2024, Vol. 44
北京时间2023-02-23 08:37塔吉克斯坦东部戈尔诺-巴达赫尚自治州穆尔加布地区发生7.2级地震，震中位于73.29°E、37.98°N，距离首府霍罗格约162 km，我国新疆喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县等震感强烈。中国科学院青藏高原研究所的初步反演结果表明，本次地震震源深度约为10 km，破裂持续时间15 s，地震具高倾角右旋走滑兼少量正断分量[1]。此次地震震中区域地质构造复杂，地震频发，过去5 a震中250 km范围内发生M3.0以上地震104次，其中2015年在距离震中约42 km的穆尔加布曾发生MS7.4地震。
基于塔吉克斯坦地震震中区域平均海拔较高、地势险峻、近场GPS台站稀疏等现状，本文利用合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR)获取塔吉克斯坦地震同震形变场，并据此反演断层破裂模型，以揭示本次地震发震机制。
1 区域构造背景印度板块向欧亚板块俯冲汇聚，导致帕米尔高原地壳由北到南至少收缩300 km[2]。GPS测量数据表明，帕米尔高原内部以13~20 mm/a的速度向NNW方向运动[3-4]，该运动主要受喀什-叶城断裂系统东线右旋运动以及公格尔断裂系统控制[5]，喀什-叶城断裂系统和喀喇昆仑断层使帕米尔高原沿塔里木盆地西缘平移[6]。本次塔吉克斯坦地震发生在帕米尔高原中部、喀喇昆仑断层与萨雷兹-穆尔加布逆冲断裂系统附近。
从李宁等[7]的研究结果来看，本次地震不符合萨雷兹-穆尔加布逆冲断裂系统附近多为正断型地震的特性，但与喀喇昆仑断层右旋走滑运动[8]特征较为符合。喀喇昆仑断层在帕米尔地区以44±5 mm/a的速度运动[9]，但其地质偏移量存在较大争议，且北西段分支情况仍未统一[10-13]。结合历史地震分布来看，喀喇昆仑断层北西段存在至少100 a的大型地震窗口期，表明引起本次地震的滑动断层很可能为喀喇昆仑断层北西段的一条分支盲断层，具体情况有待进一步研究。
2 InSAR同震形变场本次塔吉克斯坦地震震中区域平均海拔较高，地表高程起伏较大，地形复杂，且地震发生在冬季，区域内冰雪覆盖率高，利用传统野外地质考察、GPS及水准测量等方法虽可获取高精度数据，但空间密度较低，难以完整反映该区域同震形变特征。本文采用欧空局(ESA)提供的C波段(波长5.6 cm)Sentinel-1A升降轨TOPS模式SAR影像，利用D-InSAR技术获取雷达视线向(LOS)同震InSAR地表形变场数据，SAR影像具体参数见表 1。
|
表 1 SAR影像基本参数 Tab. 1 Parameters of Sentinel-1A SAR data |
利用GMTSAR软件进行数据处理，结合ESA精密轨道数据、NASA发布的SRTM DEM数据(空间分辨率为30 m)及GACOS提供的大气数据进行轨道改正、地形相位移除及大气相位削弱。由于区域内冰雪覆盖率较高，将距离向与方位向比值设置为32 ∶8，并对干涉图进行高斯滤波处理，以提高干涉信噪比。利用最小费用流方法(MCF)进行相位解缠处理[14]，由于精密轨道数据误差会导致趋势性相位残留，利用同震形变场中远场数据建立双线性轨道趋势面，用于移除趋势性相位[15]。在进行地理编码及相位转形变后，得到覆盖研究区的升降轨同震形变场，结果如图 1所示。
|
图 1 升降轨同震形变场 Fig. 1 InSAR coseismic deformation fields of ascending and descending orbits |
由图 1可知，本次塔吉克斯坦地震的同震形变场呈不规则椭圆状，长轴为70 km，短轴为60 km。以图中NWW-SEE向黑色虚线为界，图 1(a)升轨形变场显示，界线下侧形变场以靠近卫星方向运动为主，伴有部分远离卫星方向的形变，最大形变量约为12 cm；而界线上侧则受远离卫星方向的地表运动控制，最大形变量约为15 cm。同时，受失相干及大气等因素影响，升轨形变场中出现多处形变噪声，后续会使用相干性系数等手段进行去除。相比于升轨形变场，降轨同震形变场(图 1(b))信噪比更高，位于界线下侧的形变区向远离卫星方向运动，最大形变量约为16 cm；而界线上侧的形变方向则相反，向靠近卫星方向运动，最大形变量为15 cm。结合升降轨形变特征发现，该结果与高倾角走滑地震[16-17]具有高度一致性，由此初步推断，本次塔吉克斯坦地震为以高倾角走滑为主的地震事件。
3 同震断层滑动模型反演及分析以获取的InSAR升降轨数据为约束条件，基于弹性半空间位错理论，采用模拟退火法进行反演获取发震断层模型参数，并利用线性反演获得断层滑动特征，最终得到滑动断层的空间几何位置及其运动模型。
3.1 形变场降采样由于本文选用的升降轨数据具有空间连续性及覆盖范围广等特点，数据量较大，为提高计算效率，需对数据进行降采样处理。为保证结果的可靠性，首先利用相干性系数对形变场进行掩膜处理，去除精度较低的数据点，再利用四叉树采样法对未掩膜区域进行降采样处理[18]，以保证研究区形变特征的完整性。
