2020, Vol. 40
2. 中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071
2017-08-08四川省九寨沟县发生MS7.0地震，震中位于东昆仑断裂带东端塔藏断裂、虎牙断裂和岷江断裂交汇部位(图 1，参考文献[1-3]及http://www.globalcmt.org/)，野外地质考察没有发现明显的地表破裂[4]。地震发生后，不同研究人员基于地震或大地测量数据开展了地震震源参数和破裂过程的研究[5-8]，美国地质调查局(USGS)给出的震源机制解表明，九寨沟MS7.0地震发震断层倾角为84°；王卫民等[9]利用从美国地震学研究联合会(IRIS)获取的远震波形数据反演地震的震源机制，结果表明，九寨沟MS7.0地震为高倾角左旋走滑型地震，发震断层倾角为68.9°；谢祖军等[10]利用国家地震台网记录的近震波形数据对主震进行震源机制反演，结果表明，主震以左旋走滑为主，发震断层倾角为74°；单新建等[6]以InSAR同震形变场为约束，确定九寨沟MS7.0地震发震断层倾角为50°。本文利用震区GPS监测网观测资料、InSAR影像资料及强震观测数据获取九寨沟地震同震形变场，联合多种大地测量结果反演九寨沟地震的震源参数及发震断层的滑移分布，为从地震的运动学特征角度探讨地震的发生机理及了解地震破裂对周边主要活动断层应力状态的影响提供帮助[11]，在震后变形研究[12]和区域地震危险性评价等方面具有重要意义。
|
图 1 2017年九寨沟MS7.0地震构造背景 Fig. 1 Tectonic setting of the 2017 MS7.0 Jiuzhaigou earthquake |
GPS数据来源于中国大陆构造环境监测网络[13]、北斗地基增强系统[5]和国家GPS大地控制网[14]，GPS点位分布如图 1所示。GPS数据处理采用美国喷气推进实验室(JPL)开发的GIPSY/OASIS Ⅱ软件[15]，数据处理以24 h为一个时段，采用精密单点定位方法将IGS站和区域站进行联合处理，获得单日时段解。单日坐标解算采用卡尔曼滤波平滑算法，固定JPL提供的无基准精密卫星轨道和钟差，对流层天顶延迟改正采用GPT模型[16]，映射函数采用GMF模型[17]，海潮负荷效应改正采用TPXO7.0模型[18]；再以IGS站为核心，采用7参数相似变换将单日时段解转换到ITRF2008参考框架[19]。对于连续站，采用震前、震后4 d坐标平均值差分获得地震同震位移；对于流动站，首先计算测站在ITRF2008参考框架下的震间位移速率，再依据观测时间间隔计算震间位移(汶川地震震后位移采用对数函数模拟[20])，最后将震前、震后坐标作差分，并扣除震间位移和震后位移，获得流动站同震位移。GPS测定的九寨沟MS7.0地震水平同震位移场如图 2所示，结果显示，震中北侧的GPS站点朝NW方向运动，震中东侧的GPS站点朝NW方向运动，震中南侧的GPS站点朝SW方向运动。
|
图 2 九寨沟MS7.0地震水平同震位移场 Fig. 2 Horizontal coseismic displacements of the MS7.0 Jiuzhaigou earthquake |
InSAR数据来源于欧空局Sentinel-1卫星(表 1)，本文采用Sun等[21]解算的InSAR同震形变场结果，同震形变场图像(图 3)显示，InSAR升降轨观测数据获得的视线(LOS)向形变符号相反，表明九寨沟地震发震断层以走滑运动为主。
|
表 1 Sentinel-1 SAR数据参数 Tab. 1 Data parameters of Sentinel-1 SAR |
|
图 3 九寨沟MS7.0地震InSAR同震形变场 Fig. 3 Coseismic deformation of the MS7.0 Jiuzhaigou earthquake from InSAR data |
九寨沟MS7.0地震震中100 km范围内共有9个强震台站，申文豪等[8]采用基线校正方法获得9个强震台站的同震位移结果(表 2[9])，由于51JZZ强震台站记录异常，本文在反演中未使用该台站数据。图 2显示，九寨沟地震的错动以左旋走滑为主，与GPS同震位移场反映的断层错动方式一致。
|
|
表 2 强震记录解算得到的水平同震位移 Tab. 2 Horizontal coseismic displacement resolved from strong earthquake records |
假设震区为弹性半空间，则矩形断层位错引起的地表位移可用弹性位错模型计算，主要与7个断层几何参数(经纬度、长度、宽度、深度、走向、倾角)和3个滑移参数(走滑分量、倾滑分量和张性分量)有关。由于九寨沟地震发震断层没有明显的地表出露[4]，断层的几何参数存在较大的不确定性。本文以GPS同震位移数据为约束，基于均匀半空间弹性位错模型，采用非线性最小二乘方法，获取发震断层的几何参数。均匀滑动分布反演应满足目标函数最小：
| $ {\rm{WRSS}} = {\left( {{\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{obs}}}} - {\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{pre}}}}} \right)^{\rm{T}}} \times {\mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varSigma} }}^{ - 1}} \times \left( {{\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{obs}}}} - {\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{pre}}}}} \right) $ |
