2021年云南漾濞MS6.4地震同震地表形變與斷層滑動分布

王紹俊 劉云華 單新建 屈春燕 張國宏 解朝娣 趙德政 范曉冉 華 俊 梁詩明 張克亮 代成龍

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029 2)云南大學，地球科學學院，地球物理系，昆明 650500

0 引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心 CENC[注]http: ∥www.csi.ac.cn。測定，北京時間2021年5月21日，云南漾濞縣發(fā)生MS6.4地震，地震共造成3人遇難、32人受傷，震中區(qū)域部分房屋建筑遭受了不同程度的損害。地震發(fā)生后，中國地震局啟動了科學考察應(yīng)急響應(yīng)，多家科研單位參與其中，綜合多種手段對漾濞地震的同震地表形變特征、震源機制、地震序列演化、野外活斷層活動、工程震害調(diào)查、地震孕震環(huán)境和地震成核機制等開展了研究。

漾濞地震發(fā)生后，國內(nèi)外不同機構(gòu)相繼給出了震源機制解(表1)，所有地震學震源機制解均顯示本次地震的發(fā)震斷層為右旋走滑斷裂，然而漾濞地震科學考察組提供的余震精定位結(jié)果卻表明漾濞地震破裂面遠離已知斷層，暗示著該區(qū)域構(gòu)造的復(fù)雜性和地震風險評估形式的嚴峻性。

表1 不同機構(gòu)給出的云南漾濞地震的震源機制解Table1 Source parameters of the Yangbi，Yunnan earthquake from different agencies

本文利用Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)獲取了漾濞地震的同震形變場，結(jié)合震區(qū)的GNSS同震形變場研究漾濞地震的同震形變特征和斷層面破裂特征，并基于此分析漾濞地震對區(qū)域斷層的地震危險性影響，最后討論了漾濞地震對紅河斷裂研究的啟示與待解決的科學問題。

1 構(gòu)造背景

在印度板塊持續(xù)的NE向推擠作用下，青藏高原內(nèi)部塊體不斷發(fā)生E向擠出運動(鄧起東等，2014)，在東邊界受到四川盆地的強烈阻擋之后，開始以東構(gòu)造結(jié)為中心發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，向中南半島方向持續(xù)推擠，在川滇地區(qū)形成了千溝萬壑的橫斷山脈。由于運動速率的差異，在川滇地區(qū)內(nèi)部形成了一系列巨型走滑斷裂： 維西-喬后-巍山斷裂、紅河斷裂、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、大涼山斷裂帶和小江斷裂等(圖1)。其中，鮮水河斷裂、安寧河斷裂和則木河斷裂構(gòu)成了川滇菱形塊體的東邊界，而維西-喬后-巍山斷裂和紅河斷裂作為主要斷裂控制著川滇塊體的西南邊界區(qū)域的地殼形變過程。

圖1 漾濞地震區(qū)域的構(gòu)造背景圖Fig. 1 Tectonic setting of the Yangbi region.紅色箭頭代表GPS速度場(Wang et al.，2020)； 不同顏色的沙灘球代表歷史地震； 黑色沙灘球代表USGS給出的震源機制解； 黑色實線矩形分別代表獲取的Sentinel-1A/B升軌SAR影像范圍； 黑色虛線矩形框代表1A降軌SAR影像范圍； 藍色矩形表示圖1b； 圖1b中的紅色箭頭為本次地震獲得GNSS同震位移(由甘衛(wèi)軍私人通訊提供)； 黃色五角星代表中國地震臺網(wǎng)中心給出的震中； 黑色五角星代表漾濞縣城； 紅色直線為跨斷層方向； 不同顏色的圓點代表主震發(fā)生后3h內(nèi)的余震。圖1c為 沿AB的跨斷層余震投影，圓點大小表示震級大小

