曹博男, 蓋增喜

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球物理系， 北京 100871

0 引言

2020年1月28日19∶ 10∶ 24 (UTC)，加勒比海發(fā)生一次MW7.7走滑型強震，震中位于古巴南部、牙買加西北部海域.這次地震是近一個世紀(jì)以來該地區(qū)發(fā)生的最大地震.盡管地震規(guī)模很大，但它發(fā)生在遠(yuǎn)離人口稠密地區(qū)的近海區(qū)域，并未造成太大的破壞.根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey, USGS)給出的結(jié)果，震中位置為19.419° N，78.756° W，震源深度為 14.9 km，位于該區(qū)域莫霍面(最深為大約13 km)下方的上地幔頂部(參考Crust1.0模型，Laske et al., 2013).此次地震發(fā)生于北美板塊與加勒比板塊的交界處(如圖1所示)，為左旋走滑破裂.在該地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造背景呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性.加勒比板塊沿著北美板塊的南緣以大約19 mm·a-1的相對速度向東移動(Molnar and Sykes, 1969; Leroy et al., 1996).主震和余震位于Cayman海溝附近的Oriente斷層帶上，該斷層帶分布于大洋中脊東側(cè)，為轉(zhuǎn)換斷層，斷層南側(cè)的大洋海底較深，是典型的拉張盆地構(gòu)造.根據(jù)前人對該區(qū)域發(fā)生的一系列歷史地震的研究，由加勒比板塊和北美板塊之間的相對運動所積累的幾乎所有的應(yīng)力，都是在相對較少但較強烈的地震中沿著板塊邊緣的地震帶釋放出來，而在這些地震中發(fā)生于海洋的地震絕大多數(shù)為走滑型地震(Perrot et al., 1997).海洋走滑斷層往往是世界上最直、結(jié)構(gòu)最簡單的斷層，其構(gòu)造有利于超剪切破裂的發(fā)生，且超剪切破裂通常發(fā)生于走滑斷層的直斷層段(Wang et al., 2012).利用反投影(BP)方法，可以對本次走滑型地震的破裂過程進(jìn)行成像研究，確定地震的運動學(xué)參數(shù)，為研究地震破裂機制提供觀測約束，有助于進(jìn)一步研究北加勒比板塊邊界區(qū)域的構(gòu)造和運動學(xué)機制.

圖1 震源區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況圖中紅色震源機制球顯示主震震源的位置、震級和斷層滑動信息，黑色震源機制球表示該區(qū)域1990年以來M6.0以上的歷史地震，灰色圓形表示主震發(fā)生后三天內(nèi)M4.0以上的余震，黑色實線表示斷層，白色箭頭指示板塊相對運動方向.Fig.1 Tectonic overview of focal areaThe red beach ball shows the location, magnitude and focal mechanism of the main shock. The black beach balls show historical earthquakes with a magnitude of M6.0 or higher in the region since 1990. The gray circles denote the aftershocks of M4.0 and above within three days after the main shock. The black solid lines represent the faults, and white arrows indicate the relative plate motion.

地震發(fā)生后，快速準(zhǔn)確地確定地震震源破裂過程，獲取地震能量釋放的時空分布情況，對于減輕地震災(zāi)害、快速救援響應(yīng)具有重要意義.區(qū)別于震源破裂研究領(lǐng)域中另一種應(yīng)用廣泛的有限斷層反演方法(Kikuchi and Kanamori, 1991)，反投影方法具有結(jié)果相對穩(wěn)定，不依賴斷層幾何和破裂速度等先驗信息，無需計算格林函數(shù)等優(yōu)點，可以較快地獲得斷層破裂的一系列運動學(xué)參數(shù)(Ishii et al., 2005；Zhang and Ge, 2010；李琦等，2019).2005年，Ishii等首次將反投影方法應(yīng)用于地震破裂研究，成功得到了2004年蘇門答臘安達(dá)曼大地震的破裂過程(Ishii et al., 2005).此后，反投影分析就成為了一種常用的地震破裂成像方法，廣泛地應(yīng)用于許多大地震的破裂過程成像，如2004年蘇門答臘安達(dá)曼大地震(Krüger and Ohrnberger, 2005; Ishii et al., 2007)、2008年中國汶川MW7.9地震(Xu et al., 2009; Zhang and Ge, 2010)、2010年智利地震(Koper et al., 2012; Palo et al., 2014)、2011年日本東北MW9.0大地震(Koper et al., 2011; Meng et al., 2011)、2015年尼泊爾大地震(劉志鵬和蓋增喜, 2015; Fan and Shearer, 2015)、2016年MW7.8新西蘭地震(劉志鵬等，2018)等.

