Abstrak
Gempa bumi utama berkekuatan 6,4 skala Richter di Puerto Rico barat daya pada 7 Januari 2020 merupakan salah satu gempa bumi modern paling berdampak di Karibia timur laut. Karena lokasinya di lepas pantai dan distribusi gempa susulan yang kompleks, kinematika sumbernya masih kurang terkendali. Urutan aktif ini menerangi serangkaian struktur yang sebelumnya tidak dikenali yang mengindikasikan beberapa patahan penyebab mungkin telah bergeser selama gempa tersebut. Di sini, kami menggunakan pengamatan seismik dan geodetik untuk meningkatkan resolusi model, memperkirakan pergeseran terbatas gempa bumi utama, dan menguji geometri patahan multi-segmen yang realistis secara geologis. Model kami yang disempurnakan menemukan kecepatan patahan yang lebih rendah dan waktu naik yang lebih lama daripada yang biasanya terjadi pada peristiwa sebesar ini. Hal ini mengindikasikan proses patahan yang berkembang lambat yang menyerupai karakteristik gempa bumi tsunami. Meskipun peristiwa patahan normal/geser ini tidak bersifat tsunamigenik, kualitas-kualitas ini, jika meluas di wilayah ini, memiliki implikasi penting untuk pemantauan dan bahaya seismik di masa mendatang di Puerto Rico barat daya.
Poin-poin Utama
- Model patahan finit baru dari rangkaian gempa utama seismik Puerto Rico barat daya dengan data seismogeodetik regional
- Retakan multi segmen dengan kombinasi patahan normal dan patahan geser, kecepatan retakan lambat dan waktu naik panjang
- Analisis gerakan tanah memvalidasi evolusi retakan yang lambat, menyerupai gempa bumi tsunami, penting untuk menilai bahaya seismik di wilayah ini
Ringkasan Bahasa Sederhana
Gempa bumi berkekuatan 6,4 skala Richter di Puerto Riko barat daya pada 7 Januari 2020, merupakan gempa bumi yang berdampak sangat besar di Karibia timur laut. Lokasinya di lepas pantai dan gempa susulan yang meluas telah membuat sulit untuk menentukan detail proses gempa bumi. Peristiwa dalam rangkaian gempa bumi ini mengungkap patahan yang sebelumnya tidak diketahui, yang menunjukkan bahwa gempa utama mungkin melibatkan beberapa patahan daripada satu patahan. Dengan menyempurnakan model patahan menggunakan berbagai pengamatan geofisika, kami menemukan bahwa gempa bumi tersebut memiliki kecepatan patahan yang lebih lambat dan durasi yang lebih lama dari yang diharapkan untuk gempa bumi sebesar ini. Kecepatan patahan mengacu pada seberapa cepat patahan gempa bumi, dan durasi gempa bumi adalah total waktu pergerakan patahan berlangsung. Temuan-temuan ini memberikan konteks penting untuk memahami bahaya seismik masa depan di Puerto Riko dan meningkatkan kesiapsiagaan dan respons terhadap gempa bumi.
1 Pendahuluan
Gempa bumi M 6,4 di Puerto Riko barat daya pada 7 Januari 2020, adalah peristiwa seismik paling berdampak dalam abad terakhir sejak gempa bumi tsunamigenik M 7,2 di Puerto Riko barat laut pada 11 Oktober 1918 (Doser et al., 2005 ). Peristiwa seismik ini terasa di seluruh pulau Puerto Riko dengan intensitas guncangan maksimum VII (“sangat kuat”) pada skala intensitas Modified Mercalli (Gambar 1 , Wald et al., 2012 )—peristiwa ini menyebabkan pemadaman listrik, dan kerusakan infrastruktur yang luas di wilayah barat daya pulau (López-Venegas et al., 2020 ). Peristiwa M 6,4 adalah gempa utama dari rangkaian gempa Puerto Riko barat daya (SWPRSS), yang dimulai dengan peristiwa gempa mendatar M 4,7 pada 28 Desember 2019, dan mencakup dua gempa pendahuluan: peristiwa gempa mendatar M 5,8 dan peristiwa gempa miring-normal M 4,9 pada 6 Januari 2020, yang mengarah ke gempa utama (Gambar 1 , Blasweiler et al., 2022 ; López-Venegas et al., 2022 ). Empat tahun kemudian, rangkaian gempa yang sedang berlangsung ini terus menghasilkan gempa susulan M > 3,5, dengan aktivitas yang didistribusikan ke serangkaian struktur geologi yang kompleks dalam blok Puerto Riko dan Kepulauan Virgin, yang menerangi patahan yang sebelumnya tidak dikenali di Puerto Riko selatan (Gambar 1 , ten Brink et al., 2022 ; Yoon et al., 2023 ).
