屠泓為, 汪榮江, 刁法啟, 張勇, 萬永革, 金明培
1 青海省地震局, 西寧 810001 2 德國地學研究中心(GFZ), 波茨坦14473 德國 3 中國科學院測量與地球物理研究所, 動力大地測量學重點實驗室驗室, 武漢 430077 4 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871 5 防災科技學院,燕郊, 北京 101601 6 中國地震局滇西地震預報實驗場辦公室, 云南大理 671000
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運用SDM方法研究2001年昆侖山口西MS8.1地震破裂分布:GPS和InSAR聯(lián)合反演的結(jié)果
屠泓為1,2, 汪榮江2*, 刁法啟3, 張勇4, 萬永革5, 金明培6
1 青海省地震局, 西寧8100012 德國地學研究中心(GFZ), 波茨坦14473德國3 中國科學院測量與地球物理研究所, 動力大地測量學重點實驗室驗室, 武漢4300774 北京大學地球與空間科學學院, 北京1008715 防災科技學院,燕郊, 北京1016016 中國地震局滇西地震預報實驗場辦公室, 云南大理671000
摘要2001 年11月14日昆侖山口西MS8.1地震是有現(xiàn)代儀器記錄以來發(fā)生在青藏高原區(qū)域最大地震之一,對研究青藏高原的運動學模式具有重要意義.從地震發(fā)生至今,不同研究者運用不同資料和方法獲取的地震破裂分布還存在一定差異.基于此,本文采用GPS和InSAR資料數(shù)據(jù),參考最新研究成果,構(gòu)建更為合理的斷層幾何模型,運用SDM方法反演本次地震的破裂分布.在反演中充分考慮不同數(shù)據(jù)權(quán)重的影響及InSAR數(shù)據(jù)中存在的整體偏移.結(jié)果顯示本次地震斷層性質(zhì)以左旋走滑為主,最大破裂位錯為~6.9 m,分布在35.76°N、93.40°E附近,地震較大破裂區(qū)域主要分布在地下20 km以內(nèi).同時,反演的位錯分布在斷層淺部與地質(zhì)考察得到的地表破裂分布較為吻合.在與前人相關研究的對比中,顯示本文結(jié)果的可靠性是較高的,例如,近地表破裂包絡線與地表考察結(jié)果相近,地下破裂分布特征與前人提出的3次子地震事件相一致等,再一次佐證了此次地震由多次子地震事件組成的研究結(jié)論.
關鍵詞昆侖山口西MS8.1地震; 破裂分布; 位錯反演
1引言
2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震是我國近半個世紀以來最大的地震,造成~426 km的地表破裂(徐錫偉等,2002; Xu et al., 2002, 2005; 徐錫偉等, 2002; 黨光明和王贊軍,2002;陳杰等,2003),受到國內(nèi)外學者的關注.很多作者基于不同方法研究了該地震的破裂分布(喬學軍等,2002;沈正康等,2003;Lin et al.,2003;單新建等,2004;許力生和陳運泰,2004;任金衛(wèi)和王敏,2005;Lasserre et al., 2005;馬超和單新建,2006;萬永革等,2008).如圖1所示,該地震的余震主要分布在破裂段的東部區(qū)域,集中發(fā)生在主震后續(xù)的一個月左右,之后偶有零星余震發(fā)生.
由于震中周邊500 km范圍內(nèi)監(jiān)測臺站稀少,用地震學方法研究破裂過程只能依賴遠震臺站數(shù)據(jù).許力生和陳運泰(2004)運用全球長周期波形資料反演得出的結(jié)果為平均滑動~1.2 m,最大滑動量~2.2 m;Lin等(2003)也運用全球遠震數(shù)據(jù)得到的平均滑動量~1.8 m,最大滑動量為~5.8 m,采用同樣的方法,Lin等卻給出了~16.3 m最大破裂值.這些結(jié)果為我們認識該地震并研究其破裂模型提供了重要約束條件.但是這些結(jié)果之間存在一定差別,需要引入更多近場觀測資料精細研究這次地震的破裂分布.
