2016年新疆阿克陶MS6.7地震InSAR同震形變與滑動分布特征

邱江濤 趙強 林鵬

摘要：2016年11月25日新疆阿克陶MS6.7地震發生在帕米爾構造結的弧頂地區、木吉斷陷盆地西端附近，此次地震主震破裂過程復雜，根據地震波反演確定的震源機制解也存在較大差異。利用InSAR技術處理Sentinel-1 SAR影像數據獲取了此次地震的同震形變場，基于彈性半空間位錯模型，確定了斷層幾何參數和滑動分布模型。結果表明，分布式滑動模型能較好地解釋觀測到的InSAR地表形變場。本次地震包括了至少2次破裂子事件，分別位于中國地震臺網測定的震中以東約7 km處（74.11°E，39.25°N）、以東約33 km處（74.49°E，39.16°N）。地震引起的形變場呈上下對稱性分布，最大LOS向形變量為20 cm。地震同震位錯以右旋走滑為主，主要的滑動量集中在地下深度0～20 km處，最大滑動量為0.84 m。發震斷層為木吉斷裂，此次地震顯示印度板塊的北東向推擠作用在增強。

關鍵詞：阿克陶地震；InSAR；同震滑動分布；木吉斷裂；震源機制

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0415-08

0 引言

據中國地震臺網測定，2016年11月25日22時24分30秒在新疆維吾爾族自治區阿克陶縣（39.27°N，74.04°E）發生了MS6.7地震（以下簡稱阿克陶地震），震源深度約為10 km。此次地震是繼2012年烏恰5.1級地震以來，發生在南天山西段和帕米爾交匯地區的又一次強烈地震。

地震發生在高原山地，由于交通不便、震中附近斷層構造復雜，傳統測量手段無法及時獲取有效的形變數據。而合成孔徑雷達干涉（InSAR）技術自從 1993 年應用于地震形變以來，已經有了廣泛的應用（喬學軍等，2014；季靈運等，2017；趙強等，2017），特別是在植被覆蓋度低的青藏高原地區，同震形變場在長時間內都能保持較好的相干性。此外，發生地震的帕米爾弧形構造結，新生代以來受到印度板塊向北的強烈擠壓推覆作用，是中國大陸受板塊動力作用最強烈、地震活動最頻繁的地區之一（Burtman，Molnar，1993；Burtman，2000；尹金輝等，2001；潘家偉等，2009）。因此，InSAR技術是開展2016年新疆阿克陶MS6.7地震研究、獲取本次地震同震形變場、反演震源參數及發震斷層滑移分布的重要手段，有助于探討此次地震與區域構造運動的關系，為判定震區及區域地震形勢提供重要參考。

1 研究區概況

2016年阿克陶MS6.7地震發生在南天山西段和帕米爾交匯地區、帕米爾構造結的弧頂地區、木吉斷陷盆地西端地區附近，是印度板塊向歐亞板塊向北東向碰撞的西觸角地區，附近分布有一系列大型地質構造（圖1）。震中北部為帕米爾主逆沖斷裂，西部為卡拉庫爾地塹，南部為喀喇昆侖走滑斷裂，東部為公格爾拉張系（Fan et al，1994；Schoenbohm et al，2011；Sippl et al，2013；Schurr et al，2015）。

該區域歷史上強震活躍，震中100 km范圍內曾記錄到17次6級以上地震，其中7級以上地震4次，分別為1944年9月28日烏恰南7.0級、1955年4月15日烏恰西7.0級雙震及1974年8月11日烏恰西南7.3級地震。此次阿克陶地震發生后截至26日10時， 共記錄余震309次，其中4.0～4.9級地震3次，3.0～3.9級地震31次，最大余震為4.0級（孔祥艷等，2017；王蘇等，2018）。根據震源破裂過程研究結果，本次地震以單側破裂為主，從震中開始向東傳播，余震活動也顯示了近EW向的展布特征（圖2）。地震發生后，不同機構給出的震源機制解均顯示此次地震是一次以走滑為主的破裂事件，但不同機構給出的發震斷層參數存在一定差異（表1，圖2），更重要的是此次阿克陶地震的主震破裂過程復雜，引起的地面運動也必然復雜。

