2022年1月8日青海門源MS6.9地震GNSS同震形變場及其斷層滑動(dòng)分布

許雙安

摘要：

2022年1月8日在青海省海北州門源縣發(fā)生MS6.9地震，本次地震是繼2016年門源MS6.4地震后冷龍嶺斷裂周邊發(fā)生的又一次強(qiáng)震。確定本次地震的破裂分布對(duì)分析該地區(qū)震害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。通過收集震中及周邊12個(gè)GNSS連續(xù)站點(diǎn)和震后加密觀測的17個(gè)流動(dòng)站點(diǎn)觀測資料，獲取了震中100 km范圍內(nèi)29個(gè)測站的GNSS靜態(tài)同震形變場，并以此為約束反演了本次地震同震滑動(dòng)分布。結(jié)果顯示，近場GNSS觀測到的最大形變量可達(dá)1.3 m。反演的最優(yōu)破裂模型顯示該地震主破裂區(qū)深度位于0～10 km，滑動(dòng)破裂出露地表，最大滑動(dòng)量為4.07 m，地震矩釋放能量約1.1×1019 N·m，對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW6.7。門源地震破裂至地表是造成該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施破壞的直接原因。

關(guān)鍵詞：

門源地震; GNSS; 同震形變; 滑動(dòng)分布

中圖分類號(hào)： P319????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2023）02-0401-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220824002

Co-seismic deformation filed and fault-slip distribution of the Menyuan MS6.9

earthquake on January 8， 2022， constrained by GNSS observations

XU Shuang'an1，2

（1. China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， Shaanxi， China;

2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization （FSDI）， Xi'an 710043， Shaanxi， China）

Abstract：

On January 8， 2022， an MS6.9 earthquake occurred in Menyuan County， Qinghai Province. It is another strong earthquake occurred in this region after the 2016 Menyuan MS6.4 earthquake， and determining the rupture distribution of this earthquake has great significance for analyzing the seismic damage risk in this area. Based on the observation data from 12 continuous global navigation satellite system （GNSS） stations and 17 mobile stations in the epicenter and its surrounding areas， the GNSS static co-seismic deformation field of 29 stations within 100 km of the epicenter was obtained and the co-seismic slip distribution of the MS6.9 earthquake was inverted. Results show that the maximum deformation observed by near-field GNSS reaches 1.3 m. The optimal rupture model shows that the main rupture zone of the earthquake is concentrated at the depth of 0-10 km; the sliding rupture is exposed to the surface， and the maximum slip is up to 4.07 m; the inverted seismic moment is about 1.1×1019 N·m， corresponding to MW6.7. The earthquake rupture to the surface is the direct cause of the destruction of infrastructure in this region.

Keywords：

Menyuan earthquake; GNSS; co-seismic deformation; slip distribution

0 引言

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測定，2022年1月8日1時(shí)45分，青海省海北州門源縣（37.77°N，101.26°E）發(fā)生6.9級(jí)地震，震源深度10 km（https：//news.ceic.ac.cn）。這是繼1986年8月26日和2016年1月21日2次門源6.4級(jí)地震之后該地區(qū)發(fā)生的又一次中強(qiáng)震事件［1］。據(jù)應(yīng)急管理部公布的青海門源地震烈度分布圖顯示，此次地震最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ度區(qū)及以上面積約2.4萬 km2，其中青海?、龆葏^(qū)及以上面積約13.7萬 km2，甘肅省Ⅵ度區(qū)及以上面積約9 694 km2，等震線長軸呈北西西走向，長軸約200 km，短軸約153 km（www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5646200/index.html）。此次地震影響區(qū)域涉及青海省3個(gè)市州6個(gè)區(qū)縣32個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，甘肅省3個(gè)市6個(gè)區(qū)縣29個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及中牧山丹馬場、大黃山林場。其中在最高烈度區(qū)域內(nèi)，交通基礎(chǔ)設(shè)施橋梁和隧道出現(xiàn)偏移、輸水隧洞局部垮塌，道路路面出現(xiàn)多處裂縫、局部錯(cuò)斷等現(xiàn)象，對(duì)國家和人民財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失［2］。

