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  大地测量与地球动力学  2019, Vol. 39 Issue (11): 1106-1111  DOI: 10.14075/j.jgg.2019.11.002

引用本文  

施贺青, 张占彪, 陈云锅, 等. 利用InSAR数据约束反演2017年MW6.3精河地震同震破裂模型[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(11): 1106-1111.
SHI Heqing, ZHANG Zhanbiao, CHEN Yunguo, et al. Constraints on Coseismic Rupture Model of the 2017 MW6.3 Jinghe Earthquake from InSAR Data[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(11): 1106-1111.

项目来源

国家自然科学基金(41731071, 41574012, 41704005);湖北省地球内部多尺度成像重点实验室开放基金(SMIL-2017-02);中央高校基本科研业务费专项资金(CUGL160225,G1323531878)。

Foundation support

National Natural Science Foundation of China, No.41731071, 41574012, 41704005; Open Fund of Hubei Subsurface Multi-Scale Imaging Key Laboratory, China University of Geosciences, No.SMIL-2017-02; Fundamental Research Funds for the Central Universities, No.CUGL160225, G1323531878.

通讯作者

何平,博士,副教授,主要研究方向为构造大地测量学与地震活动,E-mail:phe@cug.edu.cn

Corresponding author

HE Ping, PhD, associate professor, majors in space geodesy and earthquake geodynamics,E-mail:phe@cug.edu.cn.

第一作者简介

施贺青,硕士生,主要研究方向为地壳形变监测,E-mail:hqshi@cug.edu.cn

About the first author

SHI Heqing, postgraduate, majors in crustal movement, E-mail: hqshi@cug.edu.cn..

文章历史

收稿日期:2018-11-20
利用InSAR数据约束反演2017年MW6.3精河地震同震破裂模型
施贺青1     张占彪2     陈云锅1     何平1     原绍文1     
1. 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院地球内部多尺度成像湖北省重点实验室,武汉市鲁磨路388号,430074;
2. 武汉市勘察设计有限公司,武汉市万松园路209号,430022
摘要:利用Sentinel-1降轨卫星数据,研究2017-08-09新疆精河MW6.3地震的同震形变与断层滑动破裂。考虑轨道和大气误差的影响,基于模型改正后的精细同震干涉图显示,视线向最大地表位移约为7 cm,未发现有地表破裂。此外,基于弹性半空间位错模型,采用两步法策略分别反演地震的均匀断层几何参数和同震滑动分布,结果显示,精河地震发震断层以逆冲运动为主,主破裂区位于8~17 km深度,最大滑移量为0.6 m,表明该地震是一次由逆冲型隐伏断层产生的单次破裂事件。InSAR结果给出的地震释放矩能量为2.91×1018Nm,相当于矩震级MW6.25,与USGS、CENC等机构给出的震级一致。
关键词精河地震InSAR同震形变反演

2017-08-09新疆博尔塔拉州精河县发生MW6.3地震,震中位于精河县城西南方向约37 km,震中经纬度为44.302° N、82.832° E,震源深度为30 km。该地震是有数字地震观测记录以来仅有的位于北天山中部的中强地震(MW>6.0),距震中500 km范围内的乌鲁木齐、石河子、伊犁、克拉玛依等地震感明显。地震发生后,美国地质调查局(USGS)、中国地震台网中心(CENC)等多家机构利用地震波数据迅速给出此次地震的震源机制解。受地理环境及观测手段等的制约,目前研究区历史地震孕育机制和破裂特征的资料十分有限,且此次中强地震发生于构造活动较弱的地区,为认识区域构造提供了难得的机会。

本文收集了覆盖震中区的合成孔径雷达(SAR)数据,基于GMTSAR数据处理平台,通过差分干涉测量(InSAR)处理,获取此次地震的同震干涉图。同时,考虑研究区的复杂地形,去除了大气噪声和轨道垂直基线误差等影响,得到较高分辨率、高信噪比的视线向InSAR同震形变场,基于该同震形变场采用二步法反演得到同震破裂模型,为该地区的断层活动研究和地震危险性评估提供了重要依据。