2 InSAR觀測及結果

由于震中位于高海拔地區，人煙稀少、自然條件惡劣，使得以地面觀測站為基礎的常規地殼形變觀測技術較難實施。因此SAR影像成為獲取此次地震同震形變場的重要數據源。歐空局（ESA）的Sentinel-1衛星自2014年發射以來，已免費提供了大量、廣覆蓋、短周期、短基線的C波段SAR數據。阿克陶地震發生后，筆者下載了覆蓋整個震區升降軌道4景SAR影像數據（干涉寬模式），組成了2個時空基線較短的干涉對，基本參數如表2所示。

Sentinel-1影像的InSAR數據處理采用GAMMA商業軟件平臺（Werner et al，2001），利用兩軌法生成同震形變干涉圖。使用歐空局發布的Sentinel-1 POD回歸軌道數據精化SAR數據的軌道參數；使用顧及大地水準面差異的30 m分辨率SRTM DEM數據來模擬和去除地形相位。利用多次Goldstein 濾波法提高干涉圖的信噪比；采用最小費用流（Minimum Cost Flow，簡稱MCF）算法進行相位解纏；針對干涉圖中仍殘存的軌道誤差和大氣相位延遲，使用多項式模型和地形相關法進行軌道誤差去除和大氣延遲削弱，最終得到了地理編碼后的阿克陶地震的高分辨率同震地表形變場（LOS視線方向），結果如圖3所示。

從獲得的LOS向的InSAR同震形變場（圖3）可以看出，Sentinel-1衛星升降軌影像數據完全覆蓋此次地震的整個同震形變場，整個干涉形變相位連續，特征清晰明顯。其中T107降軌干涉圖（圖3a）顯示SW方向存在一個半蝴蝶狀的LOS向下沉區（長約32 km，最大寬約10 km），最大形變量約20 cm，NE方向存在一處半橢圓狀上升區（長軸約36 km，短軸約16 km），最大上升量約為9 cm。T23升軌干涉圖（圖3b）則表現出與降軌干涉圖截然相反的形變態勢，即降軌干涉圖顯示的SW方向下沉區在升軌干涉圖里顯示上升，最大上升量約為12 cm，降軌干涉圖顯示的NE方向上升區在升軌干涉圖里顯示下沉，最大下沉量約為6 cm。

這種升降軌道干涉圖顯示相反的形變態勢表明地震造成的地表形變以水平形變為主（季靈運等，2017），符合走滑型地震形變的主要特征，與地震學結果一致。從InSAR同震形變態勢、余震分布以及已有斷層的空間相對位置分布上，初步判斷木吉斷裂為此次地震的發震斷層。

3 斷層參數與滑動分布反演

3.1 斷層幾何參數反演

Okada位錯模型是構建地下斷層參數與地面形變數據之間的函數關系，主要是模擬觀測干涉形變場和估計斷層參數（Wang et al，2006）。一般如無其他先驗信息，可以通過非線性反演方法和Okada模型反演均勻滑動分布模型的斷層幾何參數（溫揚茂等，2012）。

為有效獲得阿克陶MS6.7地震的同震滑動分布特征，本文首先采用均勻網格采樣方法對升降軌同震形變場進行降采樣處理，共獲得降采樣點數據升軌5 839個、降軌4 841個，并按照得到的采樣點位置來計算實際的衛星入射角及其軌道方位角；采用Okada均勻彈性半空間位錯模型，結合GCMT的震源機制解和房立華等（2016）提供的阿克陶地震精定位結果，非線性反演斷層幾何參數（經度、緯度、走向、傾向、滑動角、深度以及斷層的長度、寬度），為了擬合可能殘存的衛星軌道誤差，加入6個軌道參數來線性估計軌道誤差，其中，采用Levemberg-Marquardt最小二乘優化算法迭代，進行8個幾何參數和6個軌道參數求解。

從表3可以看出，通過單一斷層反演，得到發震斷層走向大致為NWW向，角度約100°，震中位置（74.13°E，39.24° N），傾向80°，斷層參數與GCMT給出的震源機制解中的節面1近似。但強余震的震源機制表明，震中東側的余震具有明顯的正斷分量，表明這次地震震源動力過程比較復雜（張旭等，2017）。主震震源破裂過程至少有2次（陳杰等，2016；房立華等，2016）。因此，根據干涉圖及余震分布圖將發震斷層分割為二，再次非線性反演得到發震斷層幾何參數結果見表4。根據震級的計算公式，得到該地震的矩震級范圍為MW6.62～6.75。