Pemodelan gempa utama menghadirkan tantangan karena lokasinya di lepas pantai dan kemungkinan adanya beberapa patahan penyebab yang terlibat, seperti yang ditunjukkan oleh distribusi gempa pendahuluan dan gempa susulan (Gambar 1 ), yang menunjukkan pola berulang gerakan normal dan gerakan mendatar-geser (Blasweiler et al., 2022 ; Cromwell et al., 2022 ; Liu et al., 2020 ; ten Brink et al., 2022 ; Yoon et al., 2023 ). Indikator proses pecahnya gempa yang lebih kompleks ini adalah mekanisme gempa bumi kopel ganda yang rendah (52%) dari tensor momen Survei Geologi Amerika Serikat (USGS), yang merupakan diagnostik dari kompleksitas geometri ini (misalnya, Rösler & Stein, 2022 ). Urutan seismik produktif ini (van der Elst et al., 2022 ) juga dapat memengaruhi sumber data dengan peristiwa gempa pendahuluan dan gempa susulan substansial yang terjadi dekat dengan waktu gempa utama (Gambar 1 ). Untuk mengatasi tantangan ini, kami melakukan inversi non-linier dan memecahkan parameter kinematik kritis seperti waktu naik dan timbulnya slip (berkorelasi dengan kecepatan pecah) di setiap subsesar menggunakan perangkat lunak inversi patahan hingga Wavelet dan simulasi Annealing SliP (WASP, Koch et al., 2019 ). Kode ini mengintegrasikan pengamatan regional dengan data telesismik tradisional dan saat ini digunakan oleh Pusat Informasi Gempa Nasional USGS (NEIC, Goldberg et al., 2022 ). Kami selanjutnya mengembangkan upaya untuk memodelkan gempa utama sebagai pecahnya multisesar, yang dibangun di atas karya Liu et al. ( 2020 ), yang menunjukkan pecahnya intralempeng dangkal pada patahan normal miring dengan penurunan tegangan yang tinggi.
Dengan mempertimbangkan cakupan stasiun regional yang padat dan ketersediaan pengamatan penginderaan jarak jauh, kita dapat memperoleh resolusi yang cukup untuk menganalisis sifat kinematik (yaitu, amplitudo slip, arah, waktu naik, waktu awal pecah, dan kecepatan pecah) gempa utama M 6,4 di Puerto Rico, meskipun besarnya sedang. Model patahan terbatas (FFM) kami yang disempurnakan menunjukkan preferensi untuk kecepatan pecah yang lambat dan waktu naik yang lama, yang tidak lazim untuk gempa bumi sebesar ini. Kinematika pecah yang aneh ini diverifikasi oleh analisis sisa gerakan tanah—meskipun guncangan masih cukup berbahaya, itu jauh lebih tidak intens daripada yang diprediksi oleh model gerakan tanah (GMM) untuk gempa bumi sebesar ini dan lebih konsisten dengan pecah yang lambat. Hasil dari studi ini akan berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang karakteristik seismotektonik dan penilaian bahaya seismik di Puerto Rico barat daya yang dapat dipertimbangkan untuk gempa bumi masa depan di wilayah tersebut.
1.1 Tinjauan Seismotektonik
Puerto Rico terletak dalam zona deformasi yang luas (Gambar 1 ) yang melibatkan konvergensi miring lempeng Karibia dan Amerika Utara. Di sepanjang Palung Puerto Rico yang menjorok ke timur-barat, lempeng Amerika Utara menunjam ke barat daya dengan laju ∼20 mm/tahun (DeMets et al., 2010 ). Pulau Puerto Rico berada di tepi timur laut lempeng Karibia dan secara fisiografi dibatasi oleh Palung Puerto Rico di utara dan Palung Muertos di selatan. Palung Muertos adalah depresi memanjang, di mana busur pulau mendorong bagian dalam lempeng Karibia membentuk baji balik busur (Granja Bruña et al., 2009 , 2015 ; ten Brink et al., 2009 ).
Puerto Rico dan Kepulauan Virgin (PRVI) terdiri dari blok tektonik yang bergerak ke arah barat dengan kecepatan ∼2 mm/tahun terhadap lempeng Karibia (Jansma & Mattioli, 2005 ; Gambar 1 ). Di sebelah timur dan barat, blok PRVI dibatasi oleh zona ekstensi, Lintasan Anegada dan Lintasan Mona, masing-masing (Chaytor & ten Brink, 2010 ; Laurencin et al., 2017 ). Pergerakan blok PRVI terutama dikendalikan oleh interaksi lempeng Karibia dan Amerika Utara di sebelah utara di Palung Puerto Rico. Pergerakan yang tersisa sebagian diakomodasi oleh patahan daratan di Puerto Rico. Temuan terbaru dari pengamatan Sistem Satelit Navigasi Global (GNSS) menunjukkan keberadaan mikroblok yang terlepas dalam blok PRVI yang bergerak ke barat daya di bagian barat daya Puerto Riko (Solares-Colón, 2019 ), tempat seismisitas dangkal terkonsentrasi dan tempat urutan seismik kemudian disebarkan (Asencio, 1980 ; Prentice & Mann, 2005 ). Investigasi lebih lanjut dapat mengevaluasi ulang batas barat blok PRVI dan memberikan pemahaman yang lebih rinci tentang bagaimana gerakan diakomodasi antara Puerto Riko dan Hispaniola, yang sekarang disebut sebagai Batas Deformasi Puerto Riko Barat (ten Brink et al., 2022 ).
