2018, Vol. 38
据中国地震台网测定，2017-08-09 07：27(北京时间)在新疆博尔塔拉州精河县(44.27°N，82.89°E)发生MS6.6地震，震源深度约11 km，震中距精河县城37 km。该地震位于北天山地震带，地势南高北低，海拔高度约1 500 m，区域构造如图 1所示。
|
图 1 精河地震区域构造 Fig. 1 Local faults of the 2017 Jinghe earthquake |
有历史记录以来，震中附近100 km范围内共发生4级以上地震18次(如图 1所示，黑色线为区域内断层分布；红色五角星为主震位置，红色圆圈为2017-08-09~08-13的精定位余震位置；绿色圆圈为4级以上历史地震分布；震源机制解由CENC提供)。其中，时间最近的地震是2015年4.2级地震，距本次地震29.9 km；距离最近的地震是2011年4.8级地震，距离本次地震15.3 km；震级最大的地震是1812年8.0级地震，距本次地震80.0 km。因此，通过对精河MS6.6地震震源机制的研究，有助于更深入地了解天山地震带的构造活动特征，为反演天山地震带应力场的时空变化、捕捉强震前兆信息和地震危险性评估提供有用判据[1]。
根据震中位置、余震分布及震源机制解特征等(图 1)初步分析，此次精河MS6.6地震的发震构造为库松木楔克山前断裂东段。该断裂是发育在北天山推覆体前缘的逆断裂-背斜带上一条新生的活动断层，同时也是北天山西段再生造山带北缘一条重要的边界断层。库松木楔克山前断裂东起基普克一带，向西经扫子木图沿着库松木楔克山前及北缘延伸至赛里木湖，总体呈290° ~ 300°方向延伸，长约160 km，断层面南倾，倾角40° ~ 60°，主要表现为逆断层性质[2]。库松木楔克山前断裂具有多期活动的特点，沿断裂上新统和下更新统西域砾岩普遍发生褶皱变形，形成一系列背斜构造[3]。库松木楔克山前断裂东段的新活动明显，断裂错断了中更新世以来的各级地貌面和沟谷阶地，并在地表形成断层陡坎和古地震地表变形遗迹，为全新世活动断层，其晚更新世以来的垂直活动速率为0.23 ~ 0.33 mm/a；全新世以来的垂直滑动速率为0.05 ~ 0.08 mm/a[2, 4]。
该地区人口稀少、地理位置特殊，周围的地震观测台站较少，且缺少常规地面测量资料。合成孔径雷达差分干涉测量技术(differential SAR interferometry，D-InSAR)以其全天时、全天候、大范围覆盖、高分辨率及高精度等优点在同震形变观测领域得到了广泛应用[5-6]，在对该区域的地震震源机制研究中具有其他地面及空间测量技术无法比拟的优势。然而，InSAR只能观测到雷达视线向(line of sight, LOS)上的一维形变，并不能完全反映真实的地表形变，而不同成像几何条件下的SAR数据可以提供更丰富的形变信息，为地震震源机制的反演提供更可靠的数据约束。
本文利用Sentinel-1A/B卫星升降轨数据获取了精河地震的InSAR同震形变场，然后采用均匀滑动模型和分布式滑动模型确定了发震断层参数和滑动分布，反演结果将深化对精河地震成因和机理的认识。
1 InSAR数据及同震形变场 1.1 SAR数据随着哥白尼计划的推进，欧空局(ESA)新一代SAR卫星Sentinel-1A/B已相继发射(2014年、2016年)。该星座对地观测的默认成像模式为干涉宽幅模式，该模式可获取幅宽达250 km的SAR数据。Sentinel-1提供了大数量、广覆盖、短周期、短基线、免费的C波段SAR数据，为InSAR技术的发展与应用提供了丰富的数据支持。
地震发生前后，Sentinel-1A/B卫星对精河地震进行了观测。本文选取了覆盖研究区域的4景Sentinel-1A/B干涉宽幅模式(IW)的升降轨SAR数据，组成两个时空基线较短的干涉对，基本参数如表 1所示。此外，为了提高影像配准和估计基线的精度，本文还使用了ESA提供的Sentinel-1精密轨道数据。
|
表 1 SAR数据基本信息 Tab. 1 SAR data and their imaging parameters |
本文基于GAMMA软件，采用两轨法通过差分干涉处理来获取精河地震同震形变场。在InSAR数据处理过程中，使用Sentinel-1精密轨道数据精化SAR数据的轨道参数；使用顾及大地水准面差异的30 m分辨率SRTM DEM数据来模拟和去除地形相位；为了提高相干性，对干涉图进行多视处理(8×2)；为了进一步提高信噪比，对干涉图进行局部自适应空间域滤波处理；采用基于Delaunay三角网的最小费用流(minimum cost flow，MCF)算法进行相位解缠。尽管使用了较精确的轨道数据，但得到的干涉图中仍存在轨道残差。本文使用多项式模型拟合并去除轨道残差。为进一步削弱大气垂直分层延迟的影响，使用地形相关法估计并去除大气延迟，最终获取了地理编码后的精河地震升降轨InSAR同震形变场(图 2，一个色周代表雷达视线向(LOS)半波长(2.8 cm)的形变量；黑色线为区域内断层分布；红色圆圈为精定位余震位置分布)。
|