其中，WRSS为观测数据拟合度，dobs为形变观测值，dpre为形变模拟值，Σ为观测数据协方差矩阵。
九寨沟地震发震断层的几何参数见图 4，图中红色虚线和蓝色虚线分别为发震断层的几何形状参数和95%置信区间。为估计断层几何参数的置信区间，首先采用bootstrap方法对原始GPS同震位移数据重采样10 000次；再以重采样数据为约束，基于均匀半空间弹性位错模型反演发震断层的几何形状参数；最后将断层几何参数按大小排列，去掉最小的2.5%和最大的2.5%，得到每个断层几何参数95%的置信区间(表 3)。
|
图 4 九寨沟MS7.0地震断层几何形状参数直方图 Fig. 4 Histograms of the fault geometry parameters for the MS7.0 Jiuzhaigou earthquake |
|
|
表 3 发震断层几何参数及其95%置信区间 Tab. 3 The fault geometry parameters and its 95% confidence interval |
为获得精细的滑动分布模型，本文固定断层的走向、倾角和位置，扩大断层面以超过余震分布范围[2]。断层面长为50 km、宽为20 km，按2 km×2 km将断层面离散化为25×10个矩形子断层，以GPS、InSAR和强震数据为约束，采用有界变量最小二乘法[22]反演九寨沟地震同震滑动分布模型。分布式滑动分布反演应满足观测数据拟合度和滑动分布粗糙度最小，即
| $ {\left\| {\mathit{\boldsymbol{W}}\left( {G\mathit{\boldsymbol{s}} - \mathit{\boldsymbol{d}}} \right)} \right\|^2} + {\beta ^2}{\left\| {L\mathit{\boldsymbol{s}}} \right\|^2} = \min $ |
式中，d为GPS、InSAR和强震观测值；W为观测值的权矩阵，是观测值方差-协方差D的逆矩阵，D=W-1W；G为格林函数；s为子断层滑动矢量；L为拉普拉斯有限差分算子；β为平滑因子，用来控制断层滑动的粗糙程度和模型预测值与观测值的吻合程度, 可由数据吻合程度和模型粗糙度之间的折中曲线获得(图 5)。格林函数计算采用分层介质模型，模型参数来自CRUST1.0模型，GPS、InSAR和强震数据的相对权重比[23]分别为0.784、0.072、0.144。
|
图 5 拟合残差和粗糙度折中曲线 Fig. 5 Trade-off curve between the roughness and the weighted residual sum of squares(WRSS) |
九寨沟地震的同震滑动分布模型见图 6，图中的颜色和白色箭头分别为滑移量和滑移方向，红色五角星为九寨沟MS7.0地震震中，蓝色圆圈为余震[8]，GPS、InSAR和强震的同震位移模拟值见图 2和3。反演结果显示，九寨沟地震以左旋走滑为主，兼有少量正断分量；同震滑动主要集中在2~12 km深度范围，最大滑移量为1.6 m，位于6 km深处；断层在近地表没有滑移量，表明地震未破裂至地表，与野外地质考察结果一致[4]。假定剪切模型为30 GPa，依据该模型计算九寨沟地震释放的地震矩为5.59×1018 Nm，矩震级为MW6.44。精定位结果显示，余震主要位于高滑移区的外围，与其他大地震的余震分布特征相一致[24]。
|
图 6 九寨沟MS7.0地震同震滑动分布 Fig. 6 Coseismic slip distribution of the MS7.0 Jiuzhaigou earthquake |
为估计滑动分布模型的误差，本文采用蒙特卡罗方法，在GPS、InSAR和强震的同震位移模拟值上加入随机噪声，生成1 000组带有随机误差的观测数据，并以此为约束反演相应的滑动分布模型，从而估计模型的误差。滑动分布模型误差图像(图 7)显示，模型最大误差为0.06 m。
|
图 7 九寨沟MS7.0地震同震滑动分布误差 Fig. 7 The coseismic slip distribution error of MS7.0 Jiuzhaigou earthquake |
为检验滑动分布模型的可靠性，本文采用检测板测试(图 8)，固定断层几何模型，改变凹凸体的分布和滑移量，但保持总地震矩不变。结果表明，GPS、InSAR和强震数据可以很好地恢复8 km×8 km以上的凹凸体分布和滑动量，因此本文模型显示的主滑动区是可靠的。
|
图 8 检测板测试 Fig. 8 Checkerboard tests |
虽然不同研究人员选用的观测资料不同，但目前发表的破裂模型均揭示九寨沟地震以走滑运动为主。与远场地震波资料相比，近场大地测量资料具有更好的空间分辨率，因此本文主要与采用大地测量资料反演的滑动分布模型[5-9]进行比较。
王阅兵等[5]综合地质构造背景与余震分布，选取断层走向326°、倾角60°，以连续GPS资料为约束的反演结果显示，九寨沟7.0级地震发震断层滑动集中在7 km深度，最大滑动量约为0.4 m，矩震级为MW6.4。单新建等[6]综合发震断层迹线和USGS震源机制解确定断层走向为153°、倾角为50°，以InSAR同震形变场为约束，结果显示，地震破裂主要集中在1~15 km深度范围内，最大滑动量约为1 m，矩震级为MW6.5。陈威等[7]综合多家机构的震源机制解确定发震断层走向为155°、倾角为81°，以连续GPS和InSAR同震形变场为约束，结果显示，断层滑动主要集中在2~20 km深度范围内，地震破裂未到达地表，最大滑动量0.91 m，矩震级为MW6.5。申文豪等[8]参考USGS震源机制解确定发震断层走向为246°、倾角为74°，以连续GPS、InSAR和强震资料为约束，结果显示，地震在地表有少量破裂，断层面最大滑动量为0.74 m，矩震级为MW6.52。
