2018, Vol. 38
2015-12-07塔吉克斯坦首都杜尚别以东350 km的戈尔诺-巴达赫尚自治州穆尔加布区(38.20°N，72.90°E)发生MS7.4地震(简称为塔吉克斯坦MS7.4地震)，震源深度30 km。此次地震震中位于帕米尔高原内部(图 1)。从大的构造格局上看，它是印度板块向中亚大陆内部楔入最深的一个触角。由于印度-欧亚大陆约50 Ma的碰撞，导致从北到南穿越帕米尔高原发生至少300 km的地壳缩短，使塔里木盆地和塔吉克盆地被很窄的阿莱谷地分离[1]。对青藏高原周边的GPS测量表明，印度板块向北推挤欧亚大陆的推挤量约40 mm/a，其中约19 mm/a被喜马拉雅带吸收，其余被北部欧亚大陆及其相关构造所吸收[2]。帕米尔高原是全球大陆地震活动最强烈的地区之一，在过去100 a中，塔吉克斯坦MS7.4地震震中250 km范围内共发生18次6.5级以上地震。因此，对此次塔吉克斯坦MS7.4地震进行研究，有助于更深入地了解帕米尔构造结及其他相关构造的运动情况。近几十年来，InSAR技术在地球物理方面广泛应用[3-4]。我们收集了由欧空局提供的覆盖2015年塔吉克斯坦MS7.4地震的完整InSAR数据，为研究此次地震的同震形变和震源机制提供了必要且宝贵的帮助。
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图 1 2015年塔吉克斯坦地震区域构造背景 Fig. 1 Tectonic setting of epicenter region of the 2015 Tajikistan earthquake |
2015-12-07塔吉克斯坦MS7.4地震发生后，美国地质调查局(USGS)、全球地震矩心矩张量解(GCMT)和巴黎地球物理研究所(IPGP)均给出震源机制解，表明该地震是以走滑为主(表 1)。然而，仅凭这些信息还无法确定本次地震的具体破裂节面，因此本文借助InSAR技术观测结果来研究此次地震的震源机制情况。
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表 1 2015年塔吉克斯坦MS7.4地震参数 Tab. 1 Source parameters of the 2015 Tajikistan MS7.4 earthquake |
图 1为Global CMT提供的1976~2015年地震信息。可以看出，逆冲型地震主要发生在阿莱谷地及南天山西段[5]，走滑型地震主要发生在帕米尔高原北部及内部，在帕米尔高原内部，正断型地震要远远高于逆断型地震。这可能表明，在高原内部东西向延伸作用占主导地位，且已有结果表明，帕米尔高原内部的木吉地堑、公格尔山系和什库尔干盆地等构造也都显示出相似的东西向扩展形变[6]。帕米尔高原-兴都库什地区是印度板块与欧亚板块碰撞系统的重要构造，该地区构造变形强烈，区域强震活跃，如2008-10-05发生在帕米尔北缘与NNE向河谷地带相交的乌合沙鲁断裂上的新疆乌恰MS6.8地震[4]，2015-10-26和2016-04-10发生在阿富汗兴都库什地区的MS7.8、MS7.1深源地震及2016-06-26发生在吉尔吉斯斯坦的MS6.7地震等。
2 InSAR数据与同震形变场本文获取了塔吉克斯坦MS7.4地震震区在地震前和地震后两个时段的升轨(T100A) SAR影像(表 2)，并通过干涉处理获得所需的形变相位。以GAMMA软件为平台，采用双轨法进行处理，最终得到具有较高精度的地理编码后的升轨(T100A)的塔吉克斯坦MS7.4地震同震形变场，如图 2所示。
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表 2 研究中用到的Sentinel-1A卫星数据基本信息 Tab. 2 Details of Sentinel-1A satellite images |
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图 2 2015年塔吉克斯坦MS7.4地震升轨T100A同震形变场(左图为同震干涉条纹图) Fig. 2 Coseismic interferograms of the Tajikistan MS7.4 earthquake obtained from the ascending Sentinel-1A track T100A |