Sejumlah sistem patahan lepas pantai telah didokumentasikan di Puerto Rico (Gambar 1 ). Ini termasuk zona patahan Great Southern Puerto Rico, zona patahan Great Northern Puerto Rico, patahan South Lajas, dan patahan Salinas (Piety et al., 2018 ; Prentice & Mann, 2005 ). Pekerjaan terkini yang difokuskan pada Puerto Rico barat daya telah mengidentifikasi patahan Punta Montalva lepas pantai yang aktif secara seismik, yang mungkin memotong patahan South Lajas dan terhubung ke patahan North Boquerón Bay di kedalaman (Adames-Corraliza, 2017 ; Addarich-Martínez, 2009 ; Roig-Silva et al., 2013 ; Weilert & Laó-Dávila, 2023 ; Gambar 1 untuk referensi pemetaan patahan). Namun, bukti lapangan tidak cukup untuk mendukung hubungan definitif antara patahan North Boquerón Bay dan patahan Punta Montalva. Lepas pantai di Lintasan Anegada dan Lintasan Mona, kedua wilayah tersebut telah menjadi tuan rumah gempa bumi M 7+ yang merusak dan tsunami terkait pada tahun 1867 dan 1918, masing-masing (McCann, 1985 ; Gambar 1 ). Gempa bumi historis terbesar di dekat Puerto Riko adalah peristiwa M 7,8 tahun 1943 (Doser et al., 2005 ) di lepas pantai barat laut, yang dirasakan secara luas tetapi tidak menyebabkan kerusakan atau tsunami. Sebelum gempa utama M 6,4 pada tanggal 7 Januari 2020 di barat daya Puerto Riko, gempa bumi terbesar yang terjadi di dekat daratan adalah peristiwa M 7,2 tahun 1918 (Doser et al., 2005 ) di lepas pantai barat laut Puerto Riko di Lintasan Mona dan peristiwa M 6,4 tahun 2014 di lepas pantai utara Puerto Riko menuju Palung Puerto Riko.
Sesar penyebab gempa utama pada 7 Januari 2020 belum dapat dipastikan sebelumnya. Awalnya, urutan seismik diperkirakan dimulai oleh perpanjangan patahan Punta Montalva, patahan sinistral yang berarah timur-barat pada bidang yang curam (López-Venegas et al., 2022 ), tetapi patahan Punta Montalva malah teraktivasi saat urutan seismik berlanjut ke arah barat (Weilert & Laó-Dávila, 2023 ; Yoon et al., 2023 ). Saat ini, sistem patahan dasar laut potensial baru sedang diselidiki di ngarai Guayanilla, yang terletak di sebelah timur patahan Punta Montalva dan selatan patahan San Francisco, dekat zona pecahnya gempa utama (Gambar 1 ). Pengamatan geomorfologi menunjukkan bukti patahan normal yang berulang, serta kelokan ngarai bawah laut yang berkembang selama waktu geologis, yang mungkin telah dipengaruhi oleh aktivitas seismik masa lalu (ten Brink et al., 2022 ). Area ini dianggap sebagai zona deformasi difus dalam Batas Deformasi Puerto Riko Barat yang kemungkinan akan terus menghasilkan urutan seismik yang besarnya serupa dengan SWPRSS (ten Brink et al., 2022 ). Jaringan kompleks dari beberapa patahan dan kegempaan difus yang terkait menunjukkan berbagai orientasi dan mekanisme patahan—termasuk pergeseran normal, sinistral, dan dekstral, yang menunjukkan bahwa itu adalah sistem patahan yang belum matang (Yoon et al., 2023 ). Di sini, kami menggunakan kombinasi distribusi foreshock dan aftershock, analisis tensor momen, pengamatan geodetik, dan tektonik regional untuk memberikan beberapa kejelasan tambahan tentang orientasi patahan yang terlibat selama mainshock.
1.2 Pentingnya Urutan Seismik dan Gempa Utama M 6.4
SWPRSS adalah peristiwa pertama yang tercatat dan terdokumentasi dengan baik dengan skala sebesar ini dengan instrumentasi modern di Puerto Rico, memberikan wawasan berharga tentang deformasi dan dampak kompleks di bagian barat daya pulau tersebut. Urutan seismik ini menarik perhatian publik yang substansial dari entitas pemerintah dan warga sipil, dengan demikian meningkatkan kesadaran akan risiko gempa bumi dan kesiapsiagaan. Selain itu, hal ini mendorong studi geofisika di Puerto Rico, mulai dari pengumpulan profil seismik hingga pemetaan patahan aktif di daratan di pulau tersebut dan patahan lepas pantai di wilayah barat daya, hingga melakukan studi tentang kecepatan gelombang geser rata-rata di 30 m atas kerak (Vs30), garis seismik, dan pengintaian pascagempa bumi langsung—seperti penilaian penurunan tanah, pendudukan kembali lokasi kampanye GNSS, dan efek likuifaksi. Pada akhirnya, upaya ini berkontribusi terhadap pengurangan dampak bahaya gempa bumi dan tsunami di Puerto Rico.
Selain itu, ketersediaan data yang luas setelah gempa utama M 6,4 memungkinkan studi yang lebih rinci tentang proses patahan (Gambar 2 ), yang mengungkapkan bahwa gempa bumi sedang dapat menunjukkan karakteristik yang serumit gempa bumi besar. Menangani kejadian seperti ini, ketika data yang padat tersedia, tidak hanya berkontribusi pada pemahaman kita tentang gempa bumi di wilayah yang diminati tetapi juga memfasilitasi eksplorasi lebih lanjut tentang kejadian dengan magnitudo yang lebih rendah dan mengurangi kesenjangan pengetahuan tentang kinematika kejadian di bawah M 7.
2 Data
Dalam kajian ini, kami memodelkan slip terbatas gempa utama dengan mempertimbangkan data dari 51 bentuk gelombang telesismik pita lebar (14 gelombang P, 13 gelombang SH, dan 24 gelombang permukaan periode panjang), 67 akselerometer gerak kuat regional, 7 stasiun GNSS laju tinggi (HR), 9 offset statis GNSS, dan 4 pasang radar apertur sintetis interferometrik (InSAR) (lihat Data dan Sumber Daya).
