Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)約束的2018年謝通門MW5.8地震同震破裂模型

倪乙鵬 聶兆生 熊 維 陳 威 余鵬飛

1 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

2018-12-24西藏日喀則市謝通門縣發(fā)生地震，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心(CENC)公布的震級為MW5.8，震中為30.27°N、87.64°E，震源深度為8 km。USGS和GCMT也給出了此次地震的震源機(jī)制，但不同機(jī)構(gòu)基于遠(yuǎn)震體波數(shù)據(jù)計(jì)算的地震震中位置差別較大[1]，從而使本次地震孕震斷層的判定存在爭議。

謝通門地震發(fā)生于青藏高原中南部，該區(qū)域地形復(fù)雜，北高南低，以高原山丘為主，位于甲崗-定結(jié)斷裂、嘉黎-然烏斷裂與察倉-德來斷裂附近。其中，嘉黎-然烏斷裂自西向東橫跨青藏高原，具有右旋剪切特征，全新世以來活動(dòng)性較弱[2]；察倉-德來斷裂也呈EW向展布，具右旋走滑兼逆沖性質(zhì)[3]；甲崗-定結(jié)斷裂，又稱申扎-定結(jié)斷裂，是一條大型的NS向正斷裂，第四紀(jì)以來活動(dòng)劇烈，近年來有記錄的地震包括1934年申扎7級地震、1980年申扎6.6級地震、謝通門與定結(jié)附近10次以上大于6級的地震及沿線多次3～6級中小型地震。僅通過目前的遠(yuǎn)震體波資料難以準(zhǔn)確判斷2018年謝通門地震的孕震斷層，而空間分辨率較高的大地測量數(shù)據(jù)可對本次地震的震中位置和滑動(dòng)分布進(jìn)行有效約束。

利用大地測量技術(shù)獲取近場同震形變是目前研究地震的震源機(jī)制和發(fā)震斷層滑動(dòng)分布的重要手段。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(DInSAR)技術(shù)利用2景地點(diǎn)相同、拍攝角度相近的合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像間的相位差進(jìn)行測量，通過引入外部數(shù)字高程模型(DEM)，可提取高精度、大面積的連續(xù)地表形變場，因此在地震形變監(jiān)測中具有很大優(yōu)勢[4]。國內(nèi)外學(xué)者將DInSAR技術(shù)廣泛應(yīng)用于地震研究中[5]，在同震形變的基礎(chǔ)上，通過建立彈性位錯(cuò)模型可反演地震的同震滑動(dòng)分布[6]。

本文利用Sentinel-1衛(wèi)星升降軌數(shù)據(jù)獲取謝通門地震的同震形變場，并基于均勻彈性半無限位錯(cuò)模型反演該地震的同震滑動(dòng)分布模型，精確判定地震的發(fā)震位置及孕震斷層，同時(shí)探討本次地震周邊區(qū)域主要斷裂的地震危險(xiǎn)性。

1 InSAR數(shù)據(jù)處理

本文使用的InSAR數(shù)據(jù)來源于歐空局Sentinel-1 IW模式影像(表1)，升降軌數(shù)據(jù)各2景，采用ENVI SARscape工具利用二軌差分干涉測量法(DInSAR)進(jìn)行處理。由于影像覆蓋范圍廣，且本文形變區(qū)域較小，大范圍未發(fā)生形變的區(qū)域參與計(jì)算容易引入誤差，因此先選擇合適區(qū)域裁剪影像[7]，將距離向視數(shù)和方位向視數(shù)按照4∶1進(jìn)行多視處理，采用加權(quán)功率譜法進(jìn)行濾波并生成干涉圖；然后添加30 m分辨率SRTM數(shù)字高程模型消除地形相位，并使用最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏，將雷達(dá)坐標(biāo)系的形變圖通過地理編碼轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下，即可獲取視線向(LOS)同震形變場(圖1)。

升降軌所采用的時(shí)間基線較短，因此獲得的干涉條紋特征清晰，相干性較好。從圖1可以看出，升軌同震形變場呈橢圓形，長軸走向南北，整體表現(xiàn)為沉降趨勢，最大沉降量為0.049 m，主要分布在甲崗-定結(jié)斷裂西側(cè)。降軌成像方式與升軌不同，因此會(huì)略有差異，但降軌同震形變場與升軌范圍基本一致，仍表現(xiàn)為沉降趨勢，最大沉降量為0.051 m。