地震發(fā)生之后美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)給出了利用全球地震臺網(wǎng)寬頻帶地震數(shù)據(jù)得到的有限斷層反演結(jié)果(https:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us60007idc/finite-fault)，結(jié)果顯示斷層面的滑移分布長約220 km，與地震后沿斷層的余震分布相吻合，最大滑移為～24 m，分布距震中約80 km.美國地震學(xué)聯(lián)合研究會(Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS)給出了分別利用北美大陸、歐洲和澳大利亞臺陣地震數(shù)據(jù)得到的反投影破裂結(jié)果(http:∥ds.iris.edu/spud/backprojection).由于北美臺陣的震中距過小，得到的結(jié)果容易受到其他震相的影響從而降低分辨率，而歐洲臺陣和澳大利亞臺陣的臺站分布相對不均勻，且數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，成像結(jié)果略粗糙，通過這些結(jié)果無法獲得相對準(zhǔn)確的地震破裂的運動學(xué)參數(shù).因此，本文使用震中距和方位角分布更加有利的美國阿拉斯加臺陣記錄到的寬頻帶遠(yuǎn)場P波垂直分量數(shù)據(jù)，基于一維層狀地球結(jié)構(gòu)模型——AK135模型計算射線走時，利用反投影方法分析本次地震的破裂模式、破裂方向、持續(xù)時間、延伸長度、破裂速率和破裂能量釋放等運動學(xué)參數(shù).

1 研究方法

傳統(tǒng)波形聚束反投影方法的核心思想是將格林函數(shù)簡化為一個時間域內(nèi)的只與從震中到臺站的走時相關(guān)、與振幅無關(guān)的時移函數(shù)(Ishii et al., 2005; Yao et al., 2012).將一次地震所釋放的能量離散為許多子事件，通過震源區(qū)網(wǎng)格化將格點視為可能的備選子事件，將臺站記錄的地震圖根據(jù)從格點到臺站的走時進(jìn)行相移，采用一定的時間窗和滑動步長對疊加后的波形進(jìn)行截取，將截取波形反向傳播回震源區(qū)域，并根據(jù)聚束能量分布進(jìn)行成像，以獲得地震動態(tài)破裂的時空特征.

在實踐中，利用短時窗多道互相關(guān)(VanDecar and Crosson, 1990)將P波初至對齊，以去除臺陣中各臺站下方的橫向不均勻性的影響，并且將最初破裂點設(shè)在震源位置.基于對齊后的波形和主事件重定位方法的概念，對于給定的標(biāo)號為n的備選子事件源(震源位置標(biāo)號為o)，其疊加震源波形可以表示為

(1)

(2)

挑選出某一時窗中所有格點上聚束能量的極大值所在的位置即為該時窗內(nèi)的震源位置.滑動時窗確定的一系列震源即破裂子事件的能量輻射源，同樣指示破裂前沿，從而可以獲得地震的時空破裂過程.

