2023, Vol. 43
2. 中国地震局地震大地测量重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071;
3. 中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院，青岛市长江西路66号，266580;
4. 防灾科技学院电子科学与控制工程学院，河北省三河市学院街465号，065201
2022-01-08青海门源发生MW6.7地震，中国地震局地质研究所测定的地震震源深度为10 km，震中位置为37.77°N、101.26°E，地表破裂带长度超过22 km，地震主要发生在青藏高原东北缘冷龙岭断裂和托来山断裂的阶区部位(图 1)。断裂带的挤压速率由托来山断裂向冷龙岭断裂逐渐减小，走滑趋势逐渐增大[1]。其中北侧主破裂带分布于冷龙岭断裂带西侧，整体走向为NWW；南侧次级破裂带分布于托来山断裂东段局部段，走向近EW。托来山断裂全长超过280 km，断裂走向为60°NE，分布于门源盆地北缘，由托来南山南坡断裂、托来河断裂和玉石沟3个平行断裂组合而成[1-4]，运动性质为左旋走滑兼挤压，左旋走滑速率为4.1±0.1 mm/a。冷龙岭断裂带长约120 km，总体走向为110°NW，水平滑动速率为3.35~4.65 mm/a，平均垂直滑动速率为0.38 mm/a。冷龙岭断裂带位于青藏高原东北缘巨型弧形构造带的前缘地带，受到青藏高原块体向北东方向的挤压，是全新世活动的左旋走滑兼逆冲断层[5-8]。冷龙岭断裂带及其周围区域受到北部欧亚板块、东部太平洋板块与SW向印度-青藏板块的强烈碰撞，导致北部挤压变形和东部侧向挤出[9]。
|
图 1 门源地震的区域构造背景 Fig. 1 Tectonic background of Menyuan earthquake |
基于此，本文采用Sentinel-1A数据，利用合成孔径雷达差分干涉(D-InSAR)技术研究门源地震的震源机制及滑动分布，研究成果对理解门源地震的发震机理有重要意义。D-InSAR技术利用同一监测区域2次不同雷达成像位置获取的相位，采用差分干涉法消除干涉图中地形因素的影响，得到目标区域的地表形变[10]。D-InSAR技术具有空间分辨率高、覆盖范围广、全天时、全天候等优点，已广泛应用于地震形变、火山活动及滑坡等灾害研究中[11-12]。本文首先利用D-InSAR技术获得门源地震视线向升降轨同震形变场；然后对同震形变场进行降采样处理，采用Okada弹性半空间位错模型进行线性和非线性反演，得到发震断层的几何参数和滑动分布情况；最后基于同震滑动模型，正演计算E、N、U三个方向上的地表位移分量，并将其投影到雷达视线向(LOS)上获取升降轨同震形变场的模拟结果，验证本文滑动分布模型反演结果的准确性。
1 InSAR数据处理与形变分析 1.1 InSAR数据处理选取覆盖2022年门源地震发震区域的Sentinel-1A卫星地震前后升降轨影像数据(表 1)，升轨和降轨的时间基线均为12 d，空间基线分别为39.2 m和55.8 m，较短的时间基线和空间基线有利于影像之间保持良好的相干性[13]。
|
表 1 Sentinel-1A升降轨数据参数 Tab. 1 Sentinel-1A ascending and descending data parameters |
利用D-InSAR技术处理Sentinel-1A数据时，首先需要对影像数据进行导入、裁剪及配准等预处理。在数据导入时添加精密轨道文件，可以降低轨道误差对形变结果的影响。生成干涉图时，采用美国宇航局发布的30 m分辨率DEM消除地形相位的影响[14]，设置距离向视数为7、方位向视数为2进行多视处理，并采用Goldstein滤波方法进行滤波处理，结果如图 2所示。由图可知，干涉结果相干性较好，整体呈类似蝴蝶状的条纹样式，干涉条纹清晰光滑，连续性较好。靠近断层区域的条纹较为密集，说明该区域形变梯度较大。
|
图 2 2022年门源地震InSAR干涉条纹图 Fig. 2 InSAR interference fringe diagram of Menyuan earthquake in 2022 |
将解缠最小相干系数阈值设置为0.3，采用最小费用流方法进行相位解缠[15]。通过地理编码等操作得到门源地震的视线向同震形变场(图 3)。由图可见，升轨和降轨的同震形变场中间断层走向均为NWW-SEE，与中国地震台网(CENC)及美国地质调查局(USGS)等公布的断层走向一致。升轨同震形变场LOS向最大抬升形变量为39 cm，最大沉降形变量为56 cm；降轨同震形变场LOS向最大抬升形变量为58 cm，最大沉降形变量为56 cm。升降轨同震形变场的上盘和下盘表现出相反的运动趋势，同一轨道上盘和下盘的运动趋势也相反，说明2022年门源地震的发震断层具有走滑性质。对比升、降轨同震形变场可以发现，二者形变量级和范围存在一定的差异，主要是卫星在升、降轨观测时的成像模式及侧视角不同所致。发震断层附近较大的形变梯度导致相位无法解缠，使得同震形变场在震中附近区域出现形变相位不连续的现象。
