2022, Vol. 42
2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都市二仙桥东三路1号，610059
北京时间2020-07-23西藏尼玛县荣玛乡境内发生MW6.3中强地震(图 1)，随后又发生数次余震。据中国地震台网测定，此次地震震中位于33.19°N、86.81°E，震源深度约10 km。尼玛地震发生于羌塘盆地中央隆起核心带，地质构造极为复杂[1-3]，震中位于荣玛乡东北侧依布茶卡地堑内，地堑整体呈NNE向展布[4]，区域内发育有SW-EN向依布茶卡断裂带，南北段分别与日干配错和江爱藏布断裂相连，中段发育一系列走向为30°~40°的正断层[5]，以依布茶卡地堑为界，西侧断层东倾，东侧断层西倾。不同机构或学者均认为此次地震为正断层事件(图 1)，但在发震断层几何结构(特别是断层倾向上)存在差异。黄骥超等[6]根据震源机制认为，此次地震发震断层走向为8.21°，倾角为49.69°，滑动角为-84.56°，发震断层为依布茶卡地堑西侧东倾正断层；冀宗童等[7]仅利用InSAR技术反演确定发震断层走向为28°，倾角为48°，平均滑动角为-92.8°，认为发震断层为依布茶卡地堑西侧东倾正断层；中国地质科学院地质研究所考察结果表明，此次地震发震断层可能为依布茶卡地堑东侧西倾正断层[4]。由于对震中区域断裂活动研究较少，且现有的研究成果在发震断层破裂位置、断层节面等信息方面存在差异，难以确定发震断层倾向等信息。因此，明确此次地震发震断层几何结构与活动方式对深入理解该区域地壳构造活动及青藏地块动力学过程具有重要意义。
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图(a)中红色框为研究区,黑色框为哨兵-1A升轨(T12)、降轨(T121)影像范围;图(b)为研究区构造断裂、余震分布及不同机构提供的震源机制解,其中CENC为中国地震台网,USGS为美国地质调查局,GCMT为全球矩张量中心,GFZ为德国地球科学研究中心,IPGP为法国巴黎地球物理研究所,CPPT为法国探测与地球物理实验室。图中断层数据参考文献[2] 图 1 研究区构造分布 Fig. 1 Tectonic distribution of the studied area |
本文利用升、降轨Sentinel-1A卫星影像数据，获取此次地震升、降轨同震形变场，并以此为约束充分考虑震源机制两个节面均有可能为发震断层面，进一步结合区域余震分布与地质构造背景讨论发震断层的运动性质，最终通过反演计算确定此次地震震源参数和断层滑动分布特征，并探究此次地震发震的构造动力学背景。
1 尼玛地震InSAR同震形变场本文利用欧空局提供的Sentinel-1A震前和震后升、降轨影像数据(表 1)，利用GAMMA软件采用两轨差分干涉测量法获取此次地震同震形变场，地形相位消除采用SRTM 30 m分辨率数字高程模型。由于此次地震震中位于河谷地带，为提高干涉图质量，在数据处理过程中对SAR影像进行距离向与方位向10 ∶2多视处理，并采用自适应Lee滤波进行一次滤波，同时对低相干和失相干区域进行0.4阈值掩膜处理。在此基础上，采用适用于低相干区的最小费用流算法进行相位解缠，并对解缠相位进行大气改正和趋势性残余相位去除，最终通过地理编码获得此次地震的同震形变场(图 2)。
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表 1 Sentinel-1A升、降轨影像数据参数 Tab. 1 Parameters of the Sentinel-1A ascending and descending tracks |
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图 2 西藏尼玛MW6.3级同震升、降轨视线向形变场和典型剖面 Fig. 2 Line-of-sight (LOS) coseismic deformation fields of the ascending and descending tracks and the typical profiles of the Nyima MW6.3 earthquake |
从图 2可以看出，哨兵-1A升轨和降轨差分结果均捕捉到此次地震较清晰的视线向同震形变场，两条轨道同震形变场均呈椭圆形，长轴约15 km，沿NNE-SWW向展布，表明发震断层走向可能沿NNE-SSW向延伸。升、降轨同震形变在震中区域表现出一致的下沉趋势且无大范围抬升形变。由于卫星飞行方向和入射角不同，升、降轨形变场位置和量值存在一定差异，升轨卫星视线向最大沉降量约为33 cm，降轨约为26 cm。从垂直于同震形变场典型剖线(NW-SE向)可以看出，剖线所示形变值呈连续状态，未出现明显的断开跳变，表明此次地震事件断层活动未破裂至地表。结合雷达成像几何与地面形变场关系推测可知，此次地震的破裂模式为具有一定倾角的正断兼走滑运动。
