聯(lián)合光學(xué)和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)的2021年瑪多MW7.3地震同震形變提取

何 萌 王 鑫 魏久傳 傅志豪

1 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，青島市前灣港路579號，266590 2 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京市安寧莊路1號，100085

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，2021-05-22青海瑪多縣(34.59°N，98.34°E)發(fā)生MW7.3地震。由于震區(qū)位于青藏高原腹地，地震監(jiān)測能力較弱，震中附近GPS臺站稀疏，缺乏斷層近場數(shù)據(jù)作為約束，導(dǎo)致USGS、GCMT、GFT等機(jī)構(gòu)反演的震源參數(shù)存在較大偏差(表1)。且不同于以往的中強(qiáng)地震多發(fā)生于巴顏喀拉塊體邊緣，瑪多地震發(fā)生在塊體內(nèi)部，位于東昆侖斷裂帶和巴顏喀拉-松潘弧形構(gòu)造帶的交會部位[1]。因此，研究瑪多MW7.3地震發(fā)震斷層的幾何形態(tài)、斷層參數(shù)及發(fā)震構(gòu)造，對深入探討該地區(qū)斷裂的孕震機(jī)制及其周邊地區(qū)地震危險性有著重要的意義。

表1 不同機(jī)構(gòu)反演的瑪多MW7.3地震震源參數(shù)

通過D-InSAR、LiDAR和GPS等方法可獲取高精度、高空間分辨率的地表位移場，同時彌補(bǔ)野外地質(zhì)調(diào)查的時效性缺陷。但這些方法或無法提供地震近場地表形變模式，或缺乏震前數(shù)據(jù)[2]；而利用高分辨率光學(xué)影像可獲取水平向地表同震形變場[3-5]。本文利用Landsat-8光學(xué)影像和Sentinel-1雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過Offset-Tracking和D-InSAR方法提取瑪多MW7.3地震震中破裂軌跡及斷層幾何特征，對此次地震的同震形變場特征、斷層參數(shù)和運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行初步分析。

1 數(shù)據(jù)處理與方法

1.1 光學(xué)影像處理

本文利用地震前后的兩景Landsat-8光學(xué)影像第8波段數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由USGS網(wǎng)站免費(fèi)提供，參數(shù)如表2所示。由于受云霧等天氣因素影響，兩景影像時間基線為288 d，影像含云量均小于3%。如圖1(原始影像)所示，非震中區(qū)域地物類型無明顯變化，可滿足Offset-Tracking處理需求。利用基于ENVI平臺開發(fā)的COSI-Corr軟件，經(jīng)亞像元匹配獲取瑪多地震同震位移形變場，并采用均值相減法、多項(xiàng)式擬合模型等方法去除條帶、軌道、失相干誤差項(xiàng)，最終獲取的Landsat-8同震形變場精度為0.75 m。

表2 光學(xué)數(shù)據(jù)參數(shù)

圖1 瑪多MW7.3地震遙感影像概況Fig.1 Remote sensing image of Maduo MW7.3 earthquake

1.2 InSAR數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)選用歐空局發(fā)布的Sentinel-1衛(wèi)星升降軌寬幅數(shù)據(jù)，如表3所示。為完整覆蓋整個同震形變場，升軌數(shù)據(jù)(Track-99)采用Sentinel-1A、Sentinel-1B各兩景數(shù)據(jù)同軌拼接而成，時間、空間基線分別為6 d、54 m；降軌數(shù)據(jù)(Track-106)時間、空間基線分別為12 d、109 m。基于Gamma平臺進(jìn)行D-InSAR處理，獲取瑪多地震升降軌干涉條紋(圖2)，并采用最小費(fèi)用流方法進(jìn)行相位解纏[6]。

表3 InSAR數(shù)據(jù)參數(shù)

