2020-07-23西藏尼瑪MW6.3地震震源參數(shù)InSAR反演與發(fā)震構(gòu)造研究

梁世川 瞿 偉,2 陳海祿 高 源 李久元 李 達(dá)

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安市雁塔路126號，7100542 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市二仙橋東三路1號，610059

北京時(shí)間2020-07-23西藏尼瑪縣榮瑪鄉(xiāng)境內(nèi)發(fā)生MW6.3中強(qiáng)地震(圖1)，隨后又發(fā)生數(shù)次余震。據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，此次地震震中位于33.19°N、86.81°E，震源深度約10 km。尼瑪?shù)卣鸢l(fā)生于羌塘盆地中央隆起核心帶，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜[1-3]，震中位于榮瑪鄉(xiāng)東北側(cè)依布茶卡地塹內(nèi)，地塹整體呈NNE向展布[4]，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有SW-EN向依布茶卡斷裂帶，南北段分別與日干配錯(cuò)和江愛藏布斷裂相連，中段發(fā)育一系列走向?yàn)?0°～40°的正斷層[5]，以依布茶卡地塹為界，西側(cè)斷層?xùn)|傾，東側(cè)斷層西傾。不同機(jī)構(gòu)或?qū)W者均認(rèn)為此次地震為正斷層事件(圖1)，但在發(fā)震斷層幾何結(jié)構(gòu)(特別是斷層傾向上)存在差異。黃驥超等[6]根據(jù)震源機(jī)制認(rèn)為，此次地震發(fā)震斷層走向?yàn)?.21°，傾角為49.69°，滑動角為-84.56°，發(fā)震斷層為依布茶卡地塹西側(cè)東傾正斷層；冀宗童等[7]僅利用InSAR技術(shù)反演確定發(fā)震斷層走向?yàn)?8°，傾角為48°，平均滑動角為-92.8°，認(rèn)為發(fā)震斷層為依布茶卡地塹西側(cè)東傾正斷層；中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所考察結(jié)果表明，此次地震發(fā)震斷層可能為依布茶卡地塹東側(cè)西傾正斷層[4]。由于對震中區(qū)域斷裂活動研究較少，且現(xiàn)有的研究成果在發(fā)震斷層破裂位置、斷層節(jié)面等信息方面存在差異，難以確定發(fā)震斷層傾向等信息。因此，明確此次地震發(fā)震斷層幾何結(jié)構(gòu)與活動方式對深入理解該區(qū)域地殼構(gòu)造活動及青藏地塊動力學(xué)過程具有重要意義。

圖(a)中紅色框?yàn)檠芯繀^(qū)，黑色框?yàn)樯诒?1A升軌(T12)、降軌(T121)影像范圍；圖(b)為研究區(qū)構(gòu)造斷裂、余震分布及不同機(jī)構(gòu)提供的震源機(jī)制解，其中CENC為中國地震臺網(wǎng)，USGS為美國地質(zhì)調(diào)查局，GCMT為全球矩張量中心，GFZ為德國地球科學(xué)研究中心，IPGP為法國巴黎地球物理研究所，CPPT為法國探測與地球物理實(shí)驗(yàn)室。圖中斷層數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[2]圖1 研究區(qū)構(gòu)造分布Fig.1 Tectonic distribution of the studied area

本文利用升、降軌Sentinel-1A衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取此次地震升、降軌同震形變場，并以此為約束充分考慮震源機(jī)制兩個(gè)節(jié)面均有可能為發(fā)震斷層面，進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域余震分布與地質(zhì)構(gòu)造背景討論發(fā)震斷層的運(yùn)動性質(zhì)，最終通過反演計(jì)算確定此次地震震源參數(shù)和斷層滑動分布特征，并探究此次地震發(fā)震的構(gòu)造動力學(xué)背景。

