漾濞MS6.4地震同震形變特征及發震構造探討

徐曉雪 季靈運 朱良玉 王光明 張文婷 李 寧

1)中國地震局第二監測中心，西安 710054 2)國家遙感中心地質災害部，北京 100036 3)防災科技學院，三河 065201 4)云南省地震局，昆明 650224

0 引言

表1 不同機構提供的震源機制解Table1 Focal mechanism solutions of Yangbi MS6.4 earthquake

圖 1 漾濞地震區域構造Fig. 1 Tectonic setting map of the Yangbi earthquake.a 灰色細線表示斷層(徐錫偉等，2017)，灰色粗線表示二級塊體劃分(張培震等，2003a)，白色方框為升、 降軌SAR數據覆蓋范圍，震源機制解數據(MW>6.0)來自GCMT(1976—2015年)(2) https: ∥www.globalcmt.org。 和USGS(2021年)(3) https: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。 ，黑色空心圓表示區域歷史地震，藍色箭頭表示GPS水平速度場(Wang et al.，2020)； b 黑色實線表示二級塊體劃分，紅色圓圈表示1900年以來發生的7級 以上地震，紅色方框表示圖a的位置

受印度板塊向N推移和歐亞大陸阻擋的影響，青藏高原自形成以來受到近SN向的擠壓作用，塊體邊界構造變形的主要表現形式之一為向E擠出(Tapponnieretal.，1990； 鐘大賚等，1996； 馬宗晉，2001； 張培震等，2003b； Wangetal.，2020)。 川滇菱形塊體是青藏高原東緣側向擠出最強烈、 地震活動最頻繁、 塊體運動和構造變形最具代表性的活動塊體之一(圖 1)，川滇地區約45%的6級地震和43%的7級地震均在該處發生，地震活動主要沿活動地塊的邊界斷裂帶分布，強震破裂以NW—NNW向為主(蘇有錦等，2001)。 震中附近的紅河斷裂為川滇地區重要的地震構造帶，沿斷裂帶地震活動水平存在顯著差異： 北段近代地震活動頻度高、 強度大(王紹晉等，2010)，曾發生包括1652年彌渡7級地震和1925年大理7級地震在內的6級以上地震9次，5級以上破壞性地震27次； 斷裂帶中南段歷史上未記錄到強震。 同樣位于震中附近的維西-喬后斷裂歷史上強震活動并不顯著，曾發生的最大地震是1984年上蘭 6級地震，但2013年洱源MS5.5、MS5.0及中甸-得榮MS5.9地震的發生(常祖峰，2015)，預示著川滇塊體西南地區的地震活動有增強的趨勢。 位于漾濞地震N側的滇西北拉張構造區為川滇菱形塊體西邊界的一個地震活動區，區內地震的震源深度較淺，曾發生1996麗江MW6.6大型正斷型地震，漾濞地震即是在上述區域地震活動背景下發生的。

從區域構造的角度，漾濞地震發生在川滇菱形塊體西邊界，由于青藏高原中部羌塘塊體向E滑移受到華南塊體的阻擋使得該區域發生強烈變形(徐錫偉等，2003)。 震中處于滇西北拉張構造區南部，附近發育維西-喬后斷裂和紅河斷裂帶北段，區域地質背景復雜，構造活動強烈。 維西-喬后斷裂是川滇塊體西緣一條重要的大型剪切帶，在新構造運動期表現為右旋走滑運動，南段(巍山盆地段)又表現出張性運動特征，斷裂南部為紅河斷裂，北與金沙江斷裂相接，是連接川滇塊體西緣南、 北2條活動斷裂的樞紐(常祖峰等，2016)。 紅河斷裂帶作為川滇菱形塊體的西南邊界，是一條連接青藏高原東南緣和南海擴張的一級構造(Allenetal.，1984)，經歷了左旋走滑、 左旋向右旋轉變到現今右旋走滑運動的演化歷程(Tapponnieretal.，1982，1990； Schoenbohmetal.，2006)。 紅河斷裂北段以結構復雜、 分支較多、 現今活動性強為特點(李西等，2016)，而中南段的活動狀態尚未有定論，關于不同段落的地震活動性仍存在爭議。 因此，區域地質背景復雜、 過去被認為是板內轉換斷層的紅河斷裂相較于塊體東邊界斷裂活動性較弱(汪一鵬等，2003)，厘清此次漾濞地震的發震構造對于深入理解發震機理和動力學過程具有重要意義。 此外，漾濞地震的發生將為研究川滇菱形塊體西南地區的地震危險性帶來新的啟示。