3.2 断层几何参数搜优根据本次地震的InSAR升降轨同震形变场特征，构建一条SE-NW向长80 km、宽60 km的断层，由于断层近场形变存在明显失相干，可认为存在地震导致的部分地表破裂，设定断层上边界到达地表。将初始的断层走向、倾角、深度及滑动角分别设置为130°、80°、－10 km、－170°，搜优区间分别为[90°，180°]、[60°，90°]、[－15 km，－5 km]、[－180°，180°]，将断层离散为5 km×5 km大尺寸矩形滑块, 利用模拟退火算法搜索得到最优的断层几何参数：走向为131.1°、倾角为85.7°、深度为－8.4 km、滑动角为－171.2°(表 2)。
|
|
表 2 发震断层反演参数对比 Tab. 2 Comparison of inversion parameters of seismogenic fault |
在获取断层面几何参数后，将断层离散为2 km×2 km小尺寸矩形滑块，在降采样后的升降轨形变场约束下反演断层面运动矢量，以获得断层滑动的精细分布。本文反演的塔吉克斯坦地震断层滑动分布(图 2)显示，同震主滑移区主要分布在10~30 km深度范围内，沿走向长约40 km，最大滑移量为3.49 m，位于约20 km深度处。主滑移区两侧更深位置存在两处子滑移区，其中左侧子滑移区滑移量较小，正断分量略大于走滑分量，最大滑移量分别约为1.2 m和0.9 m；右侧子滑移区滑移量较大，逆断分量略小于走滑分量，最大滑移量分别约为1.5 m和2.05 m。该断层以右旋走滑为主，兼少量倾滑分量，在靠近地表位置的断层主滑移区上方不存在大量级的断层运动，说明本次地震断层未破裂至地表，而前文提到的地震近场区域失相干现象可能与严重冰雪覆盖及地震引起的较大量级地质灾害(滑坡、冰川流速加快等)有关。由表 2可知，本文反演得到的矩震级为MW7.16，大于USGS及GCMT结果，但与中国地震台网中心正式公布的震级较为一致，且断层走向也与USGS及GCMT的反演结果存在较大差异。这主要是由于USGS及GCMT是利用远场地震波数据开展震源机制参数估计，由于近场观测台站缺失和受限于精细地壳模型，反演结果往往具有较大的不确定性[19]。
|
黑色箭头表示离散断层滑动的运动矢量 图 2 同震断层滑动模型 Fig. 2 Coseismic fault slip model |
为验证本文反演结果的可靠性，利用反演模型正演本次地震的InSAR升降轨形变场，并与观测值进行对比，结果如图 3所示。对比升降轨形变场的观测值与模拟值可以发现，二者在形变量及特征上均具有较高的一致性，说明本文断层反演模型可以很好地解释地表形变，验证了本文反演结果的可靠性。进一步分析升降轨形变场的残差结果发现，大部分区域的残差都在0值附近，仅在升轨断层左侧存在较大的残差值。观察残差分布特征发现，残差变化不连续，分布不均匀，为零星分布，结合研究区地质背景及地震发生时为冬季等情况，导致残差较大的原因可能为高海拔地区严重大气影响及冰川局部运动，由于不满足弹性位错机制，无法正演该部分形变，从而导致残差分布出现异常。
|
黑色矩形为反演断层 图 3 模拟同震InSAR形变场及残差 Fig. 3 The simulation and residuals of coseismic InSAR deformation fileld |
由于本次地震震级较大，影响范围较广，且震中区地质构造背景复杂，本文收集USGS公布的主震后3个月内发生的103次余震信息，结合静态库仑应力变化与余震分布的对应关系来讨论发震节面性质，进而评估本次地震对区域未来地震危险性的影响。以本文反演得到的右旋节面解(走向131.1°、倾角85.7°、滑动角－171.2°)为接收面，设置摩擦系数为0.4、杨氏模量为30 GPa、泊松比为0.25，计算不同深度的静态库仑应力，结果如图 4所示。
|
绿色小球代表该深度处余震分布；黄色小球代表其他深度处余震分布 图 4 不同深度上同震静态库仑应力变化与主余震分布 Fig. 4 Coseismic static Coulomb stress changes and earthquake distribution at different depths |
从图 4可以看出，在地表处(图 4(a))，应力卸载区呈NW向，加载区呈SN向，整体库仑应力分布以卸载区为主，朝向与本文反演节面一致，发震断层周围应力增量远超应力触发阈值0.1 bar，存在较大地震风险。在5 km深度处(图 4(b))，应力加载区向卸载区扩张，东、西侧应力加载区明显增加，但该深度处仍无余震发生，对于如此大范围超过阈值的应力加载区，该深度发生地震的风险依然较大。在10 km深度处(图 4(c))，应力加载区依然在向卸载区扩张，该深度的应力加载区开始大于卸载区，103次余震中有41次发生于该深度周围，且均落于库仑应力大于0.1 bar的应力加载区或边界处，推测该深度为震后余震应力释放的主要区域。在20 km深度处(图 4(d))，库仑应力分布关于发震断层呈现明显对称特征，沿发震断层走向方向加载区与卸载区交替出现，该深度周围发生1次余震活动，且位于库仑应力大于0.1 bar的应力加载区。