圖2 瑪多MW7.3地震干涉條紋Fig.2 Interference fringes of the Maduo MW7.3 earthquake

2 同震形變場分析

2.1 光學(xué)同震形變場

通過上述處理可獲取瑪多地震東西及南北向的光學(xué)同震形變場。如圖3(a)所示，瑪多地震由A-B、B-C、C-D三段地表形變場中的斷層破裂跡線組成，其中Landsat-8因受分辨率及數(shù)據(jù)質(zhì)量的制約，遠(yuǎn)場區(qū)域存在異常形變，且受鄂陵湖、扎陵湖影響，形變場中存在水體失相干。在地表形變場中，A-B段發(fā)震斷層跡線整體呈NWW向展布，走向NW79°，該段發(fā)震斷層長度達(dá)46.9 km，斷層相對EW方向運(yùn)動。在鄂陵湖附近存在一個分支斷層，走向NW75°，長度達(dá)16.7 km，分支斷層上下盤均呈向西運(yùn)動特征，但下盤形變量明顯大于上盤，且最大形變量位于主干斷層與分支斷層交界處，東西向形變量達(dá)1.9 m。B-C段斷層軌跡整體走向NWW，在1/3處走向由NWW轉(zhuǎn)向NE，發(fā)震斷層長度達(dá)26.4 km。C-D段斷裂軌跡連續(xù)性好，整體呈NWW向展布，長度達(dá)59.2 km，但斷層走向較為復(fù)雜，經(jīng)過多次變化，在1/3處走向轉(zhuǎn)為NEE向，延續(xù)7.8 km后又轉(zhuǎn)為NWW向并與瑪多-甘德斷裂相交，之后繼續(xù)向前延伸。因影像含云量過大，斷層末端未獲取到光學(xué)影像數(shù)據(jù)。

由于受地形誤差的影響，南北向形變場(圖3(b))遠(yuǎn)場方向存在異常形變值，且斷層走向均為由南向北運(yùn)動，在A-B段斷層分叉處及C-D段斷層末端斷層軌跡較為明顯。南北向形變場中沿斷層破裂軌跡處并未出現(xiàn)明顯變形，但東西向形變場中斷層上下兩盤呈相對EW方向的運(yùn)動趨勢，說明本次地震以左旋走滑性質(zhì)為主，NS向的形變量很小。

A、B、C、D為斷層跡線，L1、L2為選取的形變剖面圖3 瑪多MW7.3地震光學(xué)同震形變場Fig.3 Optical coseismic deformation field of Maduo MW7.3 earthquake

2.2 InSAR同震形變場

由圖4可知，瑪多地震同震破裂帶有2個地表破裂中心，一個位于鄂陵湖附近(97.717°N，34.475°E)，另一個位于震中附近(98.768°N，34.513°E)。此外，可通過干涉條紋確定活動斷層跡線位于2條近平行分布的斷裂(甘德南緣斷裂與瑪多-甘德斷裂)之間。干涉條紋結(jié)果顯示，本次地震鄂陵湖、扎陵湖附近存在水體失相干，沿斷層剖面處干涉條紋的不連續(xù)及破碎重疊現(xiàn)象說明地震造成了地表破碎。因此，單獨(dú)利用InSAR形變場雖可對本次地震地表變形性質(zhì)進(jìn)行定性評估，但無法精細(xì)指示地表破裂，且InSAR的LOS向監(jiān)測特性對南北向形變量不敏感，需要聯(lián)合光學(xué)同震形變結(jié)果以提供準(zhǔn)確的斷層跡線及發(fā)震斷層性質(zhì)，用于后續(xù)震源參數(shù)的反演。

L1、L2為選取的形變剖面圖4 瑪多MW7.3地震InSAR同震形變場Fig.4 InSAR coseismic deformation field of Maduo MW7.3 earthquake

根據(jù)處理后的InSAR同震形變場對本次地震幾何形狀參數(shù)和斷層破裂滑動分布進(jìn)行分析。瑪多地震降軌LOS向同震形變場顯示，斷層北側(cè)抬升，南側(cè)沉降。由SAR側(cè)視成像機(jī)理可知，該地震為左旋走滑性質(zhì)，且斷層首末兩端存在分支斷裂，末端與瑪多-甘德斷裂及西藏大溝-昌馬河斷裂相交。形變場中升軌形變位于-0.89～1.11 m范圍內(nèi)，降軌形變位于-1.19～1.06 m范圍內(nèi)。本文獲取的InSAR形變場與楊君妍等[7]利用Sentinel-1數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果較一致(升軌0.7～1.10 m，降軌-1.11～1.21 m)，但最大形變量低于Chen等[8]的結(jié)果(升軌1.2 m，降軌1.3 m)，略高于華俊等[9]的結(jié)果(升軌0.9 m，降軌0.9 m)。