就地理位置而言，2021年漾濞地震震中位于川滇菱形塊體的西南邊界，是維西-喬后-巍山斷裂與紅河斷裂相接的部分。紅河斷裂作為青藏高原東南緣的一條重要構(gòu)造分界，經(jīng)歷了早期的大型左旋剪切運動到新近紀以來的右旋走滑運動(向宏發(fā)等，2004)，從北至南分為紅河北段、紅河中段和紅河南段斷裂3段(虢順民等，1996)。維西-喬后-巍山斷裂南與紅河斷裂相連，北與金沙江斷裂相接，新生代以來具有與紅河斷裂和金沙江斷裂相似的運動學特征，可被認為是紅河斷裂的北延部分(常祖峰等，2016)。

震中區(qū)域的構(gòu)造由3條左階右旋斷裂組成，自西向東依次是維西-喬后-巍山斷裂、紅河斷裂北段和紅河斷裂中段，其中維西-喬后-巍山斷裂與震中的垂直距離僅約10km。維西-喬后-巍山斷裂具有較好的野外露頭和詳細的野外填圖結(jié)果，已有研究表明該斷裂走向NW-SE，斷層面的傾向沿走向存在明顯變化，其中在點蒼山北側(cè)附近斷層面傾向NE，傾角為45°～65°(常祖峰等，2016)，然而在點蒼山南端附近斷層面傾向SW，傾角約為75°(任俊杰等，2007)。雁列式的斷層排列和不穩(wěn)定的斷層傾向、傾角變化進一步表明該區(qū)域斷裂演化不成熟、幾何產(chǎn)狀復(fù)雜、應(yīng)力關(guān)聯(lián)緊密。該斷裂最新的活動年代距今約2i200a，平均滑動速率約為1.25mm/a。GNSS和歷史地震震源機制顯示，該區(qū)域受右旋剪切應(yīng)力控制，略帶NE-SW向拉張分量(圖1b)。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心報道，1970年以來，震中50km范圍內(nèi)共發(fā)生MS≥3.0地震145次，其中3.0～3.9級地震108次，4.0～4.9級地震27次，5.0～5.9級地震9次，6.0～6.9級地震1次，震級最大的即為本次地震。GCMT地震目錄顯示，震中區(qū)自1976年以來發(fā)生過多次MW>5.0地震，震源機制大多以右旋走滑為主，個別為正斷地震(圖1)。

2 數(shù)據(jù)處理與形變場分析

由于其自身的觀測優(yōu)勢，如覆蓋面廣、全天候、高精度、成本低等，星載合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)(Differential SAR Interferometry，D-InSAR)已經(jīng)成為地表形變和活斷層運動學特征研究中最為普遍的觀測手段。自1992年Landers地震之后，在近30a內(nèi)InSAR技術(shù)已成功應(yīng)用于100多個地震的研究中，如2001年昆侖山口地震(萬永革等，2008)、2008年汶川地震(張國宏等，2010)、2010年玉樹地震(屈春燕等，2013)和2017年九寨溝地震(單新建等，2017)等。這些研究為深入理解地震動力學過程提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

漾濞地震之后，我們利用主震前、后的4幅Sentinel-1衛(wèi)星升、降軌SAR影像(表2)開展研究，其中2021年5月26日獲取的SAR數(shù)據(jù)為Sentinel-1B，其余數(shù)據(jù)為Sentinel-1A。使用GAMMA軟件(Werneretal.，2000)對InSAR數(shù)據(jù)進行干涉處理，獲取了漾濞地震的同震形變場。具體處理要點如下： 使用日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)[注]https: ∥www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/data/index.htm。發(fā)布的AW3D 30m分辨率數(shù)字高程模型去除地形相位(Farretal.，2007)； 將距離向和方位向的多視比設(shè)為10︰2，以抑制干涉相位噪聲； 采用自適應(yīng)濾波算法(Adaptive spectral filtering)對原始干涉相位圖進行空間濾波，降低解纏難度； 采用最小費流算法(Werneretal.，2000)進行相位解纏； 通過線性擬合法擬合殘余軌道相位誤差，根據(jù)相位與形變量的關(guān)系將相位轉(zhuǎn)化為視線向形變，經(jīng)地理編碼后得到地理坐標系下的同震形變場。利用對流層分層與地形相關(guān)的特性，采用線性模型進行建模，并解算相關(guān)參數(shù)，進而實現(xiàn)對流層分層信號改正的目的。本研究中采用相對簡化的思路，通過求解地形與分層信號的線性模型參數(shù)(Bekaert，2010)，進而重建對流層分層信號的影響。基于該思路，我們對原始干涉圖進行了細致的大氣噪聲校正，該方法能夠在一定程度上抑制大氣噪聲，提高干涉圖質(zhì)量。本文獲取的InSAR升、降軌干涉條紋圖和同震形變場如圖2 所示。