Untuk bentuk gelombang telesismik, kami menerapkan filter band-pass antara 0,01 dan 1,0 Hz untuk gelombang badan (yaitu, P dan SH), dan filter band-pass antara 0,003 dan 0,007 Hz untuk gelombang permukaan (yaitu, Rayleigh dan Love). Untuk bentuk gelombang gerakan kuat regional, kami mempertimbangkan 41 akselerometer untuk inversi yang memiliki metadata yang andal (Gambar 2 ). Kami menerapkan pada masing-masing filter band-pass antara 0,02 dan 0,125 Hz untuk menghilangkan offset dasar. Pengamatan GNSS tingkat tinggi dengan laju pengambilan sampel 1 Hz diproses untuk mendapatkan posisi menggunakan perangkat lunak GipsyX (Bertiger et al., 2020 ). Offset statis GNSS yang digunakan adalah yang diterbitkan oleh López-Venegas et al. ( 2022 ). Akhirnya, interferogram InSAR dari Sentinel-1, yang dioperasikan oleh Badan Antariksa Eropa, diproses dengan paket InSAR Scientific Computing Environment (ISCE, Rosen et al., 2018 ), dibuka bungkusnya, dan diturunkan sampelnya ke sejumlah titik observasi yang dapat diatur untuk komputasi model menggunakan algoritma interpolasi QuadTree (Lohman & Simons, 2005 ). Dari empat pemandangan InSAR yang dipertimbangkan, kami menyertakan satu pemandangan InSAR menaik berdasarkan kesepakatan antara offset koseismik yang diamati di situs GNSS yang diproyeksikan ke garis pandang (LOS) dan akuisisi InSAR (misalnya, Melgar et al., 2017 ; lihat Gambar 2 dan Gambar S1 di Informasi Pendukung S1 ). Asumsi kami adalah bahwa besarnya perpindahan LOS pada piksel yang dekat dengan situs GNSS harus menghasilkan jumlah perpindahan yang sama dengan offset GNSS tiga dimensi yang diproyeksikan ke arah tampilan InSAR. Adegan InSAR yang tersisa, yang memiliki perbedaan tinggi dengan situs GNSS, khususnya di situs P780 yang memiliki offset terbesar (Gambar 2 ), diabaikan berdasarkan kriteria ini. Kami juga mempertimbangkan waktu pengulangan lintasan karena penundaan setelah gempa utama dapat menyebabkan perbedaan dalam pengamatan, karena pengaruh gempa susulan atau perpindahan pascaseismik. Meskipun adegan InSAR yang dipilih diperoleh 9 hari setelah gempa utama, itu konsisten dengan penurunan pantai yang diamati di Puerto Riko selatan. Semua data yang dipertimbangkan dalam studi ini tersedia dalam rilis data USGS (Solares-Colón et al., 2024 ; lihat Data dan Sumber Daya).
3 Metode
3.1 Metode Inversi Non-Linear untuk Pemodelan Sesar Hingga
FFM gempa bumi M 6,4 diproduksi menggunakan perangkat lunak WASP seperti yang dijelaskan dalam Goldberg et al. ( 2022 ). Kode ini menggunakan inversi nonlinier mengikuti metode Ji et al. ( 2002 ) dan Koch et al. ( 2019 ) untuk secara bersamaan menginversi observasi telesismik dan regional. Metode ini memecahkan amplitudo slip, rake (arah slip), waktu naik, dan waktu awal rupture pada bidang patahan terdiskritisasi di setiap subpatahan. Kami juga memecahkan parameter inversi tambahan, “ramp” InSAR linear dalam data InSAR, yang sering diamati dalam interferogram dan tampak pada Gambar 2c pada jarak yang lebih jauh dari episentrum gempa utama. Efek terakhir ini disebabkan oleh posisi orbit satelit yang tidak tepat atau kontribusi troposfer yang tidak dimodelkan (Hanssen, 2001 ). Koefisien ramp linear diperkirakan secara simultan dalam inversi, untuk mengurangi potensi kesalahan mengidentifikasi sinyal ramp atmosfer sebagai deformasi gempa bumi, atau sebaliknya.
Kami menggunakan bidang nodal pertama (strike = 267°, dip = 41°, dan rake = −54°) dari solusi Global Centroid Moment Tensor untuk menentukan orientasi bidang patahan awal, relatif terhadap lokasi hiposentrum NEIC. Mekanisme fokus yang terkait dengan kejadian ini konsisten dengan patahan normal pada bidang kemiringan ke utara, seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan geomorfik dan penurunan pantai di Puerto Rico selatan dari data InSAR juga (Gambar 1 dan 2 , López-Venegas et al., 2022 ; ten Brink et al., 2022 ; Viltres et al., 2022 ). Secara default, WASP mengasumsikan model kecepatan regional satu dimensi dari LITHO1.0 di lokasi hiposentrum (Pasyanos et al., 2014 ). Namun, kami mengganti model ini dengan model kecepatan lokal yang disediakan oleh Jaringan Seismik Puerto Riko (PRSN) khusus untuk wilayah barat daya Puerto Riko (rujuk Data dan Sumber Daya). Setelah berhasil menggabungkan setiap set data ke dalam inversi, kami melanjutkan untuk mengevaluasi ketidaksesuaian secara manual untuk semua lokasi dan menghapus saluran yang tidak sesuai dengan baik (rujuk Data dan Sumber Daya). Kami mengizinkan nilai rake dalam kisaran ±20°, mengikuti orientasi bidang patahan (strike = 268°, dip = 43°, dan rake = −72°) dalam ten Brink et al. ( 2022 ), menetapkan nilai kecepatan pecah dari 1,0 hingga 3,1 km/s, dan menggunakan lokasi hiposenter PRSN, mengingat bahwa itu adalah jaringan regional yang berwenang dan memberikan kesesuaian yang lebih baik dengan data, sebagaimana dikonfirmasi oleh hasil lokasi serupa dari studi lain juga (Liu et al., 2020 ; ten Brink et al., 2022 ). Pada tahap ini, mengingat dipol vektor linier terkompensasi tinggi dari tensor momen (48%), kami memperkenalkan bidang patahan sekunder yang berorientasi dengan jurus dan kemiringan (290° dan 80°) yang mirip dengan peristiwa jurus-geser penting M > 4,5 selama urutan seismik (Gambar 1 ), yang memungkinkan rentang bervariasi yang sama dalam parameter kinematik.