本文反演得到的发震断层走向为154°，与单新建等[6]和陈威等[7]的结果接近，小于王阅兵等[5]和申文豪等[8]的结果；断层倾角为80°，大于王阅兵等[5]、单新建等[6]和申文豪等[8]确定的断层倾角，略小于陈威等[7]的结果。
申文豪等[8]的模型显示地震在地表有少量破裂，而本文模型显示近地表没有破裂，和单新建等[6]及陈威等[7]的结果相同，与野外地质考察结果一致[4]。本文给出的最大滑动量为1.6 m，大于王阅兵等[5]、单新建等[6]、陈威等[7]和申文豪等[8]的反演结果；计算的标量地震矩与王阅兵等[5]的结果接近，小于单新建等[6]、陈威等[7]和申文豪等[8]的计算结果。
3 结语本文联合GPS、InSAR和强震同震位移数据，反演2017年九寨沟MS7.0地震发震断层的几何参数及同震滑动分布。结果显示，九寨沟地震发震断层走向为154°、倾角为80°，以左旋走滑为主，兼有少量正断分量；地震破裂主要集中在2~12 km深度范围内，最大滑动量为1.6 m，位于6 km深处，断层在近地表没有滑移，表明地震未破裂到地表，与野外地质考察结果一致；检测板测试结果表明，GPS、InSAR和强震数据可以很好地恢复尺度大于8 km×8 km的凹凸体；余震主要分布在高滑移区的外围；本次地震释放的地震能量为5.59×1018 Nm，矩震级为MW6.44。
致谢: “中国大陆构造环境监测网络”提供GPS数据，中国地震局地质研究所孙建宝研究员提供InSAR数据，中国地震局地球物理研究所房立华研究员提供余震精定位数据，文中图件采用GMT软件绘制，在此一并表示感谢。
| [1] |
邓起东, 张培震, 冉勇康, 等. 中国活动构造基本特征[J]. 中国科学D辑:地球科学, 2002, 32(12): 1020-1030 (Deng Qidong, Zhang Peizhen, Ran Yongkang, et al. Basic Characteristics of Active Tectonics of China[J]. Science in China Series D:Earth Sciences, 2002, 32(12): 1020-1030)
(  0) |
| [2] |
房立华, 吴建平, 苏金蓉, 等. 四川九寨沟MS 7.0地震主震及其余震序列精定位[J]. 科学通报, 2018, 63(7): 649-662 (Fang Lihua, Wu Jianping, Su Jinrong, et al. Relocation of Mainshock and Aftershock Sequence of the MS7.0 Sichuan Jiuzhaigou Earthquake[J]. Chinese Science Bulletin, 2018, 63(7): 649-662)
( 0) |
| [3] |
Liu G, Xiong W, Wang Q, et al. Source Characteristics of the 2017 MS 7.0 Jiuzhaigou, China, Earthquake and Implications for Recent Seismicity in Eastern Tibet[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(5): 4895-4915 DOI:10.1029/2018JB016340
( 0) |
| [4] |
徐锡伟, 陈桂华, 王启欣, 等. 九寨沟地震发震断层属性及青藏高原东南缘现今应变状态讨论[J]. 地球物理学报, 2017, 60(10): 4018-4026 (Xu Xiwei, Chen Guihua, Wang Qixin, et al. Discussion on Seismogenic Structure of Jiuzhaigou Earthquake and Its Implication for Current Strain State in the Southeastern Qinghai-Tibet Plateau[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2017, 60(10): 4018-4026 DOI:10.6038/cjg20171028)
( 0) |
| [5] |
王阅兵, 甘卫军, 陈为涛, 等. GNSS观测的九寨沟7.0级地震同震位移初步结果[J]. 地球物理学报, 2018, 61(1): 161-170 (Wang Yuebing, Gan Weijun, Chen Weitao, et al. Coseismic Displacements of the 2017 Jiuzhaigou M7.0 Earthquake Observed by GNSS: Preliminary Results[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2018, 61(1): 161-170)
( 0) |
| [6] |
单新建, 屈春燕, 龚文瑜, 等. 2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震InSAR同震形变场及断层滑动分布反演[J]. 地球物理学报, 2017, 60(12): 4527-4536 (Shan Xinjian, Qu Chunyan, Gong Wenyu, et al. Coseismic Deformation Field of the Jiuzhaigou MS7.0 Earthquake from Sentinel-1A InSAR Data and Fault Slip Inversion[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2017, 60(12): 4527-4536 DOI:10.6038/cjg20171201)