总体而言，本次地震震后共发生103次余震，且集中分布于本文反演的断层节面附近，其中30 km深度以上共发生余震42次(10 km深度周围41次，20 km深度周围1次)，其余余震均发生在60 km深度以下，鉴于后者震源深度较深，对地表影响较小，本文在此不进行分析。结合0~20 km深度的库仑应力分布特征可知，该区域库仑应力符合已有的帕米尔高原应力场及地质学研究结果[20]，随着深度增加，其影响范围也在以发震断层为中心向外扩张。在5 km深度以下，应力加载区逐渐侵蚀应力卸载区，并开始以加载区为主，10 km深度周围开始发生余震活动。
计算与本文反演断层相邻的2条断层(萨雷兹-穆尔加布逆冲断层、喀喇昆仑断层)的应力变化，结果如图 5所示。观察萨雷兹-穆尔加布逆冲断裂系统应力变化发现，该断裂系统中段10 km深度以下存在远大于触发阈值0.1 bar的应力触发区。结合图 4(c)可知，萨雷兹-穆尔加布逆冲断裂系统中段与本文反演断层的交界处曾多次发生M4.0以上余震，震源深度约为10 km。综上认为，由于本次地震引起的库仑应力变化在震后余震的触发下得到释放，萨雷兹-穆尔加布逆冲断裂系统中段未来短时间内地震风险性较小；而喀喇昆仑断层的应力变化分布于断层北段，且以应力卸载为主，最大应力变化约为0.3 bar，短时间内地震风险性也较小。
|
图 5 相邻断层的同震静态库仑应力变化 Fig. 5 Coseismic static Coulomb stress changes on adjacent faults |
GPS数据显示，帕米尔高原东侧的运动速率明显大于北侧，存在地壳延伸现象[21]，从帕米尔高原至塔里木盆地又存在明显的E向速率差，存在明显左旋走滑运动。本次塔吉克斯坦地震发生在帕米尔高原中西部地区，在2020年后该地区无6.5级以上地震发生的背景下，本次地震的发生是必然的。
5 结语本文利用Sentinel-1A卫星C波段SAR影像数据对2023-02-23塔吉克斯坦地震进行同震形变场提取及断层参数反演，并以反演得到的右旋节面解为接收面，计算不同深度的静态库仑应力。同时，结合本文反演断层对相邻的萨雷兹-穆尔加布逆冲断层和喀喇昆仑断层造成的应力变化，分析震中区未来地震风险性，得到以下结论：
1) 2023-02-23塔吉克斯坦MW7.2地震发震断层位于萨雷兹-穆尔加布逆冲断裂系统中段、喀喇昆仑断层北段附近，地震造成升轨LOS向最大形变量达15 cm，降轨LOS向最大形变量达16 cm，形变场特征显示此次地震以走滑分量为主，兼部分倾滑分量。
2) 以InSAR同震形变场为约束，反演得到本次地震发震断层走向为131.1°、倾角为85.7°，同震主滑移区分布在10~30 km深度范围内，以右旋走滑为主，最大滑移量约为3.49 m，位于约20 km深度处。主滑移区左侧存在部分正断分量，最大值约为1.2 m，右侧存在部分逆断分量，最大值约为1.5 m。反演得到的矩震级为MW7.16，与中国地震台网中心公布的数据较为一致。
3) 本次塔吉克斯坦地震的余震较集中分布于本文反演断层附近，且落于应力加载区或边界处，在10 km深度以上的浅层地壳区域无余震信息，10 km深度处发生大量余震(41次)，占3个月来余震总数的39.8%，且该深度往下，应力变化开始以加载为主。对于与本次发震断层相邻的2条断层而言，其未来短时间内地震风险性较小。
4) 本次地震震中在构造上位于印度板块和欧亚板块碰撞的西构造结，结合本文模拟的断层几何参数与运动状态及对喀喇昆仑断层产生的应力变化推测，发震断层很可能是喀喇昆仑断层西北延伸部分。
| [1] |
王卫民, 何建坤, 丁林, 等. 2023年2月23日塔吉克斯坦M6.8级地震震源破裂过程反演初步结果[R]. 中国科学院青藏高原研究所, 北京, 2023 (Wang Weimin, He Jiankun, Ding Lin, et al. Preliminary Result for Rupture Process of Feb. 23, 2023, M6.8 Earthquake, Tajikistan[R]. Institute of Tibetan Plateau Research, CAS, Beijing, 2023)
(  0) |
| [2] |
Fu B H, Ninomiya Y, Guo J M. Slip Partitioning in the Northeast Pamir-Tian Shan Convergence Zone[J]. Tectonophysics, 2010, 483(3-4): 344-364 DOI:10.1016/j.tecto.2009.11.003
( 0) |
| [3] |
Reigber C, Michel G W, Galas R, et al. New Space Geodetic Constraints on the Distribution of Deformation in Central Asia[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2001, 191(1-2): 157-165 DOI:10.1016/S0012-821X(01)00414-9
( 0) |
| [4] |
Mohadjer S, Bendick R, Ischuk A, et al. Partitioning of India-Eurasia Convergence in the Pamir-Hindu Kush from GPS Measurements[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37(4)