3.2 同震分布式滑動反演

發震斷層的幾何模型確定后，斷層面上的滑動量與地表形變之間呈線性關系（季靈運等，2017）。因此，本文在上述Okada位錯模型反演獲取發震斷層幾何參數結果的基礎上，進一步利用德國地學中心汪榮江開發的SDM程序包（Wang et al，2011，2013），來獲取斷層面上的精細滑動分布。

本文根據InSAR數據得到的形變圖以及表4反演得到的斷層參數，確定使用雙斷層模型。一般主震破裂區范圍上限可以用余震展布范圍確定，由此考慮將斷層沿走向分別拓展50和26 km，沿傾向分別拓展40和38 km，并把斷層面按2 km×2 km共劃分為747個子斷層。使用升、降軌干涉圖（圖3）聯合約束反演發震斷層的精細滑動分布，2幅干涉圖給定相同權重。反演過程中，根據CRUST1.0模型確定區域地殼分層結構；對于相鄰斷層片的滑動量，施加應力降平滑約束。

通過克里金插值法填補空白點，如圖4所示，從整體上看，分布式滑動模型擬合得到的形變場能夠較好地模擬觀測形變場，2處主要的形變特征能夠得到最佳擬合。但也發現在形變區，尤其是北部存在過度擬合現象（圖4c，d），可能是由于干涉圖包含大氣延遲干擾或積雪影響等噪聲，造成擬合殘差偏大。

圖5為阿克陶地震同震滑動分布結果，從圖中可以看出阿克陶地震同震破裂長度約70 km，同震滑動分布主要集中在沿傾向向下0～20 km 深度范圍，屬典型的淺源構造地震。斷層破裂主要以右旋走滑為主，破裂西段正斷分量不明顯，最大滑動量0.84 m，位于7.1 km深處；東段最大滑動量0.68 m，位于6.6 km深處，兼有正斷分量，沿傾向最大滑動量0.38 m。從滑動分布得出的矩震級為MW6.61～6.67，與表1給定的震級基本一致，略小于均一滑動的反演結果。

4 討論

結合上述分析結果，展開如下討論：

（1）震中位置分析。2016年阿克陶地震發生后，盡管CENC、GCMT和USGS等機構利用遠場波動資料分別計算出該地震的發震位置和震源機制解，但是由于亞洲地區地震臺站稀少以及青藏高原地區地殼的不均勻性，使得基于地震波資料給出的地震震中位置有著較大的不確定性（表1）。根據通過單一斷層反演計算得到的InSAR同震形變中心位置（圖3），大致確定阿克陶MS6.7地震同震破裂的震中為（74.13°E，39.24°N），與USGS確定的位置相差約11.7 km，與GCMT確定的中心位置相差約3.4 km，與CENC確定的相差約6.4 km。這種差異可能也與地震學反演得到的震中是起始破裂的位置、InSAR反演的結果是滑動量級最大的部位有關。

（2）震源機制分析。從InSAR同震形變圖像（圖3）和位錯反演結果（圖4，5）來看，此次地震地表形變以水平形變為主，同震破裂長度約為70 km。發震斷層走向大致為NWW向，角度約100°，傾向約80°，斷層參數與GCMT給出的震源機制解中的節面Ⅰ近似，與木吉斷裂吻合。使用雙斷層均一滑動模型反演得到此次地震的矩震級范圍為MW6.62～6.75，分布式滑動模型反演得出的矩震級為MW6.61～6.67，與各機構給定的震級基本一致。斷層面上的精細滑動分布結果，證明此次地震震源破裂主要以右旋走滑為主，僅在東段兼有部分正斷分量。

（3）與區域構造運動的關系。帕米爾構造結是中國大陸受板塊動力作用最強烈、地震活動最頻繁的地區之一。現今GPS觀測資料（楊少敏等，2008；Mohadjer et al，2010；Ge et al，2015；Zhou et al，2016）表明該構造結整體向北的推擠速率高達（23±2）mm/a，現今構造變形以前緣地殼縮短和走滑、構造結內部拉張為特征。內部拉張分別以東部的公格爾山拉張系和西部卡拉庫爾地塹的EW向拉張作用為主（Brunel et al，1994；Robinson et al，2004，2007；陳杰等，2011）。此次地震發震斷層即位于公格爾山拉張系最北段，木吉盆地北緣。公格爾山拉張系的東西向拉張量呈北大南小態勢，在最北段的木吉盆地約為30 km（Robinson et al，2007）。對比震中100 km范圍內7級以上地震震源機制解（喬學軍等，2014；Metzger et al，2016），表明帕米爾高原內部上地殼變形仍以近EW向拉張為主，印度板塊的NE向推擠作用在增強。