( 0) |
| [7] |
陈威, 乔学军, 刘刚, 等. 基于GNSS与InSAR约束的九寨沟MS 7.0地震滑动模型及其库仑应力研究[J]. 地球物理学报, 2017, 61(5): 2122-2132 (Chen Wei, Qiao Xuejun, Liu Gang, et al. Study on the Coseismic Slip Model and Coulomb Stress of the 2017 Jiuzhaigou MS7.0 Earthquake Constrained by GNSS and InSAR Measurements[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2017, 61(5): 2122-2132)
( 0) |
| [8] |
申文豪, 李永生, 焦其松, 等. 联合强震记录和InSAR/GPS结果的四川九寨沟7.0级地震震源滑动分布反演及其地震学应用[J]. 地球物理学报, 2019, 62(1): 115-129 (Shen Wenhao, Li Yongsheng, Jiao Qisong, et al. Joint Inversion of Strong Motion and InSAR/GPS Data for Fault Slip Distribution of the Jiuzhaigou 7.0 Earthquake and Its Implication in Seismology[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2019, 62(1): 115-129)
( 0) |
| [9] |
王卫民, 赵连锋, 李娟, 等. 四川汶川8.0级地震震源过程[J]. 地球物理学报, 2008, 51(5): 1403-1410 (Wang Weimin, Zhao Lianfeng, Li Juan, et al. Rupture Process of the MS8.0 Wenchuan Earthquake of Sichuan, China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2008, 51(5): 1403-1410 DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.05.013)
( 0) |
| [10] |
谢祖军, 郑勇, 姚华建, 等. 2017年九寨沟MS7.0地震震源性质及发震构造初步分析[J]. 中国科学:地球科学, 2018, 48(1): 79-92 (Xie Zujun, Zheng Yong, Yao Huajian, et al. Preliminary Analysis on the Source Properties and Seismogenic Structure of the 2017 MS7.0 Jiuzhaigou Earthquake[J]. Science China:Earth Sciences, 2018, 48(1): 79-92)
( 0) |
| [11] |
单斌, 郑勇, 刘成利, 等. 017年M7.0级九寨沟地震同震库仑应力变化及其与2008年汶川地震的关系[J]. 中国科学:地球科学, 2017, 47(11): 1329-1338 (Shan Bin, Zheng Yong, Liu Chenli, et al. Coseismic Coulomb Failure Stress Changes Caused by the 2017 M7.0 Jiuzhaigou Earthquake, and Its Relationship with the 2008 Wenchuan Earthquake[J]. Science China Earth Sciences, 2017, 47(11): 1329-1338)
( 0) |
| [12] |
Pollitz F F, Wicks C, Thatcher W. Mantle Flow Beneath a Continental Strike-Slip Fault: Postseismic Deformation after the 1999 Hector Mine Earthquake[J]. Science, 2001, 293(5536): 1814-1818 DOI:10.1126/science.1061361
( 0) |
| [13] |
李强, 游新兆, 杨少敏, 等. 中国大陆构造变形高精度大密度GPS监测——现今速度场[J]. 中国科学:地球科学, 2012, 42(5): 629-632 (Li Qiang, You Xinzhao, Yang Shaomin, et al. A Precise Velocity Field of Tectonic Deformation in China as Inferred from Intensive GPS Observations[J]. Science China Earth Sciences, 2012, 42(5): 629-632)
( 0) |
| [14] |