( 0) |
| [5] |
Chevalier M L, Li H B, Pan J W, et al. Fast Slip-Rate along the Northern End of the Karakorum Fault System, Western Tibet[J]. Geophysical Research Letters, 2011, 38(22)
( 0) |
| [6] |
Kulikova G, Schurr B, Krüger F, et al. Source Parameters of the Sarez-Pamir Earthquake of 1911 February 18[J]. Geophysical Journal International, 2016, 205(2): 1 086-1 098 DOI:10.1093/gji/ggw069
( 0) |
| [7] |
李宁, 赵强, 孙赫. 2015年塔吉克斯坦MS7.4地震的InSAR观测及其构造意义[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(1): 43-47 (Li Ning, Zhao Qiang, Sun He. InSAR Observation Results of the 2015 Tajikistan MS7.4 Earthquake and Its Tectonic Significance[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(1): 43-47)
( 0) |
| [8] |
刘健, 史杰, 姚鑫, 等. 帕米尔高原东北缘活动构造对塔什库尔干盆地地热控制作用[J]. 中国地质, 2018, 45(4): 681-692 (Liu Jian, Shi Jie, Yao Xin, et al. The Control of Neo-Tectonic Activity over Geothermal Resource in the Taxkorgan Basin on the Northeastern Margin of the Pamir[J]. Geology in China, 2018, 45(4): 681-692)
( 0) |
| [9] |
DeMets C, Gordon R G, Argus D F, et al. Current Plate Motions[J]. Geophysical Journal International, 1990, 101(2): 425-478 DOI:10.1111/j.1365-246X.1990.tb06579.x
( 0) |
| [10] |
Murphy M A, Yin A, Kapp P, et al. Southward Propagation of the Karakoram Fault System, Southwest Tibet: Timing and Magnitude of Slip[J]. Geology, 2000, 28(5): 451-454 DOI:10.1130/0091-7613(2000)28<451:SPOTKF>2.0.CO;2
( 0) |
| [11] |
Searle M P, Weinberg R F, Dunlap W J. Transpressional Tectonics along the Karakoram Fault Zone, Northern Ladakh: Constraints on Tibetan Extrusion[J]. Geological Society, London, Special Publications, 1998, 135(1): 307-326 DOI:10.1144/GSL.SP.1998.135.01.20
( 0) |
| [12] |
Sanchez V I, Murphy M A, Dupré W R, et al. Structural Evolution of the Neogene Gar Basin, Western Tibet: Implications for Releasing Bend Development and Drainage Patterns[J]. Geological Society of America Bulletin, 2010, 122(5-6): 926-945 DOI:10.1130/B26566.1
( 0) |
| [13] |
Robinson A C. Geologic Offsets across the Northern Karakorum Fault: Implications for Its Role and Terrane Correlations in the Western Himalayan-Tibetan Orogen[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2009, 279(1-2): 123-130 DOI:10.1016/j.epsl.2008.12.039
