InSAR數(shù)據(jù)約束的2021年西藏比如MW5.8地震同震滑動分布及庫侖應(yīng)力變化

于書媛 張國宏 張迎峰 丁 娟 張建龍 范曉冉 王紹俊

1)安徽省地震局，合肥 230031 2)安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蒙城 233527 3)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029 4)西藏自治區(qū)地震局，拉薩 850002 5)云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，地球物理系，昆明 650500

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)測定，2021年3月19日在西藏比如縣境內(nèi)發(fā)生MW5.8 地震，震中位于(92.74°N，31.94°E)(圖1)。此次地震造成西藏比如縣、 聶榮縣、 巴青縣、 那曲市色尼區(qū)、 索縣5個區(qū)縣受災(zāi)，由于震中位于人口稀少的牧區(qū)，震后無人員傷亡的報道。截至2021年5月17日，一系列余震(3≤MS≤4.7)隨之發(fā)生，其中最大余震的震級為MS4.7。震后，美國地質(zhì)調(diào)查局和全球矩心矩張量發(fā)布了此次地震的震源機制解(表1)?？梢钥闯觯顒e較大的參數(shù)是斷層走向、 滑動角。本次地震的震中位于青藏高原腹地的羌中南-左貢板塊上的班公湖-怒江斷裂帶西段(圖1a)，該區(qū)附近多發(fā)育EW向的逆沖斷層(李承濤等，2021)。GPS揭示青藏高原拉薩地塊中部的EW向拉張速率可能達到(21.28±1.5)mm/a，優(yōu)勢運動方向為 N30°～47°E(張培震等，2002)。羌塘盆地的南、 北邊界由班公湖-怒江縫合帶與金沙江縫合帶組成，本次地震附近區(qū)域的構(gòu)造較為復(fù)雜，斷裂眾多，主要斷裂為班公湖-怒江斷裂和聶榮北斷裂(圖1b)，震中西邊是測多山峰，屬海拔較高的山峰。該地區(qū)200m范圍內(nèi)自1970年以來(截至2021年7月22日)共發(fā)生MW≥5地震27次，多為正斷破裂，說明拉張應(yīng)力在該地區(qū)內(nèi)占主導(dǎo)作用，最大地震為1972年發(fā)生在崩錯斷裂附近的MW5.9 那曲地震(圖1b)。本次地震為該地區(qū)少有的中強震，研究其發(fā)震構(gòu)造對于認識該地區(qū)正斷破裂地震的地質(zhì)構(gòu)造、 斷層運動特征和地震破裂屬性等具有參考意義。

圖1 比如地震的區(qū)域構(gòu)造背景圖

表1 不同機構(gòu)給出的比如 MW5.8 地震的震源參數(shù)

當(dāng)前，InSAR技術(shù)在地震及地殼形變監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用已較為成熟，且已被廣泛地應(yīng)用于相關(guān)研究中(單新建等，2002； 馮萬鵬等，2009； 張國宏，2011； 王曉航，2019)。本文利用Sentinal-1A SAR數(shù)據(jù)和D-InSAR技術(shù)獲取比如地震的同震形變場，利用Okada模型和SDM軟件獲取發(fā)震斷層面的精細滑動分布特征(Okada，1985，1992； Wangetal.，2013)，并以此為約束使用Column軟件計算震中區(qū)域的庫侖應(yīng)力，據(jù)此進一步探討本次地震的地震危險性。

1 同震形變場的重建與分析

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文使用的Sentinel-1A影像參數(shù)如表2 所示，利用D-InSAR技術(shù)(Massonnetetal.，1993)重建比如地震的同震形變場，在計算時約定目標靠近衛(wèi)星方向則形變量為正，遠離衛(wèi)星方向則形變量為負，最終獲取的升、 降軌同震形變場如圖2 所示。

表2 升、 降軌差分干涉影像參數(shù)