2 數(shù)據(jù)處理與參數(shù)設(shè)置

2.1 臺站篩選與數(shù)據(jù)獲取

選取美國阿拉斯加臺網(wǎng)的遠(yuǎn)場P波垂直分量地震數(shù)據(jù)對2020年1月28日MW7.7級加勒比海地震的破裂過程進(jìn)行反投影成像分析，數(shù)據(jù)下載自IRIS數(shù)據(jù)中心(http:∥ds.iris.edu/wilber3/find_stations，最后訪問于2020年1月30日).如圖2所示，臺陣震中距范圍為55～75°，方位角范圍為330～340°，斷層走向與臺站方位角之差大約為95～105°，該方位角范圍的臺站記錄的P波震相清晰且振幅較強，從而能夠更好地通過反投影得到破裂過程(Zhang and Ge, 2010).在該震中距范圍，平均PP-P大約130 s，PcP-P大約30 s.但是PcP震相頻率較低、幅度較小，對高頻反投影分析影響不大(杜海林等，2009).

圖2 震中與所選臺站分布黑色三角形表示臺站，黑色五角星表示震中.Fig.2 Distribution of epicenter and selected stationsThe black triangles denote the stations and the black star represents the epicenter.

2.2 臺陣響應(yīng)函數(shù)

臺陣響應(yīng)函數(shù)(ARF)通?？紤]在小孔徑或中孔徑臺站陣列上平面波傳播的情況，可以將臺陣的幾何形狀對分辨率的影響量化和可視化(Rost and Thomas, 2002, 2009)，直觀地給出由于臺陣分布的有限性和離散性，所引起的能量在慢度域中的擴散或泄漏(Xu et al., 2009).本文采用修改和簡化后的公式計算臺陣響應(yīng)函數(shù)：

(3)

式中Δt(θ,φ)j=t(θ,φ)j-t(hypocenter)j,θ和φ分別為經(jīng)度和緯度，f為頻率，t(θ,φ)j為從震源區(qū)某點(θ,φ)到第j個臺站的走時，而t(hypocenter)j為從震源到第j個臺站的走時.臺陣響應(yīng)函數(shù)為正實數(shù)，取值范圍為0～1，在震源處有最大值，理想情況下，它是一個以震源為中心的脈沖函數(shù).利用式(3)分別計算了圖2所示臺陣的中心頻率為0.5 Hz和1 Hz的臺陣響應(yīng)函數(shù)，為了在圖上表示得更清晰直觀，將得到的能量換算為以分貝表示，即

arf(θ,φ,f)=10log10ARF(θ,φ,f)(dB).

(4)

根據(jù)式(4)，可以換算50%的最大能量對應(yīng)于約-3.01 dB，圖3中等值線間距約為2 dB.結(jié)果顯示(圖3)，最大能量的確位于震中位置，但在圖示區(qū)域范圍內(nèi)，還存在震中以外的個別局部極大值，稱其為旁瓣效應(yīng).同時，觀察到，中心頻率越高，能量的分布越集中，考察大于-3 dB(約50%最大能量)的等值線范圍，在1 Hz(圖3a)和0.5 Hz(圖3b)臺陣響應(yīng)函數(shù)圖中分別對應(yīng)直徑約為50 km和約100 km的區(qū)域，這意味著臺陣對高頻信號具有更高的空間分辨率.

圖3 (a)1 Hz， (b)0.5 Hz臺陣響應(yīng)函數(shù)白色五角星表示震中，色標(biāo)表示以分貝(dB)為單位的能量強度.Fig.3 (a) 1 Hz, (b) 0.5 Hz array response functionsThe white star denotes the epicenter, the color scale represents the energy intensity in dB.

2.3 初至P波互相關(guān)對齊

為了消除地球介質(zhì)的橫向非均勻性對成像位置的影響，需要對地震數(shù)據(jù)的初至P波通過波形互相關(guān)進(jìn)行對齊(Ishii et al., 2005; Yao et al., 2012; Zhang and Ge, 2010).采用兩步互相關(guān)方法以減少數(shù)據(jù)中噪聲的影響(Zhang and Ge, 2010)，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行0.05～1 Hz的帶通濾波，提取波形的低頻成分，利用波形多道互相關(guān)將所有臺站數(shù)據(jù)與選取的參考臺站波形的P波初至對齊，對齊時窗為7 s.在低頻成分大致對齊的基礎(chǔ)上，再對波形進(jìn)行0.5～2 Hz的帶通濾波，對波形的高頻成分進(jìn)行更精確的對齊，基于對齊的效果進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，保留互相關(guān)系數(shù)大于0.6的波形數(shù)據(jù).