自Massonnet等(1993)利用InSAR技術成功獲取1992年美國加州蘭德斯MW7.3地震的同震形變場以來，以InSAR同震形變場為約束反演發震斷層幾何參數及其滑動分布已成為人們理解發震機理及震源破裂過程的重要手段之一(單新建等，2009； 張國宏等，2010； 喬學軍等，2014； 季靈運等，2017)。 本文利用InSAR技術獲取漾濞地震同震形變場，利用余震重新定位結果確定發震斷層的幾何模型，并反演震源參數和發震斷層滑動分布，探討發震構造與川滇菱形塊體變形動力學機理，并分析川滇菱形塊體西南地區的地震危險性。

1 InSAR同震形變場

1.1 SAR影像介紹

此次地震發生在海拔>2000m的區域，地勢險峻、 氣候多變，以地面觀測站為基礎的常規地殼形變觀測技術較難實施，震中附近GPS形變觀測點位較為稀少，為全面了解同震形變場帶來一定困難。 因此，SAR影像成為獲取此次地震同震形變場的重要數據源。 Sentinel-1衛星影像不僅可以實時免費下載，且覆蓋范圍廣、 重訪周期短、 軌道精度高，在植被覆蓋地區仍能獲得較高質量的干涉圖。 漾濞地震發生后，我們下載了覆蓋整個震區的降軌及升軌Sentinel-1 SAR影像數據，影像拍攝日期分別為2021年5月10日和5月22日、 2021年5月8日和5月26日，影像的時間間隔較短，保證了干涉圖的相干性。 影像數據為干涉寬幅模式(IW)，每景影像包含3幅子影像，對其進行拼接處理，覆蓋范圍如圖 1 所示。

1.2 同震形變場

本文利用D-InSAR技術獲取漾濞地震的同震形變場，數據處理采用開源GMTSAR軟件進行。 首先基于美國NASA發布的30m空間分辨率的SRTM DEM地形數據模擬并消除地形相位。 為了降低干涉圖的噪聲，在InSAR數據處理中將干涉圖進行8×2(距離向×方位向)多視，并采用200m波長的高斯濾波，這種濾波參數的設置不僅可以大大提高干涉圖的相干性，同時也保證了震中附近的形變恢復。 基于snaphu網絡流算法對干涉圖進行相位解纏，通過二次多項式擬合去除干涉圖中的殘余軌道誤差(Rosenetal.，1996)。 對于因大氣水汽垂直分層引起的相位延遲，使用在線大氣校正服務平臺(GACOS)估計大氣垂直分層的影響(Yuetal.，2018)，并從干涉圖中去除。 根據SAR衛星參數將相位轉換成位移，最終獲取了地理編碼后的漾濞地震升、 降軌LOS向InSAR同震形變場。

