InSAR數(shù)據(jù)約束的2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震發(fā)震構(gòu)造研究

于書(shū)媛,駱佳驥,楊源源,李成龍

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031;2.安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,安徽 亳州 233527;3.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心顯示,2021年5月21日21時(shí)48分34秒在云南大理州漾濞縣(99.87°N,25.67°E)發(fā)生了MS6.4地震,震源深度8 km。隨后發(fā)生多次余震,云南多地州震感強(qiáng)烈,震中漾濞縣太平村多處房屋開(kāi)裂甚至倒塌,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。美國(guó)哈佛大學(xué)(Global CMT)和美國(guó)地調(diào)局(USGS)在震后利用全球臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)得出本次地震的矩震級(jí)均為MW6.1,本文簡(jiǎn)稱本次地震為2021年漾濞MW6.1地震。該地震是繼2017年3月27日大理州漾濞縣7:40:28發(fā)生的MS4.8和7:55:00發(fā)生的MS5.1地震后在滇西北構(gòu)造帶上發(fā)生的又一次強(qiáng)震事件。

根據(jù)美國(guó)地調(diào)局(USGS)和哈佛大學(xué)(Global CMT)給出的震中位置和震源機(jī)制解(表1,圖1)可以看出,漾濞地震震中位于川滇塊體滇西地區(qū),所在塊體向西南運(yùn)動(dòng),附近發(fā)育NW向的南澗—巍山斷裂帶。由于漾濞地震發(fā)震地區(qū)的監(jiān)測(cè)臺(tái)站比較稀疏,研究區(qū)域的地表被植被覆蓋,而傳統(tǒng)的大地測(cè)量技術(shù)是基于離散點(diǎn)的觀測(cè)。目前(截止投稿時(shí))多家機(jī)構(gòu)的定位結(jié)果存在較大差異,且該區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造研究程度較淺,有必要對(duì)發(fā)震構(gòu)造特征進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖1 2021年云南漾濞MW6.1地震震中區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景(圖中沙灘球?yàn)檠ǖ卣鹫鹪礄C(jī)制解)Fig.1 Geological structure background of the epicenter area of the MW6.1 Yangbi earthquake

表1 不同機(jī)構(gòu)給出的2021-05-21漾濞地震震源參數(shù)Table 1 Focal parameters of 2021-05-21 Yangbi earthquake given by different institutions

漾濞地震發(fā)生在橫斷山滇西高山峽谷區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震活動(dòng)頻繁,震中距漾濞縣城9 km,距大理市37 km,距永平縣40 km。附近斷裂構(gòu)造復(fù)雜,斷裂眾多,漾濞地震處于NW向南澗—巍山斷裂的西側(cè),在這條斷裂東側(cè)為蒼山,且還有一條與之平行的紅河斷裂,該斷裂貫穿云南的西部、中部和東南部,控制云南的主要地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),是一條典型右旋走滑斷裂,分為北、中、南段,全長(zhǎng)1 000 km[1-4]。紅河斷裂帶是一條經(jīng)歷長(zhǎng)期演化的塊間構(gòu)造變形帶,經(jīng)歷了古近紀(jì)的大型左旋剪切運(yùn)動(dòng)和新近紀(jì)以來(lái)的右旋走滑運(yùn)動(dòng),第四紀(jì)以來(lái)仍為右旋走滑運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)斷層[5-6]。20世紀(jì)90年代發(fā)展的合成孔徑差分干涉測(cè)量技術(shù)(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry,DInSAR),已在地震發(fā)震構(gòu)造、破裂過(guò)程得到廣泛應(yīng)用,如InSAR在震間和同震形變領(lǐng)域的應(yīng)用研究[7],InSAR同震形變場(chǎng)與震源破裂過(guò)程研究[8]以及InSAR在震后形變及余滑和黏滑模型研究[9]等。InSAR能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得較大范圍的觀測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí)可深入精細(xì)研究地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

本文利用歐空局(ESA,Eurpoean Space Agency)的哨兵1A衛(wèi)星的升降軌SAR數(shù)據(jù)(TPOS模式),運(yùn)用DInSAR技術(shù)重建2021年漾濞MW6.1地震同震形變場(chǎng),在此基礎(chǔ)上聯(lián)合升降軌形變場(chǎng)反演地震發(fā)震斷層參數(shù)和同震滑動(dòng)分布,并對(duì)本次地震的形變場(chǎng)特征、斷層活動(dòng)特征和發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行分析與探討。