表2 Sentinel-1衛(wèi)星影像的詳細參數(shù)Table2 Details of Sentinel-1 interferograms used in this study

圖2 漾濞MS6.4地震升、降軌同震形變場及形變地形剖線Fig. 2 Ascending and descending coseismic interferograms and deformation fields of the MS6.4 Yangbi earthquake.a 升軌干涉條紋圖； b 升軌干涉位移圖； c 降軌干涉條紋圖； d 降軌干涉位移圖； e 降軌形變剖面圖。黑色沙灘球為USGS的震源機制解，黑色五角星代表CENC發(fā)布的震中

圖2 展示了經(jīng)過大氣校正后的干涉圖，其中降軌形變場的條紋相對較為清晰，長軸大致沿NW-SE向展布，包含2個形變區(qū)。其中，北盤靠近衛(wèi)星視線向運動，最大LOS向形變量約為0.08m，南盤遠離衛(wèi)星視線向運動，最大LOS向形變量約為0.04m。與降軌數(shù)據(jù)不同，升軌數(shù)據(jù)的質(zhì)量較差，僅能夠分辨最大的一個形變中心，該區(qū)域靠近衛(wèi)星視線向運動，最大運動量約為0.07m，剩余部分均為噪聲，這主要是川滇地區(qū)植被覆蓋率高、地形起伏大和多變的大氣條件所致。

需要指出的是，鑒于川滇地區(qū)獨特的自然地理條件，即便經(jīng)過仔細的大氣校正，InSAR數(shù)據(jù)的噪聲污染仍然很嚴重，僅依靠InSAR數(shù)據(jù)難以直接推斷發(fā)震斷層的運動性質(zhì)。但是，InSAR降軌數(shù)據(jù)顯然給出了發(fā)震斷層具體的空間位置，該斷層的走向為NW-SE，遠離已知斷層，位于維西-喬后-巍山斷裂以西約10km處。該結(jié)果與中國地震科學探測數(shù)據(jù)中心對外發(fā)布的余震精定位結(jié)果[注]http: ∥www.Chinarraydmc.cn/highlights/queryPage？mid=44&mpid=28。具有很好的一致性。

3 斷層滑動模型反演與同震庫侖應(yīng)力計算

3.1 斷層滑動模型反演

中國地震局地質(zhì)研究所 “亞失穩(wěn)實驗區(qū)”的連續(xù)GNSS臺站覆蓋了漾濞地震震區(qū)的NW側(cè)區(qū)域，地震發(fā)生后試驗區(qū)科考組迅速獲取了漾濞地震的GNSS形變場[注]https: ∥www.eq-igl.ac.cn/。(甘衛(wèi)軍私人通訊提供)，其中4個GNSS臺站記錄到了顯著的同震形變信號，最大水平位移約為0.05m。本文使用該GNSS同震形變數(shù)據(jù)與獲取的InSAR升、降軌數(shù)據(jù)共同約束漾濞地震的同震滑動模型，以精細刻畫斷層面的運動學特征。