从图 2可以看出，升轨影像很好地覆盖了此次塔吉克斯坦地震的震中区域，整个形变场的条纹变化比较清晰，存在一条大致呈NE-SW走向的迹线，除少数区域失相干，北西侧的变形为正值朝向卫星方向，南东侧的变形为负值远离卫星方向。结合卫星的成像几何为升轨，表明此次地震为左旋走滑型事件，这与USGS、GCMT、IPGP等机构给出的震源参数中的一组节面基本吻合，同时也表明本次MS7.4地震是沿NE-SW走向断层的左旋走滑型地震。干涉形变场显示，此次地震造成北西侧最大位错约45 cm，南东侧最大位错约55 cm(雷达视线方向)。两个不同方向水平位错的过渡带迹线应为发震断层所在位置，迹线南西段存在失相干现象，可能为同震地表破裂出露的位置。另外，该迹线沿走向并不平直，表明发震断层并非一条平直断层。
3 断层滑动反演此次得到的升轨影像数据具有空间连续性和覆盖范围广等特点，数据量庞大，为了提高计算效率，首先要对数据进行降采样处理。本文应用均匀降采样法。为了尽可能获得震中附近形变场的高分辨率信息，降采样时在近(震中)场区域尽可能密集，在远(震中)场区域可以适当稀疏。在反演时，采用分布式滑动模型将断层划分为许多离散的2 km×2 km小块，计算每一块的滑动情况。
3.1 分布滑动模型与反演方法简介引入基于约束条件的最小二乘原理及最速下降法SDM[7]对此次地震的同震滑动分布进行反演[8-9]。其主要思想是利用负梯度方向来决定每次迭代的新的搜索方向，随着迭代步数的增加使待优化目标函数逐步减小。
3.2 2015年塔吉克斯坦7.4级地震反演与分析为了提高反演结果的可靠性，参考Crust2.0将地壳处理成层状介质模型，根据干涉图确定的发震断层走向，由北至南分别选取两段断层，将其命名为1号断层和2号断层。为了获取断层精细滑动分布，将1、2号断层的宽度(沿倾向方向向下)均拓展为40 km，此外根据得到的同震形变场结果，将1号断层的长度(沿走向方向)拓展为60 km，将2号断层的长度(走向方向)拓宽为20 km，同时将两段断层沿走向和倾向剖分为离散的2 km×2 km近似矩形的小断层片，这样1号断层被剖分为600个小单元断层片，2号断层被剖分为200个小单元断层片，共计800个小单元断层片。反演时断层滑动角不设约束，且根据USGS、GCMT、IPGP等机构给出的震源机制解可知，滑动倾角在78°~83°，故在此次反演时，首先假设倾角区间为71°~89°，每隔1°进行一次搜索计算，通过权衡不同倾角和拟合残差两者的折中曲线求得最佳滑动倾角(图 3)。由图 3可知，倾角为84°时对应的拟合残差最小，所以选取最优倾角84°进行反演计算。此外，在求得最佳滑动倾角后，为了进一步保证反演结果的稳定性，引入滑动因子α进行约束。最佳滑动因子一般是通过权衡粗糙度和拟合残差二者的折中曲线求得，本研究中选取0.03(图 4)。
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图 3 不同倾角与拟合残差的折中曲线 Fig. 3 Trade-off curve between the dip and misfit |
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图 4 模型粗糙度与拟合残差的折中曲线 Fig. 4 Trade-off curve between the model roughness and misfit |
应用SDM方法反演的结果如图 5所示。模拟结果与观测结果的拟合度达到98.36%，说明模拟结果与观测结果非常接近，两者之间的残差结果非常小，残差值大多在0值附近，只是在选取的断层模型的断层线附近存在一些稍高值，这是由于模拟选取的断层线为直线，而实际的断层线未必是直线，两者存在一定程度的偏差，但对最终结论并没有本质的影响。T100A的数据拟合模型残差中误差为2.25 cm, 分布式滑动反演得到的同震滑动分布结果见图 6。由图 6可以看出，就1号断层来说，断层面的同震滑动分布主要集中在沿断层走向12~60 km、沿倾向方向向下0~16 km的区域内，平均滑动量为0.75 m，平均滑动角为-8.87°，此次地震造成了地表破裂；就2号断层来说，断层面的同震滑动分布主要集中在沿断层走向0~18 km、沿倾向方向向下0~16 km的区域内，平均滑动量为0.93 m，平均滑动角为－4.7°。断层最大滑移量为4.42 m，大约分布在沿2号断层走向4~6 km、沿倾向方向向下6~8 km处，最大滑动角约为0°，同震的地震矩为73.71×1018 Nm，矩震级为MW7.19。由图 6(a)可知，在滑移量最大的区域断层面的运动方式基本以左旋走滑活动为主，与USGS、GCMT、IGPG等机构给出的震源机制解结果一致，表明文中计算的断层滑动分布情况是可靠且合理的。此外，为了评估分布式滑动反演得到的断层面滑动分布的精度与可靠度，本文通过对原始观测数据施加高斯噪声生成100组带随机扰动误差的数据集，并分别反演加噪声后的滑动分布情况，如图 6(c)所示。可以看出，加噪声后的滑动分布误差分布比较均匀，在模型的左侧下方出现误差最大值，仅为0.17 m左右，这对断层的整体滑动分布并没有本质的影响，说明文中计算的断层滑动分布情况是可靠的。