Sementara gerakan sinistral dan dekstral sesuai dengan data, kami memilih gerakan lateral kiri. Pilihan ini didukung oleh tektonik regional, yang sebagian besar menunjukkan gerakan lateral kiri, dan kesamaan dengan kinematika patahan dari patahan aktif seperti patahan Punta Montalva yang terlibat dalam urutan seismik. Selain itu, kami memeriksa ulang bentuk gelombang regional untuk mendapatkan mekanisme fokus dari gerakan pertama menggunakan polaritas solusi PRSN, membandingkannya dengan solusi mekanisme fokus fase-W USGS. Meskipun tidak ada cukup stasiun untuk mendapatkan solusi yang sepenuhnya andal, mekanisme fokus yang diperoleh dari gerakan pertama PRSN lebih menyerupai patahan geser daripada patahan normal, seperti gempa depan M 5,8 (Gambar S2 dalam Informasi Pendukung S1 , Pugh et al., 2016 ; rujuk Data dan Sumber Daya untuk informasi kejadian), yang menginformasikan pilihan kami untuk segmen patahan kedua. Pengaturan ini memperhitungkan geometri patahan yang lebih kompleks, konsisten dengan patahan aktif regional dan mekanisme fokus kejadian.
3.2 Sisa Gerakan Tanah
Sisa gerakan tanah, r i , di stasiun i , adalah perbedaan antara ukuran intensitas yang diamati di lokasi tersebut, obs i , dan intensitas yang diprediksi dari GMM, pred i , dalam ruang logaritma natural, sehingga:
Pola dalam sisa gerakan tanah yang diperoleh dari Persamaan 1 dapat digunakan untuk memahami kontribusi relatif dari sumber, lintasan, dan lokasi terhadap intensitas yang diamati (misalnya, Sahakian et al., 2018 ). Kami menggunakan percepatan tanah puncak (PGA) sebagai metrik intensitas frekuensi tinggi untuk mengevaluasi guncangan tanah di medan dekat dan untuk menyelidiki apakah mereka konsisten dengan kinematika sumber yang dijelaskan oleh FFM. Telah diamati bahwa, untuk pecahnya lambat, kejadian waktu naik yang lama, energi seismik frekuensi tinggi terpancar secara tidak efisien dan dapat bermanifestasi sebagai sisa gerakan tanah yang sangat rendah di medan dekat (Sahakian et al., 2019 ). Analisis sisa gerakan tanah memungkinkan kita untuk mengidentifikasi penyimpangan dari perilaku rata-rata gempa bumi yang direpresentasikan oleh GMM.
GMM yang kami pertimbangkan untuk memodelkan intensitas guncangan peristiwa ini berasal dari Boore et al. ( 2014 ), selanjutnya disebut sebagai B14, untuk peristiwa gempa bumi kerak dangkal dan Parker et al. ( 2022 ), selanjutnya disebut sebagai P22, untuk peristiwa gempa bumi antarmuka subduksi. Gempa bumi utama adalah peristiwa dangkal hingga kedalaman ∼7 km, sedangkan kedalaman lempeng adalah ∼40 km (Hayes et al., 2018 ). Oleh karena itu, GMM yang menganggap peristiwa ini sebagai gempa bumi kerak dangkal kemungkinan lebih cocok untuk memodelkannya. Namun, saat ini, tidak ada GMM terbaru untuk Puerto Riko yang diterbitkan, jadi kami menggunakan dua model yang berbeda ini untuk mengeksplorasi berbagai kemungkinan.
4 Hasil dan Pembahasan
4.1 Karakterisasi Sumber Gempa Utama M 6.4
FFM kami yang disempurnakan dari gempa utama terdiri dari dua segmen dengan orientasi patahan yang berbeda (Gambar 2 ). Segmen pertama sesuai dengan mekanisme fokus awal yang diturunkan untuk gempa utama, yang merupakan patahan miring-normal yang menukik ke utara. Segmen kedua ditentukan oleh analisis tensor momen dan distribusi gempa pendahuluan dan gempa susulan, yang merupakan patahan geser-sesar sub-vertikal yang berarah timur-barat yang memotong segmen pertama. Kedua orientasi patahan dan mekanisme patahan ini berulang sepanjang pengembangan SWPRSS dan tampaknya cocok untuk memodelkan gempa utama (lihat plot mawar pada Gambar 1 ). Model slip terdistribusi yang dihasilkan diberikan pada Gambar 3. Sebagai catatan, tensor momen kumulatif dari kedua segmen ini, yang berkontribusi 57% dan 43% terhadap total momen seismik sebesar 5,74 × 10 18 Nm, masing-masing, mengembalikan solusi USGS yang disukai (Gambar 3c ; lihat Data dan Sumber Daya untuk solusi tensor momen USGS). Kesepakatan ini memperhitungkan mekanisme gempa bumi pasangan ganda yang sangat rendah (52%) dari tensor momen USGS yang dipublikasikan dan konsisten dengan hipotesis sebelumnya bahwa ini adalah patahan multi-segmen (Liu et al., 2020 ; ten Brink et al., 2022 ).