2 震源参数与断层滑动分布反演为确定此次地震的震源参数，以升、降轨同震形变场为地表约束，先利用非线性反演方法探讨两组可能走向的发震断层活动特性，确定发震断层合理的几何结构，在此基础上进一步通过非均匀滑动反演法确定发震断层的破裂范围和破裂面滑动矢量分布特征。
2.1 震源参数反演采用均匀滑动模型，假设发震断层为单一均匀断层，利用非线性反演法获得断层7个几何参数和2个滑动矢量(表 2)。由于缺乏发震断层精确的先验参考信息，依据地震震级与破裂长度和宽度之间的经验关系式[8]以及USGS提供的震源机制解，对断层参数进行区间约束，将断层长度设为0~20 km，断层宽度设为0~15 km，断层深度设为0~20 km。针对走向、倾角等参数，由于发震断层的几何结构(特别是断层倾向)存在争议，同时无法直接从同震形变场中确定断层倾向，本文依据震源机制解2个节面设置两组可能的断层滑动模型：第一组模型假设发震断层为NWW向，走向为195°~220°，倾向为25°~60°；第二组模型假设发震断层为SEE向，走向为10°~40°，倾向为40°~70°。除走向和倾向外，两组断层其余参数区间相同。为检验两组模型参数反演的合理性，分别进行100万次反演[9]，获得两组断层参数最优解(表 2)及其后验概率密度(图 3)。
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表 2 两组发震断层模型参数反演结果及不确定度 Tab. 2 Parameter inversion results of two sets of seismogenic fault models and their uncertainty |
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图 3 两组发震断层参数反演结果及其概率分布 Fig. 3 Parameters inversion results and probability distribution of two sets of seismogenic fault |
从图 3可以看出，两组模型参数反演结果均表现出正态分布特性，但相比于模型2，模型1参数点集更为集中，且模型1断层参数不确定度整体小于模型2。对比模拟与实测同震形变场可以看出，两组断层模型均能解释此次地震事件(图 4、图 5)。模型1 NWW倾向发震断层走向为207°，倾角为33.1°，长度为12.38 km；模型2 SEE倾向发震断层走向为29.9°，倾角为51.1°，长度为12.09 km。
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黑色实线代表断层迹线，虚线框为断层面在地表投影位置 图 4 均匀滑动模型反演结果(NWW倾向) Fig. 4 The inversion results of the uniform model dip to NWW |
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黑色实线代表断层迹线，虚线框为断层面在地表投影位置 图 5 均匀滑动模型反演结果(SEE倾向) Fig. 5 The inversion results of the uniform model dip to SEE |
实际情况中断层面滑动具有非均匀性，因此本文进一步建立非均匀分布式滑动模型，利用最速下降法[10]反演分析断层面的滑动分布特征。在模型1发震断层非线性反演结果基础上，将断层沿走向延长至30 km，宽度沿倾向延长至18 km，将断层面按1 km×1 km间隔离散为540个小断层，建立发震断层分布式滑动反演模型。通过不断改变拉普拉斯平滑因子在观测值拟合程度与断层面滑动粗糙程度间进行折中[11]，最终确定平滑因子为0.025。为评估分布式滑动模型反演结果的不确定度，采用蒙特卡洛方法生成100组带有随机信号的同震形变场并以此为约束进行反演计算[12]，最终获得分布式断层模型反演结果、断层滑动分布和不确定度(图 6、图 7)。
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黑色实线代表断层迹线，虚线框为断层面在地表投影位置 图 6 分布式滑动模型反演结果 Fig. 6 The inversion results of the distribution model |
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图 7 2020年尼玛MW6.3地震发震断层空间滑动分布结果 Fig. 7 The spatial slip distribution of the seismogenic fault of the 2020 Nyima MW6.3 earthquake |