图 2 精河地震升降轨InSAR同震形变场 Fig. 2 The deformation results of 2017 Jinghe earthquake including ascend and descend |
从图 2可以看出，升降轨SAR数据均很好地覆盖了精河地震的震中区域，且形变场清晰、连续。同震形变分布的范围在30~40 km，最大形变量级约为6 cm。震中位置干涉条纹大致呈同心椭圆形状，长轴走向近东西方向，且与精定位余震序列分布也存在很好的空间相关性。此外，升降轨InSAR干涉图均显示同震形变为隆升，由此可以推断该地震主要由发震断层逆冲运动产生。
由于升降轨SAR数据存在成像几何的差异，导致两个轨道数据所获取的同震形变场并不完全重叠。此外，受大气湍流延迟的影响，升轨干涉图条纹产生了明显的抖动，在山区尤为明显。
2 震源参数反演基于同震形变场反演地震震源机制是提升发震构造认识、评估区域地震灾害的重要手段。由于精河地震余震重新定位结果无法精准确定发震断层的几何模型，本文首先通过非线性反演方法和Okada位错模型反演均匀滑动模型的断层几何参数[7-8]，然后基于最小二乘线性反演法和发震断层几何参数反演发震断层的同震位错分布，从而确定发震断层更精细的运动特征。
2.1 均匀滑动模型假设精河地震是由单一断层面滑动引起，并以升降轨InSAR形变场作为反演约束，使用均匀滑动模型进行反演分析以确定发震断层的位置(经纬度)、震源深度、走向、倾角等断层几何参数，为后续分布式滑动模型反演提供断层参数约束。
在使用均匀滑动模型进行参数反演时，将发震断层看作一个嵌入在介质均匀且各向同性的弹性半空间中的矩形面[7]。基于此，采用较宽参数取值范围的蒙特卡罗算法进行反演，通过统计1 000次独立计算结果的频率分布，获得最佳的断层参数[8-9](如图 3所示，灰色方块为参数出现的频数；红色曲线为最佳高斯分布曲线；蓝色竖线为最优解)。均匀滑动模型的反演结果显示，发震断层长度为11.8 km、宽度为6.8 km，震源深度为21.7 km，走向为83.8°、倾角为40.6°，走向滑动量为26.4 cm、倾向滑动量为153.4 cm，参考点位置X为20.2 km、Y为21.6 km(X、Y坐标以InSAR形变图西南角点为参考)。
|
图 3 均匀滑动模型参数直方图 Fig. 3 Frequency histograms of uniform slip model parameters |
图 4显示了升降轨InSAR形变场(图(a)和(d))、均匀滑动反演结果(图(b)和(e))及其残差(图(c)和(f))和形变剖线AA′和BB′(图(g)和(h))。可以看出，均匀滑动模型反演结果与InSAR观测结果拟合度较高，且在近场区域拟合残差非常小，表明二者有很好的一致性；从垂直于断层走向的两条形变剖线AA′和BB′也可以看出，均匀滑动反演结果与InSAR观测结果高度一致，升降轨结果在同震形变场中心的最大形变量均为6 cm，且形变曲线的形态符合逆冲型地震的形变特征；此外，均匀滑动模型反演结果和InSAR观测结果与精定位余震序列位置分布具有良好的空间相关性。这说明使用均匀滑动模型反演断层参数的可靠性较好，因此选取这些参数进行分布式滑动模型反演是合理的。
|
图 4 精河地震均匀滑动模型反演结果 Fig. 4 Observed, modeled, residual and profile of descending and ascending displacement maps |
为获取更精细的同震滑动分布，采用前文中均匀滑动模型反演出的断层位置、走向和倾角等参数，基于梯度下降法(steepest decent method，SDM)反演精河地震同震滑动分布[10-11]。首先，将断层长度(沿走向)拓展到30 km，断层宽度(沿倾向向下)拓展到20 km；然后，将断层面分割成600个1 km × 1 km大小的子断层，则这些子断层上的滑动量与观测值之间的关系为：
| $ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} G\\ {aL} \end{array}} \right]S = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} D\\ 0 \end{array}} \right] $ | (1) |
式中，G为格林函数，a为平滑因子，L为拉普拉斯算子，D为InSAR观测值，S为待求的子断层滑动量。本文综合考虑模型的粗糙度和拟合残差，通过迭代计算最终确定了分布式滑动模型的平滑因子为0.04(图 5(a))。
|
图 5 精河地震分布式滑动模型反演结果 Fig. 5 Slip distributions for the modeled seismic sources of Jinghe MW6.3 earthquake |
