2023, Vol. 43
对于大地震，由于其能直接反映活动断层的发震构造及特点，通常会受到学者重视；但中等量级地震同样不可忽视，可补充主活动构造断层的详细发震信息。此外，中等量级地震也会造成较大人员伤亡和财产损失。据美国地质调查局(USGS)报告，2021-03-19世界时06:11:27，在青藏高原中部发生了一次中等量级(MW5.7)浅源地震，震源深度约为8 km。此次地震发生在班公湖怒江缝合带南部约7 km处，震中位于西藏自治区那曲市(图 1)，震后2周内共发生6次MW4.0以上余震(图 1(b))。由于地震发生在相对偏远且人员稀疏的地区，未引起人员伤亡，却造成大量房屋受损。据USGS和GCMT报告的震源机制解(表 1)可知，该地震发生在SE向中等倾角断层上，且地震破裂以正断为主。
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(a)中红色透明区为图(b)区域，黑粗箭头为相对板块运动方向[1]。ATF表示阿尔金断裂带, KF表示卡拉喀什断裂带，KRF表示喀喇昆仑断裂带, MFT表示喜马拉雅主前缘逆冲带, BNS表示班公湖怒江缝合带, AKMS表示阿尼玛卿-昆仑-麻扎塔格缝合带, IYS表示雅鲁藏布江缝合带, JS表示金沙江缝合带。(b)中绿色方框为SAR覆盖区域, 红星为来自USGS地震机构的2021年比如地震震中, 红色沙滩球为其震源机制解, 粉色和淡蓝色沙滩球分别为来自GCMT地震机构1976~2021年间大于Mw5.0走滑和正断地震的震源机制解, 黄色圆为震后2个月内Mw4.0及以上余震, 黑线为断层 图 1 青藏高原和2021年比如地震区域构造 Fig. 1 Regional structure of the Tibetan plateau and the 2021 Biru earthquake |
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表 1 2021年比如地震震源参数 Tab. 1 Source parameters of the 2021 Biru earthquake |
自20世纪90年代，众多学者就开始广泛研究合成孔径雷达干涉(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)测量技术，并在大范围地形制图、大尺度面域地表变形监测等行业得到广泛应用。相比于光学遥感，InSAR技术可实现地表变化的时序几何测量，有助于弥补传统测量方法和光学遥感的不足。对于地震而言，在获取地震发生前后短时间内2幅SLC(single-look complex)影像后，对影像进行差分干涉处理，引入外部DEM，以消除震前地形因素对形变结果的影响，从而获取地震视线向(LOS)高精度同震形变场。基于InSAR获得的同震形变信息可分析发震断层的运动方式、破裂模式、产状、能量积累和释放及地震应力触发等问题，从而揭示地震的地震机制[2]。因此InSAR技术可为监测地震提供一种有效的技术手段。
鉴于震中区海拔高、地形严峻及InSAR技术在地震监测应用中的突出优势等，本文基于Sentinal-1A数据，采用InSAR技术获取2021-03青藏高原中部比如MW5.7地震的断层几何参数及滑动分布。由于当地植被稀疏，可获得此次MW5.7地震高精度高分辨率的同震形变场。这些SAR数据将为了解此次事件的发震断层几何参数和详细同震滑动提供重要机会，从而有助于理解震中区活动断裂分布及发震构造。
基于获取的Sentinal-1A降轨SAR数据，首先采用双轨法获得覆盖此次地震的同震形变场；然后基于弹性位错理论研究此次事件的发震断层几何参数及详细的同震滑动分布，为了解区域应变积累、发震构造及评估区域地震危险性提供重要参考。
1 InSAR数据处理利用GAMMA软件[3]，采用InSAR双轨法提取到覆盖此次地震区域的1个轨道(降轨77)同震干涉信息(表 2)。设置Sentinal-1A距离向与方位向的多视比为10 ∶2，并利用30 m分辨率DEM消除地形相位的影响。为获得较高的信噪比，首先利用功率频谱滤波方法对干涉图进行滤波[4]，然后基于枝切法对干涉图进行解缠[1]，最后对干涉图进行地理编码，以将其纳入WG-S84坐标系框架中[5]。此外，为去除轨道残差和地形相关的大气延迟[6]，利用远场非形变区的观测数据估计得到关于位置、高程和误差相位的线性函数，从而得到高质量的与2021年比如地震相关的同震形变场。从图 2(a)中可以看到2个主要的叶状形变条纹，且西北部的形变条纹梯度高于东南部，表明此次地震破裂发生在一个倾向NW的断层上。干涉图中连续平滑的形变条纹显示此次地震是隐伏型地震事件(即未破裂到地表)；同震干涉图视线向形变范围为-3.4~1.5 cm。考虑到降轨同震形变仅覆盖震后半天的数据，此次获取的同震干涉图中包含较小的震后形变。
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表 2 用于生成同震变形场的SAR数据信息 Tab. 2 SAR data information used for generating coseismic deformation field |