|
图 3 2022年门源地震InSAR同震形变场 Fig. 3 InSAR coseismic deformation field of Menyuan earthquake in 2022 |
基于升降轨同震形变场观测数据，对门源地震的断层参数和滑动分布特征进行反演。本文采用均匀采样法对观测数据进行降采样处理，解决了因同震形变场数据过多引起的计算量过大的问题。为最大程度地保留形变场特征，本文将近场形变区域采样间隔设置为500 m，远场形变区域采样间隔设置为2 km。
2.1 断层几何参数非线性反演基于Okada弹性半空间位错模型[16-17]反演断层几何参数，具体模型为：
| $ D=G(\rho)+\varepsilon $ | (1) |
式中，D为同震形变场数据，G为格林函数[18]，ρ为发震断层的经度、纬度、走向、倾向、滑动角、深度、长度、宽度和滑动量共9个反演参数，ε为观测误差。
以全球矩心矩张量机构(GCMT)给出的地震信息作为初始参数，采用Levenberg-Marquaedt方法[19]计算最优断层几何参数，结果如表 2所示。由表可知，断层倾角为86°，走向为109°，滑动角为0.79°，震源深度为5 km，震中位置为101.28°E、38.78°N，地震矩为8.22×1018 Nm，相应的矩震级为MW6.6。反演所得结果与USGS和GCMT等机构公布的断层参数结果基本一致。
|
|
表 2 断层反演参数 Tab. 2 Fault inversion parameters |
图 4为断层参数反演结果的残差值，经计算可知，升轨和降轨观测拟合的总体残差均方根分别为1.9 cm和2.3 cm，说明断层几何参数拟合残差较小，能准确反映断层参数的分布特征。但断层近场两侧的参数反演误差较大，主要原因有3点：1)断层附近被积雪覆盖，存在失相干现象；2)震中附近区域形变梯度较大，导致相位无法解缠，存在相位不连续现象；3)本次地震发生在冷龙岭断裂和托来山断裂的阶区部位，断层构造错综复杂，所用模型无法完全解译断层。综上可知，远场的模拟效果优于近场，能够反映门源地震近场区域断层运动的复杂性。
|
图 4 断层几何参数反演结果 Fig. 4 Inversion results of fault geometric parameters |
首先将断层走向和倾向分别延伸至30 km和15 km，然后将断层面划分为2 km×1 km的格网，基于固定滑动角的分布式滑动模型，利用非负最小二乘算法对断层滑动分布进行线性反演。进行多次迭代实验后确定阻尼因子为0.03，得到断层滑动分布结果(图 5)。由图可知，研究区域存在一个主要破裂区，长度约16 km、宽度约5 km。同震破裂表现为左旋走滑特征，滑动分布主要集中在地下2~6 km处(在深度方向，负值表示高于海平面的顶部断层，正值表示地下深度)，最大滑动量为4.2 m，大约位于地下4.5 km处。上述滑动分布结果与USGS公布的结果相符。
|
图 5 滑动分布反演结果 Fig. 5 Inversion results of slip distribution |
结合断层参数反演结果和滑动分布结果可知，2022年门源地震发震断层具有左旋走滑特征，整体呈NWW-SEE向。可以判定本次地震发生在SE向冷龙岭断裂西北段和EW向托来山断裂东段之间，理由如下：1)本文反演得到的发震断层滑动方式与冷龙岭断裂和托来山断裂的运动方式一致；2)中国地震局地球物理研究所对余震序列进行重定位后得到主震和374次余震的震源位置参数，其中主震发生在托来山断裂和冷龙岭断裂交会处；余震序列西段位于托来山断裂，东段位于冷龙岭断裂，余震整体分布方向与本文同震形变场呈现的走向一致。
3 地震三维位移场正演研究利用D-InSAR技术计算的同震形变场是地面E、N、U三个方向上位移分量在雷达脉冲入射方向投影的叠加结果。本文以同震滑动模型为源数据，正演得到地表位移的三维形变场，结果如图 6所示。由图 6(a)可见，在E方向上，断层北盘呈向西的运动趋势，南盘呈向东的运动趋势，说明本次地震以走滑为主。由图 6(b)可见，在N方向上，断层北盘西段呈挤压抬升特征，东段呈拉张沉降特征，东段形变量远小于西段，因此北盘整体呈向南的运动趋势；断层南盘呈向北的运动趋势，整体表现为前端受到挤压作用产生抬升形变，后端受到拉张作用产生沉降形变，沉降形变量远大于抬升形变量。由图 6(c)可见，在U方向上，断层北盘东段呈沉降形变特征，西段呈抬升形变特征；断层南盘东段呈抬升形变特征，西段呈沉降形变特征。U方向断层整体呈四象限分布，形变量远小于E、N方向。由3方向同震形变位移可知，本次地震的发震断层具有左旋走滑特征。
|
图 6 正演形变场不同方向位移分量结果 Fig. 6 Results of displacement components in different directions of forward deformation field |