1.2 2021年比如地震的同震形變

綜合分析在升、 降軌IW模式下獲取的2021年比如地震的視線向干涉條紋和同震形變場(圖2)可知，干涉圖條紋清晰，形變場整體呈橢圓形分布(長軸大體呈NE-SW向)。升軌形變場的長軸約為22km、 短軸約為12km，LOS向形變場整體表現(xiàn)為遠離視線方向，最大形變量為5cm，如圖2b 所示； 降軌形變場的長軸約為14km，短軸約為9km，EW長約11km，最大形變量為6cm，如圖2d 所示。分析認為，LOS向形變場的觀測符號相同，初步判定發(fā)震斷層為一條走向NE-SW的正斷層。圖3 表示升、 降軌的剖面線形變特征，同震形變集中在25km半徑范圍內(nèi)，2個形變場之間的位移連續(xù)，表明本次地震的發(fā)震斷層未破裂至地表。

圖2 同震形變場和同震位移場(靠近衛(wèi)星視線向為正)

圖3 不同觀測模式下2021年比如地震的視線向形變場剖面圖

2 2021年比如地震的滑動模型反演

在反演之前，對升、 降軌形變場進行裁剪和降采樣處理； 由表1 可知，USGS給出的發(fā)震斷層傾向為SE，而GCMT給出的傾向則為NW。為確定發(fā)震斷層的幾何參數(shù)，本文綜合考慮 InSAR 形變場的特征以及前人對班公湖-怒江斷裂帶西段的構(gòu)造特征和動力學(xué)機制等的研究成果，決定以GCMT給出的2個節(jié)面的傾角作為反演范圍進行測試。

本文依據(jù)升、 降軌LOS形變場的正、 負值界限確定一條走向NE的發(fā)震斷層跡線。在設(shè)定為NW傾正斷破裂(將斷層設(shè)定為SE傾正斷后，擬合度顯著降低)的情況下，構(gòu)建初始發(fā)震斷層的長度為27.56km(92.78°～93.00°E)，寬度為20km(SDM程序中設(shè)置)，傾角為50°～63°，滑動角為-150°～0°，將平滑因子設(shè)置為0.08，最大迭代次數(shù)是10000。其次，以1°為步長對約定范圍內(nèi)的斷層傾角進行測試，確定最優(yōu)的斷層傾角為55°； 在此基礎(chǔ)上，基于單一斷層模型，將斷層面劃分為500個1km×1km的子斷層構(gòu)造精細滑動分布模型； 最后，利用SDM反演斷層面的同震滑動分布特征。圖4 為反演前、 后的升、 降軌擬合的觀測值、 模擬值和殘差值圖像。對于T143升軌，殘差RMS=1.0cm； 對于T77降軌，殘差RMS=0.4cm。聯(lián)合升、 降軌的殘差范圍為-0.016～0.015m，殘差RMS=0.3cm。綜合分析可知，升、 降軌數(shù)據(jù)的模型擬合較好，表明反演的滑動分布結(jié)果是可靠的。根據(jù)所確定的斷層最佳參數(shù)畫出斷層的精細滑動分布模型圖，如圖5 所示。從圖中可見，滑動面整體呈現(xiàn)橢圓形集中分布，最大滑動量達0.2m； 反演得到的平均滑動角約為-55.56°，矩震級為MW5.8 ，宏觀震中位于(31.94°N，92.85°E)，發(fā)震斷層為正斷兼左旋走滑性質(zhì)。

圖4 InSAR觀測值、 模擬值和殘差值圖(虛線為反演得到的斷層走向)