1 InSAR数据分析 1.1 数据源

本文收集了震中区两幅Sentinel-1A卫星SAR影像对,包括一幅升轨和一幅降轨(表 1),以开源的GMTSAR数据处理软件为平台,采用两轨法对SAR数据进行干涉处理,得到地震在视线向上产生的地表形变场(图 1(a)2(a))。尽管震中区域包含较大起伏的地形和茂密的植被,干涉图像仍保持了较高的相干性,同震信号明显。选取具有较短的时间基线(12 d)和空间基线(<100 m)的干涉像对,干涉结果显示出较强的非同震信号,如大气噪声等(图 1(a)蓝色区域及图 2(a)部分红色和白色区域)。为去除相关噪声,精细同震形变场,对两幅干涉影像进行大气误差校正和轨道误差校正。

表 1 本文所使用Sentinel-1卫星数据基本信息 Tab. 1 Sentinel-1 satellite data basic information

(a)降轨数据同震形变场; (b)降轨数据大气误差模型; (c)去除大气误差后的同震形变场; (d)轨道误差模型; (e)去除轨道误差后的同震形变场; (f)高程与LOS向形变量之间的一阶线性拟合关系。横坐标为采样点高程, 纵坐标为LOS向形变量 图 1 T085轨道数据 Fig. 1 Data of descending T085

(a)升轨数据同震形变场; (b)升轨数据大气误差模型; (c)去除大气误差后的同震形变场; (d)轨道误差模型; (e)去除轨道误差后的同震形变场:(f)高程与LOS向形变量之间的一阶线性拟合关系。横坐标为采样点高程, 纵坐标为LOS向形变量 图 2 T063轨道数据 Fig. 2 Data of descending T063
1.2 误差校正

InSAR数据误差主要包括大气误差、轨道误差和数字高程模型(DEM)误差等[1]。大气误差校正主要是基于地形建模估计,采用外部数据集如GPS、MODIS/MERIS等数据进行削弱或去除[2]。但由于外部数据获取困难且尺度不统一,其校正难以形成标准化流程。在实际应用中,往往采用地形建模估计的方法,能够较好地去除与地形相关的长波长大气误差成分[3-5]。本文在实验中发现,两幅干涉影像的大气误差与高程均具有很强的正相关性(图 1(f)2(f)),采用外部地形数据估计大气误差模型(图 1(b)2(b))分别对升轨、降轨两幅影像作大气误差校正,结果显示,降轨数据去除大气误差的效果明显(图 1(c)2(c)),而升轨数据的大气误差虽表现出与高程存在正相关,但去除大气误差后同震信号仍不明显,推测其受与地形不相关的短波长部分大气误差残余的扰动较大。当误差模型与高程没有明显的相关性或存在较大短波长大气噪声时(图 2(e)),大气误差难以进行有效去除[1]

轨道误差理论上可由基线误差求解,但实际应用中往往无法准确获取基线误差大小。由于轨道残余条纹在空间上具有线性分布的特征,本文采用多项式拟合轨道误差模型加以校正[6](图 1(d)2(d))。

DEM误差的影响与垂直基线和DEM精度相关。本文采用的干涉图像垂直基线长度为81 m(表 1),DEM数据精度大约在10 m左右,产生的DEM误差相对较小(当垂直基线长度为100 m、DEM精度为10 m时,造成的误差小于5 mm),因此忽略外部DEM误差的影响。

图 12可看出,本文误差校正效果明显。大气误差改正之前,其幅值最大分别可达6 cm和10 cm(图 1(a)2(a)),扣除与地形相关的大气噪声后分别降至1 cm和4 cm(图 1(c)2(c))。另外,轨道基线误差校正之前幅值达4 cm(图 1(d)2(d)),通过多项式拟合轨道误差模型进行校正后降至2 cm以下(图 1(e)2(e))。其中,降轨数据误差校正效果较好,误差总体小于1 cm;升轨数据经过上述校正过程虽极大地降低了大气误差和轨道基线误差的影响,但仍残余约4 cm左右的噪声,且LOS向形变量最大仅6 cm,导致该幅数据信噪比不高。为削弱数据误差对反演结果的影响,本文选择在模型反演中仅利用校正后的降轨数据约束。

为分析地震的同震形变场特征,对解缠后的图像以3 cm波长进行反缠绕处理(图 3(b))。结果显示,地震所造成的同震形变场位于库松木楔克断层最东端,形变区域呈近似椭圆形,覆盖范围约25 km×20 km,LOS向最大形变量达7 cm,表现为地表隆升,与地震的逆冲型震源机制一致。整幅干涉图像相干性较好,未出现明显失相干区域,推测地震并未造成地表破裂,为一次隐伏断层活动导致的逆冲型地震,与姜祥华等[7]通过余震精定位结果得出的同震破裂范围分布于5~15 km深度及地质调查结果未发现地表破裂的结论相一致。