以E、N、U三个方向上的位移分量为数据源，添加传感器的方位角、观察角度和轨道表面文件等信息，得到模拟升降轨卫星视线向的同震形变场和残差值，结果如图 7所示。由图可知，升降轨同震形变场的模拟结果在形变量级和分布形态上与观测得到的同震形变场(图 3)基本一致，残差分布主要集中在断层附近，与断层近场失相干现象、断层模型简化及大气误差等因素有关。经计算可知，升轨同震形变场模拟结果的残差范围为-0.13~0.15 m，降轨同震形变场模拟结果的残差范围为－0.13~0.19 m，验证了本文同震滑动分布反演结果的准确性。
|
图 7 正演模拟的升降轨LOS向同震形变场与观测值残差 Fig. 7 Forward simulated coseismic deformation field of ascending and descending orbit and residual error of observed value |
本文利用Sentinel-1A卫星的升降轨数据，通过D-InSAR技术获得2022年门源地震视线向同震形变场。采用Okada弹性半空间模型进行反演，获得本次地震发震断层参数和断层滑动分布情况，并基于滑动分布模型正演得到升降轨同震模拟形变场。主要结论如下：
1) 同震形变场显示，本次地震发震断层整体走向为NWW-SEE，运动方式以走滑为主。升轨同震形变场沿视线向最大抬升形变量为39 cm，最大沉降形变量为56 cm；降轨同震形变场沿视线向最大抬升形变量为58 cm，最大沉降形变量为56 cm。
2) 门源地震发震断层倾角为86°、走向为109°、滑动角为0.79°，震中位置为101.28°E、38.78°N，地震矩为8.22×1018 Nm，对应的矩震级为MW6.6，该结果与USGS和GCMT等机构公布的断层参数基本一致。发震断层具有左旋走滑特征，滑动分布主要集中在地下2~6 km处，最大滑动量为4.2 m，位于地下4.5 km处。总体分析可知，此次地震发生在SE向冷龙岭断裂西北段和EW向托来山断裂东段之间。
3) 升降轨同震形变场正演模拟结果在形变量级和分布形态上与观测得到的同震形变场基本一致，验证了本文同震滑动分布反演结果的准确性。
| [1] |
李强, 江在森, 武艳强, 等. 海原-六盘山断裂带现今构造变形特征[J]. 大地测量与地球动力学, 2013, 33(2): 18-22 (Li Qiang, Jiang Zaisen, Wu Yanqiang, et al. Present-Day Tectonic Deformation Characteristics of Haiyuan-Liupanshan Fault Zone[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2013, 33(2): 18-22)
(  0) |
| [2] |
陈文彬. 河西走廊及邻近地区最新构造变形基本特征及构造成因分析[D]. 北京: 中国地震局地质研究所, 2003 (Chen Wenbin. Principal Features of Tectonic Deformation and Their Generation Mechanism in the Hexi Corridor and Its Adjacent Regions since Late Quaternary[D]. Beijing: Institute of Geology, CEA, 2003)
( 0) |
| [3] |
白春艳. 北祁连中段冷龙岭地区早古生代构造演化[D]. 成都: 成都理工大学, 2017 (Bai Chunyan. The Early Paleozoic Tectonic Evolution in the Leng Longling of North Qilian[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2017)
( 0) |
| [4] |
夏阳. 祁连山托来河地区中生代以来的断裂构造及其演化[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2015 (Xia Yang. The Faulting Tectonics and It's Evolution in Tuolai River of Qilian Mountain since the Mesozoic[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2015)
( 0) |
| [5] |
