2018, Vol. 38
2. 中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071
据中国地震台网(CENC)测定，2016-10-17 15:14我国青海省玉树州杂多县(32.81N，94.93E)发生MS6.2地震，震源深度约9 km。震区海拔4 700 m，震中距离杂多县城57 km, 震感强烈，多处房屋受损。美国地质调查局(USGS)和哈佛大学(GCMT)随后给出的震源机制解见图 1(黑色粗线代表主要活动断裂，红色震源球代表 2010年玉树地震和2016年杂多地震震中位置和震源机制，蓝色震源球代表历史地震，红色方框虚线为Sentinel1-A卫星数据覆盖区域)和表 1。
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图 1 杂多断裂及周边地形、区域构造、地震活动、GPS速度场及InSAR数据分布 Fig. 1 Zadoi faults and surrounding topography, tectonic, seismicity GPS velocity and InSAR data distribution |
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表 1 不同机构给出的杂多地震震源参数 Tab. 1 Parameters of Zadoi seismic source given by different organizations |
杂多地震所在的地区位于巴颜喀拉块体，自2010年玉树MS7.1地震后，该地区的未来危险性等问题备受关注。杂多地震发生在杂多-上拉秀断裂与莫云结多断裂的交汇处(图 1)。杂多断裂位于唐古拉山向斜北侧的开心岭-杂多背斜内，由一系列平行展布的断裂组成，总体呈NW向延伸，属于现今构造应力场作用下的老断层新活动[1]。历史地震活动表明，沿该断裂的现今地震活动主要为6级以下的壳源地震，最大地震为1961年的杂多5.9级地震。
图 1给出的杂多地区现今相对于欧亚板块的GPS速度场约为20 mm/a，跨断层两侧速度场差异较小，目前地质调查、GPS等大地测量观测手段尚未有杂多断裂带的滑移速率的定量研究成果。同时杂多地震究竟发生在哪条断裂带上，目前也尚未有明确的答案。因此，本研究基于InSAR观测，在确定杂多地震的同震形变场的基础上，通过反演确定准确的震源参数并获取断层滑动分布，不但有助于确定震中的确切位置，理解杂多地震的发震机理和断层破裂分布特征，而且有助于认识杂多及周边地区的地质构造背景。
1 InSAR数据处理利用InSAR技术获取地震的同震形变场，并开展震源机制的研究，已在国内外得到广泛应用[2-4]。杂多地震发生后，欧空局迅速提供了覆盖杂多地震的Sentinel-1A(C波段)升轨影像数据。由于杂多地震发生在高寒地区，人烟稀少，野外调查和观测都比较困难，另外该地区GPS点位稀疏，可使用的数据非常少，同时ALOS2卫星缺乏震后的观测数据，因此Sentinel-1A数据成为了该地震的重要研究数据源。本文研究所用的数据如图 2(虚线为本文设定的杂多断层模型范围, 黑色原点是其余震分布)和表 2所示，两幅影像的时间间隔为24 d，空间基线较短，仅78 m，完全覆盖了杂多地震的同震形变场。
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图 2 杂多地震InSAR干涉图 Fig. 2 InSAR interferogram of Zadoi earthquake |
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表 2 Sentinel-1A数据信息 Tab. 2 Sentinel-1A SAR data information |
数据处理软件使用美国JPL和斯坦福大学共同研发的ISCE(InSAR scientific computing environment)，采用欧空局发布的Sentinel-1A卫星的精密轨道和美国宇航局NASA发布的30 m分辨率的SRTM数字高程模型消除地形相位，InSAR处理中距离向和方位向按4×12进行多视处理，并利用加权功率谱法进行滤波生成干涉图[5], 使用最小费用流法进行相位解缠，最后将雷达坐标系的形变图进行地理编码，转换到地理坐标下，即可获取该地震视线向同震形变场。
由于采用较短的时间和空间基线，具有较好的相干性，整个干涉形变相位较为连续，特征清晰明显。同震LOS向形变场(图 2)表明，东南侧(上盘)表现为下沉，呈椭圆形，最大形变量为6 cm。由InSAR获取的同震形变场可进一步证实杂多地震发震断层具有正断性质。
2 断层参数与滑动分布反演InSAR观测数据具有空间分辨率高、覆盖范围广、数据量大等特征，但是在反演研究中，过多的观测数据不仅大幅增加反演计算量，影响反演效率，而且会降低数据的信噪比，使计算难以收敛[6]。因此，在断层几何参数反演之前，首先对干涉图进行降采样处理来获取适当数量的InSAR观测数据。本文采用四叉树对LOS进行降采样，对近场区域设定较小阈值，采样点选取相对密集，对于远场区域设定较大阈值，采样点选取相对稀疏，这样能够最大程度地保留原始形变场的空间特征(图 3)。
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图 3 InSAR降采样点位分布 Fig. 3 InSAR down-sampling point distribution |
本文采用基于约束条件下的最小二乘及最速下降法(steepest decent method)程序SDM计算断层的位错模型及滑移分布[7]。在反演震源滑动模型时，先要给定初始的震源机制解。不同机构给出的结果略有差异，综合来看，断层走向为20°~64°，倾角为51°~67°，位移的滑动角为28°~ －199°，震源深度为9~35 km。
