2010年4月14日在我国青海省玉树藏族自治州玉树县发生M_S7.1 级地震，震中位于33.2°N，96.6°E，震源深度14km.同一天又发生了M_S6.3级余震.地震发生在甘孜-玉树断裂带上，与2008 年5月12日四川汶川M_S8.0级地震同位于巴颜喀拉地块边界.甘孜-玉树断裂西起青海治多县那王草曲塘，经当江、玉树、邓柯、玉隆，至四川甘孜县城南，全长约500km, 是青藏高原东部规模巨大的晚第四纪强烈活动的左旋走滑断裂，与强震和大地震的发生有密切关系^[1~4].川滇菱形地块持续快速向东南逃逸运动^{[5, 6]}，造成块体沿其东北部边界的玉树-甘孜-鲜水河断层强烈的左旋走滑.根据地质资料测算，过去5万年该断层总体平均左旋滑动速率估值为8~14mm/a, 垂直滑动速率估值在0.6~1.2mm/a^[7~9].历史文字记载的破坏性地震很不完整，最近200 余年中有正式记载的强震共3 次:1738 年玉树西北6.5级地震、1845年甘孜7.1级地震和1896年邓柯7.5级地震，分别发生在甘孜-玉树断裂的当江段、甘孜段和邓柯段^[2]，此次地震发生在玉树段.

近年发展的差分雷达干涉技术(D-InSAR，Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar)具有全天候全天时作业优势，与其他离散点形变测量技术相比，其测量结果具有连续的空间覆盖优势，对地震的发震断层空间展布、断层同震变形场特征研究非常有利.差分干涉测量技术自1993年应用于地震形变观测以来^[10]，已经被国内外许多学者应用于地震形变场的研究^[11~15].

为研究玉树地震地表形变的大小、空间分布以及震源机制，先后收集到SPOT 卫星2.5m 分辨率的可见光数据和日本ALOSPALSAR 数据.通过对光学影像上地表破裂迹线目视解译跟踪，以及SAR数据相干图像地表破裂分析和同震形变场提取，结合野外地震地质调查、地震活动性、震源机制等资料，确定了发震断层空间分布，分析了同震形变场分布特征.

青海省玉树藏族自治州玉树县位于青藏高原腹地，青海省南部.地震发生后，美国地质调查局(USGS)、哈佛大学(Harvard)和中国地震台网中心(CENC)分别给出了主震和余震参数(表 1和表 2).Harvard测定的主震发震时刻比CENC 测定的发震时刻晚，震中位置在CENC 测定的震中位置的东南侧.这种差异是由于CENC 采用P 波初动进行地震定位，表示的是地震破裂起始点.而Harvard 采用的是矩张量定位，震中位置表示矩心点，是破裂速率和能量释放最大的位置.这一差异可能反映出发震断层是由西北向东南方向开始破裂.

表 1(Table 1)

表 1 玉树MS7.1级主震定位结果 Table 1 Epicenter results of MS7.1 Yushu mainshock

表 1 玉树MS7.1级主震定位结果 Table 1 Epicenter results of MS7.1 Yushu mainshock

表 2(Table 2)

表 2 玉树MS6.3级余震定位结果 Table 2 Epicenter results of MS6.3 Yushu aftershock

表 2 玉树MS6.3级余震定位结果 Table 2 Epicenter results of MS6.3 Yushu aftershock

USGS和Harvard给出的主震震源机制解节面 II方向为发震断层走向，断层近乎于直立，倾角在86°~90°之间，具有左旋走滑性质(见图 1, 表 3).Harvard给出的余震震源机制也显示出类似性质.

图 1

Fig. 1

图 1 震区地震地质背景图 背景为ASTER GDEM 数据；红色线条为断层；白色线框是ALOSPALSAR 数据覆盖范围；红白圆是Harvard给出的主震余震位置和震源机制；黄白圆是USGS给出的主震位置和震源机制；红色圆是CENC给出的主震和余震位置. Fig. 1 Seismology and geology map in earthquake area The topography is from the ASTER GDEM data.The thick red lines show the active faults in this region.The white boxes show the ground coverage of the ALOS PALSAR data rn ascending pass.The empty-red circles show the mainshock and aftershocks of the Yushu earthquake (Harvard).The empty - yellow circle shows the mainshock of the Yushu earthquake (USGS).The red circles show the mainshock and aftershocks of the Yushu earthquake (CENC).