地表破裂的現(xiàn)場地質(zhì)考察無疑是重要和可靠的觀測約束.徐錫偉等(2002)發(fā)現(xiàn)此次地震的最大位錯為~6 m,位于庫塞湖北東93°E~93.5°E一帶,地震地表破裂帶沿70°N~90°W走向展布,由一系列拉開狀張裂縫、張剪切裂縫、以及鼓包或開裂陷坑等斜裂狀組合而成,顯示出純剪切走滑破裂的特征;陳杰等(2003)給出的最大破裂為~6.4 m,與徐錫偉等的結(jié)果較為一致.但是,Lin等(2002)獨立考察得到的結(jié)果與Xu等(2002)等相似,但最大破裂確定為~16.3 m.由于地震破裂沿線海拔多在4000 m以上的終年積雪區(qū)域,很多區(qū)域人力無法到達,或難以獲得資料,極大的增加了地表科考和地震的研究難度,截至目前對該區(qū)域的破裂分布和破裂深度還存在很多爭議,這一系列研究結(jié)果表明運用不同資料、不同方法和模型得到的破裂尺度、最大破裂位置等均存在較大差異.因此,采用其他近場觀測數(shù)據(jù)進行反演是必要的.
GPS和InSAR等大地測量觀測資料提供了近場觀測的有效手段.運用InSAR數(shù)據(jù)反演位錯破裂最大值如下:Lasserre等(2005)的結(jié)果為~8 m;單新建等(2004)結(jié)果為~7.4 m;萬永革等(2008)運用InSAR及GPS數(shù)據(jù)采用直立及改變斷層傾角等方法進行反演,得到的結(jié)果為~7 m.大部分研究結(jié)論表明,最大地表位錯幅度集中在6~8 m范圍,而相關位錯的觀測點不同而得到的觀測值也有所不同,表明本次地震處于高海拔及部分冰川區(qū)域,考察難度十分艱巨,而且地震破裂區(qū)域基本處于地震監(jiān)測的空白區(qū)域,所以,根據(jù)少數(shù)觀測點很難很好地確定地下及地表的位錯分布,需要借助多種方法進行綜合分析.
對地震形變的研究在最近幾十年中取得了較大的發(fā)展,Okada(1992)推導了半無限空間模型中地震引起地表形變的解析解,并且由于計算速度快、精度高,這種方法得到了廣泛的應用.然而,隨著觀測資料的豐富,人們發(fā)現(xiàn)地球介質(zhì)的不均勻性對同震和震后形變有一定影響.譬如,使用半無限空間模型反演得到的斷層深度大于真實的斷層深度,并且反演的滑移量也偏大(Savage, 1998;Cattin et al.,1999).均勻半無限空間介質(zhì)模型在研究地震形變過程時已顯得過于簡單,因此,有必要采用更接近真實的層狀地球模型進行相關研究.
基于上述因素,Wang等(2003, 2006,2007,2011,2013),Wang(2005)發(fā)布了基于分層介質(zhì)模型中地震位錯造成的地表形變的正反演程序PSCMP及SDM,可依據(jù)地震性質(zhì)及地表斷層建立破裂模型,結(jié)合GPS、InSAR、強震等資料進行地表破裂和地下位錯聯(lián)合反演,更為精細地解決了模型的建立與實際地震破裂的關系,這套計算程序得到很多震例的驗證和廣泛的應用(Wang,2005;Wang et al.,2009,2011;刁法啟,2011;金明培等,2014).在昆侖山口西8.1地震已有的測量資料反演研究中,格林函數(shù)計算主要是基于Okada的彈性半無限空間模型進行的.本文基于分層模型,收集了地表破裂、GPS及InSAR數(shù)據(jù),采用SDM方法對這次地震進行地下位錯反演,以得到更準確的地下位錯分布及應力分布等信息.
2數(shù)據(jù)及模型建立
結(jié)合青海省地震局與中國地震局地殼應力研究所(1999)對東昆侖活動斷裂帶的研究結(jié)果,斷層跡線模型參考徐錫偉等(2002),Xu等(2002),陳杰等(2003)對本次地震的地表考查數(shù)據(jù),以及結(jié)合USGS給出的斷層模型而成,建立了破裂長度約425.43 km的地表破裂模型.InSAR結(jié)果采用Lasserre等(2005)給出的數(shù)據(jù),如圖2所示,包含四幅干涉圖,共4468個數(shù)據(jù)點,這些干涉圖自東向西分別為T362、T133、T405及T448.GPS數(shù)據(jù)來自于萬永革等(2008)的工作(見圖1b及圖7).