3 斷層幾何特征分析

從同震形變中心分別沿斷層軌跡及垂直斷層軌跡方向提取2條形變剖面L1和L2，如圖5所示。 L1剖面(圖5(a))中，光學(xué)形變場在中間山脊區(qū)域存在2次跳變，分支斷裂南側(cè)形變量明顯低于北側(cè)。由于InSAR結(jié)果受地震破裂到地表及震中區(qū)域相位纏繞的影響，近場區(qū)域存在失相干現(xiàn)象，僅在降軌形變場中反映了斷層軌跡分支現(xiàn)象且斷層邊界不明顯。L2剖面(圖5(b))中，同震形變場顯示，光學(xué)及InSAR結(jié)果中沉降及抬升段均位于北側(cè)、南側(cè)山脊區(qū)域，形變中心位于中間的低洼溝谷地區(qū)。由此可見，在沉降中心處兩側(cè)形變具有相反的運(yùn)動趨勢，二者的同震形變結(jié)果與地貌特征相吻合。光學(xué)同震形變剖面圖中，東西向形變場中主干斷裂南側(cè)受地形效應(yīng)影響在山體處形變值出現(xiàn)波動跳躍現(xiàn)象；對于南北向形變場，由于通過Offset-Tracking方法獲取的光學(xué)形變場精度為1/20個像素[10]，受Landsat-8影像分辨率限制，在形變量較小時受地形起伏影響更為明顯，因此僅利用東西向的形變結(jié)果。

下圖為DEM地形圖圖5 視線向同震形變剖面Fig.5 The Coseismic displacement profiles of the deformation fields

本文給出的SAR結(jié)果與光學(xué)數(shù)據(jù)提取的同震地表破裂結(jié)果一致，均顯示瑪多地震以左旋滑動為主，走滑分量與昆侖山口-江錯斷裂機(jī)制一致。由SAR和光學(xué)同震形變場結(jié)果可知，發(fā)震斷層至少出現(xiàn)3處地表破裂，主體破碎段的第1段為鄂陵湖南段，延伸約46.9 km；第2段為黃河鄉(xiāng)段，延伸約26.4 km；第3段從東草阿龍湖延伸至昌麻河鄉(xiāng)，全長82.3 km(InSAR形變場顯示斷層末端破裂軌跡延伸23.1 km)。發(fā)震斷層軌跡應(yīng)屬于昆侖山口-江錯斷裂隱伏段，與實(shí)地調(diào)查分析結(jié)果一致[11-12]，C-D段處由于光學(xué)同震形變場可揭露地表微小形變，斷層連續(xù)性較地表實(shí)測結(jié)果好。在斷層起始端及尾端出現(xiàn)2條分支破裂，分支破裂首段位于鄂陵湖，末端位于昌麻河鄉(xiāng)，兩處斷層首段及末端形變量大于破裂中心，這與越靠近末端位移量越小的認(rèn)識相矛盾[13]。且地表破裂穿過2條先存斷層，結(jié)合形變場特征，推測地震發(fā)生時走滑型破裂面首端及尾端分別受到鄂陵湖及東側(cè)2條斷層影響，導(dǎo)致局部受到擠壓變形，從而產(chǎn)生2條分支破裂。

4 結(jié) 語

本文收集了2021年青?，敹郙W7.3地震前后Landsat-8光學(xué)影像及Sentinel-1升降軌道數(shù)據(jù)，通過Offset-Tracking和D-InSAR方法獲得地震光學(xué)及InSAR同震形變場。結(jié)果表明，高分辨率光學(xué)同震形變場可在缺乏野外地震調(diào)查的情況下彌補(bǔ)InSAR斷層近場失相干的缺陷，快速獲取斷層破裂跡線。光學(xué)結(jié)果表明，最大東西向水平位移近1.9 m，且清晰揭示了斷層左旋走滑活動特征。升降軌InSAR形變場顯示，斷層最大LOS向形變?yōu)?1.19 m，由于同震破裂到達(dá)地表斷層近場時出現(xiàn)失相干，聯(lián)合InSAR和光學(xué)同震形變場結(jié)果可精準(zhǔn)定位本次地震的斷層破裂跡線，由位于2條近平行斷裂——甘德南緣斷裂與瑪多-甘德斷裂之間的一條未知左旋走滑斷層形成。本次地震發(fā)震斷層的走向與震中以西的左旋走滑斷層昆侖山口-江錯斷裂吻合較好，因此可基本確定瑪多MW7.3地震的發(fā)震構(gòu)造是昆侖山口-江錯斷裂的江錯段。結(jié)合瑪多地震區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征認(rèn)為，印度板塊向歐亞板塊持續(xù)低角度俯沖引起的長期應(yīng)力積累是造成本次地震發(fā)生的主要原因。