2023, Vol. 43
根据中国地震台网测定，2021-05-21云南漾濞发生MW6.1地震，震源深度11 km。震发后不久，GFZ等机构给出了各自的震源机制解(表 1)，但不同机构获取的震源参数存在差异。震源附近地质构造复杂，发育着多条断裂带，有学者认为此次地震可能与震源东侧的维西-乔后断裂和南涧-巍山断裂有关[1-2]。因此，进一步对云南漾濞地震的发震机理展开研究，对理解中国中南部地区的板块运动构造和地震灾害发震机制等有重要意义。
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表 1 不同机构测定的2021年云南漾濞地震的震源机制解 Tab. 1 Focal mechanism solutions of the 2021 Yangbi earthquake in Yunnan from different instiutions |
相较于常规监测手段，InSAR有着大范围、全天候等优势，已被广泛应用于地震同震形变场的获取及发震断层参数的反演等领域[3-5]。本文以欧空局提供的Sentinel-1数据为基础，获取2021年云南漾濞6.1级地震的D-InSAR同震形变场；再基于升降轨InSAR数据的形变结果，通过Okada均匀弹性半空间位错模型反演发震断层的几何参数与同震滑动分布；最后通过正演模型预测地震引发的地表三维形变情况，并分析本次地震的形变特征及发震断层的几何形态和构造运动。
1 地质构造背景漾濞地震发生在地质构造复杂、众多断裂交会的川滇地区中南部，震中东侧有NW-SE向南涧-巍山断裂和红河断裂北段，北侧发育NW-SE向维西-乔后断裂(图 1)。一般来说，川滇地区中南部的断层滑动和地震是由地壳的SE向运动引起的，直接原因是青藏高原下的印度和欧亚板块受喜马拉雅山脉的对撞挤压，导致青藏高原呈EW向延伸，断层走向和大地测量结果都证明了这一观点[6]。
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图 1 漾濞地震地质构造背景 Fig. 1 Geological and tectonic background of the Yangbi earthquake |
青藏高原东南部分布着很多以右旋走滑为主的断层。红河断裂在第三纪经历了大规模的左旋延展性剪切运动，然后转变为现今滑移率约为5 mm/a的右旋走滑断裂，其间已经产生了多次MW6.0以上的地震[7]。维西-乔后断裂和南涧-巍山断裂呈雁列式排列，不稳定的倾角变化说明该断裂还没发育完全，最近的活跃时间距今已超过2 000 a，平均滑动速率约为1.25 mm/a。历史震源机理表明该断裂受右旋剪切应力的控制，略微向NE-SW向延伸，即略带NE-SW向正断分量[8]。总体而言，这些断裂适应了印度和欧亚板块持续碰撞导致的地壳缩短，逆冲断层适应SN向挤压，正断和走滑断层适应EW向延伸。
此次漾濞地震是相对较浅深度发震断层滑移的结果，区域地质构造与右旋滑移运动的空间特征一致。地震发生在宽阔的同震滑移断层区域内，这些活跃的滑动断层与附近的小断层产生频繁的、中等强度的地震，陡峭的区域地形也往往由于地震震动引起滑坡和地面塌陷等自然灾害。
2 InSAR同震形变场特征 2.1 研究数据选取漾濞地震发生前后升降轨单视复数(SLC)数据作为数据源(成像模式IW，极化方式VV)，详细参数见表 2。利用精密轨道星历数据对轨道信息进行基线修正，并使用SRTM DEM数据来模拟和去除地形相位[9]。通过PIE软件和PIE-Engine遥感云服务平台下载Sentinel-1A数据和30 m的DEM数据，并对原始影像和数据进行预处理，包括DEM拼接、影像裁剪、影像配准、基线计算、多视处理及数据导出等。在进行二轨法D-InSAR数据的解算过程中，为获取较好的同震形变场，采用自适应频率域法对去平后的干涉图进行滤波处理[10]，应用最小费用流法对滤波后的干涉图进行相位解缠[11]，再经过轨道精练和重去平纠正相位偏移并消除斜坡相位，最后通过地理编码将SAR平面坐标投影到WGS-84坐标系，得到漾濞地震升降轨同震形变场。
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表 2 升降轨Sentinel-1A影像参数信息 Tab. 2 Parameter information of Sentinel-1A image of ascending and decending tracks |
漾濞地震的InSAR同震形变场结果如图 2所示，可以看出，升降轨SAR数据都监测到了明显的形变信息。升降轨形变场结果中震源附近都呈现出椭圆形的形变区，并存在一条NW-SE向的断层将形变区分为东、西两盘。形变场中正值表示沿雷达视线方向(LOS向)移动，反映到地表则显示为抬升或向西运动；负值表示远离LOS向移动，地表则显示为沉降或向东运动。图 2(c)升轨形变结果显示，形变区范围约为33 km×23 km，东盘最大移动约-10 cm，西盘最大移动约8 cm；图 2(d)降轨形变结果显示，形变区范围约为23 km×21 km，东盘最大移动约13 cm，西盘最大移动约-10 m，升降轨InSAR形变趋势基本一致。此外，西盘在上升轨道中显示沿LOS向移动，而在下降轨道中则相反，朝远离LOS向移动；东盘也呈现出相反的移动特征。根据SAR卫星右视成像的特点，当卫星升轨观测时(图 2(c)左下角)，西盘水平向西移动后在LOS向投影为朝雷达方向移动；但当卫星降轨观测时(图 2(d)右下角)，西盘水平向西移动在LOS向投影为远离雷达方向移动，因此西盘的形变方向在升降轨形变结果中呈相反的移动特征。这样的形变特征说明此次地震以水平移动为主，再根据InSAR同震形变场的空间分布分析，此次漾濞地震可能为走滑断层引起的右旋走滑型地震或由正断层引发的正断型地震。
