2019, Vol. 39
据中国地震台网测定，2016-05-22 09:48西藏日喀则市定结县发生MS5.4地震，震源深度约为6 km，10:05在震中附近又发生一次MS5.2地震。哈佛大学(global CMT)利用全球台网资料测定2次地震的矩震级分别为MW5.3和MW5.2，本文简称该地震为2016年定结MW5.3地震。从中国地震台网中心(CENC)和哈佛大学给出的震中位置和震源机制解(表 1，图 1)可以看出，定结MW5.3地震震中位于青藏高原内部拉萨地块的南北向裂谷附近，为正断型发震构造[1-2]，但由于定位结果存在较大偏差，且缺乏相关活动构造的研究，具体的发震构造特征有待进一步研究。
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表 1 不同机构给出的2016-05-22定结地震主震震源参数 Tab. 1 Focal parameters of the main shock of the 2016-05-22 Dinggyê earthquake given by different mechanisms |
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红白色沙滩球为定结地震震源机制解，白色方框为本文监测获得的定结地震InSAR形变场范围 图 1 定结地震震中地质构造背景 Fig. 1 Geological structure background in the epicenter of Dinggyê earthquake |
20世纪末，InSAR技术开始应用于地震研究，其原理是通过对震前及震后的SAR干涉像对进行处理，获取地震发生区域的地表形变信息，其结果真实可靠，已在地震发震构造确定和同震破裂分布研究中取得大量成果。青藏高原由于其特殊的地形地貌条件和高海拔环境，是InSAR同震形变监测研究的理想场所，国内外学者对青藏高原内部近年来发生的6级以上地震进行了许多研究[3-6]，为认识青藏高原腹地的现今大陆变形特征提供了重要依据。本文利用欧空局哨兵1A卫星(Sentinel-1A)的升降轨SAR影像数据，使用InSAR技术获取同震形变场图像，研究并确定地震的震源位置，反演分析地震的发震构造几何参数及同震破裂特征，讨论其与定结-申扎SN向伸展断裂系之间的关系，为InSAR技术在5级地震同震监测的应用提供借鉴。
1 InSAR同震形变计算 1.1 SAR数据及处理方法新一代雷达成像卫星Sentinel-1A的C波段数据目前已免费开放下载，幅宽达250 km，单景数据即可完成对定结地震震中形变区域的完全覆盖，缩短了回归重复轨道观测的时间，相较于前人研究所使用的ERS/Envisat卫星数据更易生成较高质量的干涉图像，为InSAR技术监测同震形变提供了良好的数据基础[7-8]。
本文选取Sentinel-1A卫星干涉宽幅模式的SLC IW L1.1级产品数据，通过欧空局数据中心下载地震震前及震后升降轨卫星影像，其中升轨数据观测时间分别为2016-05-04和2016-05-28，轨道号为12；降轨数据观测时间为2016-04-30和2016-05-24，轨道号为121。升降轨道的干涉像对垂直基线距分别为60.13 m和38.43 m，保证了震区数据较高的相干性，有利于地震形变信息的提取。选用D-InSAR数据处理方法，通过瑞士GAMMA软件平台生成形变结果[9]，DEM采用美国NASA SRTM数据(分辨率为90 m)以去除地形相位的影响，卫星轨道信息来自欧空局发布的完全基于Doris定位系统确定的精密轨道，多视比参数设置为1 :4，利用Goldenstein滤波方法得到滤波后的干涉图。相位解缠方法为MCF(最小费用流)，设置相干性阈值为0.45，使解缠结果更为稳定可靠。经过轨道误差去除和重去平，最终得到经过地理编码后的定结地震高分辨率同震地表形变场(LOS视线方向)，结果见图 2。
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图中黑色粗箭头代表卫星飞行方向，虚箭头代表卫星LOS视线方向 图 2 InSAR同震形变场结果 Fig. 2 InSAR coseismic deformation field |
