2. 地壳运动监测工程研究中心, 北京 100036;
3. 四川省地震局, 成都 610041
2. National Earthquake Infrastructure Service, Beijing 100036, China;
3. Sichuan Earthquake Administration, Chengdu 610041, China
北京时间2017年8月8日21时19分,在四川省北部阿坝州九寨沟县境内发生中强地震,造成了25人死亡,525人受伤,大量房屋受损或倒塌.中国地震台网测定的震级为MS7.0,震中位于北纬33.20°,东经103.88°,震源深度为20 km (图 1a).美国地质调查局(USGS)和哈佛大学(GCMT)也给出了地震的震源机制解,相应的矩震震级均为MW6.5.多家机构的震源机制解结果均显示,该地震为一次以走滑为主的事件.
九寨沟地震发生在青藏高原东北部的川甘交界地区,位于巴颜喀拉地块的东缘,地质构造复杂多变.巴颜喀拉地块是青藏高原近年来活动构造最强烈的次级地块(邓起东等,2014;陈长云等,2013),控制着一系列强震的发生(Liu et al., 2006; Wang et al., 2007),如2008年的汶川MS8.0地震、2013年芦山MS7.0地震等.强震的孕育和发生与时空演变的地壳运动,尤其是活动块体及其边界带的构造形变密切相关.此次地震发生在巴颜喀拉地块东边界附近,表明该块体仍在持续活动中.因此深入研究此次地震的形变及震源特征,有助于理解巴颜喀拉块体的变形机制和强震活动特征.
九寨沟地震的震中位于塔藏断裂、岷江断裂、虎牙断裂三条构造断裂的交汇处(图 1a),属历史地震空区(徐锡伟等,2017).历史地震分布表明,塔藏断裂和虎牙断裂是研究区内主要的发震构造.其中虎牙断裂由北向南逐渐由左旋走滑向逆冲运动方式转变,历史上虎牙断裂南段1976年曾发生过2次7.2级地震和1次6.7级地震,虎牙断裂北段的南部在1973年曾发生过松潘东6.5级地震(唐荣昌和陆联康,1981),而塔藏断裂晚第四纪的活动表现为分段性和多期性,其西段以走滑运动为主,东段以逆冲为主(张军龙等,2012;任俊杰,2013).现今GPS形变研究结果表明,虎牙断裂在汶川震前具有2 mm·a-1的地壳缩短率(王康和沈正康,2011),我们基于2013—2015年间“陆态网络”工程的水平GPS速度场(图 1b),采用剖线投影法,获得了虎牙断裂南北两段在汶川地震后的形变特征(表 1),整个断层的运动属性表现为左旋兼逆冲,与地质学的结果基本一致,但滑移速率与地质学存在差异(Jones et al., 1984, 周荣军等,2006),同时虎牙断裂南北段的运动速率表现为南弱北强,属性也存在一定差异(表 1),说明震中区域的构造运动模式较复杂.
利用大地测量技术获取近场的同震形变是目前研究地震震源机制和发震断层滑动分布的一种重要手段(谭凯等,2010;Huang et al., 2017).近年来,具有全天时、全天候等突出优势的合成孔径差分雷达技术(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometric, DInSAR)被广泛应用于地震的研究中(Qiu et al., 2017; Liu et al., 2017).InSAR在研究震源方面有很多优势,在相干性好的区域,InSAR能精确测量地震中断层片段的几何分布,配合像素匹配技术(pixel offset tracking)或者多孔径雷达干涉(MAI), 可直接获取地表破裂几何长度等关键信息.在此基础上,通过简单弹性位错模型,可获取变形图的特定特征与地震震源参数的关系.如果有GPS、水准、倾斜及强震等观测资料参与联合反演,将使结果更加可靠.如Wang Q(2011)等利用密集的GPS、InSAR、水准及强震观测资料,分析了汶川地震断层破裂几何产状以及断层应力积累与释放的方式,发现大部分汶川地震破裂集中在两条陡立的断层内, 破裂在浅部最大化, 该结果说明汶川地震破裂是由于前次盲地震破裂未上达地表,残余应力集中释放的结果.本文基于GNSS和InSAR观测,在获取九寨沟地震同震形变场的基础上,通过对断层空间几何分布特征的分析及同震位错的模拟分析,对地震的震源机制和未来危险性开展了深入的研究.