中國地震局地球物理研究所快速產(chǎn)出的余震精定位結(jié)果顯示，此次門源6.9級(jí)地震發(fā)生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂、托萊山斷裂和肅南—祁連斷裂的階區(qū)部位，屬于海源斷裂帶西段，其晚第四紀(jì)左旋走滑速率約為4～6 mm/a［3-5］，如圖1所示?，F(xiàn)今青藏高原北部形變場形成是通過不同活動(dòng)斷裂差異性相對(duì)運(yùn)動(dòng)、區(qū)域內(nèi)部逆沖擠壓和塊體旋轉(zhuǎn)共同作用的結(jié)果，構(gòu)造較為復(fù)雜［6］。青藏高原東北緣歷史上發(fā)生過多次7級(jí)以上地震，其中1920年以來發(fā)生過3次7.5級(jí)以上大地震，包括1920年海原8.5級(jí)地震、1927年古浪8.0級(jí)地震和1932年昌馬7.6級(jí)地震，上述大地震導(dǎo)致海原斷裂、冷龍嶺斷裂和昌馬斷裂發(fā)生顯著的地表破裂，并造成重大人員傷亡［7-12］。

2022年門源地震發(fā)生后，中國地震局牽頭組織相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展地震應(yīng)急科考，通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)本次地震序列在地表產(chǎn)生了多條破裂帶，其中地表破裂跡線規(guī)模較大的一條位于冷龍嶺斷裂西段，長度約22 km，觀測到的最大位錯(cuò)量約為3.1 m，變形強(qiáng)度具有由西向東衰減趨勢。調(diào)查分析認(rèn)為地表破裂帶規(guī)模無論是寬度、長度還是位錯(cuò)量級(jí)，與主震震級(jí)都不相匹配（www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html）。部分學(xué)者基于InSAR觀測資料對(duì)本次地震同震滑動(dòng)分布進(jìn)行了反演，認(rèn)為本次地震自NWW向SEE破裂，發(fā)震斷層最大滑動(dòng)量達(dá)3.5 m，主要滑動(dòng)分布在東部［13］，這與地質(zhì)考察的結(jié)果存在一定差異。由于本次地震破裂出露地表，通過InSAR觀測資料干涉處理得到的震中近場區(qū)域失相干效應(yīng)明顯，InSAR觀測數(shù)據(jù)不能獲取本次地震近場視線向位移（LOS），或得到的LOS觀測誤差較大。因此，僅利用InSAR觀測資料反演滑動(dòng)分布和地震震級(jí)會(huì)使反演結(jié)果存在較大的不確定性。GNSS具有更高的觀測精度和時(shí)間分辨率，是地殼形變監(jiān)測中的一種重要觀測手段。震中近場區(qū)域分布的GNSS加密觀測，可以作為InSAR近場失相干區(qū)域的有效補(bǔ)充。

為了更深入研究2022年門源地震同震形變分布特征和發(fā)震機(jī)理，本文利用震中及周邊布設(shè)的GNSS連續(xù)測站和震后應(yīng)急觀測的流動(dòng)測站觀測資料，獲取了本次地震同震形變場;同時(shí)根據(jù)發(fā)震斷層地表跡線和余震精定位結(jié)果構(gòu)建了發(fā)震斷層幾何參數(shù)初始模型;通過采用GNSS同震形變場為約束，反演同震滑動(dòng)破裂分布。相關(guān)研究結(jié)果可以為進(jìn)一步計(jì)算斷層面庫侖應(yīng)力變化，以及區(qū)域未來地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供重要參考。

1 GNSS觀測資料及數(shù)據(jù)處理

1.1 GNSS觀測資料

2022年1月8日MS6.9門源地震發(fā)生后，青海省地方政府會(huì)同相關(guān)企事業(yè)單位開展了震后搶險(xiǎn)復(fù)舊工作，并組織測繪力量對(duì)受地震影響的測量基準(zhǔn)進(jìn)行了快速恢復(fù)。為了研究分析并總結(jié)本次地震震害特征，對(duì)震中附近既有的工程測量控制網(wǎng)前期布設(shè)的17個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)測，另外還收集有震中周邊分布的GNSS連續(xù)觀測站資料，包括青海省 6個(gè)CORS站和中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（簡稱：陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)）6個(gè)GNSS連續(xù)站，如圖2所示。