从图 2可以看出，定结地震引起的地表形变场(LOS视线方向)除了部分失相干区域外，整个干涉形变相位连续，特征清晰明显，InSAR形变场整体呈椭圆状分布，南北长约7 km，东西长约4 km，升降轨形变场同时呈现约1个色周的变化，最大视向位移约为6 cm。另外，无论是升轨图像还是降轨图像，定结地震InSAR形变场在LOS方向均表现为负的形变特征，表明震源区在该时段发生远离卫星升降轨飞行方向的水平或垂直运动。
结合图 2和表 1可以初步判定，2016年定结MW5.3地震的发震构造为走向近SN的正断层，同震破裂长度约7 km，断面向E倾斜。在InSAR同震形变资料的基础上，进一步利用位错模型反演技术研究地震的断层几何参数和同震滑动分布特征，主要技术方法为：1)利用Okada矩形位错模型反演获取定结MW5.3地震的断层走向、倾向与倾角等几何参数；2)利用非均匀位错模型进一步反演获取定结MW5.3地震的非均匀滑动分布特征。
2 InSAR同震形变滑动反演研究 2.1 Okada弹性位错模型反演为进一步研究定结地震的同震滑动分布特征，首先根据InSAR同震形变结果导入Okada弹性半空间位错模型[10]，将发震断层当作一个嵌入在介质均匀且各向同性的弹性半无限空间中的刚性矩形平面，通过反演获得定结地震的矩形均匀滑动位错参数(断层坐标原点经纬度、走向、倾向、滑动角、深度、长度、宽度及滑动距离等)，为后续断层面滑动反演提供断层参数范围的约束。
反演采用模型参数取值范围较宽的蒙特卡罗方法(Monte Carlo method)，反演参数初始取值范围参照InSAR同震形变场结果及相关震源机制解结果，将1 000次随机模型生成的结果进行评估计算，得到最佳模型参数(表 2)。从图 3中的位错模型参数反演结果可以看出，定结MW5.3地震的发震断层为走向近SN(－3.82°)的正断层，断面倾向E，倾角为43.27°，震源深度较浅，约为4.5 km，与CENC测定的6 km震源深度比较接近。
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表 2 Okada位错模型反演参数 Tab. 2 Inversion parameters of Okada dislocation model |
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图中蓝线为最优解 图 3 Okada矩形位错参数反演频次分布 Fig. 3 Okada rectangular dislocation parameter inversion frequency distribution |
图 4为利用表 2矩形位错最优反演参数计算得到的定结地震理论位移图像和位移残差图像。可以看出，升、降轨数据的模型模拟结果与InSAR形变结果均拟合较好，近场区域的残差得到有效控制，对应的均方根残差中误差为1.16 cm。
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虚线为反演得到的断层走向 图 4 Okada矩形位错模型理论与残差形变图 Fig. 4 Okada rectangular dislocation model theory and residual deformation |
由于反演获取的定结MW5.3地震同震形变场是基于简化过的Okada弹性半空间位错模型，该模型与实际地壳模型有很大的差异，要获取更加可靠的反演结果需要导入新的模型。因此，在上述Okada矩形位错模型反演结果的基础上，利用Wang等[11]的分层弹性位错模型，采用带约束的最速下降最小二乘方法(SDM)反演定结地震的同震滑动分布特征。该方法在反演过程中同时考虑了数据拟合程度及断层面上滑动或应力降分布的平滑性，其数学原理为：
| $ F(\boldsymbol{b})=\|G \boldsymbol{b}-\boldsymbol{y}\|^{2}+\alpha^{2}\|\boldsymbol{H} \tau\|^{2} \rightarrow \min $ |
式中，b为每个断层子块上的滑动量，y为观测数据矩阵，G为格林函数，H为表示拉普拉斯算子的有限差分近似表达式乘以与滑动量成正比的权重因子，τ为与断层面上滑动分布呈线性相关的剪切应力降，α为平滑因子。
