汇聚处，属于西太平洋板块聚合带-火山岛弧带-地震带的一部分。此次地震位于欧亚大陆板块与菲律宾海板块强烈碰撞的缝合带上，该区域是世界上最年轻、最活跃的造山带，地震频发[1]，震中附近曾发生多次6.5级以上地震，最近一次发生在2003-12-10，震级达ML6.8；最大一次地震发生在1951-11-25，震级达ML7.3[2]。菲律宾海板块以约80 mm/a的速率向欧亚板块运动[3]，在台湾东北部区域沿琉球海沟俯冲到欧亚板块之下[4]，而在台湾南部区域俯冲方式发生转换，由欧亚板块沿马尼拉海沟俯冲到菲律宾海板块之下[5]。震源区附近有2条平行断裂，分别为东倾的纵谷断裂和西倾的中央山脉断裂[6]。据USGS公开发布的震源机制解(图 1)可知，此次台湾地震属于走滑兼逆冲型破裂事件，地震释放的地震矩约3.124×1019 Nm。震源参数是对复杂震源性质的参数化、定量化描述[7]，而此次地震为认识中央山脉断裂的几何结构和区域地震运动学特征提供了契机。台湾岛内布设的GPS观测站为研究本次地震的震源破裂特征提供了宝贵的近场形变数据。为研究此次台湾MW6.9地震的物理特征，本文以GPS为约束，参考USGS震源机制解结果构建震源破裂几何模型，反演地震破裂滑动分布，并分析地震断层破裂特点、地表变形特征及其物理过程，为震源破裂状态及强地面震动等应急研究和地震危险性评估提供基础资料。
|
红色五角星表示USGS测定的2022年台湾MW6.9地震震中；白色五角星为台湾气象局测定的震中位置。CRF：中央山脉断裂；LVF：纵谷断裂 图 1 GPS水平形变和震源破裂滑动分布 Fig. 1 GPS horizontal deformation and distribution of seismic source rupture slip |
大地测量数据对于发震断层的位置、走向和断层面的滑动分布具有较好的解析，可从台湾气象局网站免费申请下载30 s采样间隔的GPS观测数据。本文共申请下载了27个GPS站2022-09-18的观测数据，采用武汉大学导航中心精密单点定位开源软件PRIDE-PPAR[8]进行数据处理，以提取此次台湾MW6.9地震引起的地表形变。根据对GPS形变数据的初步分析，选取9个形变明显的GPS站作为震源破裂模型反演的约束数据(表 1)。与USGS破裂模型相比，本文断层模型上盘具有更多的GPS站，如CHUL、KUA2和YUL1站，USGS均未用到，其中YUL1观测站靠近震中位置，记录到比较明显的地表形变；而USGS破裂模型用到的GPS站主要分布在断层下盘。本文GPS观测站点的位置分布及其同震位移如图 1所示，其中TTCS站距离震中最近，EW向、NS向和UD向形变值分别约为25.68 cm、69.80 cm、25.33 cm；YUL1站观测到的形变量最大，三方向形变值分别约为33.36 cm、80.74 cm、79.57 cm。GPS站点分布在发震断层东西两侧，表现出较明显的左旋走滑和逆冲特征，结合震源机制解可初步判定发震断层的走向和倾角分别为203°和69°，发震断层倾向NW。
|
表 1 2022年台湾MW6.9地震GPS同震形变 Tab. 1 GPS coseismic displacements of the 2022 Taiwan MW6.9 earthquake |
由于震源机制解是点源模型，展示的震源信息有限。为研究震源破裂的细节特征，需对断层面进行离散化处理，如划分为大小相同的矩形[9]，以反演每片区域的滑动量。由图 1可知，CHUN、YUL1、TTCS和KUA2站大致处于一条直线上，与中央山脉断裂近乎平行，其中CHUN站位移方向与其他3个测站相反，说明发震断裂地表出露位置介于YUL1、TTCS、KUA2和CHUN站所夹空隙内。USGS测定的震中与真实的发震断层存在明显的偏差，台湾气象局测定的震源位置更为准确，结合震源机制解(走向和倾角分别设置为203°和69°)构建2022年台湾MW6.9地震断层几何模型，断层长度设置为90 km，宽度设置为27.5 km，以2.5 km等间隔划分，共划分为36×11个子断层。断层模型上下盘运动特征与GPS观测结果一致，即上盘往南运动、下盘往北运动。震源滑动分布反演是一个线性问题(式(1))，通常认为断层面的滑动具有连续性，因此需引入平滑矩阵。本文选择拉普拉斯二阶平滑矩阵，最优平滑因子由数据残差和模型粗糙度的折合曲线确定：
| $ \|\omega(G \cdot S-d)\|^2+\alpha^2\|L \cdot S\|^2=\min $ | (1) |
式中，d表示观测值；S表示滑动量或地震矩；G表示格林函数，假定地球介质是均匀的弹性体，基于弹性位错误论计算格林函数[10]；ω表示观测值权重；L为拉普拉斯二阶差分算子；α为平滑因子，最优值如图 2(b)所示。
|
图 2 2022年台湾MW6.9地震破裂滑动分布 Fig. 2 Slip distribution of the 2022 Taiwan MW6.9 earthquake |
本文以GPS近场形变为约束反演台湾MW6.9地震的震源破裂滑动分布。震源破裂滑动分布最优解如图 2所示，观测值和模拟值的符合度如图 1(水平分量)和图 3(垂直分量)所示。由图可知，GPS模拟值和观测值吻合度很好，其中YUL1、TTCS、KUA2站的垂直分量几乎完全一致。地震震源破裂滑动分布反演得到此次台湾MW6.9地震的震源破裂集中在0~15 km深度范围内，以左旋走滑为主，具有逆冲分量，最大滑动量约为2.72 m，释放的地震矩约为5.73×1019 Nm。本文破裂模型的地震矩大于USGS发布的结果，也略大于GCMT测定的结果，与Yagi等[6]的结果相近，对应的矩震级均为MW7.1。地震破裂滑动分布反演结果显示，此次台湾地震的破裂主要集中在震中北侧，发震断层西南端未发生明显滑移。地表存在明显破裂，有2个破裂中心，分别位于震中附近和震中北侧20 km附近，且第2个破裂中心的破裂范围大于第1个，与GPS观测结果一致，距离震中最近的TTCS站记录到的形变值小于YUL1站。本文地震断层滑动分布特征与USGS总体一致，但USGS破裂模型的滑动更集中，破裂深度范围稍窄，破裂长度约为50 km，最大滑动量约为3.6 m，震中位置无明显破裂滑动，主要原因可能是USGS的震源破裂模型需要同时满足近场GPS、强震仪和远场地震波数据，存在时间维度，大大增加了模型反演的复杂性。