圖 2 為削弱各種誤差后的漾濞地震同震形變場圖像，可以看出降軌Sentinel-1 SAR數據清晰地監測到了此次地震的同震形變場。 降軌干涉圖同震干涉條紋清晰，且震源區不存在由于形變梯度過大導致的失相干，表明同震破裂未到達地表。 形變場集中于漾濞地震震中區域，呈對稱的橢圓形分布，形變影響范圍達30km。 形變區域內有維西-喬后斷裂和紅河斷裂北段2條走滑型活動斷裂。 降軌同震形變場顯示，發震斷層NE盤靠近衛星運動，SW盤遠離衛星運動，最大LOS向形變量分別為8.6cm、 7.9cm，降軌剖面顯示同震位移達15cm。 相比于降軌數據，升軌干涉圖SW盤條紋較為清晰，形變場顯示該盤靠近衛星運動，最大LOS向形變量級為5.7cm； 而NE盤干涉條紋不清晰，噪聲明顯，形變場顯示該盤遠離衛星運動，分析認為可能是由于川滇地區高植被覆蓋、 復雜多變的大氣條件及雷達入射角的原因導致。 結合升、 降軌成像幾何模式，認為漾濞地震同震形變結果顯示的形變態勢以水平形變為主，符合右旋走滑型地震形變的主要特征，應為NW走向的斷層突然破裂導致。 初步分析InSAR同震形變態勢與已有斷層的空間相對位置分布，維西-喬后斷裂是否為發震斷層需要進一步厘定。

圖2 InSAR升、 降軌同震干涉圖與形變場Fig. 2 Coseismic ascending and descending interferograms and deformation fields from InSAR.a 降軌差分干涉圖； b 升軌差分干涉圖； c 降軌形變場； d 升軌形變場； e 降軌形變剖面圖。 實心箭頭表示衛星飛行方向，空心箭頭表示雷達視線方向； 震源機制解數據來自USGS

2 震源參數反演

同震形變場的模擬是提升發震構造認識、 評估區域地震災害的重要手段之一。 本文首先根據余震重新定位結果確定發震斷層的幾何模型，然后以InSAR同震形變場為約束，反演發震斷層的精細運動特征。 采用均勻采樣方法對InSAR同震形變場進行降采樣，該方法能夠有效降低部分誤差較大觀測區域的結果對整體形變結果的影響，對于近場區域采樣點選取相對密集，對于遠場區域采樣點選取相對稀疏，這樣既能最大程度地保留原始形變場的空間特征(季靈運等，2017)，又能減少數據冗余，重采樣后的同震形變場數據點共約20000個。

2.1 斷層幾何模型設置

反演同震滑動分布之前，需要確定發震斷層的幾何模型。 一般若無先驗信息，可以通過非線性反演方法和Okada位錯模型反演獲取發震斷層的幾何參數(Okada，1985； Jietal.，2017)。 以往的震例研究表明，重新定位的余震空間分布可以為發震斷層幾何模型設置提供重要的約束信息，該方法是目前國際同類研究中效果最好、 被選用較多的方法(Shawetal.，1999； Boncioetal.，2004； Lutteretal.，2004)。 因此，我們根據漾濞地震前、 后6d的地震序列重新定位目錄(圖3a)，結合InSAR同震形變的空間展布形態、 區域構造信息，綜合確定發震斷層的空間展布。

圖3 漾濞地震余震的空間分布圖(a)與縱剖面圖(b—d)Fig. 3 Spatial distribution(a)and vertical cross-sections(b，c and d)of aftershocks of the Yangbi earthquake.五角星表示CENC給出的漾濞地震的震中位置

首先，我們沿余震區長軸走向劃分了剖面AA′及2個垂直于長軸走向的剖面BB′和CC′，取每條剖面線兩側各3km寬的范圍進行震源深度投影，以確定斷層的傾向和傾角，結果如圖3b—d所示。 從圖中可以看到： 震區存在一條近直立的斷層，深度15km以淺。 根據余震剖面和深度展布距離，認為發震斷層的傾角為85°～90°。 我們進行多次反演實驗，以擬合殘差最小的斷層傾角為最優值，確定發震斷層的傾角為89°，分布于發震斷層周邊的余震則可能是受主震破裂影響而觸發的。 多家機構給出的震源機制解顯示(表1)，漾濞地震的主震傾角約為85°，與我們通過多次反演實驗確定的最優發震斷層模型和傾角一致。 在確定斷層傾角為89°后，根據余震在地表呈現NW向分布的線性特征，再結合降軌InSAR形變場的空間分布形態為沿NW向對稱的2個橢圓形，分析認為發震斷層的地表跡線為NW向，與余震長軸的空間位置吻合較好。 余震的分布范圍通?？勺鳛橹髡鹌屏褏^范圍的上限，因此，考慮余震的空間展布，將發震斷層的長度設置為30km，沿傾向向下的寬度設置為20km。 最后，我們將斷層面離散為1km×1km大小的斷層片。 發震斷層的空間三維展布如圖 4 所示。