圖1 昆侖山口西8.1級地震余震及鄰近區(qū)域GPS觀測點分布圖Fig.1 The distribution of aftershock and GPS station near the MS8.1 region
圖2 Insar數(shù)據(jù)處理(a) 觀測數(shù)據(jù); (b) 校正數(shù)據(jù); (c) 殘差.Fig.2 InSAR data processing(a) Observation data; (b) Correction data; (c) Residual.
如圖2所示,由于InSAR數(shù)據(jù)有4幅干涉圖,每幅圖在斷層南部和北部分別存在不同的偏離,需要分別進行校正.本文根據(jù)地表斷層的分布,將這四幅干涉圖以地表破裂軌跡線為界劃分為8幅干涉圖,并去除離斷層太近或者壓在斷層線上的數(shù)據(jù),再根據(jù)軌道參數(shù)通過反演予以校正.在最初反演時,最東面干涉圖(T362)的數(shù)據(jù)很難與其它三組數(shù)據(jù)較好的結(jié)合,本文通過權(quán)重設置和多次擬合,得到了該圖的offset數(shù)值,對該圖進行了單一校正,之后,將所有數(shù)據(jù)按統(tǒng)一權(quán)重1.0進行計算,考慮到GPS觀測只有34組數(shù)據(jù),比InSar資料數(shù)據(jù)點相差約兩個數(shù)量級,故設置其權(quán)重為100.
對于震源參數(shù)的確定,不同機構(gòu)給出的震源機制解的震級、震源深度及空間分布見表1,這些機構(gòu)的震源機制解以及地表考察結(jié)果,均表明地震破裂為左旋走滑性質(zhì),并得出斷層總體破裂趨勢及走向變化范圍為94°~113°,傾角變化范圍為61°~90°,震源深度范圍為15~38 km.為本文構(gòu)建斷層模型提供了參考依據(jù).
表1 不同研究機構(gòu)給出的震源參數(shù)
3反演方法及原理
研究區(qū)域處于高海拔的無人區(qū)域,惡劣的氣候和環(huán)境使得地震數(shù)據(jù)收集極端困難,慶幸的是,在2001年MS8.1級地震發(fā)生前,青海省地震局與中國地震局地殼應力研究所在上個世紀90年代(1999)對東昆侖活動斷裂帶做了較為深入的研究,獲得了很多寶貴資料.地震發(fā)生后,青海省地震局協(xié)同中國地震局派出的地質(zhì)、地震與大地測量多學科考察隊進行現(xiàn)場監(jiān)測科考,對該地震進行了綜合科學考察及斷層追蹤,獲得了一系列有意義的地表觀測資料(徐錫偉等,2002; Xu et al.,2002;黨光明和王贊軍,2002;陳杰等,2003),將這些考察測量的地表破裂點連接起來組成了一條長~426 km的斷層破裂跡線,本文的斷層跡線模型就是參考這些地表考查數(shù)據(jù)和USGS的地表破裂模型而成.
本文采用Wang等(2013)提出的SDM方法,根據(jù)相關資料建立震后斷層模型,公式為
(1)
其中,x為與斷層有關的參數(shù),包括斷層長度、寬度、
位置、走向、傾角、滑移量,ε為誤差;y為地表觀測值.在斷層的幾何參數(shù)都確定后,位錯模型的反演問題就可以轉(zhuǎn)化為一般的線性反演問題,公式為
(2)
式(2)中,G為格林函數(shù),是運用位錯理論根據(jù)彈性半無限空間或分層地球模型計算的,b為地下斷層面的滑動量,y代表地表觀測量,為獲取較高的分辨率,而將斷層面劃分為很多的小區(qū)塊,b代表每個子斷層面上的滑移量.計算格林函數(shù)的所選取的地下分層介質(zhì)模型參數(shù)見表2.公式為
(3)
式(3)中,為根據(jù)整個斷層的位錯分布得出剪切應力降,H為相關位移幅度的權(quán)重因子與拉普拉斯算子有限差分近似,s為地下斷層面的滑動量,y代表地表觀測量,α為平滑因子.