表 3(Table 3)

表 3 玉树主震和余震震源机制解参数 Table 3 Focal mechanism parameter of Yushu mainshock and aftershock

表 3 玉树主震和余震震源机制解参数 Table 3 Focal mechanism parameter of Yushu mainshock and aftershock

法国空间研究中心(CNES)的SPOT 卫星数据，经融合处理得到玉树地区2.5 m 分辨率的影像.该影像上有些地表破裂清晰可见，图 2中红色线是SPOT 影像上目视解译的地表破裂迹线.红色线北西端点位于(N33°05′12.5″，E96°47′56.27″)，南东端点位于(N33°01′35.77″，E96°53′56.31″)，总长约为16km.中国地震局地质研究所地表破裂调查组在地震现场对地表破裂进行追踪，发现了清晰的同震地表破裂带^[16].依据野外调查点，图 2中分别用绿、蓝、粉三色线绘制出野外调查的三段地表破裂带分布位置，调查点之间用直线连接.可以看出，SPOT影像上解译的地表破裂带(红色线)和野外调查的地表破裂带北段(绿色线)空间展布基本一致，这进一步说明，玉树地震发震断层为北西向的甘孜-玉树断裂.野外调查资料显示，破裂带北段地表破坏严重，最大走滑位移量约1.8 m(图 3 照片P2)，中段和南段最大左旋位错分别为0.9 m 和0.5 m.因为位错量较小，加上云层的影响，SPOT 影像上看不到破裂带中段和南段的踪迹.破裂由一系列支破裂雁列组成，支破裂表现为一系列挤压鼓包与张裂缝相间排列(图 3照片P1)或雁列式张裂缝(图 3照片P3).

图 2

Fig. 2

图 2 玉树地震地表破裂带分布图 背景为SPOT 卫星影像图；图中红色线条是SPOT 影像上解译地表破裂分布；绿蓝粉三色线条分别为中国地震局地质研究所地表破裂调查组现场追踪的破裂北段、中段和南段分布位置[16]；白色方框是现场调查拍照位置.J点是上下两幅图像连接点. Fig. 2 The distribution of Yushu earthquake surface rupture The topography is from the SPOT image data.The red line shows the surface rupture on the SPOT image.The green, blue, and pink line is the northern, middle, and southern segment respectively in Ref.[16].Thewhite blocks show the location of photos.Symbol J shows the junction point of two images.

图 3

Fig. 3

图 3 玉树震区地表破裂照片1) Fig. 3 The photos of surface rupture in Yushu earthquake area1)

1) http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/_content/10_04/26/1272249728202.html

由于震区山脉纵横，地形复杂，短波长的SAR数据相干性会受到一定影响，本研究采用L 波段的 PALSAR 数据提取地表同震形变场.选用了地震前后两景升轨ALOSPALSARFBS模式数据(表 4).ALOS卫星轨道高度为692km, PALSAR 传感器工作波段长为23.6cm.数据对时间间隔为92 天，垂直基线为680m.D-InSAR 处理采用了2 通+ 外部DEM 差分干涉算法，选用ASTER GDEM 消除地形影响.ASTER GDEM 在地形平坦区域的空间分辨率是15 m, 数据垂直精度7~14 m.根据高度模糊数定义，得到地形高程敏感度为78m(见表 4).这意味着在此次处理得到的干涉纹图中，78m 的地形高程将引起一个周期的相位变化，说明相位变化对高程不敏感，也就是说DEM 误差不会造成很大的形变相位误差.所选数据对应时间在新疆处于气候比较干燥的冬季，大气中水汽含量很少，所以大气湿延迟误差很小.处理过程中采用了基于地面控制点的基线优化算法去除残余基线，用二次项趋势估计算法去除由于轨道偏移产生的沿轨方向上的基线误差.但结果由于震后数据精确轨道信息缺失²⁾而存在斜道.