綜合InSAR降軌形變場、震后3h的余震精定位結(jié)果確定了發(fā)震斷層的空間位置和走向，根據(jù)地震學矩張量反演的震源機制估計了斷層的傾角范圍(表1)。我們采用試錯法獲取斷層傾角和傾向，即測試不同斷層傾角和傾向?qū)τ^測數(shù)據(jù)的擬合效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，漾濞地震中 InSAR 與GNSS數(shù)據(jù)對發(fā)震斷層的傾向并不敏感，無論是SW傾向的滑動模型1還是NE傾向的滑動模型2都能夠在誤差允許的范圍內(nèi)擬合InSAR和GNSS數(shù)據(jù)(圖3)。SW傾的斷層模型1所對應(yīng)的升軌數(shù)據(jù)殘差的加權(quán)均方根約為0.8cm，降軌數(shù)據(jù)的殘差加權(quán)均方根約為1.4cm，GNSS的N向殘差約為0.3cm、E向殘差約為0.3cm。NE傾向斷層模型2的升軌數(shù)據(jù)殘差加權(quán)均方根約為0.8cm，降軌數(shù)據(jù)的殘差加權(quán)均方根約為1.6cm，GNSS的N向殘差約為0.2cm、E向殘差約為0.3cm。出現(xiàn)這樣的結(jié)果主要是因為： 1)漾濞地震的發(fā)震斷層為傾角較高的走滑斷裂，微小的傾向變化并不能有效地被InSAR數(shù)據(jù)捕捉到； 2)InSAR大氣噪聲嚴重、GNSS點位稀少。

雖然InSAR/GNSS約束的斷層傾向誤差較大，但2組反演結(jié)果給出了較為可靠的斷層走向和滑動分布： 漾濞地震的發(fā)震斷層走向NW-SE(134.88°)，破裂區(qū)域集中在地下2～10km范圍內(nèi)，長約20km，寬約8km，最大滑動量約為80cm，以右旋走滑為主，略帶正斷分量，地震釋放的標量地震矩約為1.6×1018N·m，矩震級MW6.07?？梢?，InSAR/GNSS給出的震源機制與地震學給出的震源機制一致(表1)。

圖3 SW、NE傾向模型的觀測-模擬-殘差圖Fig. 3 The observations，model simulation and residuals of SW-dipping and NE-dipping fault model.a—c分別對應(yīng)SW傾向升軌InSAR數(shù)據(jù)的觀測值、模擬值和殘差； d—f分別對應(yīng)SW傾向降軌InSAR數(shù)據(jù)的觀測值、模擬值和殘差； g—i分別對應(yīng)NE傾向升軌InSAR數(shù)據(jù)的觀測值、模擬值和殘差； j—l分別對應(yīng)NE傾向降軌InSAR數(shù)據(jù)的 觀測值、模擬值和殘差。黑色虛線是斷層跡線； 黑色、紅色、藍色箭頭代表GNSS數(shù)據(jù)的觀測值、模擬值、殘差

3.2 同震庫侖應(yīng)力計算

漾濞地震發(fā)生在維西-喬后-巍山斷裂與紅河斷裂的交會處，該區(qū)域的地震背景活動性較強，處于背景地震b值預(yù)測模型的低值區(qū)，地震風險較高。漾濞地震的發(fā)震斷層為之前未發(fā)現(xiàn)的活斷層，是維西-喬后-巍山斷裂西側(cè)的一條NW向次級斷裂。除此之外，該區(qū)域已知的斷裂還有紅河北段斷裂和紅河中段斷裂，這些活動斷裂從北到南呈右旋左階排列，均為右旋走滑斷裂，相互之間的垂直距離僅有十幾km。正確評估漾濞地震對周圍活動斷裂的影響、分析周邊斷裂未來的地震風險是當務(wù)之急。