1 GNSS与InSAR观测、数据处理及结果分析GNSS数据来源于震中及附近150 km范围内的“陆态网络”及北斗地基增强系统的GNSS基准站,其中距离震中最近的两个台站为SCJZ(四川九寨沟,北斗地基增强系统)和SCSP(四川松潘,陆态网络),震中距分别约为40 km和65 km(图 1a).由于缺少高精度的北斗数据处理软件,本文仅使用了震前10天和震后4天的数据中采样率为30 s的GPS数据.利用GAMIT/GLBOK软件,采用快速精密星历,计算了地震的水平同震形变位移(图 1a).数值结果见网页http://www.neis.cn/chinsoftdmds/zxzxdt/1671.jhtml(最近一次访问时间为2017年11月3日),结果显示此次地震在SCJZ和SCSP引起了较明显的同震形变,位移分别达到14.31 mm和8.22 mm.两点位于虎牙断裂两侧,位移方向分别指向西北和西南,表明本次地震带有左旋走滑分量.
九寨沟地震后,欧空局迅速发布了Sentinel-1A(C波段)在震中区域的Sentinel-1A(C波段)升降轨IW模式影像(表 2).我们使用美国JPL (Jet Propulsion Laboratory)和斯坦福大学共同研发的ISCE(InSAR Scientific Computing Environment)软件进行InSAR数据处理,并利用欧空局发布的精密轨道和美国宇航局NASA发布的30 m分辨率SRTM数字高程模型消除地形相位,距离向和方位向按10×2进行多视处理,采用加权功率谱法进行滤波生成干涉图(Goldstein and Werner, 1998),最后使用适合于低相干区的最小费用流法进行相位解缠,并将雷达坐标系的形变图进行地理编码,转换到地理坐标下,即获取了该地震视线向(LOS)同震形变场(图 2).
由于采用较短的时间和空间基线,干涉图像的相干性较好,其中升轨的干涉相位连续性较为完整(图 2a),其同震LOS向形变场(图 2c)呈长扁圆形,长轴方向为NW向,最大抬升量为0.07 m,最大沉降量为0.21 m.断层两侧形变表现为非对称,形变主要集中在断层西侧,表明断层倾向西,整体表现为沉降,只有在南边稍有抬升.因降轨观测成像的几何特征与升轨不同,代表以上升(靠近卫星)为主的变形与南东向水平运动(远离卫星)为辅的变形可能存在互相抵消的现象,所以其结果稍差(图 2b),但其同震形变场(图 2d)的最大形变区域与升轨数据中的沉降范围基本一致,形变主要集中于断层西侧,最大抬升量为0.16 m,最大沉降量为0.08 m.
为了提高反演计算效率(Lohman and Simons, 2005),我们首先采用四叉树法(Wang et al., 2014),对InSAR同震形变场进行降采样.为了提高近场形变的约束,在降采样过程中,对近场区域将形变梯度阈值设为0.3,以获得相对密集的采样点,而对于远场区域将形变梯度阈值设为0.5,获得的采样点相对稀疏,这样能够最大程度地保留原始形变场的空间特征.最终经降采样后的LOS数据点数为2202个.
2 断层参数与滑动分布反演本文采用基于约束条件下的最小二乘原理及最速下降法进行发震断层的同震滑动分布反演(Wang R et al., 2008),该方法在同震破裂分布方面的研究已得到广泛认可和应用(Wang R et al., 2008;Wang R et al., 2013;屠泓为等,2016).