經(jīng)過篩選后，保留了160條原始波形，再對其分別進(jìn)行0.2～1 Hz和0.5～2 Hz的帶通濾波，濾波后的波形如圖4所示.可以看出，兩個頻段的波形，在P波初至?xí)r刻，均存在清晰明顯幾乎完全對齊的同相軸.

圖4 對齊篩選后(a)0.5～2 Hz波形數(shù)據(jù)， (b)0.2～1 Hz波形數(shù)據(jù)Fig.4 (a) 0.5～2 Hz filtered, (b) 0.2～1 Hz filtered waveform data after aligning and selecting

2.4 震源區(qū)網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)USGS給出的震中位置和震源深度，將震源區(qū)域(18.419—20.419° N，77.756—82.756° W)劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格，共21×51個網(wǎng)格點作為可能的破裂點.由于相對走時差對深度的變化不敏感(Xu et al., 2009)，整個破裂過程在位于震源深度14.9 km的水平面上進(jìn)行成像.為了得到此次地震的時空破裂過程，分別利用0.5～2 Hz的高頻數(shù)據(jù)(圖4a)和0.2～1 Hz的低頻數(shù)據(jù)(圖4b)進(jìn)行反投影成像.反投影成像研究一般采用該頻段地震波(Ishii et al., 2005; Zhang and Ge, 2010; Meng et al., 2011;)，是因為波形頻率太高，會導(dǎo)致信號相關(guān)性較差，而波形頻率太低，子事件定位的分辨率較低.采用一個長10 s的滑動時窗，滑動步長為1 s，持續(xù)滑動120 s，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分段截取和疊加成像.考慮到數(shù)據(jù)量充足且臺站分布較均勻，此次研究使用線性疊加的聚束成像方法，從而避免對原始波形的改動.

3 成像結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果篩選、破裂時間

利用上述參數(shù)設(shè)置，分別對兩個不同頻段的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影分析，得到了一系列能量輻射源的時空分布.假設(shè)斷層面不會重復(fù)破裂，破裂傳播是不可逆的，即破裂不會在某時刻向震中方向反向傳播.根據(jù)這一原則，篩去逆向傳播距離較大且分布散亂的能量輻射源.低頻段成像結(jié)果在大約76 s之后，出現(xiàn)了較大尺度的逆向傳播，能量輻射源位置分散且跳動劇烈，可能受到低頻PcP震相的干擾，故只截取保留大約前76 s的低頻段成像結(jié)果；對于高頻段成像結(jié)果，在篩去個別逆向傳播的能量輻射源后，我們確定地震破裂的持續(xù)時間大約為98 s.

3.2 破裂方向、破裂模式

進(jìn)一步得到了波形聚束疊加不同時窗內(nèi)的能量快照(圖5).高頻能量(圖5a)空間分辨率和定位精度相對更高，第40 s時窗中聚束能量存在兩個極值點，根據(jù)前面給出的篩選原則確定第二大極值點為此時窗的破裂點.可以看出，破裂從震中開始向偏西方向單向傳播，能量輻射源的位置具有較好的連續(xù)性，個別能量輻射源位置快速變化，破裂速度存在波動.低頻能量(圖5b)空間分辨率和定位精度相對較低，同樣也可以看到與高頻段類似的西向單側(cè)破裂過程.

圖5 (a) 0.5～2 Hz高頻， (b) 0.2～1 Hz低頻能量快照從發(fā)震時刻起始，每隔10 s繪制一次疊加能量快照.白色五角星表示震中，白色十字表示該時窗內(nèi)破裂能量峰值的位置，即能量輻射源的位置.Fig.5 Snapshots of the (a) 0.5～2 Hz high frequency, (b) 0.2～1 Hz low frequency energyPlotted every 10 s from the beginning of the earthquake. White crosses indicate the positions of the local maximum, which are also regarded as the locations of the energy radiators.