综合考虑InSAR获取的同震形变场的范围和杂多断层地表迹线，并结合其余震的分布特征(图 2)，取平均走向为58°，确定使用单一断层模型，设定断层长度为30 km, 宽度为30 km，并把断层按1 km×1 km分成30×30个子断层。运用SDM程序进行反演，进行200余次尝试发现，倾角在60°时残差最小，故本文固定断层倾角为60°。根据模型粗糙度与光滑度之间的折中曲线，确定最终的光滑因子为0.06。基于均匀介质模型的杂多地震的断层滑动分布见图 4和表 3。
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图 4 杂多地震同震破裂滑动分布 Fig. 4 The coseismic slip distribution of Zadoi earthquake |
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表 3 杂多地震断层几何参数及滑动模型 Tab. 3 Geometric parameters and slip model of Zadoi earthquake faults |
杂多地震的滑动模型(图 4)表明，同震破裂长度约17 km，断层倾角60°，滑动分布比较集中，呈椭圆形，主要位于沿走向10~25 km、倾向5~17 km的区域范围内，形变中心位于32.85°N、94.86°E，其平均位错量为0.08 m, 最大滑动量为0.17 m，沿倾向方向10 km附近，距地表 9 km，没有破裂到地表，属典型的浅源构造地震。整个断层面滑动量以正断倾滑为主，兼有部分左旋走滑，其中在震中西段几乎为纯倾滑分布，而东段左旋走滑分量逐渐增大，其中最大倾滑分量为0.16 m, 最大走滑分量为0.08 m。最终得出的平均滑动角为－71.6°，与CENC给出的－64°较为接近。根据滑动分布模型，计算获得本次地震的矩震量为7.623×1017，相应的矩震级为MW5.9，与USGS和CENC测定的矩震级一致。
反演获取的同震形变场与InSAR观测的同震形变场相似(图 5)，从残差分布和InSAR同震形变场情况来看，整个模拟的残差平均值为12 mm，主要集中在断层两侧区域，即断层附近区域残差较小，远离残差相对大一些，这些误差可能是由余震形变、断层模型比较单一以及干涉图中残存大气误差等因素引起。参数反演的数据拟合度达到99.76%，表明本文获取的杂多地震的断层滑动分布结果具有很好的可靠性。
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图 5 InSAR观测、反演的同震形变场及二者残差 Fig. 5 InSAR observation, model and residuals |
根据滑动分布模型，获得了地震的应力降变化分布(图 6)，沿断裂倾向的应力变化剧烈部分与地下位错破裂较大区域基本一致; 沿走向应力变化则分为两个区域，但幅度要比倾向小很多，表明本次地震断层以倾滑为主，兼具少许走滑分量; 正应力变化分布表明，断层浅部区域处于应力减弱区域。
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图 6 沿断层面的应力降分布 Fig. 6 The distribution of stress drop along fault plane |
震源深度的精度主要依赖于地球模型和测震台网的分布[8]，如果地球模型中有关浅层地壳的结构参数不能反映地下真实结构信息，将会引起浅源地震震源深度的计算偏差。杂多地震发生后不久，尽管CNEC、USGS和GCMT等研究机构利用地震波资料计算给出了其震源机制和震中位置(表 2)，但是互有较大的差异(尤其是震源深度)，这可能是因为青藏高原地区地壳不均匀性十分显著，杂多断裂位于慢波延迟的低值区域[9]，且该地区地震台站分布稀疏且不均匀，各机构采用的计算方法和模型不同等因素造成地震资料存在较大的不确定性。而大地测量(GPS、InSAR)获取的是地震近场信息，可以得到大量的断层约束信息，能够更准确地获取断层的几何参数和震源机制。本文通过InSAR获取的震源深度为9 km，与CENC发布的震源深度一致，而从其余震的震源深度来看，主要分布在距离地表 8~10 km，与本文的结果亦相符。
上述反演的结果显示，断层滑移量以倾滑为主，断层东段兼具左旋走滑分量，滑动量主要集中分布在断层距地表约17 km以上。地质研究结果表明，杂多断裂主要是由许多沿NW方向呈弥散状分布、规模中等至较小及地表活动迹象显著度低的断裂带构成，属于活动性较弱的壳内断层，主要以地壳中-浅深度的6.0级以下地震活动为主[10]。从更大的构造区域来看，杂多地震发生于羌塘块体中部，羌塘块体属于拉张构造区，块体内部发育众多正断层以及与正断层相关的地震活动。已有的GPS结果研究表明[11]，羌塘地块的主张应变率显著增大，主张应变的方向为近东西向，与近南北向的正断层活动的地质背景一致，表明正断层地震活动机制是羌塘地块最重要和特殊的地震活动性特征。
杂多断裂带是由许多弥散分布、规模较小、地表活动迹象低的断裂带构成，属于地壳内部活动性较弱的断裂，不具备发生大地震(MW>6.8)的潜力[1]，最近发生的最大地震为1961年杂多西北的5.9级地震。地震复发周期是通过地震的同震位移除以断层的滑动速率计算获取的[12]。由于该地区地震活动性较弱，且GPS点位稀疏，因此目前还没有杂多断裂带的滑动速率的研究成果。我们根据InSAR技术获取的杂多地震最大同震位移为0.17 m，初步估算出杂多断裂的滑动速率约为3 mm/a。
4 结语利用DInSAR技术获得了2016-10-17青海杂多MS5.9地震的同震形变场，其最大形变量为6 cm，根据InSAR获取的同震形变场特征分布可初步确定，本次地震发震断层具有正断性质。进一步利用SDM程序获取了杂多地震的断层滑动分布特征，得出杂多地震是以正断倾滑为主，兼具左旋走滑，最大滑动量为0.17 m，位于断层距离地表 9 km，形变中心位于32.85°N、94.86°E，矩震级约为MW5.9。地震滑动量主要集中于地下5~17 km, 表明杂多地震属于壳内中-浅源地震，这主要与羌塘块体的构造背景相关。
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2. Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China