1 尼瑪?shù)卣餓nSAR同震形變場

本文利用歐空局提供的Sentinel-1A震前和震后升、降軌影像數(shù)據(jù)(表1)，利用GAMMA軟件采用兩軌差分干涉測量法獲取此次地震同震形變場，地形相位消除采用SRTM 30 m分辨率數(shù)字高程模型。由于此次地震震中位于河谷地帶，為提高干涉圖質(zhì)量，在數(shù)據(jù)處理過程中對SAR影像進(jìn)行距離向與方位向10∶2多視處理，并采用自適應(yīng)Lee濾波進(jìn)行一次濾波，同時(shí)對低相干和失相干區(qū)域進(jìn)行0.4閾值掩膜處理。在此基礎(chǔ)上，采用適用于低相干區(qū)的最小費(fèi)用流算法進(jìn)行相位解纏，并對解纏相位進(jìn)行大氣改正和趨勢性殘余相位去除，最終通過地理編碼獲得此次地震的同震形變場(圖2)。

表1 Sentinel-1A升、降軌影像數(shù)據(jù)參數(shù)

圖2 西藏尼瑪MW6.3級同震升、降軌視線向形變場和典型剖面Fig.2 Line-of-sight (LOS) coseismic deformation fields of the ascending and descending tracks and the typical profiles of the Nyima MW6.3 earthquake

從圖2可以看出，哨兵-1A升軌和降軌差分結(jié)果均捕捉到此次地震較清晰的視線向同震形變場，兩條軌道同震形變場均呈橢圓形，長軸約15 km，沿NNE-SWW向展布，表明發(fā)震斷層走向可能沿NNE-SSW向延伸。升、降軌同震形變在震中區(qū)域表現(xiàn)出一致的下沉趨勢且無大范圍抬升形變。由于衛(wèi)星飛行方向和入射角不同，升、降軌形變場位置和量值存在一定差異，升軌衛(wèi)星視線向最大沉降量約為33 cm，降軌約為26 cm。從垂直于同震形變場典型剖線(NW-SE向)可以看出，剖線所示形變值呈連續(xù)狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯的斷開跳變，表明此次地震事件斷層活動未破裂至地表。結(jié)合雷達(dá)成像幾何與地面形變場關(guān)系推測可知，此次地震的破裂模式為具有一定傾角的正斷兼走滑運(yùn)動。

2 震源參數(shù)與斷層滑動分布反演

為確定此次地震的震源參數(shù)，以升、降軌同震形變場為地表約束，先利用非線性反演方法探討兩組可能走向的發(fā)震斷層活動特性，確定發(fā)震斷層合理的幾何結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過非均勻滑動反演法確定發(fā)震斷層的破裂范圍和破裂面滑動矢量分布特征。

2.1 震源參數(shù)反演

采用均勻滑動模型，假設(shè)發(fā)震斷層為單一均勻斷層，利用非線性反演法獲得斷層7個(gè)幾何參數(shù)和2個(gè)滑動矢量(表2)。由于缺乏發(fā)震斷層精確的先驗(yàn)參考信息，依據(jù)地震震級與破裂長度和寬度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[8]以及USGS提供的震源機(jī)制解，對斷層參數(shù)進(jìn)行區(qū)間約束，將斷層長度設(shè)為0～20 km，斷層寬度設(shè)為0～15 km，斷層深度設(shè)為0～20 km。針對走向、傾角等參數(shù)，由于發(fā)震斷層的幾何結(jié)構(gòu)(特別是斷層傾向)存在爭議，同時(shí)無法直接從同震形變場中確定斷層傾向，本文依據(jù)震源機(jī)制解2個(gè)節(jié)面設(shè)置兩組可能的斷層滑動模型：第一組模型假設(shè)發(fā)震斷層為NWW向，走向?yàn)?95°～220°，傾向?yàn)?5°～60°；第二組模型假設(shè)發(fā)震斷層為SEE向，走向?yàn)?0°～40°，傾向?yàn)?0°～70°。除走向和傾向外，兩組斷層其余參數(shù)區(qū)間相同。為檢驗(yàn)兩組模型參數(shù)反演的合理性，分別進(jìn)行100萬次反演[9]，獲得兩組斷層參數(shù)最優(yōu)解(表2)及其后驗(yàn)概率密度(圖3)。

表2 兩組發(fā)震斷層模型參數(shù)反演結(jié)果及不確定度

圖3 兩組發(fā)震斷層參數(shù)反演結(jié)果及其概率分布Fig.3 Parameters inversion results and probability distribution of two sets of seismogenic fault