2.1 断层参数设置根据震后一个月的余震精定位结果(图 1b)和InSAR同震LOS向形变揭示的隆升与沉降分界线,初步确定发震断层的空间位置.对于断层大小的确定,通常情况下,同震破裂范围要小于余震分布范围(Wells and Coppersmith, 1993),但又大于InSAR形变范围,因此将断层面的长宽范围分别限定为30~50 km和20~40 km.对于断层走向的确定,USGS和GCMT给出的震源机制解均表明此次发震断层走向分别为153°和150°,这与余震精定位的长轴方向基本相同,同时,从InSAR升轨干涉图来看,北西向的干涉条纹沿北东向较陡,而其南西向梯度较缓,表明断层的地表迹线应呈北东方向展布,因此我们将断层走向暂定为150°~153°.对断层倾角的确定,根据多家机构震源机制解和地质文献资料,将初始倾角范围设置为60°~90°.最后通过不同参数的多种组合,经SDM(Steepest Descent Method)程序的多次试算,获取一组相对合理的参数为断层的几何参数,即断层倾角81°,断层面长宽分别为40 km和30 km,并把断层按2 km×2 km沿走向和倾向分成20×15个子断层.
2.2 滑动分布反演为了确定联合反演中GNSS和InSAR观测数据的相对权重,我们以观测均值及采样点数对各类观测数据进行归一化的方法确定相对权比,考虑到GNSS相对精度较高,设置其相对权重为1,InSAR用于搜索的权比区间为(0, 1),在此区间内选择拟合GNSS残差最小的权比值作为最佳相对权比.通过多次反演试验,最终选择1:0.2作为GNSS和InSAR反演权重比.在同震破裂反演中,对于平滑因子的确定,按照通常做法,根据粗糙度和拟合残差的折中曲线,选择拐点处的0.08作为最佳的平滑因子(图 3),最后获取了基于均匀介质模型的断层滑动分布模型(图 4).结果显示,整个断层面滑动量主要以走滑为主,地震破裂的位错比较集中,主要分布在沿走向5~33 km,倾向2~20 km的范围内,平均滑动量为0.18 m,最大滑动量为0.91 m,最大滑动位置即震中位于北纬33.25°,东经103.82°,震源深度10.86 km,相应的矩震量和矩震级分别为7.754×1018Nm和MW6.5,与USGS和GCMT给出的震源机制解结果基本一致.
我们采用棋盘模型测试检验InSAR与GNSS联合反演模型分辨破裂面的可靠性(图 5).保持断层模型的几何特征不变,对破裂面分布和滑动幅度进行更改,但保持地震矩总量不变.结果表明:InSAR联合GNSS模型能够分辨地下20 km以上的滑动,且对浅部破裂的敏感度优于深部,以20 km深度为界限,以上部分的滑动量估计较准确,以下部分有所低估.此次地震的主要破裂面分布介于5~20 km深度处,此区间内滑动量幅值的估算较可靠.
GNSS水平同震位移的模拟及残差分布表明(图 6),震中附近GNSS测站的模拟结果较好,其方向与GNSS水平同震位移相一致,残差在2 mm以内,但是远离震中区域的测站,实测的同震水平位移较小,除GSZQ水平位移为3.5 mm以外,其他测站的同震位移均在1~2 mm左右,拟合残差较大.而从InSAR获取的同震形变模拟及残差分布来看(图 7),模拟得到的形变场与观测值具有较好的一致性,升降轨的InSAR数据在形变集中区域残差在-6~5 mm之间,整体残差约2.5 mm,表明地震滑动分布模型较合理.
由地震应力触发理论可知,一个地震事件发生后势必会造成震中及其周边区域的应力重新调整,这种应力变化场不但与余震活动分布高度相关,同时还会影响周边断裂的地震危险性(Tabrez et al., 2008).根据库仑破裂准则,库仑应力变化定义为:
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式中,Δτ代表断层面上剪切应力变化(沿断层错动方向为正),Δσn代表正应力变化(使断层拉张为正). μ′代表有效摩擦系数.库仑应力Δσf为正时促进断层破裂,为负时抑制破裂发生.