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图 2 2021年漾濞地震InSAR升降轨同震形变场 Fig. 2 InSAR ascending and decending coseismic deformation field of the 2021 Yangbi earthquake |
通过绘制升降轨InSAR的同震形变场剖面，可以进一步定量分析此次地震的形变空间特征。分别在升降轨形变场中绘制4条剖面，结果显示(图 3)，形变区存在明显的沉降和抬升中心，且形变区之间的位移是连续的，没有出现因形变梯度过大而引起的跳跃性位移间断，说明此次漾濞地震发生在断层深部而未破裂至地表。
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图 3 升降轨LOS向同震形变剖面 Fig. 3 LOS directional coseismic deformation profile of ascending and decending tracks |
在升降轨InSAR同震形变场的约束下，反演漾濞地震的发震断层参数和同震滑动分布，是进一步研究漾濞地震几何形态和构造运动的关键。为提高反演效率，先对升降轨InSAR形变场进行重采样，本文选用均匀降采样法，该方法既可以保证形变区较高的空间分辨率，又可以提升反演处理的效率[12]。具体步骤为：在形变区内部选取密集的采样点，采样间隔设为500 m；在形变区外部选择较稀疏的采样点，采样间隔设为2 000 m，最后升降轨的形变结果分别保留4 935个和3 872个数据点(图 4)。
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图 4 重采样形变结果 Fig. 4 Resampling deformation diagram |
要反演断层的同震滑动分布，首先需要确定发震断层的函数模型，并假设地震是由发震断层的均匀滑动引起的，运用均匀式滑动模型非线性反演求解断层的最优参数解。本文选择Okada均匀弹性半空间位错模型来确定发震断层的参数[13]，该模型的基本思想是将发震断层模拟成一个矩形平面并将其嵌入在介质均匀的弹性半无限空间中，然后通过非线性函数反演出发震断层的参数。地表形变观测值与待求参数之间的非线性函数关系如下：
| $ d=\boldsymbol{S}(x) \cdot \boldsymbol{G}+\varepsilon $ | (1) |
| $ \boldsymbol{S}(x)=[\text { Lon, Lat }, L, W, D, \text { dip, strike, } U, \text { rake }] $ | (2) |
式中，d为地表形变观测值，S(x)为每个子滑块的断层参数，G为约束d与S(x)的格林函数矩阵，ε为观测误差，x为子滑块的编码。
根据多个机构和团队公布的震源机制解范围，采用Levemberg-Marquardt最小二乘优化算法进行迭代计算，获取断层参数的最优拟合解，结果如图 5所示，图中红色竖直线和红色实心点代表最大后验概率解。可以看出，发震断层长约12.53 km，宽约6.44 km，位于地下3~9 km深度范围内，断层走向约136.34°，倾角约83.79°，滑动角约-175.46°。
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图 5 发震断层参数的边缘后验概率分布 Fig. 5 Marginal posterior probability distribution of seismogenic fault parameters |
在利用均匀式滑动模型得到发震断层的参数后，为更细致地研究断层滑动分布情况，在分布式滑动模型的约束下，对同震断层平面的滑动进行线性反演。将同震断层按一定的规则划分为若干个细分的子滑块，然后通过计算每个子滑块的精细滑动变量，获取同震断层更精确的滑动分布与最大滑动深度，以此来判断由断层引发的断裂情况和地震类型。
采用附加约束条件的最小二乘法原理与最速下降法(SDM)计算目标函数的最小解[14]，即反演同震滑动分布，在实际反演过程中，需要顾及到发震断层的形变特征及余震的空间分布。沿走向将断层长度设定为30 km，沿倾向将断层宽度设定为20 km，将发震断层均匀划分成600个1 km×1 km大小的子滑块，并对InSAR升降轨降采样后的观测值设置同样的权重，共同反演断层的同震滑动分布。从模型拟合的残差结果来看(图 6)，分布式滑动模型模拟的形变场与原形变场有相同的空间分布特征，具有较好的一致性，残差的均方根误差都是10 mm，说明利用分布式滑动模型反演同震滑动分布具有可行性和适用性。
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图 6 分布式滑动模型的拟合结果 Fig. 6 Fitting results of distributed sliding model |