1) 由于此次地震未破裂至地表，且震中区域缺乏其他地表监测资料，仅从InSAR同震形变场难以确定此次发震断层的具体倾向。因此，需进一步结合区域地质资料和余震分布进行确定。SEE倾向断层模型的地表迹线为依布茶卡地堑西侧断裂，NWW倾向断层模型的地表迹线则为依布茶卡地堑东侧断裂。根据区域地质结构，在依布茶卡地堑东侧发育有东依布茶卡断裂、角木日断裂以及部分NWW向正断层，这些正断层均有错断第四纪冲洪积物现象，线性特征较地堑西侧正断层更为明显，且在角木日山前正断层剖面上分布有假玄武玻璃，表明此处区域断裂现今地震活动仍然十分活跃[4-5]。而依布茶卡地堑的形成与发展与其边界断裂活动密切相关，地堑东侧发育有一系列正断层，表明依布茶卡地堑东侧断层现今构造活动更为频繁。此外，根据中国地震台网公布的此次地震余震分布特征可以看出(图 1)，地震余震主要分布在依布茶卡东侧断层两侧，表明西侧断层是此次地震发震断裂的可能性较小[13]。同时，结合前述基于InSAR定量反演的两组断层模型参数结果的合理性(表 2)，最终可确定此次地震发震断层应为依布茶卡地堑东侧NWW向正断层。
2) 从分布式滑动模型反演计算结果(图 6)可以看出，升、降轨数据拟合残差中误差分别仅为2.1 cm和2.7 cm，模型拟合度约为90%。断层滑动分布及其不确定度结果(图 7)表明，断层面中央呈现出类似倒三角形滑动区，断层滑动以倾滑为主，平均滑动角为-89.27°，表明此次地震为正断型地震事件，与USGS给出的震源机制解节面1基本一致；断层破裂主要集中在地下5.4~9.3 km深度处，断层面上最大滑动量约为1.7 m，发生在沿断层倾向约7.34 km处；滑动分布主要集中在沿走向7~24 km、沿倾向5~11 km区域内，矩震级约为Mw 6.3(图 7(b)、7(c))。从断层面滑动分布不确定度图(图 7(d))可以看出，滑动分布最大误差仅为5.7 cm，远小于最大滑动分布量值且其分布与断层面最大滑动区域也能较好对应，由此表明，本文分布式滑动结果具有可靠性。此外，将本文所确定的断层参数与冀宗童等[7]的研究结果对比发现，除发震断层倾向不同外，本文所得参数中断层倾角较小，最大滑动量也相应较大，而两者所得矩震级大致相同，断层破裂范围和滑动方向基本一致。但本文在反演过程中综合考虑了尼玛地震的地质构造和余震分布，设置两组可能的断层模型参数进行反演分析，经对比后发现，东侧断层模型反演效果较优，因此本文所得结果可能更符合发震断层的客观实际。
3) 尼玛地震发生在青藏地块腹地，区域地质构造复杂。由于受印度板块对欧亚板块的持续推挤作用，以及受阿拉善地块、鄂尔多斯地块、华南地块的阻挡作用[14]，青藏地块地壳运动变形主要呈现南北向缩短增厚、东西向扩展延伸的特点，形成一系列受控于大型走滑断裂带的伸展断裂和地堑构造[15-16]。而尼玛地震就发生在青藏地块日干配错左旋走滑断裂带北侧，受断裂带张性应力作用，依布茶卡地堑东侧NWW向正断层发生破裂而产生地震。因此本文认为，尼玛地震源于依布茶卡地堑的活动，是高原内部拉张变形的正常结果。
3 结语本文基于Sentinel-1A升、降轨影像获取2020-07-23尼玛MW6.3地震同震形变场，并以此为地表约束设置两组可能的发震断层滑动模型，进一步结合区域余震分布和地质构造，最终确定此次地震震源参数和断层滑动分布特征。结论如下：
1) 尼玛地震升、降轨同震形变场主要表现为地表下沉形态，集中分布在依布茶卡地堑内，并呈NNE-SSW向展布，升、降轨视线向最大沉降量分别为33 cm和26 cm。
2) 尼玛地震的发生是青藏地块现今构造运动变形的结果。此次地震发震断层为依布茶卡地堑东侧NWW向正断层，发震断层走向为207°，倾角为33.1°，断层顶深2.7 km，底深12.5 km；发震断层破裂主要集中在地表 5.4~9.3 km深度处，断层面上最大滑动量约为1.7 m，平均滑动角为-89.27°，矩震级约为MW6.3。
致谢: 欧空局和美国航空航天局提供Sentinel-1A雷达影像数据和SRTM DEM地形数据，中国地震台网提供余震定位数据，文中部分图件采用GMT软件绘制，在此一并表示感谢。
| [1] |
Liang X, Wang G H, Yuan G L, et al. Structural Sequence and Geochronology of the Qomo Ri Accretionary Complex, Central Qiangtang, Tibet: Implications for the Late Triassic Subduction of the Paleo-Tethys Ocean[J]. Gondwana Research, 2012, 22(2): 470-481 DOI:10.1016/j.gr.2011.11.012
(  0) |
| [2] |
焦鹏伟, 梁晓, 王根厚, 等. 藏北荣玛乡亚丹地区下二叠统曲地组的厘定及大地构造意义[J]. 地质通报, 2017, 36(增1): 181-189 (Jiao Pengwei, Liang Xiao, Wang Genhou, et al. Redefinition of the Lower Permian Qudi Formation in Yadan Area, Rongma Town, Northern Tibet, and Its Tectonic Significance[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(S1): 181-189)