1.2 GNSS數(shù)據(jù)處理

采用GAMIT/GLOBK10.7軟件對(duì)收集的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行高精密數(shù)據(jù)處理［14］。為保證數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性和可靠性，數(shù)據(jù)處理過程中采用統(tǒng)一的處理模型和處理策略［15］。首先，對(duì)固體潮、極潮、海潮進(jìn)行模型改正，并用GPT2全球氣壓溫度模型進(jìn)行對(duì)流層延遲改正［16］，通過計(jì)算估計(jì)得到包括測站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道和天頂對(duì)流層延遲等參數(shù)在內(nèi)的單日松弛解。然后，利用GLOBK將區(qū)域松弛解與SOPAC（Scripps Orbital and Permanent Array Center）產(chǎn)出的全球IGS站的單日松弛解合并，得到一個(gè)包含全球IGS站和本文GNSS站的單日松弛解。最后，在全球范圍內(nèi)選擇用于實(shí)現(xiàn)參考框架轉(zhuǎn)換的參考站，以全球單日松弛解做為準(zhǔn)觀測值，利用GLOBK通過7參數(shù)（3個(gè)平移、3個(gè)旋轉(zhuǎn)、1個(gè)旋轉(zhuǎn)）相似變換得到ITRF2014參考框架下的單日坐標(biāo)解［17］。

1.3 靜態(tài)同震形變場獲取

GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列中包含了多種信號(hào)，既有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信號(hào)，如測站長期線性運(yùn)動(dòng)速率、地震同震形變及震后弛豫形變，也包含部分非構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息，如季節(jié)性周期形變，儀器更換引起的坐標(biāo)時(shí)間序列跳變，以及測站觀測環(huán)境突變引起的階躍等［15，18-19］。我們分析了QHME（青海門源）坐標(biāo)時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)2016年門源地震影響范圍較小，未產(chǎn)生明顯的震后形變，故忽略2016年地震的震后形變影響。2022年門源地震發(fā)生后，次日即對(duì)周邊GNSS流動(dòng)站進(jìn)行了快速復(fù)測，所以在同震形變的獲取時(shí)，該地震自身引起的震后影響也可忽略不計(jì)。GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列通用擬合公式如下：

y（ti）=a+bti+csin（2πti）+dcos（2πti）+esin（4πti）+fcos（4πti）+

∑ngj=1gjH（ti-Tgj）+∑nhj=1hjH（ti-Thj）ti（1）

式中：a為截距；b為線性速率;ti為觀測時(shí)間;c-f是周年、半周年變化振幅;gi和hi是ti時(shí)刻的階躍值;Tgj為地震發(fā)生時(shí)刻;Thj為階躍發(fā)生時(shí)刻;H表示Heaviside階梯函數(shù);n為階躍個(gè)數(shù)。

對(duì)于GNSS連續(xù)站，本文首先對(duì)解算的坐標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行粗差剔除［20］，然后對(duì)不明原因的階躍進(jìn)行探測，并與同震形變一起進(jìn)行估計(jì);對(duì)于GNSS流動(dòng)測站，采用基于貝葉斯后驗(yàn)概率密度統(tǒng)計(jì)方法來估計(jì)同震位移。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站和青海CORS站已連續(xù)觀測多年，擁有豐富的震前觀測資料，可以根據(jù)震前、震后數(shù)據(jù)直接提取同震形變。本文流動(dòng)觀測站點(diǎn)只有一期震前觀測資料，為了獲取2022年門源地震同震形變結(jié)果，我們首先基于Wang等［19］2020發(fā)布的中國大陸長期形變速度場，利用克里金插值算法對(duì)長期形變速率未知的站點(diǎn)進(jìn)行空間插值，估計(jì)其震前長期運(yùn)動(dòng)速率。然后，將插值得到的測站長期速率代入式（1）中計(jì)算提取流動(dòng)站同震形變。