使用分布式滑动模型反演获取了更加精细的断层空间滑动分布(图 5(b))，反演结果与InSAR观测值的拟合度达到97.48%。结果显示，精河地震发震断层走向约为83.8°，倾角约为40.6°，滑动角约为89.1°，震源深度约为20.7 km，矩震级为MW6.35(表 2)；由图 5(b)可以看出，同震滑动分布主要集中在沿走向8~21 km和沿倾向向下1~13 km的区域内，平均滑动量为0.66 m，最大滑动量为1.96 m，位于沿倾向向下7~8 km处，该地震以逆冲运动为主兼具有极少量左旋走滑运动。本文计算的断层滑动分布与中国地震台网中心(CENC)、美国地质调查局(USGS)、哈佛大学(Harvard GCMT)等机构给出的震源机制解结果基本一致(表 2)，说明本文计算结果是可靠的。
|
|
表 2 精河MW6.3地震震源机制解 Tab. 2 Focal mechanism solutions of Jinghe MW6.3 earthquake |
2017-08-09新疆精河县发生了MS6.6级地震，研究该地震对理解北天山地区的运动特征有着重要意义。尽管该地区自然环境恶劣、地震台站较少且缺乏常规地面测量资料，但是本文利用升降轨Sentinel-1A/B数据获取了该地震的同震形变场。在此基础上，分别利用均匀滑动模型和分布式滑动模型反演出发震断层的最佳几何参数，为研究地震震源机制、区域构造活动和灾害评估等提供了重要数据支撑。
InSAR结果表明，该地震形成了约40 km×30 km的形变区，引起升降轨LOS方向6 cm的隆升，形变主要发生在断层的北侧(断层上盘)。本文以InSAR形变场为约束，通过均匀滑动模型和分布式滑动模型，采用两步反演策略对精河地震的发震机制进行反演。反演结果表明，拟合的断层参数与InSAR观测值匹配度很高，断层走向为83.8°，倾角为40.6°，平均滑动角为89.1°，震源深度为20.7 km，最大滑动量达1.96 m，矩震级约为MW6.35，断层整体以逆冲运动为主兼有极少量左旋走滑分量。
从本文的InSAR反演结果和余震分布综合分析，笔者认为库松木楔克山前断裂为此次地震的发震断层。首先，余震的展布近东西向，与库松木楔克山前断裂的走向吻合较好，且余震分布的空间位置也与该断裂一致。第二，从反演结果来看，此次精河地震以逆冲错动为主，与库松木楔克山前断裂的运动性质一致。此次精河地震发生在新疆北天山地区，该区是大陆内部典型的逆冲断裂带，现今活动强烈，有历史记录以来发生过多次7级以上地震。这些地震的特点是震源深，引起地表隆起、地表破裂不明显[12]，此次精河地震也符合这些特征，因此推测本次地震是新疆北天山地区逆冲断裂带深部发生错动的结果(图 6)。发震断层应为铲型断层，即浅部倾角陡，往深部延展倾角变缓，根据本文反演结果，精河地震的震源位置约为21 km，倾角约为40°，即地震震源位于铲型断层浅部陡倾角向深部缓倾角过渡的位置。
|
图 6 北天山区域构造与精河地震发震构造示意模型(根据文献[12]修改) Fig. 6 Regional structure of north Tianshan and tectonic model for the Jinghe earthquake |
致谢 感谢ESA为本文提供Sentinel-1A/B卫星数据，GFZ汪荣江教授提供SDM反演程序及新疆地震局李金提供余震精定位结果。
| [1] |
李金, 周龙泉, 龙海英, 等. 天山地震带(中国境内)震源机制一致性参数的时空特征[J]. 地震地质, 2015, 37(3): 792-803 (Li Jin, Zhou Longquan, Long Haiying, et al. Spatial-Temporal Characteristics of the Focal Mechanism Consistency Parameter in Tianshan (within Chinese Territory)Seismic Zone[J]. Seismology and Geology, 2015, 37(3): 792-803 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2015.03.010)
(  0) |
| [2] |
陈建波, 沈军, 李军, 等. 北天山西段库松木楔克山山前断层新活动特征初探[J]. 地震工程学报, 2007, 29(4): 335-340 (Chen Jianbo, Shen Jun, Li Jun, et al. Preliminary Study on New Active Characteristics of Kusongmuxieke Mountain front Fault in the West Segment of North Tianshan[J]. Northwestern Seismological Journal, 2007, 29(4): 335-340 DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2007.04.008)
( 0) |
| [3] |
邓起东. 活动断裂研究[M]. 北京: 地震出版社, 1991 (Deng Qidong. Research of Active Faults[M]. Beijing: Seismological Press, 1991)
( 0) |
| [4] |