2) http://www.eorc.jaxa.jp/en/hatoyama/satellite/data_tekyo_setsumei/pod_missing_e.html

表 4(Table 4)

表 4 玉树地震PALSAR数据 Table 4 PALSAR data of Yushu earthquake

表 4 玉树地震PALSAR数据 Table 4 PALSAR data of Yushu earthquake

通过对地震前后两景SAR 图像的处理，得到了地表同震干涉形变场(图 4).图 4 的干涉条纹图清晰地反映出玉树地震地表同震形变场分布特征，该形变场在空间上显示出两个形变中心，可将整个形变场划分为两个区域，这两个形变区域位置分别与 Harvard给出的主震和余震位置相对应，我们分别定义为形变Ⅰ区和形变Ⅱ 区.整个形变场范围东西长约78km, 南北宽约55km；从整体上来看，干涉条纹图在发震断层甘孜-玉树断裂带两侧呈微非对称分布，发震断层北部干涉条纹紧邻断层，分布在距断层20多公里范围内，而发震断层南部干涉条纹分布范围比北部大，延伸到距断层30km 的范围.另外，发震断层东段干涉条纹细密，而发震断层西段干涉条纹舒缓，这表明断层东段的形变量级大于断层西段.

图 4

Fig. 4

图 4 玉树地震地表同震干涉形变场 背景为ASTER GDEM 数据；蓝色线是甘孜-玉树断裂；红白圆是Harvard给出的主震余震位置和震源机制. Fig. 4 The interferometric fringes map of MS 7.1 Yushu earthquake coseismic deformation field The topography is from the ASTER GDEM data.The thick blue line shows the Garze-Yushu active faults in this region.The empty-red circles show the mainshock and aftershocks of the Yushu earthquake (Harvard).

由于玉树地震区地形起伏较大，图像对相干性一般(图 5).形变Ⅰ 区内断层附近相干图出现明显的失相干现象.图 5 中右上部放大图上绿蓝粉三色虚线条分别为根据相干性划分的破裂分段情况及其分布位置，其中北段(绿色虚线)长22km, 中段(蓝色虚线)长5km, 南段(粉色虚线)长6km, 地表破裂带长共计33km.明显的失相干现象说明地震释放的能量会造成Ⅰ 区内断层处较大形变，并且玉树城区位于该区内，势必造成玉树城区及周边地区巨大的人员伤亡和经济损失.红色五角星所在位置是野外现场调查最大位错位置，该处的失相干范围比前后区域大(见图 5 中放大图)，说明大范围的地表形变导致了这一区域的严重失相干.图 5中绿蓝粉三色实线条分别是现场追踪的破裂北段(17km)、中段(9km)和南段(6km)分布位置.比较依据相干性划分的地表破裂总长度与野外调查结果，两者基本相同，但北段破裂比野外调查的结果长，中段破裂比调查数据短，南段破裂长度二者基本一致.形变Ⅱ区失相干现象不明显，仅在余震震中所在的隆宝镇附近有一长约10km 的失相干条带(见图 5中放大图)，野外资料显示隆宝镇附近约有2km 的地表破裂，相干图上显示的失相干条带比野外调查地表破裂长.TM 影像上显示出这一区域有水体存在，所以Ⅱ区失相干主要是受水体影响.

图 5

Fig. 5

图 5 玉树地震SAR 数据相干图 背景为ASTER GDEM 数据；椭圆表示出两个形变区域；红白圆是Harvard给出的主震余震位置和震源机制；红色五角星是实地调查地表位错最大位置[16]；绿蓝粉三色实线条分别为中国地震局地质研究所地表破裂调查组现场追踪的破裂北段、中段和南段分布位置[16]；放大图上绿蓝粉三色虚线条分别为根据相干性划分的破裂分段和分布位置. Fig. 5 The coherence image of Ms 7.1 Yushu earthquake The topography is from the ASTER GDEM data.The ellipses show the two deformation regions.The empty-red circles show the mainshock and aftershocks of the Yushu earthquake (Harvard).The red pentagon shows the maximum horizontal movement location in Ref.[16].The green, blue, and pink line is the northern, middle, and southern segment respectively in Ref.[16].The green, blue, and pink dotted line is the northern, middle, and southern segment respectively m the paper.

