東昆侖斷裂帶托索湖段現(xiàn)今形變特征及其與2021瑪多地震相互作用

李少為, 許文斌, 李志偉, 劉小鴿, 馮光財(cái), 方楠, 陳志丹, 江坤, 謝磊

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083

0 引言

巴顏喀拉地塊作為青藏高原中部的一條狹長(zhǎng)三角地塊,自1997年瑪尼地震以來(lái),發(fā)生在中國(guó)大陸內(nèi)部的7級(jí)以上地震大部分發(fā)生在該塊體邊界,構(gòu)成了近幾十年來(lái)青藏高原主體地震活動(dòng)區(qū)(鄧起東等, 2010).東昆侖斷裂帶作為巴顏喀拉塊體北邊界,是印度板塊向歐亞板塊俯沖過程中在青藏高原內(nèi)部沿東昆侖古構(gòu)造縫合線形成的大型左旋走滑斷裂,是巴顏喀拉塊體以及青藏高原物質(zhì)向東運(yùn)移的重要通道.因此準(zhǔn)確厘定東昆侖斷裂帶各個(gè)段落運(yùn)動(dòng)特征及其變化對(duì)于描述巴顏喀拉地塊以及青藏高原整體物質(zhì)向東運(yùn)移規(guī)律,深入理解構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和孕震過程具有重要意義.已有研究表明,東昆侖斷裂帶滑動(dòng)速率總體上呈由西向東逐漸減小的趨勢(shì),即滑動(dòng)速率從庫(kù)塞湖段14 mm·a-1(江娃利和謝新生, 2006; Garthwaite et al., 2013),到西大灘—東大灘段8～12 mm·a-1(Van Der Woerd et al., 2002; Zhang et al., 2004),再到東段瑪沁—瑪曲段3～5 mm·a-1(Kirby et al., 2007; Zheng et al., 2017)的變化.然而前人對(duì)東昆侖斷裂帶震間運(yùn)動(dòng)特征的研究主要集中在少數(shù)幾個(gè)觀測(cè)臺(tái)站,對(duì)托索湖段現(xiàn)今活動(dòng)特性與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)缺乏足夠的精細(xì)化研究(Diao et al., 2019; Li Y C et al., 2019; Zhu et al., 2020, 2021; Zhao et al., 2021).

2021年5月22日MW7.4瑪多地震是近30年來(lái)發(fā)生在青藏高原巴顏喀拉地塊的又一次陸內(nèi)強(qiáng)震.不同于以往發(fā)生在塊體邊界上的地震,此次瑪多地震發(fā)震斷裂位于巴顏喀拉塊體內(nèi)部,距離東昆侖斷裂帶托索湖段約70 km的昆侖山口—江錯(cuò)斷裂(王未來(lái)等, 2021).相對(duì)于快速滑動(dòng)的邊界主斷裂,巴顏喀拉地塊內(nèi)部次級(jí)斷裂構(gòu)造活動(dòng)弱,震間滑動(dòng)速率慢,因此目前鮮有關(guān)于巴顏喀拉地塊內(nèi)部次級(jí)斷裂的震間形變及構(gòu)造活動(dòng)的研究.瑪多地震的發(fā)生,為我們探究昆侖山口—江錯(cuò)斷裂這一次級(jí)斷裂的構(gòu)造活動(dòng)特征及其與東昆侖斷裂帶之間的相互作用提供了條件.一方面,瑪多地震發(fā)震斷層作為東昆侖斷裂帶的次級(jí)斷裂,其應(yīng)力積累狀態(tài)和東昆侖斷裂帶的活動(dòng)特性息息相關(guān).另一方面,瑪多地震可能造成巴顏喀拉地塊內(nèi)部東移,促使瑪沁—瑪曲地震空區(qū)的應(yīng)變積累能量進(jìn)一步增加,從而促進(jìn)潛在大地震的提前發(fā)生.深入研究東昆侖斷裂帶精細(xì)化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其與瑪多地震之間的相互關(guān)系,對(duì)于我們認(rèn)識(shí)活動(dòng)斷裂之間的相互作用、震間應(yīng)力積累狀態(tài)和地震危險(xiǎn)性評(píng)估意義重大.

本文以東昆侖斷裂帶托索湖段為研究對(duì)象.首先,收集了2015—2021年的Sentinel-1升降軌數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,利用堆疊時(shí)序InSAR方法(Sandwell and Price, 1998)獲取研究區(qū)的雷達(dá)視線向(Line-of-Sight,LOS)地表形變場(chǎng),結(jié)合SAR衛(wèi)星升降軌數(shù)據(jù)成像幾何和GNSS南北向形變分解出東西向、南北向和垂直向三維形變場(chǎng),并根據(jù)斷層走向得到沿?cái)鄬幼呦虻牡乇硇巫儓?chǎng);其次,采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)(Haario et al., 2006)對(duì)斷層的二維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行建模,分析托索湖段現(xiàn)今的閉鎖狀態(tài)以及孕震潛能;最后,系統(tǒng)分析了震間形變場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)反演的準(zhǔn)確性、昆侖山口—江錯(cuò)斷裂震間形變特征、以及東昆侖斷裂帶與瑪多地震發(fā)震斷裂之間的相互作用.