（4）Okada半無限空間模型雖然計算速度快、精度高，廣泛應用于同震反演，但使用半無限空間模型反演得到的斷層深度大于真實的斷層深度，并且反演的滑移量也偏大。本文使用的Okada半無限空間模型只用于斷層幾何參數反演，同時使用Wang等（2006）發布的基于分層介質模型的反演程序SDM對這次地震進行地下位錯反演，以得到更準確的地下位錯分布及應力分布等信息。但本次發震位置處于高海拔區域，野外考察難度較大，所以單一測量手段很難精確地確定地下及地表的位錯分布（季靈運等，2015），如果結合GPS、強震等資料進行地表破裂和地下位錯聯合反演，則會更為精細地解決模型的建立與實際地震破裂的關系，有效提高震源機制解的精度。

5 結論

2016年11月25日阿克陶地震發生在新疆西南緣高寒地區，由于自然條件限制，野外地質調查和地球物理數據采集工作難以完全開展。本研究利用Sentinel-1衛星數據進行InSAR 處理，獲取新疆阿克陶MS6.7地震的高質量同震地表形變場，并聯合反演了發震斷層的幾何參數、精細滑動分布特征。

（1）此次地震發生在帕米爾構造結的弧頂地區，Sentinel-1衛星升降軌影像數據完全覆蓋此次地震的整個同震形變場。從獲得的升降軌同震LOS形變場可以看出，此次地震屬于右旋走滑型地震，地表形變以水平形變為主，呈上下對稱性分布，且主要分布在發震斷層附近的區域，最大LOS向形變量為20 cm，結合余震分布判斷木吉斷裂為此次地震的發震斷層。

（2）阿克陶地震的主震破裂過程復雜，引起震中附近地面出現大量邊坡失穩、巖崩、滾石等地質災害，因此采用均勻網格采樣方法可以有效抑制個別誤差較大結果對整個形變場特征的影響。

（3）本次地震震源動力過程比較復雜，主震震源破裂過程至少有2次，因此使用雙斷層模型反演斷層面上的精細滑動分布。同震滑動分布主要集中在沿傾向向下0～20 km 深度范圍，屬典型的淺源構造地震。震源破裂西段正斷分量不明顯，最大滑動量0.84 m，位于7.1 km深處。東段最大滑動量0.68 m，位于6.6 km深處，兼有正斷分量，沿傾向最大滑動量0.38 m。符合木吉斷裂近直立，兼具正斷作用的構造特征。

感謝 ESA 為本文提供的 Sentinel-1A/B 衛星數據，中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供的余震精定位結果，GFZ 汪榮江教授提供的 SDM反演程序。

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Abstract The Akto MS6.7 earthquake，Xinjiang occurred near the western end of the Muji fault basin in the top of the Pamir syntax.The main shock of this earthquake is complicated and the focal mechanism solutions show differences based on seismic wave inversions.Based on the Sentinel-1 SAR image data，the coseismic deformation field of the earthquake is obtained by InSAR technique.Based on the elastic half-space dislocation model，the geometrical parameters and the slip distribution model are determined by nonlinear and linear inversion algorithms.The results show that the distributed slip model can well explain the coseismic deformation field.The earthquake includes at least two rupture events，which are located at 7 km（74.11 ° E，39.25 ° N）and 33 km（74.49 ° E，39.16 ° N）east of the epicenter of the CENC.The deformation field caused by the earthquake shows symmetric distributions，with the maximum deformation（LOS）of 20 cm.The main seismic slip is concentrated in the 0～20 km depth，and the maximum slip is 0.84 m.The seismic fault is the Muji fault，and this earthquake shows that the N-E thrust of the Indian plate is enhanced.

Keywords：the Akto earthquake；InSAR；coseismic slip distribution；Muji fault；focal mechanism