表1 Sentinel-1A升降軌影像信息

圖1 謝通門地震同震形變場Fig.1 Coseismic deformation field of the Xaitongmoin earthquake

為提高計(jì)算效率，利用四叉樹法對InSAR同震形變場進(jìn)行降采樣。將形變梯度閾值設(shè)定為0.40，并縮小采樣范圍，盡可能選取形變區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，共得到1 194個(gè)LOS向數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中升軌數(shù)據(jù)573個(gè)，降軌數(shù)據(jù)621個(gè)，可極大程度地保留形變場的特征。

2 滑動(dòng)分布反演

本文以O(shè)kada位錯(cuò)模型為基礎(chǔ)[8]，采用基于約束條件下的最小二乘原理和最速下降法進(jìn)行發(fā)震斷層的同震滑動(dòng)分布反演。

根據(jù)InSAR升降軌同震形變場可初步判定斷層的空間位置。斷層大小一般大于InSAR形變范圍，因此將斷層長度和寬度均設(shè)定為30 km，并按照2 km×2 km范圍將斷層分成15×15個(gè)子斷層。由于本次地震破裂未出露地表，且區(qū)域斷層信息較少，僅通過InSAR形變場圖像難以確定斷層傾向。本文根據(jù)USGS給出的震源參數(shù)(表2)建立東傾和西傾2組斷層模型，在固定斷層走向的前提下分別進(jìn)行格網(wǎng)搜索，獲取最優(yōu)傾角(圖2)，最終確定西傾模型傾角為47°，走向?yàn)?08°，東傾模型傾角為45°，走向?yàn)?41°，進(jìn)而獲得不同節(jié)面上的滑動(dòng)分布模型(圖3)及殘差分布(圖4)。

表2 2018年謝通門地震震源參數(shù)

圖3 2018年謝通門地震的同震滑動(dòng)分布模型Fig.3 Coseismic slip distribution model of the Xaitongmoin earthquake in 2018

從圖3可以看出，整個(gè)斷層以正傾滑動(dòng)為主，伴有少量左旋走滑分量，滑動(dòng)分布較為集中，主要分布在2～12 km深度范圍內(nèi)，平均滑動(dòng)量為0.02 m，最大滑動(dòng)量為0.10 m。地震震中為30.27°N、87.75°E，震源深度為6.58 km，釋放地震矩為5.056×1017Nm，相當(dāng)于矩震級MW5.7，與GCMT和USGS的結(jié)果基本一致。

從圖4可以看出，西傾模型的平均殘差為2.7 mm，最大殘差為12 mm；東傾模型的平均殘差為3.5 mm，最大殘差為16 mm。相比于東傾模型，西傾模型能夠更好地解釋InSAR觀測值，因此本文認(rèn)為西傾節(jié)面可能是本次地震的發(fā)震節(jié)面。

3 討 論

由LOS向形變場可知，謝通門地震的同震形變以沉降為主，斷層走向?yàn)?08°，傾角為47°，以正傾滑動(dòng)為主，表明發(fā)震斷層應(yīng)為NS向正斷層。一般來說，30°～60°是活動(dòng)斷層傾角的典型觀測范圍，Wang等[1]結(jié)合前人的研究成果計(jì)算表明，發(fā)生在甲崗-定結(jié)斷裂的4次地震傾角均為30°～60°，本文反演得到的謝通門地震的發(fā)震斷層傾角為47°，與該結(jié)論相符。

震中附近的嘉黎-然烏斷裂、察倉-德來斷裂均為EW向走滑斷裂，且學(xué)者們普遍認(rèn)為嘉黎-然烏斷裂具有右旋走滑特征。田云峰等[9]研究認(rèn)為，嘉黎-然烏斷裂具有由南向北的逆沖性質(zhì)，與本文結(jié)果存在差異，而具有右旋走滑兼逆沖性質(zhì)的察倉-德來斷裂也不是本次地震的發(fā)震斷層[10]。

已有資料表明，甲崗-定結(jié)斷裂為大型拉張型NS向正斷層，地質(zhì)活動(dòng)頻繁。Wang 等[1]以InSAR和體波地震學(xué)作為約束，對3個(gè)發(fā)生在甲崗-定結(jié)斷裂的MW5.5以上地震進(jìn)行研究，得到震源機(jī)制解(表3)。通過對比表3和本文結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地震均發(fā)生在甲崗-定結(jié)斷裂西側(cè)，地理位置上分布較近，同時(shí)震源深度都在5～15 km范圍內(nèi)。Wang等[1]認(rèn)為GCMT和USGS估算的震源深度較深，是因?yàn)楹茈y從長周期的體波和面波中確定淺層地震的深度，這也證明了本文震源深度結(jié)果的可靠性。從斷層參數(shù)來看，傾角、滑動(dòng)角和走向雖存在一定差異(可能為地理位置及數(shù)據(jù)差異等因素引起)，但震源機(jī)制反映發(fā)震斷裂均為NS向且具有正斷傾滑性質(zhì)的斷層。由于震中距離甲崗-定結(jié)主斷裂較遠(yuǎn)，本文認(rèn)為此次謝通門地震的發(fā)震斷裂為甲崗-定結(jié)斷裂的分支斷層，這與王金鑠等[11]的結(jié)論(發(fā)震斷層為次級隱伏斷裂)具有較好的一致性。

