Sentinel-1 SAR數據約束的2018年謝通門MW5.8地震同震破裂模型

倪乙鵬 聶兆生 熊 維 陳 威 余鵬飛

1 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側路40號，430071

2018-12-24西藏日喀則市謝通門縣發生地震，中國地震臺網中心(CENC)公布的震級為MW5.8，震中為30.27°N、87.64°E，震源深度為8 km。USGS和GCMT也給出了此次地震的震源機制，但不同機構基于遠震體波數據計算的地震震中位置差別較大[1]，從而使本次地震孕震斷層的判定存在爭議。

謝通門地震發生于青藏高原中南部，該區域地形復雜，北高南低，以高原山丘為主，位于甲崗-定結斷裂、嘉黎-然烏斷裂與察倉-德來斷裂附近。其中，嘉黎-然烏斷裂自西向東橫跨青藏高原，具有右旋剪切特征，全新世以來活動性較弱[2]；察倉-德來斷裂也呈EW向展布，具右旋走滑兼逆沖性質[3]；甲崗-定結斷裂，又稱申扎-定結斷裂，是一條大型的NS向正斷裂，第四紀以來活動劇烈，近年來有記錄的地震包括1934年申扎7級地震、1980年申扎6.6級地震、謝通門與定結附近10次以上大于6級的地震及沿線多次3～6級中小型地震。僅通過目前的遠震體波資料難以準確判斷2018年謝通門地震的孕震斷層，而空間分辨率較高的大地測量數據可對本次地震的震中位置和滑動分布進行有效約束。

利用大地測量技術獲取近場同震形變是目前研究地震的震源機制和發震斷層滑動分布的重要手段。合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)技術利用2景地點相同、拍攝角度相近的合成孔徑雷達(SAR)圖像間的相位差進行測量，通過引入外部數字高程模型(DEM)，可提取高精度、大面積的連續地表形變場，因此在地震形變監測中具有很大優勢[4]。國內外學者將DInSAR技術廣泛應用于地震研究中[5]，在同震形變的基礎上，通過建立彈性位錯模型可反演地震的同震滑動分布[6]。

本文利用Sentinel-1衛星升降軌數據獲取謝通門地震的同震形變場，并基于均勻彈性半無限位錯模型反演該地震的同震滑動分布模型，精確判定地震的發震位置及孕震斷層，同時探討本次地震周邊區域主要斷裂的地震危險性。

1 InSAR數據處理

本文使用的InSAR數據來源于歐空局Sentinel-1 IW模式影像(表1)，升降軌數據各2景，采用ENVI SARscape工具利用二軌差分干涉測量法(DInSAR)進行處理。由于影像覆蓋范圍廣，且本文形變區域較小，大范圍未發生形變的區域參與計算容易引入誤差，因此先選擇合適區域裁剪影像[7]，將距離向視數和方位向視數按照4∶1進行多視處理，采用加權功率譜法進行濾波并生成干涉圖；然后添加30 m分辨率SRTM數字高程模型消除地形相位，并使用最小費用流法進行相位解纏，將雷達坐標系的形變圖通過地理編碼轉換到地理坐標系下，即可獲取視線向(LOS)同震形變場(圖1)。

升降軌所采用的時間基線較短，因此獲得的干涉條紋特征清晰，相干性較好。從圖1可以看出，升軌同震形變場呈橢圓形，長軸走向南北，整體表現為沉降趨勢，最大沉降量為0.049 m，主要分布在甲崗-定結斷裂西側。降軌成像方式與升軌不同，因此會略有差異，但降軌同震形變場與升軌范圍基本一致，仍表現為沉降趨勢，最大沉降量為0.051 m。

表1 Sentinel-1A升降軌影像信息

圖1 謝通門地震同震形變場Fig.1 Coseismic deformation field of the Xaitongmoin earthquake

為提高計算效率，利用四叉樹法對InSAR同震形變場進行降采樣。將形變梯度閾值設定為0.40，并縮小采樣范圍，盡可能選取形變區域內的數據點，共得到1 194個LOS向數據點，其中升軌數據573個，降軌數據621個，可極大程度地保留形變場的特征。

2 滑動分布反演

本文以Okada位錯模型為基礎[8]，采用基于約束條件下的最小二乘原理和最速下降法進行發震斷層的同震滑動分布反演。

根據InSAR升降軌同震形變場可初步判定斷層的空間位置。斷層大小一般大于InSAR形變范圍，因此將斷層長度和寬度均設定為30 km，并按照2 km×2 km范圍將斷層分成15×15個子斷層。由于本次地震破裂未出露地表，且區域斷層信息較少，僅通過InSAR形變場圖像難以確定斷層傾向。本文根據USGS給出的震源參數(表2)建立東傾和西傾2組斷層模型，在固定斷層走向的前提下分別進行格網搜索，獲取最優傾角(圖2)，最終確定西傾模型傾角為47°，走向為208°，東傾模型傾角為45°，走向為341°，進而獲得不同節面上的滑動分布模型(圖3)及殘差分布(圖4)。

表2 2018年謝通門地震震源參數

圖3 2018年謝通門地震的同震滑動分布模型Fig.3 Coseismic slip distribution model of the Xaitongmoin earthquake in 2018

從圖3可以看出，整個斷層以正傾滑動為主，伴有少量左旋走滑分量，滑動分布較為集中，主要分布在2～12 km深度范圍內，平均滑動量為0.02 m，最大滑動量為0.10 m。地震震中為30.27°N、87.75°E，震源深度為6.58 km，釋放地震矩為5.056×1017Nm，相當于矩震級MW5.7，與GCMT和USGS的結果基本一致。