( 0) |
| [3] |
毛晓长, 王根厚, 梁晓, 等. 增生杂岩带1 ∶5万地质填图的实践与探索: 以西藏羌塘中部角木日地区为例[J]. 地学前缘, 2015, 22(3): 382-393 (Mao Xiaochang, Wang Genhou, Liang Xiao, et al. Practice and Exploration of 1 ∶50 000 Geological Mapping in Accretionary Complex Belt: An Example from Qomo Ri Area of Central Qiangtang, Tibet[J]. Earth Science Frontiers, 2015, 22(3): 382-393)
( 0) |
| [4] |
刘富财, 潘家伟, 李海兵, 等. 青藏高原中部日干配错断裂第四纪活动特征及2020年7月23日西藏尼玛MW6.4地震发震构造分析[J/OL]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3474.P.20210108.1141.002.html, 2021-01-11 (Liu Fucai, Pan Jiawei, Li Haibing, et al. Characteritics of Quaternary Activities along the Riganpei Co Fault and Seismogenic Structure of the July 23, 2020 MW6.4 Nima Earthquake, Central Tibet[J/OL]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3474.P.20210108.1141.002.html, 2021-01-11)
( 0) |
| [5] |
Taylor M, Yin A, Ryerson F J, et al. Conjugate Strike-Slip Faulting along the Bangong-Nujiang Suture Zone Accommodates Coeval East-West Extension and North-South Shortening in the Interior of the Tibetan Plateau[J]. Tectonics, 2003, 22(4)
( 0) |
| [6] |
黄骥超, 万永革, 靳志同. 2020年7月23日西藏尼玛6.6级地震的震源机制中心解及对周围地区影响初探[C]. 2020年中国地球科学联合学术年会, 重庆, 2020 (Huang Jichao, Wan Yongge, Jin Zhitong. Focal Mechanism Central Solution of Nima M6.6 Earthquake on July 23, 2020 in Tibet and Its Influence on Surrounding Areas[C]. 2020 China Earth Science Association Annual Conference, Chongqing, 2020)
( 0) |
| [7] |
冀宗童, 张永志, 王思佳. 2020年西藏尼玛MS 6.6地震InSAR同震形变场及断层滑动分布反演[J/OL]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2982.P.20210208.0922.012.html, 2021-02-08 (Ji Zongtong, Zhang Yongzhi, Wang Sijia. Coseismic Deformation Field and Fault Slip Distribution Inversion of the MS6.6 Nima, Xizang Earthquake by Sentinel-1A InSAR Data[J/OL]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2982.P.20210208.0922.012.html, 2021-02-08)
( 0) |
| [8] |
Wells D, Coppersmith K. New Empirical Relationships among Magnitude, Rupture Length, Rupture Width, Rupture Area, and Surface Displacement[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1994, 84(4): 974-1002
( 0) |
| [9] |