白泽朝, 徐青, 靳国旺, 等. 利用Sentinel-1A数据反演2016年青海门源MW5.9地震的同震形变场及断层参数[J]. 地震, 2017, 37(3): 12-21 (Bai Zechao, Xu Qing, Jin Guowang, et al. Co-Seismic Deformation Field and Fault Parameter Inversion of the 2016 Menyuan MW5.9 Earthquake from Sentinel-1A Data[J]. Earthquake, 2017, 37(3): 12-21 DOI:10.3969/j.issn.1000-3274.2017.03.002)
( 0) |
| [6] |
李振洪, 韩炳权, 刘振江, 等. InSAR数据约束下的2016年和2022年青海门源地震震源参数及其滑动分布[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2022, 47(6): 887-897 (Li Zhenhong, Han Bingquan, Liu Zhenjiang, et al. Source Parameters and Slip Distributions of the 2016 and 2022 Menyuan Qinghai Earthquakes Constrained by InSAR Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 887-897)
( 0) |
| [7] |
汪致恒, 张瑞, 王晓文, 等. 2016年门源地震的InSAR同震形变监测与断层反演[J]. 遥感信息, 2018, 33(6): 103-108 (Wang Zhiheng, Zhang Rui, Wang Xiaowen, et al. InSAR Coseismic Deformation Monitoring and Fault Inversion of 2016 Qinghai Menyuan Earthquake[J]. Remote Sensing Information, 2018, 33(6): 103-108 DOI:10.3969/j.issn.1000-3177.2018.06.015)
( 0) |
| [8] |
何文贵, 袁道阳, 葛伟鹏, 等. 祁连山活动断裂带中东段冷龙岭断裂滑动速率的精确厘定[J]. 地震, 2010, 30(1): 131-137 (He Wengui, Yuan Daoyang, Ge Weipeng, et al. Determination of the Slip Rate of the Lenglongling Fault in the Middle and Eastern Segments of the Qilian Mountain Active Fault Zone[J]. Earthquake, 2010, 30(1): 131-137 DOI:10.3969/j.issn.1000-3274.2010.01.015)
( 0) |
| [9] |
姜文亮. 冷龙岭断裂带全新世破裂模式、大震复发特征研究及其区域构造意义[D]. 北京: 中国地震局地质研究所, 2018 (Jiang Wenliang. Holocene Rupture Patter, Seismic Recurrence Feature of the Lenglongling Fault Zone and Its Tectonic Implication for the Northeast Tibetan Plateau[D]. Beijing: Institute of Geology, CEA, 2018)
( 0) |
| [10] |
刘博瀚. 基于InSAR技术的2016年门源MW5.9级地震同震-震后形变与震源参数反演研究[D]. 西安: 长安大学, 2021 (Liu Bohan. Research on the Full-Period Deformation and Source Parameter Inversion of the 2016 Menyuan MW5.9 Earthquake Based on InSAR Technology[D]. Xi'an: Chang'an University, 2021)
( 0) |
| [11] |
刘洋, 许才军, 温扬茂, 等. 2008年大柴旦MW6.3级地震的InSAR同震形变观测及断层参数反演[J]. 测绘学报, 2015, 44(11): 1202-1209 (Liu Yang, Xu Caijun, Wen Yangmao, et al. The InSAR Coseismic Deformation Observation and Fault Parameter Inversion of the 2008 Dachaidan MW6.3 Earthquake[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(11): 1202-1209 DOI:10.11947/j.AGCS.2015.20140628)