綜合兩個頻段所有的能量輻射源，得到破裂過程反投影成像結(jié)果(圖6).高頻段成像結(jié)果(圖6a)進(jìn)一步直觀地顯示，本次地震的破裂從震中處開始，向偏西方向單向近線性傳播，與轉(zhuǎn)換斷層的走向基本一致.破裂延伸至大洋中脊附近，推測斷層很可能完全破裂并受到大洋中脊的阻擋而停止.低頻段成像結(jié)果(圖6b)可以得到同樣的破裂方向、破裂模式，并觀察到相同區(qū)域內(nèi)能量輻射源沿傳播方向跳動的現(xiàn)象.

圖6 (a)高頻和(b)低頻能量輻射源時空分布黃色五角星表示震源位置；黑色實線表示斷層；紅色圓形代表能量輻射源，其圓心標(biāo)示能量輻射源即破裂點的位置，圓的大小與歸一化能量成正比，顏色深淺參照色標(biāo)表示破裂的相對發(fā)生時刻.Fig.6 Rupture process of (a) high frequency, (b) low frequencyThe yellow star and black solid lines represent the epicenter and the faults, respectively. The circles show the locations of the energy radiator while sizes of the circles are proportional to the normalized energy and color indicates the elapsed time relative to the origin time according to the color bar.

3.3 破裂距離、破裂速度

分析不同頻段能量輻射源距震中的距離與時間的關(guān)系，進(jìn)而可以獲得破裂速度.對于高頻能量輻射源(圖7a)，此次地震的破裂規(guī)模約為250 km，平均破裂速率約為2.55 km·s-1.考察瞬時破裂速率，發(fā)現(xiàn)破裂過程主要包含了六個速度特征顯著的階段，包括三個低速階段：Ⅰ.0～40 s，Ⅲ.47～54 s，Ⅴ.62～91 s和三個高速階段：Ⅱ.40～47 s，Ⅳ.54～62 s，Ⅵ.91～98 s.其中第Ⅰ階段破裂速率約為1.5 km·s-1，第Ⅲ，Ⅴ階段破裂傳播幾乎停滯，第Ⅳ階段破裂速率約為6 km·s-1，第Ⅵ階段破裂速率約為3 km·s-1.對于低頻能量輻射源(圖7b)，前76 s的破裂規(guī)模約為200 km，平均破裂速率約為2.6 km·s-1，與高頻段基本相同.破裂過程主要包括三個速度特征顯著的階段，分別為兩個低速階段：Ⅰ.0～60 s，Ⅲ.68～76 s和一個高速階段：Ⅱ.60～68 s.其中第Ⅰ，Ⅲ階段破裂速率約為1.5 km·s-1，第Ⅱ階段破裂速率約為6 km·s-1.對比圖7a和圖7b，發(fā)現(xiàn)不同頻段的不同破裂階段在時間和空間上基本對應(yīng)，速度變化也十分相似.值得注意的是，高頻第Ⅳ階段和低頻第Ⅱ階段的破裂速度均達(dá)到約6 km·s-1，超過了該區(qū)域上地幔頂部的剪切波速度(約4.5 km·s-1，參考Crust1.0模型，Laske et al., 2013)，為超剪切破裂，這可以解釋圖5，圖6中不同頻段的反投影結(jié)果在破裂中期均出現(xiàn)的跳躍現(xiàn)象.王墩等的研究結(jié)果表明淺源走滑型大地震普遍具有接近或超過區(qū)域剪切波速度的平均破裂速度，且在開始時表現(xiàn)出相對緩慢的破裂速度，隨后加速，并有相當(dāng)一部分階段具有超剪切破裂速度(Wang et al., 2016).我們在此次地震破裂速率的分析結(jié)果(圖7)，尤其是高頻段結(jié)果(圖7a)中，觀察到破裂從緩慢到加速直至發(fā)生超剪切的過程，該現(xiàn)象支持王墩等的論斷.但本次地震破裂發(fā)生于莫霍面以下，該深度剪切波速度顯著高于普通地殼的剪切波速度，這可能導(dǎo)致本次地震的平均破裂速率沒有達(dá)到區(qū)域剪切波速度，而只在個別階段發(fā)生了超剪切破裂.