從圖3可以看出，兩組模型參數(shù)反演結(jié)果均表現(xiàn)出正態(tài)分布特性，但相比于模型2，模型1參數(shù)點(diǎn)集更為集中，且模型1斷層參數(shù)不確定度整體小于模型2。對比模擬與實(shí)測同震形變場可以看出，兩組斷層模型均能解釋此次地震事件(圖4、圖5)。模型1 NWW傾向發(fā)震斷層走向?yàn)?07°，傾角為33.1°，長度為12.38 km；模型2 SEE傾向發(fā)震斷層走向?yàn)?9.9°，傾角為51.1°，長度為12.09 km。

黑色實(shí)線代表斷層跡線，虛線框?yàn)閿鄬用嬖诘乇硗队拔恢脠D4 均勻滑動模型反演結(jié)果(NWW傾向)Fig.4 The inversion results of the uniform model dip to NWW

2.2 滑動分布反演

實(shí)際情況中斷層面滑動具有非均勻性，因此本文進(jìn)一步建立非均勻分布式滑動模型，利用最速下降法[10]反演分析斷層面的滑動分布特征。在模型1發(fā)震斷層非線性反演結(jié)果基礎(chǔ)上，將斷層沿走向延長至30 km，寬度沿傾向延長至18 km，將斷層面按1 km×1 km間隔離散為540個(gè)小斷層，建立發(fā)震斷層分布式滑動反演模型。通過不斷改變拉普拉斯平滑因子在觀測值擬合程度與斷層面滑動粗糙程度間進(jìn)行折中[11]，最終確定平滑因子為0.025。為評估分布式滑動模型反演結(jié)果的不確定度，采用蒙特卡洛方法生成100組帶有隨機(jī)信號的同震形變場并以此為約束進(jìn)行反演計(jì)算[12]，最終獲得分布式斷層模型反演結(jié)果、斷層滑動分布和不確定度(圖6、圖7)。

黑色實(shí)線代表斷層跡線，虛線框?yàn)閿鄬用嬖诘乇硗队皥D5 均勻滑動模型反演結(jié)果(SEE傾向)Fig.5 The inversion results of the uniform model dip to SEE

黑色實(shí)線代表斷層跡線，虛線框?yàn)閿鄬用嬖诘乇硗队皥D6 分布式滑動模型反演結(jié)果Fig.6 The inversion results of the distribution model

圖7 2020年尼瑪MW6.3地震發(fā)震斷層空間滑動分布結(jié)果Fig.7 The spatial slip distribution of the seismogenic fault of the 2020 Nyima MW6.3 earthquake

2.3 結(jié)果分析

1)由于此次地震未破裂至地表，且震中區(qū)域缺乏其他地表監(jiān)測資料，僅從InSAR同震形變場難以確定此次發(fā)震斷層的具體傾向。因此，需進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和余震分布進(jìn)行確定。SEE傾向斷層模型的地表跡線為依布茶卡地塹西側(cè)斷裂，NWW傾向斷層模型的地表跡線則為依布茶卡地塹東側(cè)斷裂。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在依布茶卡地塹東側(cè)發(fā)育有東依布茶卡斷裂、角木日斷裂以及部分NWW向正斷層，這些正斷層均有錯(cuò)斷第四紀(jì)沖洪積物現(xiàn)象，線性特征較地塹西側(cè)正斷層更為明顯，且在角木日山前正斷層剖面上分布有假玄武玻璃，表明此處區(qū)域斷裂現(xiàn)今地震活動仍然十分活躍[4-5]。而依布茶卡地塹的形成與發(fā)展與其邊界斷裂活動密切相關(guān)，地塹東側(cè)發(fā)育有一系列正斷層，表明依布茶卡地塹東側(cè)斷層現(xiàn)今構(gòu)造活動更為頻繁。此外，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)公布的此次地震余震分布特征可以看出(圖1)，地震余震主要分布在依布茶卡東側(cè)斷層兩側(cè)，表明西側(cè)斷層是此次地震發(fā)震斷裂的可能性較小[13]。同時(shí)，結(jié)合前述基于InSAR定量反演的兩組斷層模型參數(shù)結(jié)果的合理性(表2)，最終可確定此次地震發(fā)震斷層應(yīng)為依布茶卡地塹東側(cè)NWW向正斷層。