陈俊勇, 杨元喜, 王敏, 等. 2000国家大地控制网的构建和它的技术进步[J]. 测绘学报, 2007, 36(1): 1-8 (Chen Junyong, Yang Yuanxi, Wang Min, et al. Establishment of 2000 National Geodetic Control Network of China and It's Technological Progress[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2007, 36(1): 1-8 DOI:10.3321/j.issn:1001-1595.2007.01.001)
( 0) |
| [15] |
Zumberge J F, Heflin M B, Jefferson D C, et al. Precise Point Positioning for the Efficient and Robust Analysis of GPS Data from Large Networks[J]. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(B3): 5005-5017 DOI:10.1029/96JB03860
( 0) |
| [16] |
Boehm J, Heinkelmann R, Schuh H. A Global Model of Pressure and Temperature for Geodetic Applications[J]. Journal of Geodesy, 2007, 81(10): 679-683 DOI:10.1007/s00190-007-0135-3
( 0) |
| [17] |
Boehm J, Niell A E, Tregoning P, et al. Global Mapping Function(GMF): A New Empirical Mapping Function Based on Numerical Weather Model Data[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(7)
( 0) |
| [18] |
Egbert G D, Erofeeva S Y. Efficient Inverse Modeling of Barotropic Ocean Tides[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2002, 19(2): 183-204 DOI:10.1175/1520-0426(2002)019<0183:EIMOBO>2.0.CO;2
( 0) |
| [19] |
Altamimi Z, Collilieux X, Métivier L. ITRF2008: An Improved Solution of the International Terrestrial Reference Frame[J]. Journal of Geodesy, 2011, 85(8): 457-473 DOI:10.1007/s00190-011-0444-4
( 0) |
| [20] |
Freed A M, Herring T, Bürgmann R. Steady-State Laboratory Flow Laws alone Fail to Explain Postseismic Observations[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 300(1-2): 1-10 DOI:10.1016/j.epsl.2010.10.005
( 0) |
| [21] |
Sun J B, Yue H, Shen Z K, et al. The 2017 Jiuzhaigou Earthquake: A Complicated Event Occurred in a Young Fault System[J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45(5): 2230-2240 DOI:10.1002/2017GL076421
( 0) |
| [22] |
Stark P B, Parker R L. Bounded-Variable Least-Squares: An Algorithm and Applications[J]. Computational Statistics, 1995, 10(2): 129-141
( 0) |
| [23] |
Xu C Q, Liu Y, Wen Y M, et al. Coseismic Slip Distribution of the 2008 MW7.9 Wenchuan Earthquake from Joint Inversion of GPS and InSAR Data[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2010, 100(5B): 2736-2749 DOI:10.1785/0120090253
( 0) |
| [24] |
Ozawa S, Nishimura T, Suito H, et al. Coseismic and Postseismic Slip of the 2011 Magnitude-9 Tohoku-Oki Earthquake[J]. Nature, 2011, 475(7356): 373-376 DOI:10.1038/nature10227
( 0) |
2. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China