图 3 同震形变场 Fig. 3 Coseismic deformation field
2 同震破裂模型

利用前文获取的同震形变场资料,基于弹性半空间位错模型反演地震的断层几何结构和滑动分布。为提高反演效率,对数据进行降采样处理,得到1 490个采样点。本文采用两步法反演地震的断层几何参数和滑动分布特征:1)在InSAR同震形变场约束下,利用蒙特卡洛反演算法精确获取断层位置及几何形态;2)采用分布式断层模型,对1)中得到的平面断层上的滑动分布进行反演。

2.1 断层几何模型构建

假定断层面滑移量和滑动角为均匀分布,给出各参数上下限进行约束。采用蒙特卡罗算法反演地震的最佳断层几何模型,该模型主要反映同震破裂模型中的破裂面几何参数信息。通过统计残差分布,得到最小残差对应的断层几何模型即为最佳模型,其中,最优断层面走向为77°,倾角为49°,滑动角初始值为82°,并在14 km×17 km的范围内产生0.4 m的均匀滑动,同震滑动分布的深度范围为10~23 km,具体结果见表 2。表中,u为均匀滑动模型,d为滑动分布模型,c为由1)反演得到的参数,s为滑动分布模型最大滑移量所处的深度,m为滑动分布模型中的最大滑移量。利用蒙特卡罗算法对这些参数的不确定性进行估计,结果见图 4

表 2 2017年精河MW6.3地震震源机制 Tab. 2 The mechanism of the 2017 Jinghe MW6.3 earthquake

每个点代表 50个随机参数中最佳拟合值, 每幅散点图包含100个点; 直方图为参数结果的统计 图 4 基于蒙特卡罗算法的均匀滑动模型参数估计 Fig. 4 The Monte Carlo algorithm is used to estimate the parameters of the uniform slipping model
2.2 滑动分布反演

为得到断层面精细滑动分布特征,利用§2.1反演获取的断层几何参数将断层面的长度和宽度分别拓展为36 km和26 km,以避免边缘效应。再剖分为18×13(走向×倾向)个网格,网格大小为2 km×2 km,采用最速下降法[8]反演每个网格滑动量及滑动角参数,利用最小二乘迭代使先验数据残差最小,得到最佳断层滑动分布。为避免相邻网格解不稳定或产生奇异值,采用滑动量平均进行模型约束,反演结果见图 5。由图可知,最大滑移量位于12 km深处,可达0.6 m,破裂深度可达18 km,向上延伸至8 km深处,破裂区呈近似椭圆形,沿走向长约20 km,释放能量约2.91×1018Nm,相当于MW6.25。

图 5 InSAR数据约束下反演同震破裂模型 Fig. 5 Displays coseismic slip distribution constrained by InSAR coseismic displacement field

利用均匀滑动模型和滑动分布模型分别进行正演得到地表形变场,结果见图 6(b)6(d),均匀滑动模型正演形变场与实测数据残差见图 6(c)。其中,近场残差略大于远场,总体残差分布在0.5 cm左右。剖线AA′显示,垂直断层方向拟合效果较好,基本反映了实测数据的变化趋势。滑动分布模型残差见图 6(e),相较于均匀滑动模型,滑动分布模型残差大小分布均匀,拟合效果更优,更能反映实际地震破裂过程。由此可见,2种模型的正演结果均与实测数据具有较高的拟合度,同时证明本文的同震破裂模型具有较高的可靠性。

(a)降采样后的InSAR数据; (b)均匀滑动模型正演LOS向同震形变场:(c)均匀滑动模型LOS向残差图; (d)分布式断层模型正演LOS同震形变场:(e)分布式断层模型LOS残差图; (f)AA'测线实测数据(绿色)、均匀滑动模型(红色)、滑动分布模型(蓝色)LOS向形变量; (g)断层行迹线与地形分布关系图; (h)BB'地形剖线。红色断层线为反演发震断层地表行迹线 图 6 同震破裂模型分析 Fig. 6 Comparison of observed data and simulated data of optimal rupture model for InSAR data