目前，評估庫侖應(yīng)力已經(jīng)成為地震危險性分析的重要手段。我們利用GNSS數(shù)據(jù)和InSAR形變場聯(lián)合約束反演所得的斷層滑動分布結(jié)果，基于彈性半空間模型，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.4(內(nèi)陸走滑型斷層的典型值)，采用Coulomb 3.3軟件(Linetal.，2004)計算了漾濞地震對周邊右旋走滑斷層的庫侖應(yīng)力加載效應(yīng)。分別使用SW傾斷層模型和NE傾斷層模型開展計算，計算結(jié)果(圖5)表明，發(fā)震斷層的傾向?qū)靵鰬?yīng)力計算結(jié)果的影響較為微弱。在7.5km深度的橫截面上，漾濞地震對周邊斷層主要表現(xiàn)為庫侖應(yīng)力卸載作用，僅有紅河斷裂北段部分區(qū)域具有些許庫侖應(yīng)力加載作用，但加載量較小，未達到觸發(fā)水平(0.1bar)。但在15km深度的橫截面上，庫侖應(yīng)力對發(fā)震斷層本身和紅河北段斷裂具有顯著的應(yīng)力加載作用。然而，該區(qū)域的地震活動主要集中在10km以內(nèi)(孫慶山等，2018)，這意味著15km深度附近可能為震間蠕滑區(qū)，并不具備孕震條件。因此，可初步認為MS6.4漾濞地震序列的發(fā)生對周邊的右旋走滑斷裂具有應(yīng)力卸載作用，緩解了周圍斷裂的地震緊迫性。

4 討論

印度板塊向歐亞板塊碰撞，導(dǎo)致青藏高原物質(zhì)向E側(cè)擠出，由于華南塊體阻擋了高原物質(zhì)流動，形成了眾多次級塊體，其中之一便是川滇塊體。川滇塊體順時針運動(徐錫偉等，2003； 王恒等，2019)導(dǎo)致塊體邊界應(yīng)力積聚(Leloupetal.，1995； Jinetal.，2019)，地震頻發(fā)。本次地震發(fā)生在川滇塊體西南邊界，研究本次地震對川滇塊體西南邊界的地震危險性研究有重要意義。由反演所得斷層滑動分布集中在10km深度以內(nèi)來看(圖4c，d)，本次地震是一個淺源斷層破裂事件。InSAR/GNSS約束的斷層滑動分布具有明顯的右旋分量，與區(qū)域斷裂右旋走滑背景一致。由InSAR/GNSS確定的斷層位置、余震精定位的空間分布均表明，漾濞地震的發(fā)震斷層遠離已知活動斷層，與最近的維西-喬后-巍山斷裂也有約10km的距離，因此我們認為發(fā)震斷層為一條未知的活動斷裂。根據(jù)同震破裂的運動特征分析，該斷裂屬于維西-喬后-巍山斷裂與紅河斷裂銜接處的分支斷裂，可能為維西-喬后-巍山斷裂的次級斷層。該斷層與周邊斷層的運動學關(guān)系還需要進一步深入研究。

圖4 SW、NE傾向斷層面上的滑動分布Fig. 4 Coseismic slip distribution inversion result using the SW-dipping and NE-dipping fault model.a SW傾向斷層面的三維滑動分布； b NE傾向斷層面的三維滑動分布； c SW傾向斷層的滑動分布圖； d NE傾向斷層的滑動分布圖

圖5 漾濞地震的同震庫侖應(yīng)力變化圖Fig. 5 Coseismic Coulomb stress change induced by the Yangbi MS6.4 earthquake using the receiving fault as the source fault.