1 InSAR同震形變場(chǎng)與分析

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文下載Sentinel-1A 干涉寬幅模式SLC IW L 1.1 數(shù)據(jù)C波段SAR影像作為數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)極化模式為VV極化,距離向和方位向分辨率是5 m×20 m,地震前后升軌和降軌影像參數(shù)如表2所列,其中升軌觀測(cè)時(shí)間為2021年5月20日和2021年6月2日,降軌觀測(cè)時(shí)間為2021年5月10日和2021年5月22日,升降軌的干涉相對(duì)的空間基線分別為26.755 m和-49.708 m,時(shí)間基線為12天,短時(shí)間極大有助于保持主從圖像之間的相干性,獲取高時(shí)間和空間采樣率的同震形變場(chǎng)。DInSAR技術(shù)[7]處理使用的是SARscape商用軟件處理模塊,采用的外部參考DEM數(shù)據(jù)為NASA SRTM DEM(數(shù)據(jù)精度為30 m)用于消除地形相位的影響。采用Goldstein濾波方法對(duì)去平后的干涉圖進(jìn)行濾波,提高干涉條紋的清晰度。利用Minimum Cost Flow(最小費(fèi)流量)相位解纏方法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)相位恢復(fù)。經(jīng)過(guò)軌道精煉和重去平,最后經(jīng)過(guò)地理編碼,將SAR坐標(biāo)系統(tǒng)結(jié)果投影到WGS-84地理坐標(biāo)系下的漾濞地震InSAR同震形變場(chǎng)。

表2 升降軌差分干涉影像參數(shù)Table 2 Parameters of SAR data used in this study form both ascending and decending scenes

1.2 InSAR形變結(jié)果

圖2為利用兩軌DInSAR技術(shù)獲取的2021年漾濞MW6.1升降軌InSAR干涉條紋圖。從圖中可看出同震特征清晰,升降軌InSAR形變干涉條紋顯示相干性較好。從升降軌數(shù)據(jù)得到InSAR形變場(chǎng)(形變方向?yàn)長(zhǎng)OS向)(圖3)。由圖3(a)所示,整體呈現(xiàn)橢圓形狀對(duì)稱分布,覆蓋本次地震震中,中間長(zhǎng)軸大體呈NW向跡線,結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景推測(cè)可能是本次地震的發(fā)震斷層,斷層跡線兩側(cè)形變場(chǎng)存在明顯差異。升軌形變場(chǎng)范圍為南北長(zhǎng)約25 km、東西長(zhǎng)約28 km,正值表明朝著衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng),地表顯示為抬升或向西運(yùn)動(dòng),東盤最大LOS形變量約-9 cm;負(fù)值表明朝著背離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng),地表顯示為沉降或向東運(yùn)動(dòng),西盤最大LOS形變量約10 cm。由圖3(b)所示,降軌形變場(chǎng)范圍為南北長(zhǎng)約21 km、東西長(zhǎng)約18 km,西盤最大LOS形變量約-9 cm,東盤最大LOS形變量約10 cm。從圖4分析東、西盤的條紋和升降軌形變符號(hào)相反特點(diǎn)以及本次地震的發(fā)震構(gòu)造和升降軌LOS向沉降和抬升之間的關(guān)系,形變場(chǎng)特征符合走滑型地震形變特征,本文認(rèn)為2021年漾濞MW6.1地震具有較大的走滑分量且發(fā)震斷層呈NW走向的右旋走滑特征。如圖3所示,兩個(gè)形變場(chǎng)之間位移連續(xù),未出現(xiàn)因地表形變梯度過(guò)大或地表破裂形成的淺地表失相干地區(qū),這種情況表明本次地震斷層深部為破裂至地表,無(wú)法確定具體發(fā)震斷層位置。

圖2 2021年MW6.1漾濞地震InSAR升降軌同震形變場(chǎng)(LOS方向)Fig.2 InSAR coseismic deformation field for the Yangbi MW6.1 earthquake (LOS direction)

圖3 2021年MW6.1漾濞地震InSAR升降軌干涉條紋圖Fig.3 InSAR coseismic interfergram for the Yangbi MW6.1 earthquake

圖4 2021年MW6.1漾濞地震升降軌同震位移剖線測(cè)量結(jié)果Fig.4 The LOS displacement profiles of the ascending and descending deformation field of MW6.1 Yangbi earthquake

2 InSAR震源機(jī)制反演及發(fā)震構(gòu)造分析

2.1 震源機(jī)制反演方法

本文在InSAR同震形變分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,以2021年MW6.1漾濞地震同震形變場(chǎng)為約束條件,利用Okada彈性半空間位錯(cuò)模型反演[10-11],研究該地震發(fā)震斷層的幾何參數(shù)和同震滑動(dòng)分布特征。其主要技術(shù)路線包括:第一步,以升降軌LOS形變場(chǎng)降采樣結(jié)果為約束,采用非線性反演均勻滑動(dòng)的斷層幾何參數(shù);第二步是利用非線性反演方法得到的均勻滑動(dòng)斷層幾何參數(shù),采用線性反演獲得2021年漾濞MW6.1地震斷層面的精細(xì)滑動(dòng)分布。