2)從分布式滑動模型反演計(jì)算結(jié)果(圖6)可以看出，升、降軌數(shù)據(jù)擬合殘差中誤差分別僅為2.1 cm和2.7 cm，模型擬合度約為90%。斷層滑動分布及其不確定度結(jié)果(圖7)表明，斷層面中央呈現(xiàn)出類似倒三角形滑動區(qū)，斷層滑動以傾滑為主，平均滑動角為-89.27°，表明此次地震為正斷型地震事件，與USGS給出的震源機(jī)制解節(jié)面1基本一致；斷層破裂主要集中在地下5.4～9.3 km深度處，斷層面上最大滑動量約為1.7 m，發(fā)生在沿?cái)鄬觾A向約7.34 km處；滑動分布主要集中在沿走向7～24 km、沿傾向5～11 km區(qū)域內(nèi)，矩震級約為Mw 6.3(圖7(b)、7(c))。從斷層面滑動分布不確定度圖(圖7(d))可以看出，滑動分布最大誤差僅為5.7 cm，遠(yuǎn)小于最大滑動分布量值且其分布與斷層面最大滑動區(qū)域也能較好對應(yīng)，由此表明，本文分布式滑動結(jié)果具有可靠性。此外，將本文所確定的斷層參數(shù)與冀宗童等[7]的研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，除發(fā)震斷層傾向不同外，本文所得參數(shù)中斷層傾角較小，最大滑動量也相應(yīng)較大，而兩者所得矩震級大致相同，斷層破裂范圍和滑動方向基本一致。但本文在反演過程中綜合考慮了尼瑪?shù)卣鸬牡刭|(zhì)構(gòu)造和余震分布，設(shè)置兩組可能的斷層模型參數(shù)進(jìn)行反演分析，經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，東側(cè)斷層模型反演效果較優(yōu)，因此本文所得結(jié)果可能更符合發(fā)震斷層的客觀實(shí)際。

3)尼瑪?shù)卣鸢l(fā)生在青藏地塊腹地，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。由于受印度板塊對歐亞板塊的持續(xù)推擠作用，以及受阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊、華南地塊的阻擋作用[14]，青藏地塊地殼運(yùn)動變形主要呈現(xiàn)南北向縮短增厚、東西向擴(kuò)展延伸的特點(diǎn)，形成一系列受控于大型走滑斷裂帶的伸展斷裂和地塹構(gòu)造[15-16]。而尼瑪?shù)卣鹁桶l(fā)生在青藏地塊日干配錯(cuò)左旋走滑斷裂帶北側(cè)，受斷裂帶張性應(yīng)力作用，依布茶卡地塹東側(cè)NWW向正斷層發(fā)生破裂而產(chǎn)生地震。因此本文認(rèn)為，尼瑪?shù)卣鹪从谝啦疾杩ǖ貕q的活動，是高原內(nèi)部拉張變形的正常結(jié)果。

3 結(jié) 語

本文基于Sentinel-1A升、降軌影像獲取2020-07-23尼瑪MW6.3地震同震形變場，并以此為地表約束設(shè)置兩組可能的發(fā)震斷層滑動模型，進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域余震分布和地質(zhì)構(gòu)造，最終確定此次地震震源參數(shù)和斷層滑動分布特征。結(jié)論如下：

1)尼瑪?shù)卣鹕?、降軌同震形變場主要表現(xiàn)為地表下沉形態(tài)，集中分布在依布茶卡地塹內(nèi)，并呈NNE-SSW向展布，升、降軌視線向最大沉降量分別為33 cm和26 cm。

2)尼瑪?shù)卣鸬陌l(fā)生是青藏地塊現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動變形的結(jié)果。此次地震發(fā)震斷層為依布茶卡地塹東側(cè)NWW向正斷層，發(fā)震斷層走向?yàn)?07°，傾角為33.1°，斷層頂深2.7 km，底深12.5 km；發(fā)震斷層破裂主要集中在地表5.4～9.3 km深度處，斷層面上最大滑動量約為1.7 m，平均滑動角為-89.27°，矩震級約為MW6.3。

致謝：歐空局和美國航空航天局提供Sentinel-1A雷達(dá)影像數(shù)據(jù)和SRTM DEM地形數(shù)據(jù)，中國地震臺網(wǎng)提供余震定位數(shù)據(jù)，文中部分圖件采用GMT軟件繪制，在此一并表示感謝。