1 InSAR地殼形變速率場(chǎng)

東昆侖斷裂帶震間形變速率由于具有量級(jí)小,變形信號(hào)分布范圍可達(dá)數(shù)十上百千米的特點(diǎn),其干涉圖極易受到時(shí)空去相關(guān)噪聲、軌道誤差以及大氣延遲等誤差的影響.堆疊時(shí)序InSAR技術(shù)能有效抑制大氣噪聲,適用于大范圍、高地形起伏特點(diǎn)的東昆侖斷裂帶的震間形變監(jiān)測(cè)(Sandwell and Price, 1998;Li S W et al., 2022).本文以2015年3月至2021年3月期間的Sentinel-1降軌T106和升軌T99兩軌道的SAR影像作為數(shù)據(jù)源,其覆蓋范圍如圖1所示.為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)該區(qū)域的震間變形,本文從干涉圖的選取、解纏誤差的探測(cè)、選點(diǎn)密度三個(gè)方面來(lái)提高監(jiān)測(cè)精度,改進(jìn)監(jiān)測(cè)結(jié)果:(1)鑒于震間變形量級(jí)小的特點(diǎn),我們?cè)诟缮鎴D構(gòu)網(wǎng)過程中通過擴(kuò)大時(shí)間基線和減小空間基線相結(jié)合的方式突出形變相位在干涉圖中的貢獻(xiàn)并抑制高程殘差等誤差項(xiàng).(2)東昆侖斷裂帶由于覆蓋有大量冰川凍土,地物的散射特性易發(fā)生變化,從而造成失相干現(xiàn)象,進(jìn)一步導(dǎo)致解纏誤差的產(chǎn)生.為了盡量降低解纏誤差對(duì)形變估計(jì)的干擾,本文通過三角相位閉環(huán)(Biggs et al., 2007)的方法探測(cè)解纏誤差并剔除誤差嚴(yán)重的干涉對(duì),從而提高觀測(cè)質(zhì)量.(3)考慮到大氣相位及軌道誤差在時(shí)間上表現(xiàn)為隨機(jī)過程,本文進(jìn)行堆疊時(shí)序InSAR處理抑制了上述誤差影響(Li Z W et al., 2022),結(jié)合間歇性相干點(diǎn)技術(shù)提高了形變監(jiān)測(cè)的空間覆蓋率.由于自然植被地表的散射特性是動(dòng)態(tài)變化的,因此會(huì)出現(xiàn)在某些干涉圖中相干性較高、而在其他干涉圖中失相干的間歇性相干情況(Sowter et al., 2013).間歇性相干點(diǎn)堆疊技術(shù)通過設(shè)置閾值將具有一定高相干觀測(cè)值數(shù)量的間歇性相干點(diǎn)保留下來(lái),并進(jìn)行時(shí)序堆疊得到形變速率.該方法可有效提高自然植被區(qū)的選點(diǎn)密度,為后續(xù)斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)反演提供更充分的數(shù)據(jù).基于上述考慮,經(jīng)干涉圖構(gòu)網(wǎng)和解纏相位閉環(huán)檢測(cè),本文最終構(gòu)建了如圖2所示的干涉圖基線網(wǎng)絡(luò).其中降軌T99部分SAR影像由于不滿足構(gòu)網(wǎng)基線閾值且成像時(shí)刻在傍晚受大氣影響較嚴(yán)重被移除.經(jīng)時(shí)序堆疊和GNSS參考框架統(tǒng)一后的升降軌LOS向變形速率如圖3所示.其中,圖3a、3b分別表示利用T106和T99兩個(gè)軌道數(shù)據(jù)獲得的東昆侖斷裂帶托索湖段LOS向平均形變速率,其負(fù)值表示為遠(yuǎn)離衛(wèi)星運(yùn)動(dòng),正值則為靠近衛(wèi)星運(yùn)動(dòng).

圖1 東昆侖斷裂帶托索湖段構(gòu)造背景黑線和灰線分別代表東昆侖主斷裂及其次級(jí)斷裂;白色三角形表示研究區(qū)域GNSS觀測(cè)站點(diǎn)分布;灰色圓代表1990年前發(fā)生在研究區(qū)MW6.0以上的歷史地震,其大小表示不同的震級(jí);淺色和深色震源球分別表示2021瑪多地震和其余1990—2021年MW6.0以上歷史地震的震源機(jī)制解(USGS);深色和淺色方框分別代表Sentinel-1衛(wèi)星T99和T106軌道的影像覆蓋范圍.左下角插圖表示研究區(qū)域(方框)在青藏高原的位置.

圖2 哨兵1號(hào)衛(wèi)星干涉對(duì)的時(shí)空基線網(wǎng)絡(luò)三角形表示本文采用的SAR影像,未被連接的三角形表示在干涉圖構(gòu)網(wǎng)和解纏閉環(huán)檢測(cè)過程被移除的SAR影像.

圖3 東昆侖斷裂帶托索湖段平均LOS向InSAR地殼形變速率場(chǎng)(a) 降軌T106軌道LOS向震間變形速率; (b) 升軌T99軌道LOS向震間變形速率.正值表示地面朝向衛(wèi)星運(yùn)動(dòng),負(fù)值表示遠(yuǎn)離衛(wèi)星運(yùn)動(dòng); 黑色和紅色箭頭分別代表衛(wèi)星飛行方向和雷達(dá)視線方向.

升降軌LOS向形變結(jié)果表明,T106和T99兩個(gè)軌道覆蓋了東昆侖斷裂帶阿拉克湖至阿尼瑪卿山南緣的大部分區(qū)域,區(qū)域內(nèi)整體相干性較好,除扎陵湖、鄂陵湖、托索湖、阿尼瑪卿山外的大部分區(qū)域有連續(xù)的形變點(diǎn)分布.就形變場(chǎng)的空間特征而言,降軌InSAR視線向表現(xiàn)為靠近衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng),變形速率分布在1至17 mm·a-1區(qū)間,而升軌InSAR LOS向表現(xiàn)為遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng),變形速率分布于-17至-1 mm·a-1區(qū)間.由此推測(cè),東昆侖斷裂帶及其周邊區(qū)域整體表現(xiàn)為向東運(yùn)動(dòng).值得注意的是,不同軌道的LOS向形變速率在東昆侖斷裂帶托索湖段兩側(cè)均表現(xiàn)出明顯的差異,表明了該區(qū)域形變特征主要由斷層的左旋走滑運(yùn)動(dòng)控制斷裂;同時(shí),跨斷層連續(xù)不間斷的形變特征表明該斷裂帶具有淺部閉鎖深部滑動(dòng)的震間活動(dòng)特征.相反,T106和T99升降軌視線向形變場(chǎng)的昆侖山口—江錯(cuò)斷裂兩側(cè)均無(wú)明顯的速率變化,一定程度上說明了這一時(shí)期次級(jí)斷裂震間變形不顯著.此外,托索湖東北部的乎勒查卡及扎陵湖鄉(xiāng)等地在升降軌LOS向形變場(chǎng)中均存在遠(yuǎn)離衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的局部變形信號(hào),可能是由于該地區(qū)凍土衰退等因素引起.