圖7 (a)高頻段結(jié)果及(b)低頻段結(jié)果破裂速率分析橫軸表示各能量輻射源的破裂時刻，縱軸表示各能量輻射源距震中的距離，不同斜率的射線分別代表不同速率.Fig.7 Rupture speed analysis of (a) high frequency results and (b) low frequency resultsThe horizontal and vertical axis respectively represents the rupture moment and the distance to the epicenter of each energy radiator. The rays with different slopes represent different speed.

3.4 破裂能量分析

分析破裂過程中輻射能量隨時間的變化，可以發(fā)現(xiàn)本次地震的高頻能量輻射(圖8a)的峰值(歸一化能量大于0.8)主要存在于三個區(qū)間，分別為：ⅰ .5～15 s，ⅱ.21～30 s和ⅲ.66～79 s，低頻能量輻射(圖8b)的峰值主要存在于區(qū)間ⅰ .14～23 s.對比圖8a和圖8b，發(fā)現(xiàn)高頻第ⅰ ，ⅱ區(qū)間與低頻第ⅰ區(qū)間的能量輻射峰值基本對應(yīng)，這是因為高頻段分辨率更高，對能量釋放的刻畫更精細(xì).對比圖7和圖8，不難發(fā)現(xiàn)：低速階段與高能區(qū)間相吻合，說明該階段內(nèi)破裂傳播緩慢，破裂能量得以在局部區(qū)域集中釋放；高速階段也恰好對應(yīng)于能量較弱的區(qū)間，在該階段內(nèi)由于發(fā)生了高速且相對勻速的超剪切破裂，導(dǎo)致其能量強度較弱.圖8中破裂能量的谷值所在區(qū)間，對應(yīng)于圖6，圖7中破裂在時空上出現(xiàn)的間斷部分，由于我們根據(jù)篩選原則刪去了這一部分的能量輻射源，導(dǎo)致對此階段的破裂無法進(jìn)行有效觀測.

圖8 (a)高頻及(b)低頻破裂能量變化橫軸表示各能量輻射源的破裂時刻，縱軸表示各能量輻射源的歸一化能量，經(jīng)平滑得到的曲線刻畫了的破裂能量的釋放過程.Fig.8 Rupture energy change of (a) high frequency and (b) low frequency resultsThe horizontal and vertical axis respectively represents the rupture moment and the normalized energy of each energy radiator.

3.5 結(jié)果檢驗與破裂速度校正

為了確認(rèn)反投影結(jié)果在時間和空間的準(zhǔn)確性，分別選取了高頻結(jié)果中三個能量峰值和超剪切破裂起始、終止時刻對應(yīng)的能量輻射源，根據(jù)反投影得到的破裂位置和破裂時刻，計算該破裂點在波形上對應(yīng)的理論時間.我們認(rèn)為能量輻射源對應(yīng)的波形時間應(yīng)該與波形振幅較大的部分吻合.如圖9a所示，三個能量峰值對應(yīng)的能量輻射源的波形時間恰好位于波峰處，吻合程度良好，說明通過反投影成像得到的能量輻射源的破裂時刻和破裂位置是準(zhǔn)確可信的.由于反投影方法采用一個滑動窗確定破裂時間，超剪切破裂發(fā)生前后對應(yīng)的兩個能量輻射源的波形時間與波峰或波谷沒有完全對應(yīng)，因此在該波形時間為中心時刻的時窗(圖9a，9b，9c，窗長為10 s)內(nèi)，重新疊加波形(圖9d，9e)并將疊加波形能量極值對應(yīng)的時刻作為校正后的能量輻射源波形時間，將二者的差值作為時間校正量，修正之前得到的破裂時刻.經(jīng)過校正后，高頻結(jié)果得到的超剪切破裂階段為53～62 s，對應(yīng)的破裂速度仍然約為6 km·s-1，表明此時段具有較為準(zhǔn)確和穩(wěn)定的破裂速度.