2種傾向的斷層模型，從數(shù)據(jù)擬合的角度來說無法分辨斷層的實際傾向，我們給出了主震發(fā)生后3h內(nèi)ML>1的跨斷層余震投影面(圖1c)，可以看出余震在跨斷層投影面上的分布趨勢顯示了一條SW傾向的高傾角斷層面，由此認為發(fā)震斷層為SW傾向。主震發(fā)生后3h內(nèi)余震活動逐漸減弱，說明斷層運動趨于穩(wěn)定。從目前的余震展布情況來看(圖1b)，余震的分布區(qū)域與模擬的斷層跡線走向一致，且與計算所得斷層主破裂區(qū)地下7.5km深度水平的庫侖應(yīng)力減小的展布方向一致，說明發(fā)震斷層尚處于應(yīng)力調(diào)節(jié)階段。通過計算所得的庫侖應(yīng)力變化可知(圖5)，斷層主破裂區(qū)域處于應(yīng)力釋放狀態(tài)，后續(xù)發(fā)生較強余震的可能性不高。我們認為川滇塊體邊界復(fù)雜的次級斷裂吸收了塊體順時針旋轉(zhuǎn)帶來的應(yīng)力積累，從而調(diào)整了區(qū)域應(yīng)力。而作為其主要邊界之一的紅河斷裂的地震活動性從NW至SE逐漸減弱。對于紅河斷裂的地震危險性研究： 一種觀點認為，紅河斷裂帶作為川滇塊體邊界斷裂的作用正在減弱，其中、南段未來不會有大地震發(fā)生(虢順民等，1984，2001)； 另一種觀點認為紅河斷裂中、南段大地震復(fù)發(fā)周期長，存在發(fā)生大地震危險(Allenetal.，1984)。從紅河北段維西-喬后-巍山斷裂所發(fā)生的云南漾濞地震對于整個紅河斷裂地震危險性的影響來看，漾濞地震是否會觸發(fā)紅河走滑斷裂強震是后續(xù)值得研究的問題。此外，也要關(guān)注紅河北段斷裂和紅河中段斷裂的小地震活動性，盡快厘清維西-喬后-巍山斷裂、紅河北段斷裂和紅河斷裂中段斷裂的幾何關(guān)系。利用GNSS加密觀測和InSAR時序分析強化對紅河斷裂北段、中段的滑動速率、閉鎖深度的約束，正確評估地震危險性。

5 結(jié)論

本文利用升、降軌InSAR數(shù)據(jù)獲取了2021年5月21日漾濞地震同震形變場，并以升、降軌InSAR形變場數(shù)據(jù)和GNSS數(shù)據(jù)作為約束，給出了2種發(fā)震斷層模型，分別計算了2種模型下漾濞地震的同震庫侖應(yīng)力。得到以下結(jié)論：

(1)基于升、降軌Sentinel-1數(shù)據(jù)得到了2021年云南漾濞地震同震形變場，升軌LOS向最大形變量約為0.07m，降軌LOS向最大形變量約為0.08m。升、降軌相同盤的最大形變量正負相反，結(jié)合升、降軌成像的特點，說明發(fā)震斷層以走滑為主。

(2)以升、降軌形變場數(shù)據(jù)為約束，反演了2種斷層模型，分別是SW傾向斷層模型和NE傾向斷層模型，SW傾向斷層的最大滑動量約為0.8m，NE傾向斷層的最大滑動量約為0.6m。2種模型的傾角均為80°，矩震級為MW6.07，破裂集中在地下2～10km深度范圍內(nèi)，地震未破裂到地表。2種模型計算的斷層幾何參數(shù)和滑動分布結(jié)果顯示，發(fā)震斷層為高傾角右旋走滑略帶正斷分量的斷層。結(jié)合主震發(fā)生后3h內(nèi)的余震精定位數(shù)據(jù)，其在跨斷層方向的投影面，顯示一條SW傾向的斷層面，初步判定斷層為SW傾向。

(3)同震形變場展布于維西-喬后-巍山斷裂西側(cè)，由于區(qū)域活斷層構(gòu)造圖并未記錄該破裂斷層，初步認定本次地震的發(fā)震斷層是維西-喬后-巍山斷裂的次級斷裂。計算得到的同震庫侖應(yīng)力結(jié)果表明，本次地震的發(fā)生使得區(qū)域應(yīng)力得到了釋放，該區(qū)域后續(xù)發(fā)生大地震的可能性不大。

致謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供了漾濞地震余震的精定位數(shù)據(jù)； 甘衛(wèi)軍研究員提供了GNSS數(shù)據(jù)； 張迎峰在同震滑動模型反演過程中給予了幫助； 本文部分圖件使用GMT軟件繪制； 審稿人提出了很好的建議使文章更加完善。在此一并表示感謝!