圖4 發震斷層三維空間位置圖Fig. 4 Three-dimensional location of the fault used in modeling.上圖為疊加到區域數字地形圖上的同震形變場； 下圖是用于反演同震滑動分布的斷層三維空間位置圖。 藍色空心圓表示余震的空間位置，震級大小與圓的大小成正比； 黃色實心五角星表示主震； 黑色實線表示斷層的地表跡線

2.2 同震滑動分布反演

在確定了發震斷層的幾何模型后，我們以本文獲取的InSAR同震形變場為約束，采用基于約束條件下最小二乘原理及最速下降法的反演方法(SDM)(Wangetal.，2013)，進一步反演震源斷層破裂面上的滑動分布特征。 該方法利用最速下降法搜索滿足目標函數的最小解，反演過程中在相鄰斷層片之間可以施加滑動量平滑或應力降平滑的約束，在發展更新過程中已得到國內外學者的廣泛認可與使用(Wenetal.，2013； Motaghetal.，2015； 劉琦等，2016； Jietal.，2017)。 在實際同震滑動分布反演中，我們基于CRUST 1.0模型(Laskeetal.，2013)，考慮地殼介質的分層差異，提升了反演結果的整體可靠性，并對相鄰斷層片的滑動量施加應力降平滑約束。 由于平滑因子的選取會對反演結果產生顯著影響，在實際進行反演計算時利用位錯模型的粗糙度和相對擬合殘差的折中曲線選擇最優的平滑因子，通過迭代計算最終確定平滑因子為0.1(圖 5)。 反演過程中，對滑動角做右旋走滑約束，設置滑動角的范圍為170°～190°。

圖5 相對擬合殘差與粗糙度折中曲線Fig. 5 Trade-off curve between the roughness and the relative fitting residuals.五角星表示選取平滑因子的位置

圖6 分布式滑動模型的擬合結果Fig. 6 Simulation results of the distributed-slip model.a、 d 降軌、 升軌同震形變場； b、 e 降軌、 升軌擬合同震形變場； c、 f 降軌、 升軌殘差圖。 黑色實線表示模擬斷層的地表跡線； 震源機制解數據來自USGS

圖7 同震滑動分布圖Fig. 7 Maps of coseismic slip distributions.斷層面滑動分布的二維(a)和三維(b)顯示； 黃色五角星表示CENC給出的漾濞地震位置

3 討論

3.1 基于現今長期GPS水平運動速度場的區域應變率場分析

為厘清此次漾濞地震發生的區域構造動力背景，基于GPS水平速度場(時間跨度為1991—2016年)(Wangetal.，2020)和Shen等(2015)提出的應變計算方法，計算獲取了震區及其周邊區域的面應變率場及最大剪應變率場(圖8a，b)。 GPS原始觀測站點所構建的三角網如圖7c所示，統計三角形邊長的分布(圖7d)，可以看出大部分GPS點之間的距離都在30km內，因此，我們將距離平滑因子設置為200km，這樣既可較好地反映區域局部應變率場特征，也能夠起到較好的平滑作用。 應變率場結果顯示，震區的面應變率整體為正值，說明該區域以拉張變形為主，受到的擠壓作用較弱，表明該區主要為伸展構造背景，與我們厘定的此次漾濞地震的發震斷層表現出的具有少量正斷分量一致。 震區附近的維西-喬后斷裂南段和紅河斷裂北段表現為顯著的張應變特征，紅河斷裂北段為滇西北拉張構造區的組成部分，第四紀以來發生了大規模右旋走滑，導致了紅河斷裂北段的質量虧損和伸展變形(虢順民等，1996)。 整體來看，川滇菱形塊體西南地區存在一個顯著的面應變高值區，與滇西北拉張構造區范圍一致，其應變的積累代表了現今所處的高應力狀態，此次漾濞地震正是位于滇西北拉張應變高值區W側應變率梯度變化較大處。