我们采用PSCMP/PSGRN软件包来计算九寨沟地震所导致的同震库仑应力变化(Wang R et al., 2006).该软件基于顾及重力的黏弹性半空间分层地壳模型,可有效模拟地震引起的同震和震后形变及应力变化.由InSAR和GNSS数据联合反演获得的九寨沟地震震源深度为10.86 km,因此本文在应力计算过程中将深度近似为11 km,并将有效摩擦系数设为文献常用值0.4(King et al., 1994).我们在计算过程中,把主震的震源机制当作背景构造应力场的破裂方向.考虑区域构造应力场时,地壳中的绝对应力状态由背景构造应力场和地震所导致的应力场两部分组成.基于地壳绝对应力状态,根据库仑破裂准则计算出地震发生后周边区域的最优破裂方向,并以此计算该最优破裂面上的库仑应力变化(单斌等,2012) (图 8a).结果显示,九寨沟地震所导致的同震库仑应力分布与余震分布具有良好的一致性,绝大部分余震发生于库仑应力增加的区域.基于徐晶等(2014)和万永革等(2009)提供的接收断层参数,以及InSAR与GNSS联合获取的同震滑动分布,我们计算了本次地震同震效应对周边断层的影响(图 8b),结果显示,九寨沟地震同震效应使塔藏断裂罗叉段、马家磨段、岷江断裂北段和虎牙断裂大部分区域应力明显上升(>0.01 MPa),而使岷江断裂中南段、塔藏断裂塔藏段应力卸载.值得注意的是,虎牙断裂在1973—1976年间发生了4次M>6.5的中强地震,虽然该断裂受到九寨沟地震影响大部分区域应力明显上升,但已破裂区域未来地震危险性依然较低.张军龙等(2012)认为塔藏断裂罗叉段曾发生过MW7.3古地震,存在强震发生的背景,而塔藏断裂马家磨段最近一次历史地震的时间超过500年(付国超等,2017),此次九寨沟地震使塔藏断裂罗叉段、马家磨段应力显著增强,增加了该区域的地震危险性.岷江断裂北段活动性较弱,有研究认为岷江断裂北段具有孕育M7.0~7.5地震的能力(周荣军,2000),距今最近的一次强震为1960年的漳腊地震,而近期该区域没有大震活动,未来的地震危险性增加.
精确测定九寨沟MS7.0地震的发震断层及其属性,对于理解该地区的构造运动特征及其地震活动性分析,具有重要的参考意义.基于地震学确定的震中位置,目前主要有两种看法:一种观点认为发震断层为树正断裂,该断裂应属于东昆仑断裂东端的分支断裂之一,或与东南侧的虎牙断裂构成统一断裂系(易桂喜等,2017),另一种则认为发震断层属虎牙断裂北段(徐锡伟等,2017).由于地震学获得的震中位置存在误差(郑勇和谢祖军,2017),野外地质考察也没有发现地表破裂(徐锡伟等,2017),因此难以准确确定发震断层及震中位置.基于InSAR技术获取的同震形变场显示(图 2),形变呈非对称分布,主要集中于西侧,其形变长轴方向为NW向,表明发震断层倾向西,走向为NW;从获取的同震滑动分布可知(图 4),地震并未破裂至地表,与野外考察结果一致,表明发震断层为隐伏断层,这与大多地质构造图标注的隐伏断层结论一致.基于2013—2015年间GNSS观测获得的断层运动特性与本次地震揭示的断层特性(表 1),存在一定差异,主要源于GNSS点位稀少,距离断层较远;另一方面,赵斌(2018,私人通讯)的研究表明,截止到2016年底,汶川地震的震后形变对九寨沟地区的影响约为0.2 mm·a-1,因此震后形变的影响较小.