為描述東昆侖斷裂帶托索湖段震間三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài),本文將聯(lián)合研究區(qū)域現(xiàn)有GNSS水平向觀測(cè)結(jié)果與升降軌LOS向變形速率以解算地表真實(shí)三維變形.具體思路如下:首先,本文采用克里金方法將研究區(qū)SAR影像覆蓋范圍及其周邊區(qū)域的GNSS觀測(cè)結(jié)果插值至InSAR觀測(cè)相同的空間分辨率水平.其次,考慮到Wang和Shen(2020)的GNSS結(jié)果采用歐亞大陸參考框架,而本文InSAR觀測(cè)結(jié)果采用了解纏參考點(diǎn)的局部參考坐標(biāo)系,參考框架的不一致導(dǎo)致兩者存在系統(tǒng)性偏差.為了消除這種偏差,我們以GNSS觀測(cè)作為基準(zhǔn),對(duì)InSAR升降軌LOS向形變場(chǎng)進(jìn)行多項(xiàng)式校正.由于GNSS在研究區(qū)域分布較為稀疏,為避免空間插值誤差的影響,本文僅利用對(duì)InSAR視線向觀測(cè)不敏感的GNSS北方向作為求解三維形變的輔助數(shù)據(jù),按照升降軌InSAR不同的成像幾何建立LOS向形變結(jié)果與地面ENU三個(gè)方向之間的函數(shù)關(guān)系,每個(gè)像素可建立下面的函數(shù)模型:

(1)

東昆侖斷裂帶托索湖段多維形變結(jié)果表明,這一段落整體存在東北向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),其東西方向變形速率達(dá)5～25 mm·a-1,南北方向達(dá)2～10 mm·a-1.特別是在東西方向上,斷裂帶兩側(cè)變形速率存在明顯的差異,南側(cè)巴顏喀拉地塊比北側(cè)的柴達(dá)木地塊向東運(yùn)動(dòng)更加明顯,符合東昆侖斷裂帶左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征.在南北方向形變場(chǎng)上,斷裂帶整體表現(xiàn)為向北運(yùn)動(dòng),然而其西段大于東段的向北運(yùn)動(dòng)速率,一定程度上說明了東昆侖斷裂帶西側(cè)地殼縮短趨勢(shì)更為顯著.東昆侖斷裂帶托索湖段存在多個(gè)垂直變形信號(hào),如乎勒查卡地區(qū)、扎陵湖、鄂陵湖北緣、瑪多—甘德南緣等地區(qū),其形變量級(jí)在5～10 mm·a-1范圍.通過光學(xué)影像比對(duì),發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域存在大量的冰川或者凍土分布,證明了區(qū)域內(nèi)存在的非構(gòu)造變形.

為進(jìn)一步分析沿東昆侖斷裂帶托索湖段不同段落的形變速率變化特征,本文在沿?cái)鄬幼呦蛐巫兯俾蕡?chǎng)中共繪制了8條垂直斷層走向的速率剖面,其對(duì)應(yīng)位置如圖4d中A—A′至H—H′所示,剖面長(zhǎng)約240 km,寬為10 km.跨斷層剖面速率如圖5所示.結(jié)果表明,剖面整體形態(tài)相似,斷層近場(chǎng)顯示了較為平滑的跨斷層形變速率變化趨勢(shì),且無(wú)明顯的速率陡變,符合震間閉鎖的跨斷層近場(chǎng)形變變化特征.但在斷層遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,個(gè)別剖面顯示了淺地表局部形變信號(hào).如A—A′,B—B′,C—C′,D—D′,E—E′,F—F′六個(gè)剖面在斷層南側(cè)距離斷層90 km左右,大致與瑪多—甘德南緣斷裂位置一致,存在較為明顯的速率變化,推測(cè)是由該斷裂的震間活動(dòng)造成.此外,E—E′,F—F′,G—G′三個(gè)剖面在斷層北側(cè)距離斷層60～120 km處存在漏斗狀的水平向形變速率變化,表現(xiàn)為非構(gòu)造活動(dòng)引起的變形.

圖5 昆侖斷裂帶托索湖段平行斷層方向速率剖面及螺位錯(cuò)模型擬合結(jié)果灰色散點(diǎn)代表沿?cái)鄬幼呦蚍较蛐巫兯俾?黑點(diǎn)代表沿剖面線4 km 長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的平均值,誤差棒為該范圍數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差;灰色陰影代表用MCMC對(duì)公式(2)采樣得到的模型分布,黑色實(shí)線為最優(yōu)擬合曲線.