圖8 漾濞地震及其鄰近地區面應變率與最大剪應變率分布圖Fig. 8 The plane strain rate and the maximum shear strain rate field around the Yangbi earthquake and its surrounding areas.震源機制解數據(MW>6.0)來自GCMT(1976—2015年)

由主應變率(圖8a)可以看出，川滇菱形塊體西南地區存在明顯的近EW向拉張和SN向擠壓作用，在整體上表現出順時針旋轉的特征，是川滇菱形塊體傳遞下來的S向推動和印度板塊N向推擠共同作用的結果(呂江寧等，2003)。 由最大剪應變率可以看出(圖8b)，震區所處位置的剪應變率較大，與漾濞地震表現出的具有顯著走滑分量的特征一致。 值得注意的是，最大剪應變率高值區范圍同樣與滇西北拉張構造區一致，表明此區域現今所受的剪應力較強。 與川滇塊體東邊界存在一條大的剪切應變集中帶不同，震區附近的剪切應變在川滇塊體西緣并沒有沿紅河斷裂中段繼續延伸，沿主要走滑斷裂的地殼擠壓在云南南部結束(Lietal.，2019)，此次漾濞地震在紅河斷裂北段附近發生，以及該區較高的應力積累表明紅河斷裂北段現今可能仍處于活動狀態。

3.2 漾濞地震的發震斷層與構造動力背景分析

InSAR同震形變場和斷層滑動分布顯示，漾濞地震的發震斷層為一條NW走向的右旋走滑型斷裂，具有少量正斷分量。 從構造單元上看，漾濞地震發生在維西-喬后斷裂與紅河斷裂北段的W側(圖9a)。 維西-喬后斷裂的走向自北向南由NNW向過渡為NW向，新構造運動期主要表現為右旋走滑運動，南段(即巍山盆地段)又表現出張性運動。 紅河斷裂總體走向呈NW向，第四紀以來表現為右旋走滑運動，斷裂北段形成了滇西北斷陷群。 從斷層的幾何產狀和運動性質分析，認為漾濞地震的發震斷層可能為維西-喬后斷裂的分支斷裂或W側與其近平行的一條未知斷裂。 有學者認為，維西-喬后斷裂新生代以來具有與紅河斷裂相似的運動學特征、 相同的地質演化歷史和構造變形機制，應為紅河斷裂的北延(常祖峰等，2016)。 漾濞6.4級地震的發生可能使得維西-喬后斷裂與紅河斷裂相貫通。

圖 9 漾濞地震區域構造圖Fig. 9 Tectonic map of the Yangbi earthquake area.a 區域構造樣式圖，二級塊體劃分依據張培震等(2003a)； ANF 安寧河斷裂； ZMF 則木河斷裂； XJF 小江斷裂； RRF 紅河斷裂； WQF 維西-喬后斷裂； LCF 瀾滄江斷裂。 b 區域主要斷層和中強地震分布圖，震源機制解數據(MW>5.0)來自GCMT (1976—2020年)，紅色震源球表示漾濞MS6.4地震(來自GCMT)

區域應變分配模式顯示，紅河斷裂帶北段與滇西北伸展構造區存在較強的應力積累，雖然紅河斷裂中南段晚更新世以來的活動愈來愈弱，但川滇菱形塊體的S向運動以及紅河斷裂北段的伸展仍在繼續進行和發展之中(向宏發等，2004)。 紅河斷裂北段自1925年大理7級地震后至今未有強震發生，此次漾濞地震位于大理地震W側(圖9b)，也證實了紅河斷裂北段現今具有活躍的構造運動特征，維西-喬后斷裂作為紅河斷裂北段延伸的部分，承擔和吸收了川西北塊體傳遞過來的部分運動能量和應變。