Inversi seismik dan geodetik yang terpisah untuk model rupture tunggal dan multi-segmen juga dilakukan untuk mengeksplorasi kontribusi dari kumpulan data yang berbeda dalam model slip kami (lihat Gambar S3 dalam Informasi Pendukung S1 dan Data dan Sumber Daya). Inversi seismik mencakup pengamatan pita lebar telesismik dan gerakan kuat regional, sedangkan inversi geodetik mencakup pengamatan HR GNSS, offset statis GNSS, dan satu pemandangan InSAR. Perbedaan utamanya adalah bahwa inversi geodetik mengungkapkan pelepasan momen seismik yang lebih tinggi, slip puncak yang lebih besar, dan rupture permukaan dibandingkan dengan inversi seismik. Meskipun terdapat variasi dalam jumlah segmen, kedua skenario menunjukkan pelepasan energi puncak sekitar 6–8 detik, dengan durasi total sekitar 16 detik. Durasi ini lebih panjang daripada yang diantisipasi untuk gempa bumi M 6,4, di mana durasi sumber yang diharapkan akan menjadi sekitar 6–7 detik untuk kejadian sebesar ini (Melgar & Hayes, 2017 ; Somerville et al., 1999 ) dan lebih tinggi daripada 10–12 detik yang ditemukan oleh studi sebelumnya (Liu et al., 2020 ; Viltres et al., 2022 ). Liu et al. ( 2020 ) dan Viltres et al. ( 2022 ) menggunakan metode yang berbeda—studi pertama menggunakan data seismik dan dua perpindahan ko-seismik GNSS dengan metode inversi yang mirip dengan Ji et al. ( 2002 , 2003 ), menghasilkan durasi pecah yang diperkirakan sekitar 12 detik, dan studi kedua menggunakan metode inferensi Bayesian dengan kecepatan pecah konstan 3,5 km/detik, menemukan durasi pecah 10,6 detik. Bahkan jika kita memperhitungkan potensi kebisingan bentuk gelombang atau artefak inversi yang menyebabkan slip berikutnya (setelah kontur 10 detik), konsentrasi slip di dekat permukaan dalam model kita berada dalam durasi pecahnya 10–12 detik, yang lebih sesuai dengan studi sebelumnya—yang semuanya mengidentifikasi durasi yang lebih lama dari yang diharapkan.
Dalam inversi gabungan, saat menggabungkan set data regional dari sumber seismik dan geodetik, citra sumber menajam—slip puncak lebih dari dua kali lipat dari ∼0,4 menjadi ∼1,0 m, lokasi asperitas utama bergerak ke atas, dan ukurannya berkurang, dibandingkan dengan model seismik yang diturunkan (lihat Data dan Sumber Daya). Data geodetik, seperti yang diamati dari inversi terpisah kami, berkontribusi paling besar untuk menangkap momen seismik gempa bumi yang sebenarnya dan memungkinkan terjadinya slip yang lebih besar. Hasil ini mendukung studi sebelumnya (misalnya, Goldberg et al., 2022 ) bahwa penambahan data regional mengungkap fitur skala yang lebih kecil dari distribusi slip, termasuk untuk gempa bumi dengan magnitudo yang lebih rendah ( M < 7). Dalam hal kinematika, model yang disempurnakan ini menunjukkan kecepatan pecah yang rendah, dengan kecepatan rata-rata 1,8 km/dtk untuk segmen pertama dan 1,6 km/dtk untuk segmen kedua ketika hanya mempertimbangkan subsesar dengan slip >10% dari slip puncak. Hasil sebelumnya sesuai dengan inversi bidang patahan miring-normal tunggal Liu et al. ( 2020 ), yang juga menemukan kecepatan rata-rata 1,8 km/s. Di seluruh dunia, kecepatan pecah rata-rata untuk gempa bumi dangkal dalam basis data patahan terbatas dianggap jauh lebih dekat ke 2,5 km/s (Melgar & Hayes, 2017 ; Ye et al., 2016 ), sehingga untuk kejadian ini, nilai-nilai ini jauh di bawah rata-rata. Cara lain untuk melihat ini adalah bahwa kecepatan pecah “tipikal” biasanya ∼80% dari kecepatan gelombang geser lokal. Untuk model kecepatan pada kedalaman bidang slip terbesar yang kami gunakan, nilai-nilai ini mewakili ∼50% dari kecepatan gelombang geser. Yang lebih menarik, kami juga menemukan waktu naik yang sangat panjang untuk kejadian sebesar ini—rata-rata kami memperoleh 5,1 detik untuk segmen pertama dan 6,2 detik untuk segmen kedua ketika mempertimbangkan lagi hanya sub-sesar dengan lebih dari 10% dari slip puncak (Gambar 3 ). Sebaliknya, Liu et al. ( 2020 ) menemukan waktu naik antara 1,6 dan 2,4 detik. Kejadian M 6,4 yang khas diperkirakan memiliki waktu naik rata-rata hanya ∼1 detik (Melgar & Hayes, 2017 ; Somerville et al., 1999 ). Singkatnya, kami menemukan waktu naik faktor ∼5 dan durasi sumber faktor ∼3 lebih lama dari yang diharapkan. Ini sangat mencolok dan mirip dengan patahan yang sangat dangkal di megathrust di mana perilaku yang sama diamati dalam apa yang disebut gempa bumi tsunami (Kanamori, 1972 ; Satake & Tanioka, 1999 ).