2 滑動(dòng)速率和閉鎖深度反演

經(jīng)典的彈性回跳理論認(rèn)為震間期處于閉鎖狀態(tài)的斷層由于其兩側(cè)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致斷層附近上地殼彈性應(yīng)變能量積累(Reid, 1910).當(dāng)應(yīng)變積累到一定程度時(shí),斷層發(fā)生破裂并迅速釋放能量,便產(chǎn)生了地震.因此厘定東昆侖斷裂帶現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)于評(píng)估該段落地震風(fēng)險(xiǎn)性至關(guān)重要.為了定量化描述斷層運(yùn)動(dòng)特征,Savage和Burford(1973)首次提出了通過平行于斷層的地表變形速率分量估算斷層的滑動(dòng)速率和閉鎖深度的螺位錯(cuò)模型.該模型假設(shè)斷層具有無(wú)限長(zhǎng)和寬,斷層面上剪切應(yīng)力來(lái)源于巖石圈底部和上地幔頂部之間軟流圈的拖曳作用.當(dāng)斷層淺部存在非均勻凹凸體時(shí),斷層近場(chǎng)區(qū)深度D以上斷層完全鎖定,而斷層遠(yuǎn)場(chǎng)以軟流層的拖曳速度滑動(dòng).該模型表達(dá)式為

(2)

其中,V(x)表示距離斷層距離x處的平行于斷層的速率;V0為深部長(zhǎng)期滑動(dòng)速率,即軟流層拖曳速率;x表示地面觀測(cè)點(diǎn)垂直于斷層跡線的距離;D表示斷層閉鎖深度;d表示由于斷層傾角等因素引起的自由蠕滑位置偏移斷層跡線的距離;offset表示速率偏移常數(shù).

本研究利用垂直于沿?cái)鄬幼呦蛐巫兯俾蕡?chǎng)的8條長(zhǎng)約240 km、寬10 km速率剖面(A—A′至H—H′)作為二維位錯(cuò)模型的輸入數(shù)據(jù)來(lái)獲取東昆侖斷裂帶托索湖段的二維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),剖面位置如圖4d所示.為避免局部速率突變點(diǎn)對(duì)擬合結(jié)果的影響,本研究對(duì)速率剖面進(jìn)行平滑處理,即按沿剖面線4 km長(zhǎng)的窗口計(jì)算形變速率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,并對(duì)明顯沉降的區(qū)域進(jìn)行掩膜.由于所有剖面跨斷層形變速率變化平滑,符合斷層震間淺部閉鎖深部蠕滑的斷層近場(chǎng)形變特征,比較適用于公式(2)所描述的深部滑動(dòng)、淺部閉鎖的東昆侖震間運(yùn)動(dòng)模型.考慮數(shù)據(jù)誤差的影響,我們?cè)诶霉?2)反演閉鎖深度和滑動(dòng)速率的過程中,采用MCMC方法對(duì)各個(gè)參數(shù)的后驗(yàn)概率密度分布進(jìn)行估計(jì)(蔣星達(dá)等, 2022),選取后驗(yàn)概率在90%區(qū)間內(nèi)的滑動(dòng)速率、閉鎖深度、斷層跡線偏移以及速率偏移常數(shù)的平均值以及各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,擬合結(jié)果如圖5所示.

最優(yōu)擬合結(jié)果表明,B—B′至H—H′剖面擬合結(jié)果和真實(shí)形變速率具有較好的一致性,僅阿拉克湖東側(cè)A—A′剖面在斷層近場(chǎng)處擬合結(jié)果與真實(shí)形變速率存在微小偏差.就滑動(dòng)速率和閉鎖深度的空間特征而言,東昆侖斷裂帶在托索湖區(qū)域滑動(dòng)速率和閉鎖深度經(jīng)歷了較大的變化.因此,本文將以托索湖為界將東昆侖斷裂帶托索湖段落劃分為東西兩段:托索湖西側(cè)區(qū)域(B—B′至D—D′)的滑動(dòng)速率保持在6～7 mm·a-1區(qū)間,閉鎖深度維持在8～12 km范圍;而托索湖及其東側(cè)區(qū)域(E—E′至H—H′)滑動(dòng)速率主要分布在7～9 mm·a-1區(qū)間,閉鎖深度維持在19～29 km范圍.具體來(lái)說,其西段的D—D′剖面反演獲得的滑動(dòng)速率和閉鎖深度分別為6.8±0.1 mm·a-1、12.1±1.0 km;而跨越托索湖的E—E′剖面反演得到的滑動(dòng)速率和閉鎖深度分別為8.0±0.2 mm·a-1、19.5±1.7 km.滑動(dòng)速率和閉鎖深度的劇烈變化可能與托索湖至阿尼瑪卿山段的擠壓彎曲構(gòu)造以及巴顏喀拉塊體內(nèi)部次級(jí)地塊之間的相互作用存在一定關(guān)聯(lián),證明這一區(qū)域具有更強(qiáng)的孕震能力.至于A—A′剖面存在的擬合偏差,可能是因?yàn)檫@一區(qū)域的震間變形無(wú)法用單一的深部滑動(dòng)-淺部閉鎖的斷層運(yùn)動(dòng)模型來(lái)描述,可能存在淺部蠕滑段落.理論上,A—A′剖面真實(shí)的閉鎖深度應(yīng)該要小于反演到的23.9±4.4 km深度,以適應(yīng)斷層近場(chǎng)區(qū)域較大形變量級(jí)的變化.總體而言,東昆侖斷裂帶托索湖段各個(gè)段落表現(xiàn)為斷層閉鎖狀態(tài),滑動(dòng)速率分布在6～9 mm·a-1區(qū)間,閉鎖深度在8～29 km均有分布.

針對(duì)A—A′剖面可能存在的淺部蠕滑,我們?cè)谠新菸诲e(cuò)模型的基礎(chǔ)上加入淺層的反向滑動(dòng)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(Hussain et al., 2016).該模型表達(dá)式如下:

-H(x-d)]+offset,

(3)

其中,Vc表示斷層淺部的蠕滑速率,Dc表示斷層淺部蠕滑深度,H(x-d)為階躍函數(shù),用于表征靠近斷層處由淺部蠕滑引起的速度場(chǎng)跳變.公式中的其他參數(shù)與公式(2)含義相同.為突出斷層近場(chǎng)數(shù)據(jù)在蠕滑模型反演中的貢獻(xiàn),近場(chǎng)(距離斷層跡線10 km內(nèi))數(shù)據(jù)降采樣選用的窗口為2 km,遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)降采樣窗口為4 km.采用MCMC得到公式(3)中6個(gè)參數(shù)后驗(yàn)概率在90%區(qū)間內(nèi)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差,擬合結(jié)果如圖6所示.