圖5 比如地震NW傾同震破裂模型的滑動分布

3 討論

3.1 同震庫侖應(yīng)力變化及潛在危險性分析

庫侖應(yīng)力與未來地震活動具有一定的相關(guān)性，地震的發(fā)生會引起斷層近場應(yīng)力場的變化，影響周圍斷層的活動性。依據(jù)本文得到的斷層滑動分布結(jié)果，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.4，楊氏模量取為3×1010，泊松系數(shù)取為0.25。以5km為間隔，運用Coulomb軟件計算比如地震在深度5km、 10km、 15km、 20km處產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化(Kingetal.，1994，Linetal.，2004； Todaetal.，2005)。其中ΔCFS>0表示庫侖應(yīng)力增加，用暖色調(diào)表示； ΔCFS<0則表示庫侖應(yīng)力減小，用冷色調(diào)表示； ΔCFS=0表示庫侖應(yīng)力不變。使用靜態(tài)庫侖應(yīng)力破裂觸發(fā)理論分析較小時空尺度范圍內(nèi)強震間的相互作用時，當(dāng)ΔCFS≥0.01MPa時，就可能發(fā)生地震(Zivetal.，2000)。如圖6 所示，本次地震產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力影響表現(xiàn)為2個方向： 1)NE-SW向，主要表現(xiàn)為庫侖應(yīng)力增加； 2)NW-SE向，表現(xiàn)為庫侖應(yīng)力減少。

本次地震位于羌塘塊體內(nèi)地形起伏較大的區(qū)域，在USGS上搜索2021年3月19日—7月15日研究區(qū)內(nèi)的地震，如表3 所示。USGS記錄了包含比如地震主震在內(nèi)共計7次地震，震級均>4.0級，最大余震的震級為MW5.0 ，余震深度10km。從圖6a 可以看出，地下5km處的庫侖應(yīng)力圖像呈現(xiàn)走滑地震應(yīng)力變化正、 負交替分布的特征，應(yīng)力增加最多的區(qū)域位于比如地震震中的東北部。如圖6b 所示，地下10km處變化較大的區(qū)域位于震中東、 西部，應(yīng)力減小范圍較5km深度進一步擴大。如圖6c 所示，在15km深度處，震中以北應(yīng)力進一步減小，震中SW區(qū)域應(yīng)力進一步增加。同時，應(yīng)力減少區(qū)域的范圍相對增大，比如地震震中附近大部分區(qū)域的應(yīng)力發(fā)生減少。斷層在深部的滑動量很小，因此在20km深處應(yīng)力增大的量級相對縮小，相應(yīng)的應(yīng)力減少區(qū)域的范圍相對增大(圖6d)。整體而言，比如地震后續(xù)地震事件多發(fā)生在深5～15km處，與其對應(yīng)深度的應(yīng)力增加區(qū)域具有一定的吻合性。同時，震中NW和SE端ΔCFS≥0.01MPa的區(qū)域的地震危險性值得關(guān)注。

圖6 不同深度處發(fā)震斷層的同震庫侖破裂應(yīng)力變化圖

表3 2021年3月19日—7月15日研究區(qū)域內(nèi)的地震

3.2 地震附近斷層的庫侖應(yīng)力變化

比如MW5.8 地震的發(fā)震斷層在空間上與附近發(fā)育的聶榮北斷裂和班公湖-怒江斷裂西段最鄰近，震中位于2條斷層交會處西側(cè)的35km處，此次地震對上述2條斷裂的應(yīng)力擾動受到了研究者的關(guān)注。其中，聶榮北斷裂表現(xiàn)為正斷兼右旋走滑性質(zhì)，在聶榮北斷裂北段發(fā)生過1971年M6.5和2016年M5.1地震。班公湖-怒江斷裂帶西段的那曲一帶在晚更新世—全新世早期發(fā)生過重要活動。本文分別以聶榮北斷裂、 班公湖-怒江斷裂帶為接收斷層，計算并分析庫侖應(yīng)力變化的分布特征。通過圖7 和圖8 可知，以上述2條斷層作為接收斷層計算地震在5～20km深度內(nèi)產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力，結(jié)果主要表現(xiàn)為負值； 但是，地震對班公湖-怒江斷裂西段和聶榮北斷裂帶東段產(chǎn)生了較為明顯的庫侖應(yīng)力加載效應(yīng)。綜合分析，比如地震對上述2條接收斷層都有一定的靜態(tài)應(yīng)力加載，且2條斷裂在長時間內(nèi)未發(fā)生過強震，需引起關(guān)注。