關于介質(zhì)模型的選取,前人研究發(fā)現(xiàn)地球介質(zhì)的分層對同震形變場有一定的影響(Du et al.,1994; Savage,1998;Cattin et al.,1999;Hearn et al.,2002),本文選用分層模型進行計算,根據(jù)相關資料收集(李永華等,2006;王衛(wèi)民等,2008),建立的地下介質(zhì)模型參數(shù)如表2.
表2 地下分層介質(zhì)模型參數(shù)
4結(jié)果與分析
參考已有的研究工作(徐錫偉等,2002; Xu et al.,2005;黨光明和王贊軍,2002;陳杰等,2003;喬學軍等,2002;沈正康等,2003; Lin et al.,2003;單新建等,2004;許力生和陳運泰,2004;任金衛(wèi)和王敏,2005;馬超和單新建,2006;Lasserre et al.,2005;萬永革等,2008),本文將斷層面寬度設為20~35 km, 傾角變化范圍為75°~85°,破裂長度設定為425.43 km,每5 km×5 km作為一個子斷層面,分別以GPS數(shù)據(jù)、InSAR數(shù)據(jù)及聯(lián)合InSAR、GPS的數(shù)據(jù)資料,運用SDM程序進行反演,共進行了300余次嘗試計算,最終發(fā)現(xiàn)傾角在83°時殘差最小,故本文以83°作為反演斷層的傾角.為確定合理的斷層位錯分布,需選取合適的平滑因子α,本文采用位錯模型的粗糙度和數(shù)據(jù)吻合程度之間的折中曲線來確定α,如圖3所示,最終取光滑因子α=0.08.運用分層介質(zhì)模型得到的地下位錯分布見圖4a,主要錯動以左旋走滑為主,表明本次地震是一次左旋走滑的地震事件,但同時在20~40 km、180~240 km等區(qū)域存在少許正斷層分量的破裂.本次地震的主要破裂發(fā)生于深度15 km以上,平均位錯量約1.64 m,近地表最大位錯為~6.9 m,位于北緯35.76°,93.40°附近;矩震級為MW7.83,數(shù)據(jù)模型的擬合相關系數(shù)為0.996,平均應力降為1.3 MPa,最大應力降為8.3 MPa,應力變化分布見圖5.圖4b為運用均勻介質(zhì)模型計算的結(jié)果,近地表最大位錯為3.89 m,數(shù)據(jù)模型的擬合相關系數(shù)僅為0.426,表明均勻介質(zhì)模型在計算本次地震的可靠性遠不如分層模型的結(jié)果.
圖3 位錯模型粗糙度和數(shù)據(jù)吻合程度之間的折中曲線Fig.3 The curve of slip roughness and misfit
圖4 地震斷層面滑動分布Fig.4 The slip distribution on earthquake fault plane
圖5分別為運用GPS、InSAR及GPS+InSAR數(shù)據(jù)計算得到的應力變化分布情況,沿斷裂走向(strike)的應力變化劇烈部分與地下位錯破裂較大區(qū)域基本一致;沿傾向(dip)的應力變化分為幾個區(qū)域,但幅度比走向小的多,表明本次地震以純走滑斷層為主;正應力(normal)變化分布表明斷層東部區(qū)域為應力增強區(qū)域,西部為應力減弱區(qū)域.
圖6為以經(jīng)度為參考數(shù)據(jù)得出的地表破裂分布圖與地表考察數(shù)據(jù)對比圖,其中圖6a為GPS數(shù)據(jù)反演出的地表破裂與地表考察數(shù)據(jù)的對比圖,最大位錯為8.6 m,圖6b為InSAR數(shù)據(jù)反演出的地表破裂與地表考察數(shù)據(jù)的對比圖,最大位錯為6.8 m,圖6c為GPS+InSAR數(shù)據(jù)計算得出的地表破裂數(shù)據(jù)分布與地表考察數(shù)據(jù)的對比圖,最大位錯為6.9 m.由于GPS數(shù)據(jù)較少,僅依靠GPS的數(shù)據(jù)只能給出宏觀變化情況,比較粗略;而結(jié)合GPS及ISAR數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演,得到的反演結(jié)果應更為可靠,相應的結(jié)果與前人的地表考察結(jié)果最大破裂位置基本一致,震級也比較吻合.
