2017, Vol. 32
世界协调时间2016年4月16日在厄瓜多尔北部地区发生了MW 7.8破坏性地震，震中位置为0.353°N，79.925°W，震源深度为21 km(由USGS(United States Geological Survey，美国地质调查局)给出).此次地震共造成了至少659人死亡和超过27000人受伤，震源区最大烈度达Ⅷ级.本次地震发生在纳斯卡板块向东俯冲到南美板块的汇聚边界上.纳斯卡板块和南美板块的边界从智利西海岸南部到巴拿马断裂带，几乎囊括了整个南美洲西海岸，全长约7000 km，这一区域是全球地震活动最频繁的地区之一，历史上曾发生过多次超过8级的特大地震，其中1960年发生于智利南部的MW 9.5地震是全球有数字地震数据记录以来所发生的最大地震.本次地震发生在位于南美板块西北部的厄瓜多尔—哥伦比亚俯冲带上，是卡内基海岭俯冲挤压造成地壳变形的区域，历史上曾造成多次强震，仅1900年以来就发生过七次七级以上的地震(如图 1所示)，其中最大的一次地震是1906年发生的M 8.8地震，震中位于本次地震东北部90 km处，其破裂尺度达到了500 km.此后在1942年、1958年和1979年同一断层上由南至北先后发生了三次7级以上的地震，三次地震的破裂范围之和仍小于1906年的地震(Kanamori and McNally, 1982).Kanamori和McNally(1982)系统的研究了这些地震的破裂过程，指出在同一断层上发生不同尺度的地震可以用凹凸体模型来解释.本次地震震中距离1942年M 7.8地震仅40 km，因此本次地震为进一步研究这一俯冲带上的破裂机制提供了良机，其破裂的空分布特征对于揭示当地板块构造运动的活动规律，了解震源地震发震机制都具有重要意义.
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图 1 厄瓜多尔地震区历史强震及余震分布和构造 红色星星为2016年4月16日MW 7.8地震，红色圆圈为历史上发生的强震，黄色圆点为震后48 h的强震，灰色圆点为48 h后的余震. Figure 1 The tectonic setting, historic earthquake and aftershocks in the area of the 2016 MW Ecuador Earthquake The red star denotes the main shock, the red circles are the epicenters of the five historic earthquakes occurred in 1906, 1942, 1958, 1979, and 1998. The yellow dots are the aftershocks within 48 h of the earthquakes and those gray ones are the aftershocks there after. |
远震P波反投影方法是近年来发展起来的快速确定地震破裂过程的方法.Ishii等(2005)年首先利用该方法获得了2004年苏门答腊MW 9.5级地震的破裂范围.此后方法被广泛应用到了各次大震当中(Walker et al., 2005; Ishii et al., 2007; Walker and Shearer, 2009; Xu et al., 2009; D’Amico et al., 2010; Zhang and Ge, 2010; Kiser et al., 2011; Yao et al., 2012).相比于有限断层反演方法，反投影方法有以下几个特点：第一，该方法所采取的数据具有更高的滤波频段，从而在理论上会有更高的时空分辨率.第二，反投影方法不需要事先假定断层面的产状信息，只需要设定震中位置即可.第三，反投影方法中，破裂前沿位置都是相对于震中来确定的，对介质的依赖性相对较低.第四，反投影方法计算简单便捷，能较快得到相应的结果.但是，对于单一方位角台阵，由于时间和路径的耦合关系，反投影所得结果存在向台阵漂移的假象(Meng et al., 2012).对于这一问题，可以通过选取参考台站(Zhang and Ge, 2010; Zhang et al., 2011)、选用参考时窗(Meng et al., 2012)或者迭代方法(Yao et al., 2012)等方法来减轻假象.Xu等(2009)也试图采用全球台网减轻假象.但是对于全球台网，由于地震辐射因子和传播路径的差异，高频地震信号的相关性很差.多台阵反投影方法结合了反投影方法快速稳定与全球台网的方位角覆盖方面的优点，可以很好的消除假象，获取地震破裂过程(Kiser and Ishii, 2012; Zhang et al., 2012, 2015).