圖7 地震在不同深度產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化(接收斷層為班公湖-怒江斷裂)

圖8 地震在不同深度產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化(接收斷層為聶榮北斷裂)

3.3 發(fā)震構(gòu)造分析

青藏高原由多個次級塊體組成，板塊運動以EW向水平、 垂向隆升為主，沿塊體邊界發(fā)育眾多大型活動斷裂帶。本次地震的震中位于青藏高原中部的羌塘塊體內(nèi)，該區(qū)內(nèi)部發(fā)育多條共軛剪切斷裂(張培震等，2002； 鄧起東等，2014)； 其中，班公湖-怒江斷裂帶是羌塘盆地南部邊界一條規(guī)模巨大、 走向近EW的斷裂帶。遙感圖像解譯和歷史地質(zhì)資料顯示，該區(qū)歷史上發(fā)生的5～6級中強震均位于與NE向斷裂交會的部位(李建華，1998)。本次比如MW5.8 地震的震中位于NE向班公湖-怒江斷裂帶和NW向聶榮北斷裂帶的交會部位，本文認為該地震的發(fā)生與羌塘塊體所處的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，其發(fā)震斷層的滑動類型具有羌塘塊體內(nèi)部地震破裂的典型特征。依據(jù)升、 降軌形變場連續(xù)干涉條紋判定，本次地震的同震破裂沒有達到地表。同時，本次地震的同震地表形變集中于已探明的聶榮北斷裂與班公湖-怒江斷裂帶周邊，與2條斷裂的距離分別為29km和10km，發(fā)震斷層傾向NW。根據(jù)研究區(qū)歷史研究資料(張培震等，2002； 李才等，2009； 鄧起東等，2014)分析，初步認為本次地震的發(fā)震斷裂是一條位于班公湖-怒江斷裂帶西段北側(cè)的NE向隱伏次生斷裂，斷裂的活動方式以正斷為主，兼具少量走滑分量，其與主斷裂的關(guān)系還需進一步依據(jù)現(xiàn)場地震地質(zhì)調(diào)查結(jié)果進行綜合判定。

4 結(jié)語

(1)本文利用D-InSAR技術(shù)獲取了2021年MS6.1 比如地震的升、 降軌同震形變場，并聯(lián)合約束反演發(fā)震斷層的滑動分布特征。結(jié)果顯示，本次地震造成的LOS向形變量最大達6cm； 發(fā)震斷層為走向NE的正斷層； 反演得到的斷層滑動分布模型顯示存在一個滑動中心，斷面傾向NW，傾角為55°，滑動角為-56.42°，走向為50°，最大滑移量為0.2m，震中位于(31.94°N，92.87°E)，震源深度8.0km，矩震級為MW5.8 。

(2)此外，分析了比如地震發(fā)生后對周圍區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力改變，并討論了該地震在不同深度上產(chǎn)生的應(yīng)力變化。結(jié)果顯示，地震對鄰近區(qū)域也造成了一定的影響，表現(xiàn)為班公湖-怒江斷裂和聶榮北斷裂的部分段落都有一定的靜態(tài)應(yīng)力增加現(xiàn)象，ΔCFS≥0.01MPa，且2條斷裂在長時間內(nèi)未發(fā)生強震，未來其危險性值得更多關(guān)注。

(3)推測發(fā)震斷層為一條走向NE-SW的隱伏斷裂，與班公湖-怒江斷裂帶之間的歸屬關(guān)系需要開展野外地質(zhì)調(diào)查工作以進一步確認。