圖6 東昆侖斷裂帶托索湖段A—A′剖面含有淺部蠕滑的螺位錯(cuò)模型擬合結(jié)果灰色散點(diǎn)代表沿?cái)鄬幼呦蚍较蛐巫兯俾?黑色點(diǎn)代表沿剖面線滑動(dòng)平均得到的降采樣數(shù)據(jù),誤差棒為降采樣數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差;灰色陰影代表用MCMC對(duì)公式(3)采樣得到的模型分布,深色實(shí)線為最優(yōu)擬合曲線,淺色實(shí)線為圖5中不含淺部蠕滑的螺位錯(cuò)最優(yōu)擬合曲線.

反演得到的深部滑移率為-6.8±0.4 mm·a-1,與不考慮蠕滑效應(yīng)得到的深部滑移率相近,表明考慮淺部蠕滑并不會(huì)對(duì)深部滑移率的反演產(chǎn)生明顯擾動(dòng).這是由于深部滑移率主要受到剖面的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)控制,而模型中的蠕滑項(xiàng)主要對(duì)近場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合進(jìn)行改善.反演的閉鎖深度和蠕滑深度分別為22.8±4.2 km和10.6±5.3 km,均存在較大標(biāo)準(zhǔn)差,且閉鎖深度并沒有如預(yù)期降低.主要原因?yàn)榻鼒?chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)變化梯度不匹配,模型難以平衡,導(dǎo)致控制變化梯度的深度參數(shù)存在較大不確定性.總體而言,含有淺部蠕滑的模型對(duì)A—A′剖面的擬合效果要優(yōu)于傳統(tǒng)螺位錯(cuò)模型,表明該剖面區(qū)域可能存在約2 mm·a-1的淺部蠕滑.

3 討論與分析

3.1 InSAR形變監(jiān)測(cè)精度及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)反演可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究InSAR形變速率場(chǎng)的精度及準(zhǔn)確性,本文采用Wang和Shen(2020)提供的中國(guó)大陸的水平向GNSS運(yùn)動(dòng)速率與本文InSAR結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.首先依據(jù)GNSS水平速率與斷層走向之間的幾何關(guān)系,將GNSS水平速率投影到斷層走向上,并通過誤差傳播定律計(jì)算其中誤差;其次獲取GNSS站點(diǎn)周邊2 km內(nèi)的InSAR沿?cái)鄬幼呦蛐巫兯俾蕡?chǎng)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差作為對(duì)應(yīng)位置InSAR觀測(cè)結(jié)果,對(duì)比如圖4d和圖7所示.結(jié)果表明,InSAR獲取的沿?cái)鄬幼呦蛐巫兯俾逝c轉(zhuǎn)換后的GNSS結(jié)果的差值大體分布在±1.1 mm·a-1的范圍內(nèi),兩者吻合較好,且兩種數(shù)據(jù)之間的均方誤差為1.1 mm·a-1,表明本研究獲取的InSAR形變速率具有較好的可靠性.所用GNSS數(shù)據(jù)為1999—2015年的水平向平均速率場(chǎng),而本文的InSAR數(shù)據(jù)跨度為2015—2021年且包含了垂直形變,兩者在投影到沿?cái)鄬幼呦虻淖冃嗡俾噬弦恢滦暂^好,一方面說明該區(qū)域的垂向形變相對(duì)于水平形變較小,另一方面說明本文結(jié)果可以代表東昆侖斷裂帶托索湖段的長(zhǎng)期地殼形變結(jié)果.

圖7 InSAR與GNSS在沿?cái)鄬幼呦蚍较蛏闲巫兘Y(jié)果的對(duì)比橫軸為GNSS沿?cái)鄬幼呦蛐巫兯俾?縱軸為InSAR沿?cái)鄬幼呦蛐巫兯俾?陰影區(qū)為二者誤差在±1.1 mm·a-1內(nèi)的區(qū)域.

關(guān)于東昆侖斷裂帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,前人從地質(zhì)學(xué)和大地測(cè)量學(xué)等不同角度開展了大量研究.Van Der Woerd等(2002)測(cè)量了西大灘—東大灘段和托索湖段的錯(cuò)段沖溝階地位移,并結(jié)合宇宙成因核素測(cè)年方法確定了沿該段斷層系統(tǒng)中央約600 km的滑動(dòng)速率,結(jié)果表明了兩段落滑動(dòng)速率分布較為一致,約為10～12 mm·a-1.Li等(2005)確定了東昆侖斷裂帶庫(kù)塞湖段西側(cè)的滑動(dòng)速率分布在10±1.5 mm·a-1區(qū)間,證明了東昆侖斷裂帶在晚更新世和全新世的滑動(dòng)速率在92°E與101°E之間是均勻的,并推測(cè)沿?cái)鄬酉到y(tǒng)東段(約101°E和103°E之間)的滑動(dòng)速率呈從大于5 mm·a-1到小于1 mm·a-1系統(tǒng)性衰減.Kirby等(2007)通過結(jié)合地質(zhì)學(xué)和GNSS測(cè)量的方法確定了東昆侖斷裂帶托索湖段至瑪沁—瑪曲段、塔藏段共計(jì)6個(gè)地點(diǎn)滑動(dòng)速率,證明了東昆侖斷裂帶滑動(dòng)速率經(jīng)歷了從大于10 mm·a-1到小于2 mm·a-1的系統(tǒng)衰減過程,一定程度上證明了Li等(2005)的推斷.Harkins等(2010)進(jìn)一步指出東昆侖斷裂帶自西向東系統(tǒng)性衰減的滑動(dòng)速率被其末端次級(jí)斷裂所吸收.此外,Garthwaite等(2013)與Diao等(2019)從大地測(cè)量手段也開展了該段落的震間運(yùn)動(dòng)特征研究.近期,基于大地測(cè)量手段對(duì)東昆侖斷裂帶的震間研究更加深入.Zhao等(2022)采用近6年的哨兵衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取了整個(gè)東昆侖斷裂帶的大范圍形變速率場(chǎng),結(jié)合震間震后形變模型反演出沿?cái)鄬拥纳畈炕坡屎烷]鎖深度變化,結(jié)果表明東昆侖斷裂帶滑動(dòng)速率有向西端減小的趨勢(shì).Jian等(2022)則基于InSAR和GNSS數(shù)據(jù)針對(duì)托索湖段進(jìn)行貝葉斯反演,確定了該區(qū)域滑移率與斷層耦合度的空間分布,并估計(jì)了地震復(fù)發(fā)周期.