( 0) |
| [12] |
刘洋, 许才军, 温扬茂. 门源MW5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2019, 44(7): 1035-1042 (Liu Yang, Xu Caijun, Wen Yangmao. InSAR Observation of Menyuan MW5.9 Earthquake Deformation and Deep Geometry of Regional Fault Zone[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(7): 1035-1042)
( 0) |
| [13] |
李振洪, 刘经南, 许才军. InSAR数据处理中的误差分析[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2004, 29(1): 72-76 (Li Zhenhong, Liu Jingnan, Xu Caijun. Error Analysis in InSAR Data Processing[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2004, 29(1): 72-76)
( 0) |
| [14] |
Farr T G, Rosen P A, Caro E, et al. The Shuttle Radar Topography Mission[J]. Reviews of Geophysics, 2007, 45(2)
( 0) |
| [15] |
Eineder M, Hubig M, Milcke B. Unwrapping Large Interferograms Using the Minimum Cost Flow Algorithm[C]. 1998 IEEE International Geoscience and Remote Sensing, Symposium Proceedings, Seattle, 1998
( 0) |
| [16] |
Okada Y. Surface Deformation Due to Shear and Tensile Faults in a Half-Space[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1985, 75(4): 1135-1154
( 0) |
| [17] |
Massonnet D, Rossi M, Carmona C, et al. The Displacement Field of the Landers Earthquake Mapped by Radar Interferometry[J]. Nature, 1993, 364(6 433): 138-142
( 0) |
| [18] |
Pinel-Puysségur B, Grandin R, Bollinger L, et al. Multifaulting in a Tectonic Syntaxis Revealed by InSAR: The Case of the Ziarat Earthquake Sequence(Pakistan)[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2014, 119(7): 5838-5854
( 0) |
| [19] |
Marquardt D W. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters[J]. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, 1963, 11(2): 431-441
( 0) |
2. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
3. College of Oceanography and Space Informatics, China University of Petroleum(Huadong), 66 West-Changjiang Road, Qingdao 266580, China;
4. School of Electronics and Control Engineering, Institute of Disaster Prevention, 465 Xueyuan Street, Sanhe 065201, China