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图 2 2021年比如地震同震形变场与降采样数据 Fig. 2 Coseismic deformation field and down-sampling data of the 2021 Biru earthquake |
本文利用基于分辨率的降采样方法[7]对比如地震同震形变场进行重采样(图 2(b))，并基于矩形位错理论[8]对断层滑动进行反演。分别采用非线性反演方法和线性反演方法获得断层几何参数及断层面上详细的滑动分布，同时利用多峰值粒子群方法搜索最优的断层走向、倾角、滑动角、断层上边界埋深深度、断层宽度、长度、滑动量及断层位置等信息[9]。基于USGS公布的震源机制解及本文同震形变场研究结果，认为此次地震破裂发生在倾向NW的正断型断层上，因此反演中约束断层的走向和滑动角分别在181°~269°和-45°~-135°范围内。断层几何参数反演结果显示，此次比如地震以正断裂为主，伴有少量走滑运动，滑动主要分布在5.4~11.4 km深度处(表 1)。为评估震源参数的稳定性，采用蒙特卡洛方法将噪声扰动叠加于原始观测数据中，并对生成的100组数据进行反演。结果表明，所有断层几何参数均较为稳定(图 3)，正演结果(图 4(a)~4(c))显示，均匀滑动模型在整体上可较好地拟合降轨同震形变场，但在断层迹线附近仍有较大残差。
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直方图为100组带有噪声扰动的观测数据反演获取的断层几何参数分布; 红色虚线为最优几何参数, 红线为误差范围 图 3 采用蒙特卡洛方法分析的均匀断层面几何参数 Fig. 3 Uniform fault geometrical parametersby using Monte Carlo method |
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(a)和(d)为观测数据, (b)和(e)分别为均匀滑动模型和滑动分布模型模拟数据, (c)和(f)为残差。红实线为地表迹线, 红虚线为埋深在地下的破裂面框架。红色沙滩球为此次比如地震震源机制解 图 4 观测数据与模拟结果 Fig. 4 Observational data and modeling result |
固定由均匀滑动模型获取的最优发震断层位置、走向和倾角，分别沿走向和倾向将断层面长度和宽度延长至24 km和20 km，并将断层面离散成480个1 km×1 km的网格。为确保滑动分布真实的滑动梯度，在反演中添加平滑因子。此外，考虑到利用均匀滑动分布模型得到的倾角相对于精细滑动分布并不是最优的[10]，本文在随后的线性反演中将进一步优化倾角。为同时搜索到最优的倾角及平滑因子，采用对数函数[9](式(1))对倾角和平滑因子进行估计(图 5(a))。进一步将断层面左、右及下边界滑动约束为0，并进行线性反演，结果表明(图 5(b))，破裂断层以正断为主，滑动主要分布在2.4~11.2 km深度处，在6.4 km深度处滑动量最大为0.17 m。这与已公开的研究结果较为一致[11]。该滑动分布模型产生的地震矩约为3.6×1017 Nm，相当于MW5.7。正演结果(图 4(d)~4(c))显示，相较于均匀滑动模型，滑动分布模型能更好地拟合降轨同震观测形变场，且均方根误差为2.7 mm。
| $ f\left(\delta, \alpha^2\right)=\log (\psi+\xi) $ | (1) |
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(a)为不同倾角和平滑因子log(ψ+ξ)函数等值线分布，红色五角星为全局最小, 对应的最优倾角为53°，平滑因子为3.2; (b)为2021年比如地震同震滑动分布模型 图 5 倾角与平滑因子估计及同震滑动分布模型 Fig. 5 Estimation of dip angle and smoothing factor and coseismic slip distribution model |
式中，ψ和ξ分别为滑动粗糙度和残差，δ和α2分别为倾角和平滑因子。
3 结语利用InSAR技术获取2021年比如地震同震形变场，其视线向形变范围约为-3.4~1.5 cm。发震断层几何参数及详细同震滑动分布反演结果表明，此次地震破裂以正断为主，且伴有少量左旋走滑分量，主要滑动分布在2.4~11.2 km深度范围内，在6.4 km深度处滑动量达到最大值0.17 m；同震滑动分布模型产生的地震矩约为3.6×1017 Nm，相当于MW5.7。断层浅部2.4 km以上深度滑动缺失表明，此次地震发生在一条之前未被探测到的隐伏断层上，蒙特卡洛反演结果显示出较为收敛的断层几何参数也进一步支持了该结论。
| [1] |