|
图 3 GPS垂向位移 Fig. 3 GPS vertical displacements |
本文以GPS同震形变为约束，反演2022年台湾MW6.9地震的震源破裂滑动分布。反演结果表明，地震断层破裂滑移以走滑为主兼逆冲分量，主要沿断层向北延伸，破裂长度约为80 km，有2个破裂集中区，释放的地震矩约为5.73×1019 Nm，对应矩震级MW7.1。此次地震发生在中央山脉断裂中段，菲律宾海板块与欧亚板块之间的相互俯冲及碰撞作用是台湾岛构造运动的主要动力来源。中央山脉断裂东西两侧的地壳运动方向存在明显差异，西侧运动趋势整体往SE向运动，东侧往NEE向运动，断裂表现为左旋走滑运动，同时存在挤压运动。此次地震的震源破裂与区域构造运动特征一致。
致谢: 本文图件由Generic Mapping Tools软件绘制。
| [1] |
Huang Z C, Wang L S, Zhao D P, et al. Upper Mantle Structure and Dynamics beneath Southeast China[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2010, 182(3-4): 161-169 DOI:10.1016/j.pepi.2010.07.010
(  0) |
| [2] |
Chung L H, Chen Y G, Wu Y M, et al. Seismogenic Faults along the Major Suture of the Plate Boundary Deduced by Dislocation Modeling of Coseismic Displacements of the 1951 M7.3 Hualien-Taitung Earthquake Sequence in Eastern Taiwan[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 269(3-4): 416-426 DOI:10.1016/j.epsl.2008.02.035
( 0) |
| [3] |
Yu S B, Chen H Y, Kuo L C. Velocity Field of GPS Stations in the Taiwan Area[J]. Tectonophysics, 1997, 274(1-3): 41-59 DOI:10.1016/S0040-1951(96)00297-1
( 0) |
| [4] |
Ai Y S, Chen Q F, Zeng F, et al. The Crust and Upper Mantle Structure beneath Southeastern China[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2007, 260(3-4): 549-563 DOI:10.1016/j.epsl.2007.06.009
( 0) |
| [5] |
Kim K H, Chiu J M, Pujol J, et al. Three-Dimensional VP and VS Structural Models Associated with the Active Subduction and Collision Tectonics in the Taiwan Region[J]. Geophysical Journal International, 2005, 162(1): 204-220 DOI:10.1111/j.1365-246X.2005.02657.x
( 0) |
| [6] |
Yagi Y, Okuwaki R, Enescu B, et al. Irregular Rupture Process of the 2022 Taitung, Taiwan, Earthquake Sequence[J]. Scientific Reports, 2023, 13
( 0) |
| [7] |
岳汉, 张勇, 盖增喜, 等. 大地震震源破裂模型: 从快速响应到联合反演的技术进展及展望[J]. 中国科学: 地球科学, 2020, 50(4): 515-537 (Yue Han, Zhang Yong, Gai Zengxi, et al. Resolving Rupture Processes of Great Earthquakes: Reviews and Perspective from Fast Response to Joint Inversion[J]. Science China: Earth Sciences, 2020, 50(4): 515-537)
( 0) |
| [8] |
Geng J H, Chen X Y, Pan Y X, et al. PRIDE PPP-AR: An Open-Source Software for GPS PPP Ambiguity Resolution[J]. GPS Solutions, 2019, 23(4)
( 0) |
| [9] |
Olson A H, Apsel R J. Finite Faults and Inverse Theory with Applications to the 1979 Imperial Valley Earthquake[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1982, 72(6A): 1 969-2 001 DOI:10.1785/BSSA07206A1969
( 0) |
| [10] |
Okada Y. Surface Deformation due to Shear and Tensile Faults in a Half-Space[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1985, 75(4): 1 135-1 154 DOI:10.1785/BSSA0750041135
( 0) |