( 0) |
| [14] |
刘国祥, 张波, 张瑞, 等. 联合卫星SAR和地基SAR的海螺沟冰川动态变化及次生滑坡灾害监测[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2019, 44(7): 980-995 (Liu Guoxiang, Zhang Bo, Zhang Rui, et al. Monitoring Dynamics of Hailuogou Glacier and the Secondary Landslide Disasters Based on Combination of Satellite SAR and Ground-Based SAR[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(7): 980-995)
( 0) |
| [15] |
王永哲. PALSAR雷达影像干涉图中轨道误差去除方法比较与分析[J]. 工程勘察, 2015, 43(6): 56-59 (Wang Yongzhe. Comparison and Analysis of Orbit Error Methods in PALSAR Interferogram[J]. Geotechnical Investigation and Surveying, 2015, 43(6): 56-59)
( 0) |
| [16] |
单新建, 李彦川, 高志钰, 等. 2022年泸定MS6.8地震同震形变特征及周边强震危险性[J]. 科学通报, 2023, 68(8): 944-953 (Shan Xinjian, Li Yanchuan, Gao Zhiyu, et al. Coseismic Deformation of the 2022 Luding MS6.8 Earthquake and Seismic Potential along Adjacent Major Faults[J]. Chinese Science Bulletin, 2023, 68(8): 944-953)
( 0) |
| [17] |
Hu B, Wang H S, Shen Q, et al. Coseismic Displacements Field of the BAM Earthquake Inferred from InSAR[J]. Journal of Information and Computational Science, 2012, 9(9): 2 537-2 544
( 0) |
| [18] |
Jónsson S, Zebker H, Segall P, et al. Fault Slip Distribution of the 1999 MW7.1 Hector Mine, California, Earthquake, Estimated from Satellite Radar and GPS Measurements[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2002, 92(4): 1 377-1 389 DOI:10.1785/0120000922
( 0) |
| [19] |
Weston J, Ferreira A M G, Funning G J. Systematic Comparisons of Earthquake Source Models Determined Using InSAR and Seismic Data[J]. Tectonophysics, 2012, 532-535: 61-81 DOI:10.1016/j.tecto.2012.02.001
( 0) |
| [20] |
潘正洋, 邵志刚, 周云, 等. 基于GPS应变、地震应变率与震源应力场对帕米尔高原现今构造变形特征的分析[J]. 地球物理学报, 2020, 63(3): 1 143-1 154 (Pan Zhengyang, Shao Zhigang, Zhou Yun, et al. Present-Day Crustal Deformation of the Pamir Constrained by the GPS Strain Rate, Seismic Strain Rate and Earthquake Focal Stress[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2020, 63(3): 1 143-1 154)
( 0) |
| [21] |
Sippl C, Schurr B, Yuan X, et al. Geometry of the Pamir-Hindu Kush Intermediate-Depth Earthquake Zone from Local Seismic Data[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2013, 118(4): 1 438-1 457 DOI:10.1002/jgrb.50128
( 0) |