根據(jù)破裂尺度,由圖4至圖6均可以明顯看出,本次地震的剖面存在3個破裂尺度較大的區(qū)域,表明此次地震的破裂過程十分復雜.分析認為,本次地震是由3次較大的子事件連貫破裂而成,事實上,也只有這樣才能更好的解釋~426 km的地表破裂尺度.同時,縱向剖面可以看出,地下主要位錯破裂深度范圍在10 km以上,甚至更小,位錯大于4 m以上的破裂深度集中在10 km以上的斷層上,位錯2 m以上破裂可達20 km.
圖5 地震斷層面應力變化分布(GPS、InSAR and GPS+InSAR)Fig.5 Stress distribution on the fault (GPS, InSAR and GPS+InSAR)
圖6 地表考察數(shù)據(jù)與地震模型計算的對比Fig.6 The comparison between surface slips from field investigation and slip inversion
圖7 地表破裂跡線、GPS觀測數(shù)據(jù)與質(zhì)點位移解算對比Fig.7 The fault trace and the compared of GPS observation data and particle displacement data
許力生和陳運泰(2004)采用地震波形資料的反演結(jié)果認為本次地震事件是由3次子地震破裂而成,并給出了破裂尺度和破裂速度,Xu等(2005)地質(zhì)考察研究也認為本次地震是由3次子地震破裂構(gòu)成,并且自西向東給出了相應子地震的震級,即由MW=6.8,MW=6.2和MW≤7.8的3次地震破裂事件組成,其中東段MW≤7.8級地震為昆侖山口西地震的主震,本文的破裂分布和尺度及規(guī)模與這些結(jié)論比較吻合.與上述系列研
究成果對比表明,本文的地下位錯反演的可靠性是比較高的.由此,可以展開更多方面的分析和討論,在地表破裂的問題上,與前人的地表科學考察結(jié)果基本吻合,但在91°~91.5°E之間存在較大的差別,可能的原因如下:一方面是GPS及InSAR在本段斷層兩側(cè)近距離的可用數(shù)據(jù)較少或沒有,另一方面原因是這個區(qū)域?qū)儆谟尚绷械膹埿粤严?、張性破裂、張剪切走滑破裂、剪切走滑破裂和鼓包等破裂單元組合而成,破裂寬度較大,很難定量測量,或隨著震后的塌方滑坡等因素,而造成地表觀測的不同.
圖7為不同機構(gòu)給出的震源分布及根據(jù)計算得到的地表質(zhì)點位移分布與GPS觀測數(shù)據(jù)的對比圖,表明本文計算的結(jié)果與GPS觀測值比較相近,進一步顯示了本研究結(jié)果的可靠性.
5結(jié)論及討論
5.1結(jié)論
本文分別以GPS、InSAR數(shù)據(jù),及InSAR+GPS數(shù)據(jù)為觀測數(shù)據(jù),采用分層介質(zhì)模型反演了2001年11月14日昆侖山口西8.1級(MW7.8)地震的地下位錯模型.通過比較和分析,認為InSAR+GPS數(shù)據(jù)得出的計算結(jié)果更為接近地表考察結(jié)果,同時也發(fā)現(xiàn)本次地震在局部區(qū)域含正走滑分量,最大的位錯破裂為~6.9 m,平均位錯破裂為1.64 m,位錯大于4 m的破裂范圍處于地下10 km以上,2 m以上的位錯破裂主要分布在地下20 km以上,表明本次地震破裂主要發(fā)生在上地殼淺層,根據(jù)斷層破裂面的破裂尺度及其空間分布,可將本次地震劃分為3組不同尺度的子地震.