本文中我们将多台阵远震P波反投影方法应用到2016厄瓜多尔地震破裂过程成像当中.对4个不同方位和震中距的区域台网中的远震P波数据进行反投影，获得了此次地震地震破裂时空分布特征，并通过与有限断层反演结果对比，分析地震破裂与区域构造背景的关系.
1 方法与数据地震破裂前沿是地震记录中高频信号的主要来源.在模拟震源破裂过程时，可以认为整个过程是由多个点源叠加而成，远震记录可以看成是地震子事件激发的波场的线性叠加.因此第i个台站的宽频带地震记录Vi(t)，可以写为(Aki and Richards, 2002)：
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式中t记录时间，τ为子事件地震破裂时间，
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其中sj(t)是震源位置j处的叠加地震图，vk是第k个台站所记录到的地震波形的垂直分量，tjkp是从震源位置j到第k个台站的理论P波走时，Δtk是利用波形互相关所得到的时间校正项.
对于本次地震，根据反投影方法所需要的震中距为30°~90°的原则，我们通过IRIS(Incorporated Research Institution for Seismology，美国地震学研究联合会)网站选择了位于不同方位和震中距的四个台阵作为本次研究的数据.其中北美台震的震中距大约在30°~60°之间，方位角在-70°~20°之间；阿拉斯加台阵震中距在70°~90°之间，方位角在-40°~0°之间；欧洲台阵的震中距离在70°~90°之间，方位角在0°~60°之间；南美尽管数量较少，但是他们是南半球仅有的一些满足震中距范围的台站，选择加入他们的数据以保证所用数据有较好的方位角的覆盖.首先对地震数据去除仪器响应和均值和趋势项后，对其频率0.5~2 Hz范围进行带通滤波，然后利用P波初至的前4 s的数据通过互相关进行对齐，以去除由于地球介质的三维分布对地震走时的影响.并根据数据的相关性，最终选取了北美107个台，阿拉斯加131个台，欧洲45个台和南美24个台记录到的远场P波垂直分量数据.所用台站位置如图 2所示.
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图 2 厄瓜多尔地震的震中位置以及本文中所使用的台站分布 红色星号代表震中位置，蓝色三角形为北美台震位置，黑色三角形为阿拉斯加台震位置，青色三角形为欧洲台震位置，绿色台震为南美台震. Figure 2 Map of the Ecuador earthquake and distribution of stations The red star is the epicenter of the earthquake and the blue, black, cyan and green triangles are the stations of NA, AK, EU and SA networks that are used in this study. |
图 3显示的是各个台阵滤波后所得到的波形以及每个台网对齐后所叠加的波形记录.不同方位的波形记录存在着较大差异，SA记录P波时间相对其他台站的持续时间较短，这是由地震的破裂传播造成的多普勒效应造成的，说明地震是向着偏南的方向传播的，这也在后面的成像结果中得到印证.
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图 3 本文计算所使用的数据信息 彩色图案代表各台阵对齐后地震波形记录，黑色曲线代表叠加后的波形图. Figure 3 The information about used data The colored image is the aligned waveforms of each array. The black curve is the stacked data. |
反投影方法是将观测到的台阵记录逆时传播到震源区域，然后在震源区附近的各个空间位置进行聚束成像的过程.本文选取以震中位置为中心的3°×3°范围作为成像区域，将这一区域划分为40×40的网格，再将每个台阵的波形记录反投影到每个网格点(ξ1, ξ2)上，获得每个网格点对应的叠加波形sj(ξ1, ξ2, t)为了得到稳定的结果，我们以一个长度为Twin时间窗内功率的平均结果作为时间点上的反投影功率，公式为
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(3) |
本文中采用的滑动时间窗长度Twin=6 s，滑动步长为1 s.
为了消除不同方位角的影响，我们将4个台阵的反投影后同一时窗内的功率的空间分布进行叠加，公式为
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(4) |
在叠加后的空间分布图中重新选取能量最大的点，作为该时间窗内的子震源位置，对于每个时间，选取时窗内的极大值点作为该时间的子事件实际位置.
2 结果与讨论图 4显示的经时间平滑后的空间平均功率随时间的变化图，从图中大致可以看出，地震的持续时间约为45 s, 大约包含了4个子事件，分别位于时间窗0~10 s, 10~25 s, 25~33 s, 33~45 s，其中大部分能量释放位于18~40 s之间.