3.3 川滇菱形塊體西南地區的地震危險性分析

此次漾濞地震發生在滇西北地震活動區西邊界，震中附近分布有維西-喬后斷裂及紅河斷裂北段。 紅河斷裂作為川滇菱形塊體西南地區的一條大型右旋走滑斷裂，具有極其復雜的構造背景且地震活動頻繁(圖 9)，斷裂各段的地震活動性存在明顯的不均勻性，關于各段地震活動性的差異，至今尚未有定論。

地震發生時，同震斷層錯動會改變區域應力場，引起的斷層面上的庫侖應力破裂變化可能影響后續地震的時空分布(Kingetal.，1994)。 為了更好地理解川滇菱形塊體西南地區的地震活動性差異和評估未來潛在地震危險性，我們基于分層半無限空間黏彈性地殼介質模型，采用Wang等(2006)給出的PSGRN/PSCMP程序，計算川滇菱形塊體西南地區主要斷裂的庫侖應力變化。 計算中，我們采用本文升、 降軌InSAR數據聯合反演的同震破裂模型，考慮漾濞地震的震源深度，計算10km深度上的漾濞MS6.4地震同震位錯及震后黏彈性松弛效應引起的各斷裂上的庫侖應力變化。

圖10 漾濞MS6.4地震引起的川滇菱形塊體西南地區主要斷裂上的同震和震后庫侖應力變化Fig. 10 Coseismic and post-earthquake Coulomb stress changes on the main faults in the southwest area of the Sichuan-Yunnan block caused by the Yangbi MS6.4 earthquake.a 同震位錯引起的斷裂帶上的庫侖應力變化； b 同震位錯和10a震后黏滯松弛效應引起的斷裂帶上的累積庫侖應力變化。 黑色實線表示二級塊體邊界，五角星表示漾濞地震的位置

此外，李寧等(2019)通過采用負位錯反演方法計算了紅河斷裂各段的斷層閉鎖程度，認為在紅河斷裂北段閉鎖程度較高。 區域應變分配顯示，紅河斷裂北段和滇西北拉張構造區現今表現為顯著的拉張應變及剪切應變高值區，高應變狀態表明其現今所受的構造應力較強。 綜上認為，區域的滇西北拉張構造系統和紅河斷裂北段未來的強震危險性值得關注。

4 結論

(1)本文基于歐洲航空局提供的升、 降軌Sentinel-1 SAR影像數據，利用InSAR技術獲取了漾濞地震的同震形變場，并以此為約束，反演獲取了斷層面的同震滑動分布。 結果顯示，降軌InSAR干涉圖清晰地觀測到漾濞地震的同震形變場，漾濞地震造成的地表形變的最大量約為8.6cm(LOS向)，升軌干涉圖SW盤條紋較為清晰，最大LOS向形變量為5.7cm，NE盤噪聲明顯。 同震位錯以右旋走滑為主，兼有少量正斷分量，主要發生在2～10km深處，最大滑動量約為0.46m，位于6.5km深處，反演得到的矩震級為MW6.1。

(2)從區域應變分配和構造動力背景分析，漾濞地震發生在川滇菱形塊體向SE運動過程中受到華南塊體的阻擋而強烈變形的區域，結合發震斷層的幾何產狀和運動性質，認為漾濞地震的發震斷層可能為維西-喬后斷裂的分支斷裂或W側與其近平行的一條未知斷裂。

(3)利用升、 降軌InSAR聯合反演的滑動分布，計算了漾濞MS6.4地震同震位錯及震后黏彈性松弛效應引起的周邊各斷裂上的庫侖應力變化，結果表明此次地震對川滇菱形塊體西南地區的龍蟠-喬后斷裂、 程海斷裂和紅河斷裂北段的庫侖應力影響較為顯著，滇西北拉張構造系統和紅河斷裂北段未來的強震危險性值得關注。

致謝審稿專家對本文的修改和完善提出了寶貴的意見； 歐洲航天局提供了Sentinel-1衛星影像。 在此一并表示感謝!