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图 5 2015年塔吉克斯坦MS7.4地震同震形变观测结果与分布式滑动反演结果对比 Fig. 5 Coseismic deformation and model for the uniform slip inversion of the 7 December 2015 Tajikistan earthquake (图(a)中蓝色框线为均匀滑动反演时矩形断层面在地面的投影) |
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图 6 反演得到的塔吉克斯坦地震同震断层面滑动分布 Fig. 6 Slip distributions for the modeled seismic source of the 7 December 2015 Tajikistan earthquake |
已有研究认为，喜马拉雅西构造结的中源地震活动强度和频度越大，天山地震带的强震活动也愈剧烈，且天山地区历史上几次强震活跃时段基本呈现自西向东的方向迁移[10-11]。这说明喜马拉雅西构造结的强震活动与我国新疆地区天山地震带的强震活动之间存在一定的动力关系，印度板块对喜马拉雅弧和天山地区的北推作用存在自西向东传递的动力过程，也意味着喜马拉雅西构造结对天山地震带的地震活动有一定的指示作用。本次地震发生在帕米尔高原内部，帕米尔高原构造主要受到印度板块向北俯冲和天山向南俯冲的共同作用[12]，其东西边界分布了大规模的走滑运动断层，这些断层的断层线走向呈曲线形式。而该地区GPS观测结果表明，帕米尔高原东西方向存在显著的地壳延伸现象，东西两侧的东向速率存在较显著的差异运动[12]，从帕米尔高原西部往西至塔吉克盆地，地壳缩短明显且主要体现在塔吉克盆地西部地区，而从帕米尔高原往东至塔里木盆地，东向运动速率逐渐增大，说明存在明显的左旋走滑运动。本次塔吉克斯坦MS7.4地震就发生在左旋运动显著地区，表明本次地震是在具有左旋走滑运动特征的显著构造背景下的一次正常、必然的破裂事件。
本次地震发生在高海拔山区，周边缺少常规形变观测手段，InSAR形变观测手段的引入可以为研究该地区尤其是本次地震同震形变场及破裂过程反演提供可靠的数据约束，便于分析此次地震的同震形变、震源机制情况和发震构造。
本文采用Sentinel-1A卫星影像对本次地震开展同震形变提取和发震构造研究，再一次显示了InSAR技术在地震震源机制研究中的巨大潜力和优势。InSAR技术可以获取区域高空间分辨率地壳形变场，因此相对于地震学手段，它能够对震源机制提供紧密的近场约束。同时，InSAR观测的形变场为雷达视线向形变，仅从单一成像视角的形变场无法对震源机制进行准确约束，因此必须结合其他手段(如地震学)，才能综合判定地震的震源机制。
据USGS提供的地震目录，此次塔吉克斯坦MS7.4地震的余震序列基本呈NE向条带分布，这与我们得到的此次地震破裂面呈NE走向的结果基本一致，表明本次对塔吉克斯坦地震的反演结果是科学合理的。
5 结语本文以Sentinel-1A SAR数据作为数据源，利用两轨法获取2015-12-07塔吉克斯坦MS7.4地震的同震形变场，并以此为约束，采用均匀降采样原理将原始观测数据进行降采样，并运用分布滑动模型进行反演，获得地震同震断层面上较为精细的滑动分布。反演结果与观测结果的拟合度达98.36%，断层平均滑动量为0.75~0.93 m，最大滑移量为4.42 m，大约分布在沿2号断层走向4~6 km、沿倾向方向向下6~8 km处，最大滑动角约为0°，同震的地震矩为73.71×1018 Nm，矩震级为MW7.19。同时还发现，此次地震是以左旋走滑运动为主，且造成了地表破裂，这与震后USGS、GCMT、IPGP等机构给出的震源机制解结果一致，与区域的左旋构造运动背景也一致。
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