為獲得漾濞地震的同震滑動(dòng)分布特征,本文采用架構(gòu)于ENVI遙感圖像處理軟件之上的SARscape雷達(dá)圖像處理軟件的Displacement Modeling處理模塊,基于Okada彈性半空間位錯(cuò)模型反演漾濞地震發(fā)震斷層的位置、走向、傾向、傾角等幾何參數(shù)和精細(xì)滑動(dòng)分布特征,并對(duì)本次地震的斷層參數(shù)以及滑動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析,深入理解斷層活動(dòng)特征和深部破裂特征。反演考慮靠升降軌InSAR數(shù)據(jù)的空間連續(xù)性,對(duì)升降軌形變場(chǎng)采用矢量圖層圈定形變場(chǎng)(小區(qū)域,采樣間隔1 km)和模型反演范圍(大區(qū)域,采樣間隔2 km)進(jìn)行均勻矢量網(wǎng)格降采樣處理方法,獲得3 679個(gè)升軌形變數(shù)據(jù)點(diǎn)位和2 690個(gè)降軌形變數(shù)據(jù)點(diǎn)位。根據(jù)形變場(chǎng)模擬特征,劃定一條走向?yàn)椤癗W-SE”向的發(fā)震斷層,如圖5所示?；诮挡蓸拥腎nSAR視線向形變數(shù)據(jù)點(diǎn)位形變場(chǎng)結(jié)果,通過(guò)Displacement Modeling處理模塊的Non-Linear Inversion工具,結(jié)合GCMT的建議斷層幾何參數(shù)設(shè)定搜索區(qū)間,采用Okada模型進(jìn)行最優(yōu)解搜索,獲得搜索結(jié)果。最后將非線性反演獲得的均勻滑動(dòng)斷層幾何參數(shù),包括經(jīng)緯度、走向、傾向、滑動(dòng)角、深度等幾何參數(shù)結(jié)果導(dǎo)入線性反演模型,并設(shè)置線性反演參數(shù),使斷層滑動(dòng)信息可以很好地完全顯示;通過(guò)設(shè)置反演為固定滑動(dòng)角,設(shè)置走向和傾向的細(xì)分?jǐn)?shù)為20×20,對(duì)斷層進(jìn)行劃分;設(shè)置阻尼系數(shù)為0.005,反演的精細(xì)斷層較為平滑。從圖6精細(xì)滑動(dòng)分布反演結(jié)果可以看出,通過(guò)斷層幾何參數(shù)反演結(jié)果表明本次地震的宏觀震中為99.94°E、25.72°N,矩震級(jí)為MW6.1,破裂尺度模型斷層長(zhǎng)度9.8 km、寬度4 km,破裂深度主要集中在3～6 km范圍內(nèi),最大滑動(dòng)深度5 km;斷層傾角為83.47°,平均滑動(dòng)角為-146.7°,斷層走向135°,此次地震為右旋走滑。圖6為同震滑動(dòng)分布,斷層面滑動(dòng)主要集中在沿?cái)鄬幼呦?～12 km,沿?cái)鄬觾A向向下基于DInSAR形變結(jié)果反演的地震形變宏觀震中與多家研究結(jié)構(gòu)基于地震波確定的震中位置具有比較大的差異,分析原因可能與臺(tái)站的分布情況、觀測(cè)手段及精度對(duì)研究機(jī)構(gòu)的速報(bào)結(jié)果精度均有影響。同震形變場(chǎng)得到的宏觀震中更能真實(shí)地反映中小震源發(fā)震位置,為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心提供更加準(zhǔn)確的斷層位置和幾何信息。