圖9 (a)按震中距排列的用于反投影成像的波形數(shù)據(jù)；對齊后的由超剪切破裂起始(b)、終止(c)時刻所在時窗截取的波形；疊加后的由超剪切破裂起始(d)、終止(e)時刻所在時窗截取的波形(a)中黑色點標(biāo)示P波初至?xí)r刻，藍(lán)色、綠色和青色點分別標(biāo)示三個高頻能量峰值對應(yīng)的輻射源的理論波形時間，紅色、粉色點和波段分別標(biāo)示超剪切破裂起始、終止時刻對應(yīng)的理論波形時間和以該時刻為時窗中心所截取的波形.(d，e)中紅色和青色點分別標(biāo)示疊加波形的最大值和最小值.Fig.9 (a) Waveform data arranged by epicentral distance for backprojection imaging; the waveform intercepted by the window at the beginning (b) and ending (c) of the supershear rupture after alignment; the stacked waveform intercepted by the window at the time of starting (d) and ending (e) of the supershear rupture(a) The black dots denote the initial P wave; blue, green, and cyan dots, respectively, mark three peaks corresponds to the theory waveform time of high frequency energy radiator; red, pink dots, and the wave fragments respectively label the theory waveform time of super shear rupture initiation and termination and the waveform intercepted by the window which center is the time. (d)(e) The red and cyan dots denote the maximum and minimum value of the stacked waveform respectively.

4 結(jié)論

本文基于AK135地球速度模型，使用美國阿拉斯加臺網(wǎng)的遠(yuǎn)場P波垂直分量寬頻帶地震數(shù)據(jù)，對2020 年1月28日MW7.7加勒比海地震的破裂過程進(jìn)行反投影成像分析.結(jié)果顯示，該地震沿西向單側(cè)近線性破裂，破裂規(guī)模約為250 km，破裂時長約為98 s，平均破裂速率約為2.55 km·s-1.瞬時破裂速率存在明顯波動，在大約53～62 s達(dá)到約6 km·s-1，符合超剪切破裂的特征.地震在5～15 s，21～30 s和66～79 s存在三個高頻能量釋放主要峰值，相應(yīng)時段破裂速率較低，破裂傳播甚至近乎停滯，使破裂能量得以在局部區(qū)域集中釋放.低頻段反投影結(jié)果在大約76 s后可能受到其他震相干擾，通過保留的部分結(jié)果得出的破裂方向、破裂模式、能量峰值和速度區(qū)間與高頻段結(jié)果基本一致.本文的反投影結(jié)果位于沿板塊邊緣的Oriente斷層帶上并沿走向分布，與主震后余震的空間分布情況和USGS給出的有限斷層反演結(jié)果相吻合.

Oriente斷層的走滑速率約19 mm·a-1(Molnar and Sykes, 1969; Leroy et al., 1996)，且該斷層近一個世紀(jì)以來未發(fā)生過7級以上強震(Perrot et al., 1997)，長期積累的形變蘊含了強大的能量，為形成超剪切破裂提供了動力支持.此次地震的高頻能量輻射源延伸至斷層末端，受大洋中脊阻擋而終止，轉(zhuǎn)換斷層從震中處開始幾乎完全破裂，使加勒比板塊和北美板塊之間由于相對運動所長期積累的應(yīng)力得以沿著該海洋走滑斷層的直斷層快速釋放.發(fā)震斷層特殊的空間幾何特征和長期積累的應(yīng)變能，是能夠形成此次超剪切破裂的基礎(chǔ).

致謝本文采用的地震信息來自USGS官方網(wǎng)站，地震波數(shù)據(jù)來自IRIS數(shù)據(jù)中心，部分圖件利用Generic Mapping Tools(GMT)軟件繪制．衷心感謝審稿專家及編輯在審稿過程中提出的建設(shè)性意見和修改建議.