由漾濞地震的同震滑动分布情况(图 7)可以看出，震中位于99.92°E、25.64°N，发震断层沿走向的破裂长度约12 km，沿倾向的破裂长度约6 km，但未破裂至地表。断层的同震滑动主要分布在沿走向9~21 km及沿倾向向下3~9 km范围内，最大滑动位移出现在地下4 km深度处，滑移量达到0.64 m。由代表每个子滑块移动方向的箭头可知，漾濞地震以右旋走滑为主，略带正断分量。地震释放的标量地震矩约1.87×1018 Nm，即MW6.1，结果与USGS(节面1)和其他学者测定的参数有较好的一致性(表 3)。
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图 7 漾濞地震发震断层的同震滑动分布 Fig. 7 Coseismic sliding distribution of seismogenic fault of the Yangbi earthquake |
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表 3 InSAR数据约束下的断层参数反演结果 Tab. 3 Results of tomographic parameter inversion with InSAR data constraints |
本文结果与前人研究结果基本一致，但徐晓雪等[1]测定的断层平均滑动角为180°。为进一步研究此次走滑型地震是否带有正断性质及地震在各个方向地表引发的形变分量情况，基于线性反演得到的同震滑动分布，通过正演模型推测地表三维形变场(图 8)。结果显示，地震引起的地表移动涉及多个方向，其中垂直方向最大抬升约3.22 cm，最大沉降约4.04 cm；水平方向向西最大位移约5.91 cm，向东最大位移约8.17 cm，向北最大位移约5.75 cm，向南最大位移约7.62 cm。垂直方向形变场结果显示，地表形变存在明显的垂直向位移，且发震断层的西南侧垂直向位移高于东北侧，说明发震断层不仅有走滑性质，而且还有正断性质。在发震断层的同侧也存在由沉降到抬升的过渡区，通过实地勘探发现确有因挤压而产生的地裂缝[15]，由此证明了本次地震正演结果的有效性。
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图 8 漾濞地震三维形变场 Fig. 8 3D deformation field of Yangbi earthquake |
印度板块不断向欧亚板块挤压，使青藏高原中部的羌塘板块沿E向延伸，但受到华南板块的阻挡之后，羌塘板块开始以自身为中心顺时针旋转并向中南部继续挤压，在云南等地形成连绵起伏的山脉和等级各异的块体[16]。如图 9所示，多条断裂带将此区域划分成三大板块，地震发生在川滇板块西北边界，位于3条大断裂带交会处，此处由于川滇板块顺时针移动导致板块边界应力累积，使得地震频发，形成滇西北断裂群[17-18]。震源的真实地理位置及其周围的地震活动分布说明，漾濞地震的发震断层远离已知的活跃断裂带，初步判断此次地震发生在一条未知的断裂带上。但分析发震断层的空间特征和同震滑动分布可知，其与相邻的维西-乔后-巍山断裂和红河断裂北段走向有近乎平行的关系，该断裂可能属于其次级或分支断裂。另外，断裂群内地震活动频发，也可能使其成为连接维西-乔后-巍山断裂和红河断裂北段的关键。
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空心圆圈表示漾濞地震前后3周内、半径250 km范围、震级≥3的地震活动, 数据来源于USGS 图 9 漾濞地震区域构造 Fig. 9 Regional structure of Yangbi earthquake |
2021年云南漾濞MW6.1地震发生在川滇菱形块体的西北边界，地形复杂、环境恶劣，难以开展大地测量工作。本文应用D-InSAR技术，通过监测和解算漾濞地震的同震形变场，反演发震断层的点源参数和同震滑动分布，最后通过正演模型计算漾濞地震的三维形变场，并分析地震的形变特征及发震断层的几何形态和构造运动。
1) 基于双轨D-InSAR技术获取的漾濞地震升降轨InSAR形变场显示，地震引起的地表形变沿LOS向最大移动约13 cm，远离LOS向最大移动约10 cm。卫星在上升轨道和下降轨道监测到的地表移动方向是相反的，说明地震导致的地表移动以水平方向为主。
2) 以升降轨InSAR数据为约束，基于滑动模型反演发震断层的几何参数和同震滑动分布。结果显示，发震断层长约12.53 km，宽约6.44 km，位于地下3~9 km深度范围内，断层破裂未达地表；断层走向约136.34°，倾角约83.79°，滑动角约-175.46°，震中位于99.92°E、25.64°N；断层的同震滑动主要分布在沿走向9~21 km与沿倾向向下3~9 km范围内，最大滑动位移出现在地下4 km深处，滑移量达到0.64 m，说明地震类型为右旋走滑型。
3) 正演模型的地表三维形变预测结果显示，垂直方向最大抬升约3.22 cm，最大沉降约4.04 cm，进一步说明发震断层的位移走向带有正断性质。通过对InSAR同震形变场、发震断层同震滑动分布及震源周围断裂带的断层类型进行综合判断，认为此次云南漾濞6.1级地震发生在一条未知的NW-SE向断裂带上，该断裂可能属于维西-乔后-巍山断裂和红河断裂北段的次级或分支断裂，也存在使维西-乔后-巍山断裂和红河断裂相连的可能。
致谢: 感谢航天宏图信息技术股份有限公司提供的PIE-Engine遥感云服务平台和易智瑞的SARscape软件。
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