Bagnardi M, Hooper A. Inversion of Surface Deformation Data for Rapid Estimates of Source Parameters and Uncertainties: A Bayesian Approach[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018, 19(7): 2194-2211 DOI:10.1029/2018GC007585
( 0) |
| [10] |
Wang R J, Diao F Q, Hoechner A. SDM-A Geodetic Inversion Code Incorporating with Layered Crust Structure and Curved Fault Geometry[C]. EGU General Assembly Conference, Vienna, 2013
( 0) |
| [11] |
王乐洋, 赵雄. 地震同震滑动分布反演平滑因子的确定[J]. 测绘学报, 2018, 47(12): 1571-1580 (Wang Leyang, Zhao Xiong. Determination of Smoothing Factor for the Co-Seismic Slip Distribution Inversion[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2018, 47(12): 1571-1580 DOI:10.11947/j.AGCS.2018.20170724)
( 0) |
| [12] |
季灵运, 刘传金, 徐晶, 等. 九寨沟MS7.0地震的InSAR观测及发震构造分析[J]. 地球物理学报, 2017, 60(10): 4069-4082 (Ji Lingyun, Liu Chuanjin, Xu Jing, et al. InSAR Observation and Inversion of the Seismogenic Fault for the 2017 Jiuzhaigou MS7.0 Earthquake in China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2017, 60(10): 4069-4082 DOI:10.6038/cjg20171032)
( 0) |
| [13] |
刘云华, 汪驰升, 单新建, 等. 芦山MS7.0级地震InSAR形变观测及震源参数反演[J]. 地球物理学报, 2014, 57(8): 2495-2506 (Liu Yunhua, Wang Chisheng, Shan Xinjian, et al. Result of SAR Differential Interferometry for the Co-Seismic Deformation and Source Parameter of the MS7.0 Lushan Earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(8): 2495-2506)
( 0) |
| [14] |
张培震, 邓起东, 张国民, 等. 中国大陆的强震活动与活动地块[J]. 中国科学: 地球科学, 2003, 33(增1): 12-20 (Zhang Peizhen, Deng Qidong, Zhang Guomin, et al. Strong Earthquake Activity and Active Block in Mainland China[J]. Science China: Earth Sciences, 2003, 33(S1): 12-20)
( 0) |
| [15] |
赵珍, 陆露, 吴珍汉. 羌塘盆地中央隆起带的抬升演化: 构造-热年代学约束[J]. 地学前缘, 2019, 26(2): 249-263 (Zhao Zhen, Lu Lu, Wu Zhenhan. Uplifting Evolution of the Central Uplift Belt, Qiangtang: Constraints from Tectono-Thermochronology[J]. Earth Science Frontiers, 2019, 26(2): 249-263)
( 0) |
| [16] |
邓起东, 张培震, 冉勇康, 等. 中国活动构造与地震活动[J]. 地学前缘, 2003, 10(增1): 66-73 (Deng Qidong, Zhang Peizhen, Ran Yongkang, et al. Active Tectonics and Earthquake Activities in China[J]. Earth Science Frontiers, 2003, 10(S1): 66-73)
( 0) |
2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, 1 Dongsan Road, Erxianqiao, Chengdu 610059, China