本文利用近场大地测量数据(InSAR)反演精河地震的同震破裂模型,结果显示为单侧破裂,破裂方向由震中向浅部传播。根据余震序列重新定位结果[9],余震主要分布在主震西侧,大部分深度小于17 km,与在InSAR数据资料约束下的同震破裂模型结果较为一致,显示大地测量技术对该地区中强地震(MW>6.0)同震滑动分布的约束性较强。

3 讨论

中国地震局地质研究所利用Sentinel-1降轨数据得出精河地震滑动量最大为0.6 m,同震滑动分布主要集中在13~25 km深度范围内;刘传金等[10]通过采用升降轨的Sentinel-1卫星数据反演得出地震的最大滑移量为2 m,最大破裂深度为20.7 km。本文利用大气误差校正和轨道趋势面校正后的同震形变场进行约束,反演得到地震同震破裂模型,结果显示,滑动区深度范围为8~17 km,最大滑动量为0.6 m,最大破裂深度和最大滑动量均与前人研究结果有所不同,推测该差异可能是由于对震源深度的约束参数设置不同导致。

姜祥华等[7]利用区域台网对余震进行精定位,得出其深度主要集中在5~15 km;刘建明等[11]认为地震的初始破裂深度为18 km,破裂面倾向向南,余震序列沿东西向单侧展布,长度约为20 km。该结果与本文反演得到的同震破裂模型具有很好的一致性,证明本文结果具有可靠性。

许多学者认为,精河地震的发震构造是精河县西南侧的库松木楔克山前断裂东段[7, 10-11],但地质调查结果显示,该断层东段走向约290°~310°[12],而本文反演得到的地震发震断层走向为77°,与多家机构给出震源机制解及余震序列较吻合。由图 6(g)可知,发震断层走向与库松木楔克断裂存在约30°夹角,且库松木楔克断裂主要沿主山脉山前展布,而发震断层行迹线主要沿精河县南侧山前沿伸。从断层垂直方向地形变化曲线(BB′)可看出,断层行迹线位于盆山交界处,符合山前逆冲断裂构造特征(图 6(h))。综上所述,精河地震发震构造可能不是库松木楔克山前断裂,而是一条靠近精河县城、走向近南北的隐伏山前逆冲断裂。

4 结语

本文利用Sentinel-1卫星数据计算2017年精河地震同震形变信息,并对结果进行大气误差校正和轨道垂直基线误差校正,得到精细的同震形变场。基于该同震形变场对地震的同震破裂模型进行反演,结果显示,精河地震为一次连续破裂事件,不存在破裂子事件,主破裂区位于8~17 km深度,最大滑移量约为0.6 m。本文从InSAR数据源出发,得到地震的同震破裂参数,为地震的断层活动研究提供信息,可加深对该地区地壳活动特征和断层几何构造的理解,为研究北天山及准噶尔盆地的活动特性提供依据。

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Constraints on Coseismic Rupture Model of the 2017 MW6.3 Jinghe Earthquake from InSAR Data
SHI Heqing1     ZHANG Zhanbiao2     CHEN Yunguo1     HE Ping1     YUAN Shaowen1     
1. Hubei Subsurface Multi-Scale Imaging Key Laboratory, Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, 388 Lumo Road, Wuhan 430074, China;
2. Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co Ltd, 209 Wansongyuan Road, Wuhan 430022, China
Abstract: In this study, InSAR data from Sentinel-1 satellite are used to image the coseismic deformation and constrain the focal mechanism of the MW6.3 earthquake that struck Jinghe county, in the central segment of the Tien Shan Orogenic system, northwestern China, on 9th August 2017. After the orbit and atmospheric error are corrected in the coseismic interferogram, we find a maximum surface displacement in line of sight (LOS) up to 7 cm, and no surface rupture in this event. Assuming an elastic homogeneous half-space, a two-step inversion strategy is adopted to inverse the fault geometry and slip distribution, respectively. Our results demonstrate this event is dominated by thrust-slip with no strike-slip, and the main slip zone is in depths of 8 to 17 km with a maximum slip of 0.6 m, suggesting this event is a blind reverse thrust rupture with one asperity. The seismic moment determined in this study is 2.91×1018Nm, corresponding to MW6.25, which is consistent with the focal mechanism from USGS and CENC.
Key words: Jinghe earthquake; InSAR; coseismic deformation; inversion