考虑到升、降轨数据的空间连续性及反演工作的效率，本文采用均匀网格采样方法对获取的同震形变场进行数据降采样处理，在Okada均一滑动位错模型反演结果的基础上，将反演的发震断层长度与宽度延长至12 km和7 km，并将其按比例划分为12×7个子断层，断层走向设置为－3.8°，倾向为E，倾角设置为43.27°，介质分层模型采用Crust2.0。通过生成拟合残差与模型粗糙度的折中曲线来挑选合适的平滑因子，从而保证滑动分布反演结果的可靠性与稳定性，结果见图 5，实验后选取的光滑因子值为0.07。
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图 5 平滑因子分布 Fig. 5 Smoothing factor distribution |
图 6为利用InSAR资料和分层位错模型反演获得的定结MW5.3地震滑动分布，通过结果计算出相应的位移残差中误差为0.23 cm，明显小于均一滑动模型1.16 cm的位移残差中误差。
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图 6 同震分布反演结果 Fig. 6 Coseismic distribution inversion results |
从图 6滑动分布反演结果可以看出，2016年定结MW5.3地震的破裂长度约为7 km，与InSAR形变场长度基本一致。从图中的颜色分布可以看出，定结地震同震滑动分布面的深度约为2~6 km，属典型的浅源构造地震。断层破裂以正断为主，平均滑动角为－97.26°，最大滑动量为0.24 m。假设地壳的弹性模量为30 GPa，计算得到此次地震的矩震级为MW5.3，与GCMT测定的结果基本一致。
3 结果分析 3.1 震中位置分析由于测震台网分布稀疏且不均匀，CENC和GCMT测定的2016年定结MW5.3地震震中位置均与本文利用InSAR形变场资料确定的震中位置有较大偏差。若以InSAR形变场中心位置(87.621°E，28.479°N)为准确震中位置，则CENC测定的震中位置(87.60°E，28.36°N)偏差约为13 km，GCMT测定的震中位置(87.62°E，28.22°N)偏差约为28 km。因此，对于震源尺度较小的5、6级地震而言，InSAR同震形变场资料可以精确地约束震源和震中位置。
3.2 发震构造分析从图 7可知，2016年定结MW5.3地震发生在青藏高原内部走向近SN的定结-申扎伸展断裂系[12-13]，但从近场地形地貌和断裂构造分布特征可以看出，地震并没有发生在定结-申扎主断裂带内，而是在距离主活动断裂东部约20 km的定结县措果乡与尼辖乡之间的山梁地带，可能为主断裂的一条分支断裂，定结地震发震断裂与主断裂的关系还需要结合现场地质调查资料进行详细研究。
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KJFZ：喀喇昆仑-嘉黎断裂带；YSZ：雅鲁藏布江缝合带；STDS：藏南拆离系；MBT：主边界断裂；LNFS：隆格尔正断层体系；NTNFS：尼玛-定日正断层体系；XDNFS：申扎-定结正断层体系；YGR：亚东-谷露裂谷；红色圆圈为地震震中 图 7 青藏高原伸展构造示意图[12] Fig. 7 Qinghai-Tibet plateau extension structure |
以往InSAR形变震例研究主要集中在6.5级以上的强震，因为强震的同震位错幅度大，容易监测出InSAR形变场。像定结MW5.3地震此类介于5~6级的中强地震，之所以可以监测出较为可靠的cm级InSAR同震形变场，除植被覆盖稀少等地形地貌条件外，一个重要的原因就是发震构造较浅，如定结地震的破裂深度主要集中在2~6 km范围内，已非常接近地表。如果同样的同震滑动分布下移5 km，根据理论模型计算得到的地表位移就只有mm级，很难用InSAR技术监测到可靠的地表同震形变信息。
本文利用Sentinel-1A卫星数据和D-InSAR技术计算2016-05-22定结MW5.3地震LOS方向的同震形变场，对InSAR形变结果的特征进行分析，并以此为约束反演该地震的断层几何参数和同震滑动分布特征。结果表明，定结MW5.3地震发震断层走向近SN，断面倾向E，倾角约43°，破裂长度约9 km；同震滑动主要集中在2~5 km深度范围内，以正断倾滑为主，最大滑动量为0.24 m，矩震级为5.3级。定结地震的发震断裂可能是定结-申扎伸展断裂系中的一条分支断裂。
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