將本文與已有研究獲取的滑動(dòng)速率匯總?cè)鐖D8所示,在2021年以前對(duì)東昆侖斷裂帶阿拉克湖至托索湖段總體研究程度不高,僅Diao等(2019)與Van Der Woerd等(2002)對(duì)托索湖東側(cè)區(qū)域的斷層震間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有所研究.Jian等(2022)和Zhao等(2022)對(duì)阿拉克湖段至托索湖區(qū)域最新的震間運(yùn)動(dòng)特征研究可對(duì)本文全部剖面所在區(qū)域滑動(dòng)速率和閉鎖深度進(jìn)行有效驗(yàn)證.在97.3°E—98°E區(qū)域內(nèi),本文A—A′,B—B′,C—C′三個(gè)剖面反演的滑動(dòng)速率在6～7 mm·a-1區(qū)間,與Jian等(2022)的研究結(jié)果一致;本文A—A′剖面得到的淺層蠕滑結(jié)論(97.3°E—97.4°E)在Jian等(2022)的斷層耦合度結(jié)果中也有所對(duì)應(yīng).在98°E—99°E區(qū)域內(nèi),本文D—D′,E—E′,F—F′三個(gè)剖面得到的滑動(dòng)速率與Jian等(2022)的研究結(jié)果均存在向東增加的趨勢(shì),但量級(jí)上與Jian等(2022)和Zhao等(2022)的研究結(jié)果存在1～2 mm·a-1的系統(tǒng)差異.造成該差異的原因主要為InSAR的數(shù)據(jù)處理策略和反演方法不同.本文InSAR數(shù)據(jù)時(shí)間跨度更長(zhǎng)(2015—2021年),且在數(shù)據(jù)處理策略上與已有研究有明顯區(qū)別,導(dǎo)致獲取的形變速率場(chǎng)有所不同;此外,Jian等(2022)在貝葉斯反演中依據(jù)先驗(yàn)信息將斷層閉鎖深度固定為20 km,并采用三維彈性位錯(cuò)模型對(duì)整個(gè)形變場(chǎng)進(jìn)行擬合,不同于本文的螺位錯(cuò)二維剖面擬合.在99°E—99.5°E區(qū)域(托索湖東側(cè))內(nèi),本文結(jié)果與前人早期研究和最新研究結(jié)果吻合度均較高,得到的滑動(dòng)速率分布在8～9 mm·a-1區(qū)間.就托索湖整段的閉鎖深度而言,本文結(jié)果存在自西向東先減小后增加的趨勢(shì),這與Jian等(2022)得到的20 km內(nèi)斷層耦合度先減小后增大的變化趨勢(shì)一致,表明該區(qū)域的斷層活動(dòng)存在明顯空間異質(zhì)性.總的來(lái)說,本文獲取的東昆侖斷裂帶托索湖段的滑動(dòng)速率與已有研究結(jié)論基本一致,且能夠與最新研究相互驗(yàn)證,進(jìn)一步填補(bǔ)了在阿拉克湖至托索湖西側(cè)廣大區(qū)域震間運(yùn)動(dòng)特征研究的空缺.

圖8 本文滑動(dòng)速率結(jié)果與已有大地測(cè)量和地質(zhì)學(xué)研究成果對(duì)比上三角形是本文基于螺位錯(cuò)模型獲取的東昆侖斷裂帶深部滑動(dòng)速率,其他不同標(biāo)志為前人的大地測(cè)量和地質(zhì)學(xué)研究結(jié)果.KL,庫(kù)塞湖段;DX,西大灘—東大灘段;AL,阿拉克湖段;TL,托索湖段;MM,瑪沁—瑪曲段.

3.2 昆侖山口—江錯(cuò)斷裂的震間變形

在瑪多地震發(fā)生之前的20年間,巴顏喀拉地塊邊界發(fā)生了一系列7級(jí)以上的陸內(nèi)強(qiáng)震.這些地震在塊體邊界上分布呈均勻分布,表明了塊體內(nèi)部應(yīng)力沿整個(gè)塊體邊界傳遞,導(dǎo)致塊體邊界發(fā)生明顯變形而塊體內(nèi)部變形并不顯著.巴顏喀拉地塊東部的大地電磁剖面(Zhao et al., 2012;Wang et al., 2014)揭示了塊體中上地殼普遍存在殼內(nèi)低阻層,因此前人傾向于認(rèn)為巴顏喀拉地塊向東側(cè)向擠出表現(xiàn)為剛性塊體的整體位移(李海兵等, 2021).事實(shí)上,巴顏喀拉地塊內(nèi)部存在多條近平行展布的NWW向次級(jí)左旋走滑斷裂,這些斷裂的變形規(guī)模雖遠(yuǎn)不能和主邊界斷裂相比,但也可能協(xié)調(diào)了巴顏喀拉地塊的側(cè)向擠出過程(鄧起東等, 2003).2021年MW7.4瑪多地震的發(fā)生說明巴顏喀拉塊體內(nèi)部次級(jí)斷裂的震間變形也能觸發(fā)7級(jí)以上強(qiáng)震,因此有效評(píng)估其塊體內(nèi)部變形對(duì)于厘定塊體運(yùn)動(dòng)特征至關(guān)重要.鑒于昆侖山口—江錯(cuò)斷裂與東昆侖斷裂帶在走向方向上近似平行,我們直接在跨昆侖斷裂帶形變速率剖面上摳除了東昆侖斷裂帶震間變形速率以分析塊體內(nèi)部次級(jí)斷裂變形特征.考慮到A—A′剖面存在擬合誤差及H—H′剖面沒有跨越昆侖山口—江錯(cuò)斷裂,我們僅獲取了自B—B′到G—G′的6個(gè)距離江錯(cuò)斷裂40 km內(nèi)的速率剖面,如圖9所示.