圖5 形變場(chǎng)采樣及反演殘差 Fig.5 Deformation field sampling and inversion residuals

2.2 發(fā)震構(gòu)造分析

本次地震為典型的構(gòu)造地震活動(dòng),地震發(fā)生于橫斷山滇西峽谷區(qū),光學(xué)影像可見(jiàn)地震附近眾多北西向線性構(gòu)造特征,且附近斷裂眾多、交匯,給發(fā)震構(gòu)造判識(shí)帶來(lái)很大困難[12-14]。精確測(cè)定漾濞MW6.1地震的發(fā)震斷層及屬性對(duì)理解地質(zhì)構(gòu)造特征及地震活動(dòng)具有重要意義。目前(截至發(fā)稿時(shí))一種觀點(diǎn)認(rèn)為發(fā)震斷層為維西—喬后斷裂中南段,該斷裂為NW走向右旋走滑斷裂,在這條斷裂東側(cè)與之平行的紅河斷裂有許多橫斷層,其中一些橫斷層延伸到維西—喬后斷裂,維西—喬后斷裂在中南段與龍潘—喬后斷裂交匯。本次地震附近斷裂分布密集,交錯(cuò)復(fù)雜,被認(rèn)為是漾濞主震后余震豐富的原因之一[15]。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為漾濞地震的發(fā)震斷層為維西—喬后斷裂西側(cè)的一條NW向次生斷裂,走向NW-SE,整體傾向SW,以右旋走滑為主[16]。從本文利用InSAR技術(shù)獲取的2021年漾濞地震同震形變場(chǎng)顯示(圖2),同震變形場(chǎng)沒(méi)有出現(xiàn)在已探明的維西—喬后斷裂周邊;同時(shí),升降軌形變符號(hào)相反,形變呈現(xiàn)非對(duì)稱分布,形變場(chǎng)長(zhǎng)軸方向?yàn)镹W向,表明發(fā)震斷層傾向西,斷層走向NW-SE,與主震后余震空間分布基本一致,且符合上述兩種觀點(diǎn)認(rèn)為的發(fā)震斷層的運(yùn)動(dòng)特征,表明本文得到的同震形變場(chǎng)反演結(jié)果是科學(xué)合理的。從反演的斷層滑動(dòng)分布結(jié)果可知(圖6),地震未破裂到地表,表明本次地震的發(fā)震斷層是隱伏斷層。根據(jù)云南第四紀(jì)活動(dòng)斷層分布[17],綜合地表形變觀測(cè)數(shù)據(jù)、地震孕育環(huán)境及前人研究成果,本文初步認(rèn)為2021年漾濞MW6.1地震發(fā)震斷裂是一條位于維西—喬后斷裂西側(cè)的NW向的隱伏次生斷裂,斷裂活動(dòng)方式為右旋走滑,其與主斷裂維西—喬后斷裂的關(guān)系還需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查資料進(jìn)行綜合判定。

圖6 漾濞地震同震滑動(dòng)分布Fig.6 Co-seismic slip distribution of the 2021 Yangbi earthquake

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于升降軌Sentinel-1A數(shù)據(jù),采用DInSAR技術(shù)重建2021年5月21日漾濞MW6.1地震升降軌LOS向同震形變場(chǎng),在此基礎(chǔ)上以升降軌同震形變場(chǎng)為約束運(yùn)用Okada模型反演斷層滑動(dòng)分布特征,結(jié)果表明:

(1)運(yùn)用DInSAR技術(shù)獲取2021漾濞MW6.1地震同震形變場(chǎng),升降軌數(shù)據(jù)干涉圖相干性較好,升降軌形變場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特征顯示本次地震發(fā)震斷層是“NW-SE”走向的斷層,具有明顯的右旋走滑特征。其中升軌干涉圖視線向,上盤下降量達(dá)9 cm,下盤上升約10 cm;降軌干涉圖沿視向,上盤上升量達(dá)9 cm,下盤下降約10 cm,說(shuō)明本次地震事件的發(fā)震斷層以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主。

(2)基于同震形變場(chǎng)線性反演斷層滑動(dòng)分布模型進(jìn)一步顯示為NW-SE向發(fā)震斷層,本次地震為發(fā)震斷層的右旋走滑事件,地震破裂未達(dá)到地表,與野外地質(zhì)考察結(jié)果吻合,發(fā)震斷層長(zhǎng)9.8 km,寬10 km,斷面傾向SW,走向135°,傾角83.47°,滑動(dòng)角-146.7°,最大滑移量為0.35 m,震中位于25.72°N,99.94°E,震源深度接近8.0 km;同震滑動(dòng)主要集中在3～6 km深度范圍內(nèi),以右旋走滑為主,矩震量為1.743×1018N·m,矩震級(jí)為MW6.1。與USGS和GCMT給出的震源機(jī)制解基本一致。

(3)同震形變場(chǎng)分布于已探明的維西—喬后斷裂西南側(cè),其特征和斷層反演參數(shù)與該斷裂基本一致。同時(shí)地震未破裂至地表,推測(cè)2021漾濞MW6.1地震發(fā)震斷層為一條走向NW-SE的隱伏斷裂,與維西—喬后斷裂之間的歸屬關(guān)系仍有待進(jìn)一步野外地質(zhì)和地球物理工作。本次地震附近斷裂眾多且交匯,表明發(fā)震區(qū)域可能仍是未來(lái)發(fā)生地震的危險(xiǎn)地區(qū)。

致謝:感謝歐空局(ESA)提供的免費(fèi)Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像。感謝易智瑞提供的SARscape軟件和ArcGIS軟件。