從圖4可以看出，西傾模型的平均殘差為2.7 mm，最大殘差為12 mm；東傾模型的平均殘差為3.5 mm，最大殘差為16 mm。相比于東傾模型，西傾模型能夠更好地解釋InSAR觀測值，因此本文認為西傾節面可能是本次地震的發震節面。

3 討 論

由LOS向形變場可知，謝通門地震的同震形變以沉降為主，斷層走向為208°，傾角為47°，以正傾滑動為主，表明發震斷層應為NS向正斷層。一般來說，30°～60°是活動斷層傾角的典型觀測范圍，Wang等[1]結合前人的研究成果計算表明，發生在甲崗-定結斷裂的4次地震傾角均為30°～60°，本文反演得到的謝通門地震的發震斷層傾角為47°，與該結論相符。

震中附近的嘉黎-然烏斷裂、察倉-德來斷裂均為EW向走滑斷裂，且學者們普遍認為嘉黎-然烏斷裂具有右旋走滑特征。田云峰等[9]研究認為，嘉黎-然烏斷裂具有由南向北的逆沖性質，與本文結果存在差異，而具有右旋走滑兼逆沖性質的察倉-德來斷裂也不是本次地震的發震斷層[10]。

已有資料表明，甲崗-定結斷裂為大型拉張型NS向正斷層，地質活動頻繁。Wang 等[1]以InSAR和體波地震學作為約束，對3個發生在甲崗-定結斷裂的MW5.5以上地震進行研究，得到震源機制解(表3)。通過對比表3和本文結果發現，地震均發生在甲崗-定結斷裂西側，地理位置上分布較近，同時震源深度都在5～15 km范圍內。Wang等[1]認為GCMT和USGS估算的震源深度較深，是因為很難從長周期的體波和面波中確定淺層地震的深度，這也證明了本文震源深度結果的可靠性。從斷層參數來看，傾角、滑動角和走向雖存在一定差異(可能為地理位置及數據差異等因素引起)，但震源機制反映發震斷裂均為NS向且具有正斷傾滑性質的斷層。由于震中距離甲崗-定結主斷裂較遠，本文認為此次謝通門地震的發震斷裂為甲崗-定結斷裂的分支斷層，這與王金鑠等[11]的結論(發震斷層為次級隱伏斷裂)具有較好的一致性。

表3 甲崗-定結斷裂3次地震的震源機制解

曹忠權等[10]研究認為，申扎地區整體活動規律為平靜-活躍-間歇-活躍-平靜，地震活動輪回周期為7～10 a。因此本文統計了1999～2019年甲崗-定結斷裂附近(29°～31°N，87°～89°E)的地震信息(表4)，結果表明，1999～2001年比較平靜；2002～2004年表現較為活躍；2005～2007年發生微小地震，可能處于間歇期；2008年發生4次大地震，斷層處于較為活躍狀態；2009～2017年較為平靜，可能處于能量積累階段；2018年以來地震明顯增多，震級有所增大，斷層逐漸活躍。

圖4 升降軌同震形變場觀測值、模型值與殘差分布Fig.4 The observed value, model value and residual distribution of coseismic deformation field withascending and descending tracks

熊維等[12]研究認為，2015年尼泊爾MW7.9地震對青藏高原活動斷裂的同震及震后應力產生了一定影響，其中甲崗-定結斷裂的同震及震后庫侖應力增加。本文采用PSCMP/PSGRN軟件計算謝通門地震的同震庫侖應力變化，該軟件基于顧及重力的粘彈性半空間分層地殼模型，可有效模擬地震引起的同震應力變化?；诘貧そ^對應力狀態，根據庫侖破裂準則計算地震發生后周邊區域的最優破裂方向，并以此計算該破裂面上的庫侖應力變化。從圖5可以看出，嘉黎-然烏斷裂中段應力卸載，察倉-德來斷裂中段應力小幅增加(<0.01 MPa)，因此這2條斷層的地震危險性較小。考慮到該區域可能存在NS向分支斷層，而應力變化表現為中間卸載、南北兩端明顯增加的趨勢(>0.01 MPa)，因此需關注該區域的地震危險性。由于震中距離較遠，地震震級較小，甲崗-定結主斷裂的應力未發生較大變化，但2016年MW5.3地震和2018年謝通門MW5.8地震均發生在其次級斷裂上，表明甲崗-定結斷裂的活動性增強，需關注其強震危險性[11]。

表4 1999～2019年研究區各級地震次數統計

圖5 謝通門地震的同震庫侖應力變化Fig.5 Coseismic Coulomb stress changes of the Xaitongmoin earthquake

綜上分析認為，甲崗-定結斷裂可能處于地震活躍期，未來仍存在發生MW6.0左右地震的可能。

4 結 語

本文通過收集Sentinel-1衛星升降軌的影像數據來獲取2018年謝通門地震的同震形變場，并基于Okada位錯模型反演同震滑動分布模型，得到以下結論：

1)InSAR獲取的同震形變場長軸大體呈南北走向，升降軌最大形變量分別為0.049 m和0.051 m。

2)基于大地測量數據分析認為，西傾節面更可能為2018年謝通門地震的發震節面。西傾模型表明平均滑動角約為-90°，說明2018年謝通門地震為典型的正傾滑動事件。本次地震主要滑動位于2～12 km深度范圍內，平均滑動量為0.02 m，最大滑動量為0.10 m。

3)通過對比本文結果與甲崗-定結斷裂歷史地震的震源機制認為，此次地震的發震斷層為甲崗-定結斷裂的分支斷層。