4.2 Gerakan Tanah Mendukung Kinematika Sumber Aneh untuk Pecahnya yang Berkembang Lambat
Kami melakukan analisis residual gerakan tanah menggunakan PGA sebagai metrik intensitas untuk memvalidasi model kami yang telah disempurnakan dengan kecepatan pecah yang lambat dan waktu naik yang lebih lama. Perhatikan bahwa residual positif, sebagaimana didefinisikan oleh Persamaan 1 , berarti bahwa nilai yang diamati lebih tinggi dari yang diharapkan, atau bahwa GMM meremehkan pengamatan. Residu negatif berarti bahwa nilai yang diamati lebih rendah dari yang diharapkan, atau bahwa GMM melebih-lebihkan pengamatan. Gambar 4 menunjukkan residual GMM dengan asumsi gempa kerak dangkal (B14). Karena kedalamannya yang dangkal, model B14 kemungkinan lebih berlaku untuk kejadian ini daripada model P22 dengan asumsi gempa antarmuka subduksi. Terlepas dari GMM yang digunakan, jika dibandingkan dengan nilai PGA yang diamati di medan dekat, residual secara konsisten tetap negatif (lihat Gambar S4 dalam Informasi Pendukung S1 ). Pengecualiannya adalah di bagian utara-tengah Puerto Riko, tempat nilai PGA tertinggi diamati. Wilayah ini mengalami efek amplifikasi situs—terutama di Utuado, Puerto Riko, yang menyebabkan nilai PGA lebih tinggi daripada yang diharapkan dari GMM (lihat Gambar S5 dalam Informasi Pendukung S1 ).
Meskipun hanya tsunami 6 cm yang dihasilkan oleh gempa utama (rujuk Data dan Sumber Daya), kejadian dangkal ini dalam margin transpresif di atas Palung Muertos memiliki beberapa karakteristik yang mengingatkan pada gempa bumi tsunami. Gempa bumi tsunami menghasilkan tsunami yang lebih besar dari yang diharapkan untuk besarnya gempa bumi (Kanamori, 1972 ; Satake & Tanioka, 1999 ). Jenis gempa bumi ini jarang terjadi, dan kelangkaan data di dekat sumber menimbulkan kesulitan untuk mempelajari kejadian ini. Contoh yang terdokumentasi dengan baik adalah gempa bumi Mentawai 2010, kejadian dorongan dangkal di lepas pantai Sumatra dalam zona subduksi Sumatra-Jawa (Sahakian et al., 2019 ). Perbandingan ini relevan karena kejadian dalam kategori ini biasanya memecah bagian dangkal dari zona subduksi dan memancarkan energi frekuensi tinggi secara tidak efektif, sehingga menghasilkan guncangan yang sangat rendah dibandingkan dengan besarnya gempa bumi seperti yang kami amati dalam kasus gempa utama Puerto Rico. Residu PGA untuk gempa utama tidak serendah yang diamati pada contoh gempa Mentawai 2010, yang berpusat di sekitar -2 satuan log natural jika dibandingkan dengan rerata residu PGA gempa utama SWPRSS pada -0,5 satuan log natural (Gambar 4b ). Namun, residu masih secara konsisten rendah, dan stasiun-stasiun jauh lebih dekat ke sumber gempa utama (Gambar 4 ) dibandingkan dengan kasus lokasi gerakan kuat Mentawai yang dilaporkan oleh Sahakian et al. ( 2019 ). Nilai PGA yang rendah, khususnya di medan dekat, dapat menjelaskan penipisan atau ketiadaan konten sumber frekuensi tinggi, karena guncangan pada jarak medan dekat ini lebih merupakan fungsi dari efek sumber daripada efek lintasan dan redaman (Baltay & Boatwright, 2015 ), tetapi tidak konsisten dengan penurunan tegangan statis rata-rata atau lebih tinggi seperti penurunan tegangan sekitar 19 MPa yang dilaporkan oleh Liu et al. ( 2020 ), yang lebih tinggi dari rata-rata global. Dengan menggunakan hukum skala probabilistik panjang patahan gempa bumi ( L ) dan lebar ( W ) dari Blaser et al. ( 2010 ), kami memperoleh dimensi rata-rata yang diharapkan untuk setiap segmen gempa utama (lihat Teks S1 di Informasi Pendukung S1 ). Kami menemukan bahwa segmen pertama lebih pendek (−1,4 deviasi standar dari rata-rata), dan lebarnya seperti yang diharapkan untuk patahan normal M 6,3. Untuk segmen kedua, kami mengamati patahan yang lebih panjang dari lebarnya, yang menunjukkan fitur memanjang seperti yang diharapkan untuk patahan mendatar M 6,2. Segmen pertama menunjukkan patahan yang lebih melingkar dan padat, yang berpotensi mentransfer energi sepanjang bidang kedua. Hasil akhirnya adalah sumber yang padat, dan ini dapat menjelaskan nilai penurunan tegangan yang tinggi.