Xu X W, Tan X B, Yu G H, et al. Normal- and Oblique-Slip of the 2008 Yutian Earthquake: Evidence for Eastward Block Motion, Northern Tibetan Plateau[J]. Tectonophysics, 2013, 584: 152-165 DOI:10.1016/j.tecto.2012.08.007
(  0) |
| [2] |
朱建军, 李志伟, 胡俊. InSAR变形监测方法与研究进展[J]. 测绘学报, 2017, 46(10): 1 717-1 733 (Zhu Jianjun, Li Zhiwei, Hu Jun. Research Progress and Methods of InSAR for Deformation Monitoring[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2017, 46(10): 1 717-1 733)
( 0) |
| [3] |
Wegnüller U, Werner C, Strozzi T, et al. Sentinel-1 Support in the GAMMA Software[J]. Procedia Computer Science, 2016, 100: 1 305-1 312 DOI:10.1016/j.procs.2016.09.246
( 0) |
| [4] |
Goldstein R M, Werner C L. Radar Interferogram Filtering for Geophysical Applications[J]. Geophysical Research Letters, 1998, 25(21): 4 035-4 038 DOI:10.1029/1998GL900033
( 0) |
| [5] |
Goldstein R M, Zebker H A, Werner C L. Satellite Radar Interferometry: Two-Dimensional Phase Unwrapping[J]. Radio Science, 1988, 23(4): 713-720 DOI:10.1029/RS023i004p00713
( 0) |
| [6] |
Cavalié O, Doin M P, Lasserre C, et al. Ground Motion Measurement in the Lake Mead Area, Nevada, by Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry Time Series Analysis: Probing the Lithosphere Rheological Structure[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(B3)
( 0) |
| [7] |
Lohman R B, Simons M. Some Thoughts on the Use of InSAR Data to Constrain Models of Surface Deformation: Noise Structure and Data Downsampling[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2005, 6(1)
( 0) |
| [8] |
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): 1 135-1 154 DOI:10.1785/BSSA0750041135
( 0) |
| [9] |
Feng W P, Li Z H, Elliott J R, et al. The 2011 MW6.8 Burma Earthquake: Fault Constraints Provided by Multiple SAR Techniques[J]. Geophysical Journal International, 2013, 195(1): 650-660 DOI:10.1093/gji/ggt254
( 0) |
| [10] |
Burgmann R. Deformation during the 12 November 1999 Duzce, Turkey, Earthquake, from GPS and InSAR Data[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2002, 92(1): 161-171 DOI:10.1785/0120000834
( 0) |
| [11] |
He Z T, Li Y S, Li Y J, et al. The Surface Process and Seismogenic Structure of the 2021 MS6.1 Biru, Central Tibet Earthquake[J]. Seismological Research Letters, 2022, 93(4)
( 0) |