圖9 昆侖山口—江錯(cuò)斷裂平行斷層方向速率剖面灰色散點(diǎn)代表不同剖面摳除東昆侖震間形變的沿?cái)鄬幼呦蚍较蛐巫兯俾?黑色點(diǎn)代表沿剖面線2 km 長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的平均值,誤差棒為該范圍數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差.

從圖9昆侖山口—江錯(cuò)斷裂震間形變速率剖面結(jié)果發(fā)現(xiàn),巴顏喀拉塊體內(nèi)部的次級(jí)斷裂兩側(cè)存在不同程度的震間變形信號(hào).如E—E′,G—G′剖面在昆侖山口—江錯(cuò)斷裂兩側(cè)表現(xiàn)出微弱的震間變形(<1 mm·a-1),而B—B,C—C′,D—D′,F—F′剖面在該斷層兩側(cè)則無(wú)明顯形變速率差異.微弱的速率差異這一現(xiàn)象可能反映了地震孕震末期斷層兩側(cè)強(qiáng)閉鎖的運(yùn)動(dòng)特征,即隨著斷層兩側(cè)應(yīng)變能量的進(jìn)一步積累,應(yīng)變積累速率逐步降低,造成斷層兩側(cè)的速率差異會(huì)逐漸降低,逐漸接近地震孕育的臨震階段(Meade and Hager, 2005; 王閻昭等, 2008).B—B′至G—G′剖面表明在發(fā)震斷裂南側(cè)的瑪多—甘德南緣斷裂兩側(cè)均表現(xiàn)出明顯速率變化,其速率變化略大于昆侖山口—江錯(cuò)斷裂兩側(cè)速率變化,速率變化差異可能恰好反映了巴顏喀拉塊體內(nèi)部異質(zhì)的流變特性,這與詹艷等(2021)的大地電磁揭示的東昆侖斷裂帶及其分支斷裂深部電性結(jié)構(gòu)存在細(xì)微差異的結(jié)論相吻合.此外,結(jié)合歷史地震資料發(fā)現(xiàn)(http:∥data.earthquake.cn),巴顏喀拉地塊80%以上的地震和幾乎所有的大地震都集中在塊體邊界斷裂帶上,僅數(shù)量有限的中小型地震發(fā)生在塊體內(nèi)部,塊體內(nèi)部活動(dòng)微弱.不同斷層構(gòu)造變形強(qiáng)度差異和地震活動(dòng)共同說明了巴顏喀拉地塊向東擠出過程表現(xiàn)出“準(zhǔn)剛性”的整體變形特點(diǎn),與前人認(rèn)識(shí)較為吻合(李海兵等, 2021).與巴顏喀拉地塊“準(zhǔn)剛性”變形形成對(duì)比的是,其北部的塔里木地塊則表現(xiàn)為剛性變形(王敏等, 2003),而南部的羌塘地塊以及川滇地塊則表現(xiàn)出明顯的彌散式變形(張培震等, 2013; 李海兵等, 2021).

3.3 東昆侖斷裂帶震間形變與瑪多地震的相互作用

圖10 東昆侖斷裂帶與瑪多地震的庫(kù)侖相互作用(a) 瑪多地震發(fā)震斷裂的滑動(dòng)分布,五角星表示瑪多地震震中位置; (b) 東昆侖斷裂帶對(duì)瑪多地震發(fā)震斷裂的震間庫(kù)侖應(yīng)力,其中東昆侖斷裂帶20 km深度以上的黑色區(qū)域表示處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài),而20 km深度以下的白色區(qū)域表示斷層7.5 mm·a-1的滑動(dòng)速率; (c) 瑪多地震對(duì)東昆侖斷裂帶的庫(kù)侖應(yīng)力.

眾多關(guān)于瑪多地震同震的研究表明,瑪多地震發(fā)震斷層的幾何較為復(fù)雜,走向和傾角沿?cái)鄬幼兓?且東端存在分支斷層(華俊等, 2021; He et al.,2021; 余鵬飛等, 2022; 姜衛(wèi)平等, 2022).本文側(cè)重研究東昆侖斷裂帶和昆侖山口—江錯(cuò)斷裂的相互作用,將發(fā)震斷層簡(jiǎn)化為單一走向和傾角進(jìn)行反演.基于貝葉斯方法反演的平均傾向符合地表破裂跡線,傾角與余鵬飛等(2022)得到的整體斷層約85°高傾角特征一致.斷層的簡(jiǎn)化使得本文反演的最大同震滑動(dòng)量要略高于上述大地測(cè)量數(shù)據(jù)約束下的研究結(jié)果,且分布更深.為進(jìn)一步分析發(fā)震斷層的簡(jiǎn)化是否會(huì)對(duì)庫(kù)侖應(yīng)力的計(jì)算產(chǎn)生影響,我們將本文圖10c與He等(2021)考慮復(fù)雜斷層幾何下的瑪多地震對(duì)東昆侖斷裂帶庫(kù)侖應(yīng)力變化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.兩者的庫(kù)侖應(yīng)力變化在空間分布和量級(jí)上均保持了較高的一致性:東昆侖斷裂帶托索湖往西側(cè)為應(yīng)力卸載區(qū),平均在0.03～0.04 MPa;托索湖至阿尼瑪卿山段為最大應(yīng)力加載區(qū),均值遠(yuǎn)超0.01 MPa;阿尼瑪卿山至瑪沁段為應(yīng)力卸載區(qū),而瑪沁—瑪曲段為應(yīng)力加載區(qū),均值未達(dá)0.01 MPa.這說明本文將瑪多同震模型簡(jiǎn)化并沒有給庫(kù)侖應(yīng)力變化計(jì)算帶來(lái)明顯擾動(dòng),研究結(jié)果具有較高的可信度.