陈建波, 谭明, 吴国栋, 等. 2011年10月16日新疆精河县5.0级地震震害特征及原因[J]. 震灾防御技术, 2011, 7(2): 532-542 (Chen Jianbo, Tan Ming, Wu Guodong, et al. The Seismic Damage Characteristic and the Cause of the Jinhe M5.0 Earthquake in Xinjiang on Oct. 16, 2011[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2011, 7(2): 532-542)
( 0) |
| [5] |
季灵运, 刘立炜, 郝明. 利用InSAR技术研究滇西南镇康-永德地区现今地壳形变特征[J]. 地震研究, 2015, 38(1): 84-89 (Ji Lingyun, Liu Liwei, Hao Ming. Crustal Deformation Characteristic of Zhenkang-Yongde Region in Southwest Yunnan Observed by InSAR Technology[J]. Journal of Seismological Research, 2015, 38(1): 84-89)
( 0) |
| [6] |
孙赫, 季灵运, 朱良玉, 等. 新疆于田MS7.3地震同震与震后形变机制研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2016, 36(12): 1052-1055 (Sun He, Ji Lingyun, Zhu Liangyu, et al. Coseismic Deformation and Postseismic Deformation Mechanism Yutian MS7.3 Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2016, 36(12): 1052-1055)
( 0) |
| [7] |
Okada Y. Surface Deformation due to Shear and Tensile Faults in a Half-Space[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1985, 92(2): 1018-1040
( 0) |
| [8] |
Ji L, Xu J, Zhao Q, et al. Source Parameters of the 2003-2004 Bange Earthquake Sequence, Central Tibet, China, Estimated from InSAR Data[J]. Remote Sensing, 2016, 8(6): 516 DOI:10.3390/rs8060516
( 0) |
| [9] |
Press W H, Teukolsky S A, Flannery B P, et al. Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1992
( 0) |
| [10] |
Wang R, Diao F, Hoechner A. SDM -A Geodetic Inversion Code Incorporating with Layered Crust Structure and Curved Fault Geometry[C].EGU General Assembly Conference, 2013 http://www.researchgate.net/publication/258773037_SDM_-_A_geodetic_inversion_code_incorporating_with_layered_crust_structure_and_curved_fault_geometry
( 0) |
| [11] |
Wang R, Parolai S, Ge M, et al. The 2011 MW 9.0 Tohoku Earthquake: Comparison of GPS and Strong-Motion Data[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2013, 103(2B): 1336-1347 DOI:10.1785/0120110264
( 0) |
| [12] |
张培震, 邓起东, 徐锡伟, 等. 盲断裂、褶皱地震与新疆1906年玛纳斯地震[J]. 地震地质, 1994(3): 193-204 (Zhang Peizhen, Deng Qidong, Xu Xiwei, et al. Blind Thrust, Folding Earthquake, and the 1906 Manas Earthquake, Xinjiang[J]. Seismology and Geology, 1994(3): 193-204)
( 0) |