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图 4 各台阵空间平均功率随时间的变化 蓝色为欧洲台阵，绿色为北美台阵，红色为阿拉斯加台阵，青色为南美台阵. Figure 4 Time-dependent of normalized power for each array The blue, green, red and cyan lines denote the power distribution of EU, NA, AK and SA networks respectively. |
首先通过对各个台阵分别进行反投影，得到震源破裂过程(如图 5所示)，相应的功率-时间如图 6所示.从两幅图中可以很明显的看出, 除了SA台阵受其方位角和台阵规模的限制分辨率较低，结果比较分散外，NA、AK和EU三个台阵所得的结果相似，都是从震中开始向南西方向的单边破裂，破裂的持续时间在40~50 s之间，沿断层走向的破裂尺度约为80 km.但是这些结果的空间分布也存在一些差异，AK的结果更加紧凑，破裂范围很小，NA所得结果相对偏西，而EU结果更偏向东南方向.从不同台阵观测到的功率也不相同，AK台阵主要观测到2次大的能量释放，分别出现在在18 s和33 s时；SA台阵可以看出到10 s、22 s和28 s几次能量释放；欧洲台阵观测到在10 s、16 s、27 s和35 s都有能量释放，而北美台阵主要观测到33 s最大的一次能量释放，
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图 5 各个台阵反投影所得到的破裂时空分布 圆圈的大小表示相对能量大小，颜色表示破裂时间. Figure 5 The rupture distribution of each array by back projection The size of circles represents the relative energy. The color of the circles represents rupture time. |
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图 6 各个台阵反投影所得到的相对能量释放随时间的变化 Figure 6 The relative energy release over time by back projection of each array |
经过叠加以后，我们最终确定了此次地震的破裂过程，结果如图 7所示.结合所得到的震源时间函数(图 8)，我们发现本次地震的破裂过程可以分为四个阶段，第一阶段是地震发生后在震中位置附近从震中位置开始往南西开始破裂，破裂长度为26 km，破裂持续时间为14 s，这一阶段能量释放相对较小，破裂速度为1.95 km·s-1；第二阶段是自地震发生后第15 s起从位于震中位置南部约19 km开始往南西南方向开始破裂，破裂长度为23.5 km，这一阶段破裂在地震发生后第24 s结束，破裂持续时间为5 s，这一阶段的能量释放要明显大于第一阶段，破裂速度为2.6 km·s-1.第三阶段的破裂范围是从震中位置南部68.6 km位置向震中位置东南方向约72.9 km，破裂从地震发生后第25 s至第30 s，这一阶段的破裂范围较广，长度可达50 km.最后一阶段的破裂初始位置位于震中南西南方向62.2 km处，从地震发生后第31 s开始从这一位置向东南方向破裂，破裂长度为16.5 km，破裂持续时间为5 s，这一阶段的破裂速度为3.3 km·s-1.
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图 7 多台震叠加后得到的破裂时空分布 Figure 7 The rupture distribution after stacking the normalized energy of all the arrays |
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图 8 各台站叠加后所得到的相对能量释放随时间的变化 Figure 8 The relative energy release over time after stacking the normalized energy of all the arrays |
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图 9 地震主要子事件分布图 Figure 9 Distribution of relative energy at different time |
本次地震最大能量释放时刻在地震发生后第33 s.破裂持续总时间约为45 s.整体破裂传播方向是向南部传播，最大破裂尺度为83 km，是一次以单侧破裂为主的事件.从整体上来看，我们将破裂持续时间内的破裂前沿位置到震中的距离进行拟合的话，可以得到总体的破裂传播速度大约为2.3 km·s-1.但值得注意的是，每一个阶段的破裂速度与破裂方向与总体的平均破裂速度并不完全一致，甚至差别巨大.