2 GNSS同震位移場

2022年門源地震水平向同震形變場如圖3所示，有29個(gè)GNSS站點(diǎn)記錄到了明顯的同震位移，其中距離震中最近的TB01測站東西向位移為1.29 m，南北向位移為0.2 m。除此之外，近場站點(diǎn)IZQ6、P112、P200均記錄到了0.4 m以上的同震位移。由圖3可以看出，該地震同震形變場呈四象限分布，發(fā)震斷裂以北方向測站有NW向運(yùn)動(dòng)趨勢，斷裂以南方向測站有向SE方向運(yùn)動(dòng)趨勢。由此可以看出，本次地震是以左旋走滑型為主，這與青藏高原東北緣前緣部分的地殼縮短和左旋剪切的背景場一致［21-22］。部分GNSS站點(diǎn)同震形變數(shù)值結(jié)果列于表1。

該地震的同震破裂區(qū)域位于祁連山南部，斷層以北區(qū)域缺乏近場GNSS觀測點(diǎn)位。為了增加滑動(dòng)分布反演時(shí)的觀測量和遠(yuǎn)場觀測數(shù)據(jù)的約束，本文在滑動(dòng)分布反演時(shí)還加入了部分遠(yuǎn)場GNSS觀測資料。雖然遠(yuǎn)場GNSS站點(diǎn)測量的同震形變信噪比較低，但計(jì)算結(jié)果顯示同震位移方向仍然符合該地震左旋走滑特性，所以認(rèn)為該站記錄到的同震位移能夠準(zhǔn)確反映該地區(qū)的同震位移特征。

3 斷層滑動(dòng)分布反演

地震發(fā)生后，國內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)給出了該地震的震源機(jī)制和同震破裂過程（美國地質(zhì)調(diào)查局、中國地震局地質(zhì)研究所、中國地震局地球物理研究所等）。其中，美國地質(zhì)調(diào)查局在震后早期發(fā)布了W震相震源機(jī)制解反演的地震破裂過程，持續(xù)時(shí)間約10 s，破裂長度30 km，傾角為88°。為了構(gòu)建發(fā)震斷層模型，我們收集發(fā)震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景、余震精定位結(jié)果、地表破裂跡線和InSAR干涉影像結(jié)果，發(fā)現(xiàn)門源地震地表破裂西段與精定位余震位置并不完全重合（圖1c），可能是斷層傾角發(fā)生變化導(dǎo)致，也可能是余震精定位結(jié)果存在一定偏差。根據(jù)發(fā)震區(qū)及周邊地震孕震背景以及國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)公開的震源機(jī)制解可知，發(fā)震斷層為高傾角斷層［13，23］。為此，我們依據(jù)InSAR結(jié)果識(shí)別的破裂跡線構(gòu)建了非線性的曲面斷層面。由于斷層傾角的少許變化不會(huì)改變GNSS資料反演滑動(dòng)分布的基本特征，本文假設(shè)斷層傾角為90°，長度為42 km，寬度為20 km，將彎曲的斷層面離散化為1 km×1 km的840個(gè)矩形位錯(cuò)單元?；贕NSS觀測資料反演同震破裂模型，應(yīng)滿足觀測數(shù)據(jù)擬合度和滑動(dòng)分布粗糙度最小，即：

式中：d為同震形變觀測值;W為觀測值的權(quán)矩陣;G為格林函數(shù);m為子斷層滑動(dòng)矢量;SymbolQC@2拉普拉斯光滑算子［24］;β為光滑因子。本文中格林函數(shù)G為利用Okada彈性半無限空間均勻介質(zhì)模型來計(jì)算［25-26］。

受限于GNSS臺(tái)站密度比較稀疏，在有限斷層反演過程中通常需要加入比較強(qiáng)的平滑權(quán)重來提升反演結(jié)果的穩(wěn)定性。由式（2）可以看出，斷層滑動(dòng)分布特征除了與GNSS站點(diǎn)分布有關(guān)，光滑因子對(duì)反演結(jié)果的影響也很大。本文利用搜索法，在0～0.5之間對(duì)光滑因子進(jìn)行搜索，通過GNSS數(shù)據(jù)擬合殘差與滑動(dòng)位移的光滑度之間的L曲線，選取最終的光滑因子為0.15。