图 6为玉树地震同震视线向形变场，可知玉树地震同震形变场是以北西向发震断层甘孜-玉树断裂带为中轴分布，且与该断层基本平行分布，表明断层倾向近乎直立.该结果与陈运泰等利用全球31个台站的波形资料反演的结果相同(http://www.csi.ac.cn/manage/html).根据形变分布特点，可以初步判断Ⅰ 区为主震宏观震中所在的区域，与 Harvard测定的主震位置一致.在主震破裂Ⅰ区内，跨断层剖线AB 显示(见图 7)，断层北盘最大视线向形变量约为0.41m, 断层南盘最大视线向形变量约为0.37m, 断层两盘最大视线向相对位错为0.78m.发震断层为走滑断层，估算出水平位错约为1.5m, 位于图 6中AB 剖线上.野外实测同震水平最大位错约1.1~1.8 m^[16]，位于图 6 中红色五角星的位置.可以看出，InSAR 获取的最大位错量与野外实测最大位错量在量级和空间位置上基本一致.Ⅱ 区为余震所在位置，形变量较Ⅰ区小，断层北盘视线向最大形变量约为0.17m, 南盘视线向最大形变量约为0.22cm.分析两个区域的形变量级可知，发震断层两侧的形变量差别不大，也表明断层倾向近乎直立.

图 6

Fig. 6

图 6 玉树地震同震视线向形变场 背景为ASTER GDEM 数据；椭圆表示出两个形变区域；红白圆是Harvard给出的主震余震位置和震源机制；红色五角星是实地调查地表位错最大位置[16]；AB是跨断层剖线. Fig. 6 Surface coseismic LOS (line of sight) deformation field of Yushu earthquake The topography is from the ASTER GDEM data.The ellipses show the two deformation regions.The empty-red circles show the mainshock and aftershocks of the Yushu earthquake (Harvard).The red pentagon shows the maximum horizontal movement location inRef.[16].The black line ABshows the profile line in the direction almost perpendicular to the fault.

图 7

Fig. 7

图 7 跨断层剖线AB地表形变 Fig. 7 Surface deformation of the profile line AB in the direction almost perpendicular to the fault

(1) SPOT 影像上显示的地表破裂带与野外调查的地表破裂带北段空间展布基本一致，从而揭示出发震断层为甘孜-玉树断裂，断层总体走向约为300°.因破裂程度小，加上云层影响，影像上未发现中段和南段地表破裂的痕迹.

(2) 根据雷达图像失相干性将Ⅰ 区地表破裂划分为三段，北段长22km, 中段长5km, 南段长6km, 破裂带长度约33km.该结果与野外调查结果比较，地表破裂的总长度基本相同，但北段破裂比野外调查的结果长，中段破裂比调查数据短，南段破裂长度二者基本一致.Ⅱ区失相干条带长度约为10km, 而野外调查的地表破裂带长约为2km, 这可能与这个区域的湖水有关.

(3) 整个形变场范围东西长约78km, 南北宽约55km.干涉条纹图在发震断层甘孜-玉树断裂带两侧呈微非对称分布，发震断层北部干涉条纹紧邻断层，分布在距断层20 多公里范围内，而发震断层南部干涉条纹分布范围比北部大，延伸到距断层30km的范围.这表明断层倾角接近于直立.

(4) 根据形变分布特点，可以初步判断Ⅰ区为主震宏观震中所在的区域.在主震破裂Ⅰ区内，断层两盘最大视线向相对位错约为0.78m.假设断层形变为纯走滑破裂，估算出水平位错约为1.5m.InSAR获取的最大位错与野外实测最大位错在量级和空间位置上基本一致.

本项工作所用的SPOT 卫星数据由视宝公司提供，在此表示感谢!