表3 甲崗-定結(jié)斷裂3次地震的震源機(jī)制解

曹忠權(quán)等[10]研究認(rèn)為，申扎地區(qū)整體活動(dòng)規(guī)律為平靜-活躍-間歇-活躍-平靜，地震活動(dòng)輪回周期為7～10 a。因此本文統(tǒng)計(jì)了1999～2019年甲崗-定結(jié)斷裂附近(29°～31°N，87°～89°E)的地震信息(表4)，結(jié)果表明，1999～2001年比較平靜；2002～2004年表現(xiàn)較為活躍；2005～2007年發(fā)生微小地震，可能處于間歇期；2008年發(fā)生4次大地震，斷層處于較為活躍狀態(tài)；2009～2017年較為平靜，可能處于能量積累階段；2018年以來地震明顯增多，震級有所增大，斷層逐漸活躍。

圖4 升降軌同震形變場觀測值、模型值與殘差分布Fig.4 The observed value, model value and residual distribution of coseismic deformation field withascending and descending tracks

熊維等[12]研究認(rèn)為，2015年尼泊爾MW7.9地震對青藏高原活動(dòng)斷裂的同震及震后應(yīng)力產(chǎn)生了一定影響，其中甲崗-定結(jié)斷裂的同震及震后庫侖應(yīng)力增加。本文采用PSCMP/PSGRN軟件計(jì)算謝通門地震的同震庫侖應(yīng)力變化，該軟件基于顧及重力的粘彈性半空間分層地殼模型，可有效模擬地震引起的同震應(yīng)力變化?；诘貧そ^對應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則計(jì)算地震發(fā)生后周邊區(qū)域的最優(yōu)破裂方向，并以此計(jì)算該破裂面上的庫侖應(yīng)力變化。從圖5可以看出，嘉黎-然烏斷裂中段應(yīng)力卸載，察倉-德來斷裂中段應(yīng)力小幅增加(<0.01 MPa)，因此這2條斷層的地震危險(xiǎn)性較小?？紤]到該區(qū)域可能存在NS向分支斷層，而應(yīng)力變化表現(xiàn)為中間卸載、南北兩端明顯增加的趨勢(>0.01 MPa)，因此需關(guān)注該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。由于震中距離較遠(yuǎn)，地震震級較小，甲崗-定結(jié)主斷裂的應(yīng)力未發(fā)生較大變化，但2016年MW5.3地震和2018年謝通門MW5.8地震均發(fā)生在其次級斷裂上，表明甲崗-定結(jié)斷裂的活動(dòng)性增強(qiáng)，需關(guān)注其強(qiáng)震危險(xiǎn)性[11]。

表4 1999～2019年研究區(qū)各級地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 謝通門地震的同震庫侖應(yīng)力變化Fig.5 Coseismic Coulomb stress changes of the Xaitongmoin earthquake

綜上分析認(rèn)為，甲崗-定結(jié)斷裂可能處于地震活躍期，未來仍存在發(fā)生MW6.0左右地震的可能。

4 結(jié) 語

本文通過收集Sentinel-1衛(wèi)星升降軌的影像數(shù)據(jù)來獲取2018年謝通門地震的同震形變場，并基于Okada位錯(cuò)模型反演同震滑動(dòng)分布模型，得到以下結(jié)論：

1)InSAR獲取的同震形變場長軸大體呈南北走向，升降軌最大形變量分別為0.049 m和0.051 m。

2)基于大地測量數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，西傾節(jié)面更可能為2018年謝通門地震的發(fā)震節(jié)面。西傾模型表明平均滑動(dòng)角約為-90°，說明2018年謝通門地震為典型的正傾滑動(dòng)事件。本次地震主要滑動(dòng)位于2～12 km深度范圍內(nèi)，平均滑動(dòng)量為0.02 m，最大滑動(dòng)量為0.10 m。

3)通過對比本文結(jié)果與甲崗-定結(jié)斷裂歷史地震的震源機(jī)制認(rèn)為，此次地震的發(fā)震斷層為甲崗-定結(jié)斷裂的分支斷層。