基于上述方法，得到了2022年門源地震同震破裂模型，如圖5所示。結(jié)果顯示，同震滑動(dòng)分布主要集中在0～10 km之間，主破裂面最大滑動(dòng)量約為4.07 m，破裂出露地表。假設(shè)泊松比為 0.25，剪切模量為 30 GPa，利用同震滑動(dòng)模型計(jì)算得到地震矩釋放能量為1.1×1019 N·m，對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW6.7，與地震波反演結(jié)果相當(dāng)。

如圖6所示，2022門源地震同震破裂模型的模擬值與GNSS觀測值擬合整體上較一致，說明斷層參數(shù)的選取相對(duì)可靠。與Herring等［13］基于InSAR觀測資料反演獲取的同震滑動(dòng)分布相比，震級(jí)大小相當(dāng)，但最大滑動(dòng)量和最大破裂區(qū)域位置存在差異。本文反演的主破裂區(qū)域在西段，這可能與GNSS在東部的站點(diǎn)分布較少有關(guān)，也可能與選取的斷層模型存在差異有關(guān)。

4 討論

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文GNSS觀測資料對(duì)滑動(dòng)分布反演的約束能力和分辨能力，我們制作了棋盤檢驗(yàn)。輸入斷層的幾何特征不變，設(shè)定每個(gè)棋盤網(wǎng)格為7 km×5 km，滑動(dòng)網(wǎng)格的滑動(dòng)量為1 m，不滑動(dòng)的為0 m。首先，我們根據(jù)該棋盤模型正演了GNSS觀測站的同震位移，然后在該同震位移上加入觀測誤差，最后利用相同的參數(shù)反演該棋盤的滑動(dòng)分布，如圖7所示。結(jié)果顯示，本文的GNSS站點(diǎn)可以很好的分辨出淺層0～10 km處的滑動(dòng)。正演和反演的地震矩和震級(jí)都相同，說明基于GNSS觀測資料反演獲取的發(fā)震震級(jí)也較為可靠。

地震發(fā)生后，國內(nèi)學(xué)者分別利用InSAR和GNSS觀測資料對(duì)2022年門源地震同震破裂滑動(dòng)分布進(jìn)行了研究分析［13，27-28］。如李煜航等［28］利用其測量的GNSS數(shù)據(jù)結(jié)果反演的滑動(dòng)分布主要分布在冷龍嶺西段和托萊山東段，最大滑動(dòng)量約3 m，矩震級(jí)MW6.55，而Luo等［27］基于InSAR反演的滑動(dòng)分布顯示該地震的最大滑動(dòng)量約4 m，矩震級(jí)MW6.7，與本文的最大滑動(dòng)量約4 m，矩震級(jí)MW6.7的結(jié)果比較一致。反演結(jié)果出現(xiàn)這種差異可能是由于計(jì)算采用的數(shù)據(jù)源和構(gòu)建的模型不同導(dǎo)致。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)震中附近的GNSS站點(diǎn)進(jìn)行加密觀測，獲取了2022年門源MS6.9地震近場水平向GNSS同震形變場，直觀的揭示了該地震的同震形變分布特征。

（1） 同震形變結(jié)果顯示，2022年門源地震以左旋走滑為主，同震形變場呈四象限展布，觀測到的地表最大同震形變量達(dá)1.3 m。過震中沿西北-東南方向，GNSS形變量呈現(xiàn)出距震中距離越遠(yuǎn)，同震形變位移越小的特征。

（2） 以GNSS觀測結(jié)果為約束反演得到同震滑動(dòng)分布模型，結(jié)果顯示該地震主要滑動(dòng)量集中在0～10 km深度，最大滑動(dòng)量為4.07 m，地震矩為1.1×1019 N·m，對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW6.7。

（3） 本次地震破裂滑動(dòng)出露到地表是該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施受損的重要原因。

致謝：感謝中國地震局地震研究所野外觀測小組在GNSS數(shù)據(jù)采集中提供的幫助，趙斌提供了地震同震滑動(dòng)分布反演程序，并對(duì)程序進(jìn)行了詳細(xì)的講解，王東振在GNSS數(shù)據(jù)處理方面提供了很大的幫助，青海省基礎(chǔ)測繪院趙利江提供的青海CORS站數(shù)據(jù)。

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