根據(jù)瑪多地震發(fā)震斷層與東昆侖斷裂帶的相對(duì)位置關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn)瑪多地震震源區(qū)在2015—2021年間庫(kù)侖應(yīng)力平均累計(jì)速率約為-0.0002 MPa·a-1,表明現(xiàn)今東昆侖斷裂帶震間閉鎖產(chǎn)生的應(yīng)力積累對(duì)瑪多地震無(wú)明顯的應(yīng)力加載.瑪多地震孕震末期的應(yīng)力積累主要是由于該段構(gòu)造自身的應(yīng)力加載.相反,瑪多地震對(duì)東昆侖斷裂帶托索湖及其以西段產(chǎn)生了最大約為0.06 MPa卸載應(yīng)力,一定程度上緩解了托索湖及其西段區(qū)域地震危險(xiǎn)性;而對(duì)阿尼瑪卿山段和瑪沁—瑪曲段分別產(chǎn)生了最大約為0.08 MPa,0.006 MPa的加載應(yīng)力,特別是此次瑪多地震對(duì)阿尼瑪卿山段的加載應(yīng)力大于地震觸發(fā)的臨界閾值0.01 MPa(King et al., 1994),表明該段落潛在發(fā)生地震的危險(xiǎn)性更高.阿尼瑪卿山作為托索湖段向瑪沁—瑪曲段延伸過程中形成的長(zhǎng)約110 km長(zhǎng)的擠壓彎曲,該區(qū)域內(nèi)山體隆升,地殼縮短,形成了阿尼瑪卿山主峰這一東昆侖斷裂帶中東部最高峰.阿尼瑪卿山段這一特殊構(gòu)造阻礙了瑪多地震發(fā)震斷裂繼續(xù)向東破裂,從而加劇了該區(qū)域的應(yīng)力積累.此外,巴顏喀拉地塊在整體向東運(yùn)移中(Wang and Shen, 2020; Zhang et al., 2004; 詹艷等, 2021),塊體內(nèi)部多條NWW向次級(jí)斷裂把整個(gè)塊體分割成多個(gè)長(zhǎng)條形次級(jí)地塊,它們可能共同決定了塊體向東運(yùn)移的方式.如2021年瑪多地震造成的昆侖山口—江錯(cuò)斷裂南部次級(jí)地塊相對(duì)北部次級(jí)地塊向東運(yùn)移促進(jìn)了破裂帶東部地塊區(qū)應(yīng)變的進(jìn)一步積累,對(duì)東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段產(chǎn)生了應(yīng)力加載.最新研究表明,瑪沁—瑪曲段存在200 km長(zhǎng)度的“地震空區(qū)” (江娃利和謝新生, 2006; 張軍龍等, 2014),該空區(qū)古震復(fù)發(fā)周期自西向東分別約為600±100和1000年,且最近一次大震離逝時(shí)間已經(jīng)超出和接近地震復(fù)發(fā)周期(Li et al., 2011),同時(shí)考慮到2008年汶川地震以及2017年九寨溝地震對(duì)瑪沁—瑪曲段造成的應(yīng)力加載作用(Parsons et al., 2008; Shan et al., 2015; 李琦等, 2019),因此后續(xù)需要重點(diǎn)關(guān)注該段落地震活動(dòng)性和潛在危險(xiǎn)性.

4 結(jié)論

本文利用堆疊時(shí)序InSAR技術(shù)獲取了覆蓋東昆侖斷裂帶托索湖段的2015年至2021年間的高空間分辨率的震間形變場(chǎng).采用螺位錯(cuò)模型和馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法,對(duì)東昆侖斷裂帶托索湖段與瑪多地震發(fā)震斷裂現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)特征及其兩者之間的相互作用開展了研究,得到以下結(jié)論:

(1)東昆侖斷裂帶托索湖段兩側(cè)存在明顯的遠(yuǎn)場(chǎng)差異運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)出明顯的左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征.

(2)東昆侖斷裂帶托索湖段現(xiàn)今處于斷層閉鎖狀態(tài),閉鎖深度分布在8～29 km之間,深部滑動(dòng)速率分布在6～9 mm·a-1之間.

(3)昆侖山口—江錯(cuò)斷裂兩側(cè)速率無(wú)明顯的差異變化,震間運(yùn)動(dòng)特征不明顯,反映了孕震末期斷層強(qiáng)閉鎖特征.

(4)東昆侖斷裂帶產(chǎn)生的應(yīng)力積累對(duì)瑪多地震無(wú)明顯的應(yīng)力加載,而瑪多地震對(duì)托索湖段花石峽至阿尼瑪卿山段、瑪沁—瑪曲段產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力加載效應(yīng),后續(xù)需要重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域的地震活動(dòng)性和潛在危險(xiǎn)性.

致謝感謝審稿人所提寶貴意見和建議以及所有參與數(shù)據(jù)收集與處理的工作人員.