InSAR約束下的2021年西藏比如MW5.7地震斷層幾何參數(shù)及滑動分布

馬唐敬

1 華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院,鄭州市金水東路136號 450046

對于大地震,由于其能直接反映活動斷層的發(fā)震構(gòu)造及特點,通常會受到學(xué)者重視;但中等量級地震同樣不可忽視,可補充主活動構(gòu)造斷層的詳細(xì)發(fā)震信息。此外,中等量級地震也會造成較大人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)報告,2021-03-19世界時06:11:27,在青藏高原中部發(fā)生了一次中等量級(MW5.7)淺源地震,震源深度約為8 km。此次地震發(fā)生在班公湖怒江縫合帶南部約7 km處,震中位于西藏自治區(qū)那曲市(圖1),震后2周內(nèi)共發(fā)生6次MW4.0以上余震(圖1(b))。由于地震發(fā)生在相對偏遠(yuǎn)且人員稀疏的地區(qū),未引起人員傷亡,卻造成大量房屋受損。據(jù)USGS和GCMT報告的震源機(jī)制解(表1)可知,該地震發(fā)生在SE向中等傾角斷層上,且地震破裂以正斷為主。

表1 2021年比如地震震源參數(shù)

(a)中紅色透明區(qū)為圖(b)區(qū)域,黑粗箭頭為相對板塊運動方向[1]。ATF表示阿爾金斷裂帶,KF表示卡拉喀什斷裂帶,KRF表示喀喇昆侖斷裂帶,MFT表示喜馬拉雅主前緣逆沖帶,BNS表示班公湖怒江縫合帶,AKMS表示阿尼瑪卿-昆侖-麻扎塔格縫合帶,IYS表示雅魯藏布江縫合帶,JS表示金沙江縫合帶。(b)中綠色方框為SAR覆蓋區(qū)域,紅星為來自USGS地震機(jī)構(gòu)的2021年比如地震震中,紅色沙灘球為其震源機(jī)制解,粉色和淡藍(lán)色沙灘球分別為來自GCMT地震機(jī)構(gòu)1976～2021年間大于MW5.0走滑和正斷地震的震源機(jī)制解,黃色圓為震后2個月內(nèi)MW4.0及以上余震,黑線為斷層

自20世紀(jì)90年代,眾多學(xué)者就開始廣泛研究合成孔徑雷達(dá)干涉(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)測量技術(shù),并在大范圍地形制圖、大尺度面域地表變形監(jiān)測等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。相比于光學(xué)遙感,InSAR技術(shù)可實現(xiàn)地表變化的時序幾何測量,有助于彌補傳統(tǒng)測量方法和光學(xué)遙感的不足。對于地震而言,在獲取地震發(fā)生前后短時間內(nèi)2幅SLC(single-look complex)影像后,對影像進(jìn)行差分干涉處理,引入外部DEM,以消除震前地形因素對形變結(jié)果的影響,從而獲取地震視線向(LOS)高精度同震形變場?；贗nSAR獲得的同震形變信息可分析發(fā)震斷層的運動方式、破裂模式、產(chǎn)狀、能量積累和釋放及地震應(yīng)力觸發(fā)等問題,從而揭示地震的地震機(jī)制[2]。因此InSAR技術(shù)可為監(jiān)測地震提供一種有效的技術(shù)手段。

鑒于震中區(qū)海拔高、地形嚴(yán)峻及InSAR技術(shù)在地震監(jiān)測應(yīng)用中的突出優(yōu)勢等,本文基于Sentinal-1A數(shù)據(jù),采用InSAR技術(shù)獲取2021-03青藏高原中部比如MW5.7地震的斷層幾何參數(shù)及滑動分布。由于當(dāng)?shù)刂脖幌∈?可獲得此次MW5.7地震高精度高分辨率的同震形變場。這些SAR數(shù)據(jù)將為了解此次事件的發(fā)震斷層幾何參數(shù)和詳細(xì)同震滑動提供重要機(jī)會,從而有助于理解震中區(qū)活動斷裂分布及發(fā)震構(gòu)造。

基于獲取的Sentinal-1A降軌SAR數(shù)據(jù),首先采用雙軌法獲得覆蓋此次地震的同震形變場;然后基于彈性位錯理論研究此次事件的發(fā)震斷層幾何參數(shù)及詳細(xì)的同震滑動分布,為了解區(qū)域應(yīng)變積累、發(fā)震構(gòu)造及評估區(qū)域地震危險性提供重要參考。

1 InSAR數(shù)據(jù)處理

利用GAMMA軟件[3],采用InSAR雙軌法提取到覆蓋此次地震區(qū)域的1個軌道(降軌77)同震干涉信息(表2)。設(shè)置Sentinal-1A距離向與方位向的多視比為10∶2,并利用30 m分辨率DEM消除地形相位的影響。為獲得較高的信噪比,首先利用功率頻譜濾波方法對干涉圖進(jìn)行濾波[4],然后基于枝切法對干涉圖進(jìn)行解纏[1],最后對干涉圖進(jìn)行地理編碼,以將其納入WG-S84坐標(biāo)系框架中[5]。此外,為去除軌道殘差和地形相關(guān)的大氣延遲[6],利用遠(yuǎn)場非形變區(qū)的觀測數(shù)據(jù)估計得到關(guān)于位置、高程和誤差相位的線性函數(shù),從而得到高質(zhì)量的與2021年比如地震相關(guān)的同震形變場。從圖2(a)中可以看到2個主要的葉狀形變條紋,且西北部的形變條紋梯度高于東南部,表明此次地震破裂發(fā)生在一個傾向NW的斷層上。干涉圖中連續(xù)平滑的形變條紋顯示此次地震是隱伏型地震事件(即未破裂到地表);同震干涉圖視線向形變范圍為-3.4～1.5 cm?？紤]到降軌同震形變僅覆蓋震后半天的數(shù)據(jù),此次獲取的同震干涉圖中包含較小的震后形變。