5.2討論
在與徐錫偉等(2002)和陳杰等(2003)的地表科學考察及觀測結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)除了在91°E~92°E有明顯的差異之外,其它區(qū)域觀測值與本模型計算出的結(jié)果基本吻合,考慮到徐錫偉等在這一區(qū)域用“?”表示該處觀測的不確定性,本文的位錯模型可在一定程度上彌補這一區(qū)域的考察數(shù)據(jù)缺失的問題.同時,本文提出該地震是由3次子地震事件構(gòu)成,與徐錫偉等(2002),許力生和陳運泰(2004)的研究結(jié)果基本一致.在與Lasserre等(2005)僅采用InSAR數(shù)據(jù)計算得出的結(jié)果相比時,破裂形態(tài)大體相似,但他給出的破裂帶內(nèi)存在大范圍的0值區(qū)域,而本文結(jié)合InSAR+GPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演結(jié)果中,基本不存在0值區(qū)域,滑動分布更為光滑,理論上應更接近斷層破裂的物理圖像.
結(jié)合前人研究成果分析認為,本文對昆侖山口西MS8.1級地震的反演結(jié)果與地表考察及眾多專家學者用不同方法反演得到的結(jié)果共同點居多,印證了徐錫偉等(2002),許力生和陳運泰(2004)提出的3次子地震事件分析結(jié)果、在最大位錯破裂點上和大部分專家學者較為一致,在最大位錯量方面,去掉最高值16.3 m(Lin et al.,2004)和最低值2.2 m(許力生和陳運泰,2004)后,本文的結(jié)果與其他結(jié)果的平均值相當.
本文在反演時,運用分層模型,根據(jù)地表破裂軌跡特征對斷層進行了簡化,采用一個~425.43 km較為單一的斷層面,以5 km×5 km子斷面作為計算單元,可能忽略了斷層的局部效應,但總體結(jié)果表明,計算結(jié)果與地表考察結(jié)果是比較一致的.
致謝在論文的修改過程中,得到了編委老師及幾位審稿人的寶貴意見和建議對本文質(zhì)量的提高有很大幫助,在此一并致以謝忱!
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(本文編輯劉少華)
基金項目中國地震局星火計劃(XH16039)、人社部擇優(yōu)計劃項目、地震行業(yè)專項(201408023)及國家留學基金聯(lián)合資助.
作者簡介屠泓為,男,1977年生,副研究員,主要從事測震及地震綜合研究工作. E-mail:tuhongwei33@sina.com *通訊作者汪榮江,德國地球科學研究中心(GFZ)高級研究員. E-mail:wang@gfz-potsdam.de
doi:10.6038/cjg20160616 中圖分類號P315
收稿日期2015-10-11,2016-02-19收修定稿
Slip model of the 2001 Kunlun mountainMS8.1 earthquake by SDM: joint inversion from GPS and InSAR data
TU Hong-Wei1,2,WANG Rong-Jiang2*, DIAO Fa-Qi3, ZHANG Yong4, WAN Yong-Ge5, JIN Ming-Pei6
1EarthquakeadministrationofQinghai,Xining8100012GFZGermanResearchCentreforGeosciences,Potsdam14473,Germany3InstituteofGeodesyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan4300774SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing1008715InstituteofDisaster-preventionScienceandTechnology,Yanjiao,Beijing1016016OfficeoftheWesternYunnanEarthquakePredictionStudyArea,ChinaEarthquakeAdministration,YunnanDali671000,China
AbstractFor the 2001 MS8.1 Kunlun earthquake, which was one of the largest events occurred around the Tibet plateau, a large controversy still exists about its rupture detail. In this paper,we invert the co-seismic GPS and InSAR data for a robust finite-fault model of the Kunlun earthquake based on a realistic fault geometry buried in a layered earth structure. The inversion is based on the constrained least-squares principle and realized using the steepest decent method (SDM). The different data sets are weighted according to their variance and spatial coverage. The results show that the slip maximum can reach up to ~6.9 m and is located at 35.76°N and 93.40°E. The main rupture area is located at the shallow depth above 20 km. The inverted shallow slip agrees with the surface rupture observed by the field survey, and the whole slip pattern appears generally consistent with the results obtained from previous geological and seismic wave studies.
KeywordsWest Kunlun mountain MS8.1 earthquake; Slip distribution; Slip inversion
屠泓為, 汪榮江, 刁法啟等. 2016. 運用SDM方法研究2001年昆侖山口西MS8.1地震破裂分布:GPS和InSAR聯(lián)合反演的結(jié)果.地球物理學報,59(6):2103-2112,doi:10.6038/cjg20160616.
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