从区域构造来看,震中位于青藏高原东缘隆升地区,主要以近东西向挤压缩短形变为主,发育了近南北向的岷山断裂、NW向的虎牙断裂和塔藏断裂等.塔藏断裂倾向北东,倾角45°~60°,是一条左旋走滑兼逆冲断裂.已有研究表明,塔藏断裂的西段以水平剪切运动为主(胡朝忠等,2017),而东南段的走滑运动分量逐渐变弱,断面北倾、上盘上升导致的垂向分量逐渐变大(Ren et al., 2013).虎牙断裂是一条左旋走滑兼逆冲断裂,大致以小河为界,分南北两段,北段倾向北东,倾角80°,以走滑为主(唐荣昌和陆联康,1981); 南段倾向西南,以逆冲运动为主(Jones et al., 1984).九寨沟地震的震中位置虽然靠近塔藏断裂东南段,但本文获得的震源机制解与塔藏断裂东南段的地质构造特征明显不符.从断层的走向和运动学性质来看,本次地震的发震断层与虎牙断裂北段更为接近.同时从虎牙断裂的历史地震分布来看,虎牙断裂南段在1976年先后发生了3次中强震,且破裂较为完整,但虎牙断裂北段在1973年发生了松潘黄龙MS6.5地震后,地震活动明显减弱,且本次地震的震源机制与1973年松潘黄龙MS6.5地震震源机制相接近,并与1976年发生在松潘、平武地区的三次中强震形成一条北西向的地震带,刚好填补了虎牙断裂北段历史地震破裂的空段,因此我们认为此次地震是虎牙断裂北段向西北延伸活动的结果.
4.2 九寨沟地震对周边断层的影响同震库仑应力计算的结果显示九寨沟地震导致了四处明显的库仑应力增强的扇区,而目前所记录到的余震则主要集中分布在破裂面的西北端和东南端,大致沿NNW向分布,对应于虎牙断裂北段延长线,表明这些余震是虎牙断裂继续释放能量的结果,进一步佐证了九寨沟地震是虎牙断裂北段向西北延伸并破裂的结果.此外,需要指出的是在破裂面东北和西南两端的应力增强区域未发现余震记录,对应的断层为塔藏断裂罗叉段和马磨段,而余震的缺失表明这些地区可能仍处于闭锁状态,应力未能释放,因此未来发生余震的危险性比较大,需要密切关注.另一方面,2013—2015年间的GNSS形变场显示,虽然虎牙断裂北段的运动速率强于南段(表 1),但九寨沟地震的破裂特征表现为单点源破裂,且未造成地表破裂,也说明虎牙断裂北段的应力可能未完全释放,因此也需要继续关注该段的地震危险性.
静态库仑应力结果显示库仑应力增加超过了触发阈值0.01 MPa的断裂有塔藏断裂罗叉段和马磨段,岷江断裂北段和虎牙断裂南段.由于虎牙断裂南段活动性较弱,且在近期已发生过几次中强震,因此未来危险性比较低,而对于塔藏断裂罗叉段和马磨段以及岷江断裂北段均为第四纪活动断层,由于其中强震离逝时间已久,这些区域未来地震危险性提升.
5 结论(1) 利用GNSS和InSAR观测,获取了2017年8月8日四川九寨沟MS7.0地震的同震形变场,其运动学的特征初步显示本次地震具有明显的左旋走滑特征.基于同震形变场反演的断层滑动分布模型进一步显示本次地震为一次左旋走滑事件,地震破裂未达地表,与野外地质考察结果一致,发震断层长40 km,宽30 km,走向155°,倾角81°,滑动角-9.56°,震中位于北纬33.25°,东经103.82°,震源深度接近11 km,本次地震的矩震量为7.754×1018Nm,相应的矩震级为MW6.5,与USGS和GCMT给出的震源机制解基本一致.
(2) 基于GNSS和InSAR获得的断层滑动分布模型、同震静态库仑应力及余震的精定位结果,我们认为发震断层与塔藏断裂带东南段的构造运动特征不符,而与虎牙断裂带北段的构造及运动特征一致,表明本次地震并非发生在塔藏断裂带的东南端,而是发生在虎牙断裂带北段,但地震未破裂至地表,表明虎牙断裂带北段的延长线处于隐伏状态.
(3) 同震库仑应力结果显示,在发震断层——虎牙断裂北段延长线的东北和西南两端为应力增强区域,但余震事件较少,表明塔藏断裂罗叉段和马磨段可能是未来发生地震的危险地区.
致谢两位评审老师对本研究提出了宝贵意见,汪荣江老师提供了SDM反演程序和PSCMP/PSGRN软件包,赵斌博士提供GPS速度场数据,文中的大部分图件是用GMT软件绘制,在此一并致谢.
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