表2 用于生成同震變形場的SAR數(shù)據(jù)信息

圖2 2021年比如地震同震形變場與降采樣數(shù)據(jù)

2 大地測量數(shù)據(jù)模擬

2.1 斷層幾何參數(shù)反演

本文利用基于分辨率的降采樣方法[7]對比如地震同震形變場進(jìn)行重采樣(圖2(b)),并基于矩形位錯理論[8]對斷層滑動進(jìn)行反演。分別采用非線性反演方法和線性反演方法獲得斷層幾何參數(shù)及斷層面上詳細(xì)的滑動分布,同時利用多峰值粒子群方法搜索最優(yōu)的斷層走向、傾角、滑動角、斷層上邊界埋深深度、斷層寬度、長度、滑動量及斷層位置等信息[9]。基于USGS公布的震源機(jī)制解及本文同震形變場研究結(jié)果,認(rèn)為此次地震破裂發(fā)生在傾向NW的正斷型斷層上,因此反演中約束斷層的走向和滑動角分別在181°～269°和-45°～-135°范圍內(nèi)。斷層幾何參數(shù)反演結(jié)果顯示,此次比如地震以正斷裂為主,伴有少量走滑運動,滑動主要分布在5.4～11.4 km深度處(表1)。為評估震源參數(shù)的穩(wěn)定性,采用蒙特卡洛方法將噪聲擾動疊加于原始觀測數(shù)據(jù)中,并對生成的100組數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。結(jié)果表明,所有斷層幾何參數(shù)均較為穩(wěn)定(圖3),正演結(jié)果(圖4(a)～4(c))顯示,均勻滑動模型在整體上可較好地擬合降軌同震形變場,但在斷層跡線附近仍有較大殘差。

直方圖為100組帶有噪聲擾動的觀測數(shù)據(jù)反演獲取的斷層幾何參數(shù)分布;紅色虛線為最優(yōu)幾何參數(shù),紅線為誤差范圍

(a)和(d)為觀測數(shù)據(jù),(b)和(e)分別為均勻滑動模型和滑動分布模型模擬數(shù)據(jù),(c)和(f)為殘差。紅實線為地表跡線,紅虛線為埋深在地下的破裂面框架。紅色沙灘球為此次比如地震震源機(jī)制解

2.2 滑動分布模擬

固定由均勻滑動模型獲取的最優(yōu)發(fā)震斷層位置、走向和傾角,分別沿走向和傾向?qū)鄬用骈L度和寬度延長至24 km和20 km,并將斷層面離散成480個1 km×1 km的網(wǎng)格。為確?；瑒臃植颊鎸嵉幕瑒犹荻?在反演中添加平滑因子。此外,考慮到利用均勻滑動分布模型得到的傾角相對于精細(xì)滑動分布并不是最優(yōu)的[10],本文在隨后的線性反演中將進(jìn)一步優(yōu)化傾角。為同時搜索到最優(yōu)的傾角及平滑因子,采用對數(shù)函數(shù)[9](式(1))對傾角和平滑因子進(jìn)行估計(圖5(a))。進(jìn)一步將斷層面左、右及下邊界滑動約束為0,并進(jìn)行線性反演,結(jié)果表明(圖5(b)),破裂斷層以正斷為主,滑動主要分布在2.4～11.2 km深度處,在6.4 km深度處滑動量最大為0.17 m。這與已公開的研究結(jié)果較為一致[11]。該滑動分布模型產(chǎn)生的地震矩約為3.6×1017Nm,相當(dāng)于MW5.7。正演結(jié)果(圖4(d)～4(c))顯示,相較于均勻滑動模型,滑動分布模型能更好地擬合降軌同震觀測形變場,且均方根誤差為 2.7 mm。

(a)為不同傾角和平滑因子log(ψ+ξ) 函數(shù)等值線分布,紅色五角星為全局最小,對應(yīng)的最優(yōu)傾角為53°,平滑因子為3.2; (b)為2021年比如地震同震滑動分布模型

f(δ,α2)=log(ψ+ξ)

(1)

式中,ψ和ξ分別為滑動粗糙度和殘差,δ和α2分別為傾角和平滑因子。

3 結(jié) 語

利用InSAR技術(shù)獲取2021年比如地震同震形變場,其視線向形變范圍約為-3.4～1.5 cm。發(fā)震斷層幾何參數(shù)及詳細(xì)同震滑動分布反演結(jié)果表明,此次地震破裂以正斷為主,且伴有少量左旋走滑分量,主要滑動分布在2.4～11.2 km深度范圍內(nèi),在6.4 km深度處滑動量達(dá)到最大值0.17 m;同震滑動分布模型產(chǎn)生的地震矩約為 3.6×1017Nm,相當(dāng)于MW5.7。斷層淺部2.4 km以上深度滑動缺失表明,此次地震發(fā)生在一條之前未被探測到的隱伏斷層上,蒙特卡洛反演結(jié)果顯示出較為收斂的斷層幾何參數(shù)也進(jìn)一步支持了該結(jié)論。