从单个台阵来看，阿拉斯加台阵所显示的结果相比于各台阵叠加后的结果而言，其整体破裂方向偏西南，并且破裂尺度略小，第一阶段和第二阶段的破裂有着更强的连续性，第三阶段的能量释放不明显，而最大的能量释放依旧是在第四阶段.北美中部台阵的结果则显示出能量释放主要在第四阶段，其余各阶段的能量释放相对较小，同样的，北美台阵的结果显示较小的破裂尺度，这是由于其方位角背离破裂方向所引起的.欧洲及格陵兰岛台阵的结果则表明，第二、三、四阶段所释放的能量相当.最后，南美台阵的结果显示出破裂区域的范围比前三者要大的多，考虑到南美台站数量有限以及位置的局限性，南美数据在横向分辨的能力很差，因此最终所得到的横向破裂的第二、三、四阶段的破裂过程结果并不可靠.
将本文的结果与中国地震局地球物理研究所给出的有限断层反演结果进行对比发现，利用反投影方法和有限断层反演所得到的结果基本一致.根据有限断层反演显示的结果，此次地震在前40 s内存在三次规模不等的子事件，而我们所得到的子事件数量为四次，其差别在于第三阶段的事件，由于有限断层反演有连续破裂的假设，因此在破裂过程中破裂前沿不可能以超过事先给定的最大破裂传播速度传播，而反投影方法是根据反投影的地震波的叠加得到能量分布并确定破裂前沿，并没有连续破裂的限制，但是考虑到实际地震中破裂传播的速度一般低于P波波速，而本次地震反投影结果第二阶段和第三阶段破裂位置相隔较远，破裂前沿不会在1 s之内传播到几十公里，因此，第三阶段的破裂极有可能是一次触发的破裂，而第一、二、四阶段的破裂是破裂前沿连续传播的过程.
本此地震震中距离1942年厄瓜多尔地震震中仅仅40 km(如图 10所示).对比1942年厄瓜多尔地震的破裂区域(Sennson and Beck, 1996)，我们发现尽管两次地震震级相当，但是本次地震的破裂区域与1942年地震不同，主要破裂区域位于1942年地震的东侧，两者呈互补关系，因此我们认为本次地震不是1942年地震的复发，而是之前未破裂区域的应力释放过程.
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图 10 厄瓜多尔—哥伦比亚俯冲带历史地震破裂区域(Swenson and Beck, 1996)和本次地震的破裂区域对比(蓝色椭圆为本次地震的破裂区域) Figure 10 Comparison of the rupture zone of this event and historical earthquakes in the Ecuador-Columbia Subduction (Modified from Sweson and Beck, 1996) |
本文利用位于不同方位角的四个地震台震利用反投影方法获得了2016年厄瓜多尔MW 7.8地震的子事件分布和震源破裂过程.由于受台震方位角局限和三维速度结构的影响，单个台震得到的结果之间存在较大差异.而我们利用多台震共同投影可以获得更加稳定可靠的破裂图像.
3.2结果表明此次地震是一次向西南方向破裂的单侧破裂事件，破裂总尺度约为100 km，持续时间约为41 s，总体破裂速度为2.48 km·s-1.这与美国地质调查局(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20005j32#finite-fault)和中国地震局地球物理研究所(http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/273939.shtml)公布的有限断层反演所给出的结果接近.在能量分布上与后者更为接近，而前者结果最大滑动量集中在震中附近.整个地震过程可以分为四个阶段，即一共有四个子事件发生，最大能量释放位置位于震中南部65 km处，最大能量释放时间为破裂开始后第33 s.此外本次地震沿倾向方向破裂的分布的尺度与走向方向大致相当，整个破裂区域呈正方形.这一地震与2015尼泊尔地震相比，沿走向破裂尺度较小，而倾向更大.这是由于纳兹卡板块与南美板块的俯冲带为平俯冲(Bourdon et al., 2003; Espurt et al., 2008), 其温压环境随倾向变化较小，且地震位于强度较小的非地震卡耐基海脊俯冲上，因此在倾向阻碍较小，所以可扩展较大的破裂尺度.
3.3通过与1942年厄瓜多尔地震的破裂区域的对比，我们认为本次地震仍然是1906年地震的大破裂区域上未破裂区域的应力释放过程.
致谢 本文研究所用数据来自IRIS数据中心，在此表示感谢！| [] | Aki K, Richards P G. 2002. Quantitative Seismology (Vol. 1):Theory and Methods[M]. Sansalito CA: University Science Books. |
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