Metrik kedua untuk perbandingan dengan kejadian kekurangan energi yang terkenal seperti gempa bumi tsunami melibatkan penggunaan rasio energi seismik yang terpancar terhadap momen seismik (Convers & Newman, 2011 ; Newman & Okal, 1998 ; Okal & Newman, 2001 ; Ye et al., 2016 ). Metrik ini mencerminkan karakteristik frekuensi tinggi dari sumber gempa bumi dan khususnya berguna untuk mengidentifikasi kekurangan dalam pelepasan momen pada frekuensi tinggi. Studi-studi sebelumnya ini juga menunjukkan tidak ada ketergantungan pada momen seismik secara keseluruhan. Berdasarkan pengamatan telesismik dan sifat penskalaan dari patahan megathrust, estimasi rasio energi terhadap momen ( E / M o ) untuk gempa bumi tsunami secara signifikan di bawah rata-rata global sebesar 1,06 × 10 −5 , seperti yang dilaporkan oleh Ye et al. ( 2016 ), dan biasanya lebih dekat ke nilai ∼2,5 × 10 −6 . Demikian pula, ukuran ini dapat dinyatakan sebagai diskriminan Θ = log10 ( E / M o , Newman & Okal, 1998 ). Ruptur lambat biasanya memiliki nilai sekitar −5,7 (Okal & Newman, 2001 ), sementara rata-rata global lebih dekat ke Θ = −4,59 dengan beberapa deviasi tergantung pada jenis patahan ( Θ = −4,51 untuk kejadian normal, Convers & Newman, 2011 ). Saat mempertimbangkan gempa utama, mengingat E sama dengan 9,9 × 10 13 J (lihat Sumber Data) dan E / M o adalah 1,72 × 10 −5 , nilai Θ yang dihasilkan adalah −4,76, yang sedikit di bawah rata-rata untuk kejadian normal. Bila kita menggunakan E untuk rentang frekuensi lebih tinggi, Θ sama dengan −5,12, cenderung ke arah karakteristik pecahnya gelombang secara lambat.
Ukuran telesismik energi-ke-momen ini agak bertentangan dengan temuan utama bahwa gempa utama menunjukkan durasi yang lebih panjang (∼16 d) dan waktu naik yang lebih lama (rata-rata 6 d) daripada yang diharapkan tetapi secara bersamaan konsisten dengan residu gerakan tanah dekat sumber yang sangat rendah. Kami menduga bahwa perbedaan ini mungkin disebabkan oleh kompleksitas patahan dan perbedaan konten frekuensi gerakan tanah regional, yang dapat habis tetapi tampak sekitar rata-rata untuk frekuensi yang dominan dalam perhitungan diskriminan Θ . Terlepas dari itu, kami menemukan bahwa kinematika patahan memiliki beberapa karakteristik gempa bumi tsunami, yang sesuai dengan model kami yang disempurnakan dan mendukung proses patahan yang berkembang lambat untuk kejadian dangkal ini. Mungkinkah patahan gempa utama yang lebih lama dan lambat merupakan hasil dari dua sumber independen (dua kejadian seismik), atau apakah satu patahan lambat yang memicu kejadian kedua? Masih belum jelas, tetapi gempa utama hampir pasti merupakan hasil dari patahan multi-segmen, yang berkontribusi pada keseluruhan kejadian seismik.
5 Kesimpulan
Retakan multi-segmen menyebabkan gempa utama M 6,4 dari SWPRSS. Wawasan dari inversi gabungan yang menambahkan data seismogeodetik regional meningkatkan resolusi model untuk memvalidasi proses rekahan yang kompleks dan lambat selama gempa utama. Temuan kami menunjukkan bahwa rekahan berlangsung lambat (rata-rata 1,7 km/detik) dan memiliki waktu naik yang sangat lama (rata-rata 5,7 detik). Pengamatan ini didukung oleh sisa gerakan tanah yang secara konsisten menunjukkan nilai PGA rendah yang menunjukkan rekahan yang lambat dan lemah yang memancarkan energi frekuensi tinggi secara tidak efisien. Oleh karena itu, hasil ini dapat membantu pemahaman kita tentang gempa bumi di Puerto Riko barat daya dan dalam upaya mitigasi untuk kejadian di masa mendatang yang dapat menunjukkan perilaku seperti gempa tsunami. Komplikasi dengan jenis gempa bumi ini terletak pada potensi meremehkan bahaya gempa bumi selama respons gempa bumi awal. Hal ini disebabkan oleh besarnya magnitudo yang tercatat oleh instrumentasi inersia, yang mungkin tidak sepenuhnya menangkap ukuran gempa bumi karena penipisan atau tidak adanya konten frekuensi tinggi.
Analisis yang lebih rinci diperlukan untuk menentukan apakah karakteristik kinematik ini merupakan kejadian umum, khususnya yang terkait dengan deformasi di Puerto Riko barat daya, atau apakah ini merupakan kasus unik untuk kejadian ini. Ini akan melibatkan pemeriksaan gerakan tanah untuk gempa susulan lainnya dalam urutan seismik dan kejadian penting di seluruh pulau untuk mengkarakterisasi gempa bumi di wilayah ini dengan lebih baik. Jika perilaku seperti gempa tsunami ini menjadi karakteristik gempa bumi di barat daya Puerto Riko, kita dapat mengantisipasi nilai PGA yang rendah untuk kejadian tersebut dan meningkatkan kesiapsiagaan untuk respons gempa bumi di masa mendatang.
Gempa bumi sedang (∼ M 6), seperti gempa utama, dapat menghancurkan masyarakat setempat, memiliki dampak ekonomi dan manusia yang signifikan tergantung pada waktu dan lokasinya (misalnya, Minson et al., 2021 ). Dalam studi ini, kami tidak hanya memperluas basis data NEIC tentang FFM, tetapi juga pengetahuan kami tentang proses gempa bumi untuk kejadian yang lebih kecil ( M < 7) yang lebih sering terjadi. Akuntansi untuk kejadian seperti gempa utama SWPRSS 2020 juga dapat berkontribusi pada pemahaman yang lebih mendalam tentang sifat skala sumber untuk kejadian dengan magnitudo yang lebih rendah dan meningkatkan pemodelan gempa bumi di masa mendatang.
