2015年西藏定日MW5.7地震震源參數估計和靜態應力觸發研究

方金玲 趙 斌,2 余建勝,2 陳 威

1 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側路40號，430071 2 中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，武漢市洪山側路40號，430071

根據中國地震臺網中心(CENC)地震目錄(http:∥news.ceic.ac.cn)，北京時間2015-04-25 14:11:26青藏高原南緣喜馬拉雅斷裂帶發生尼泊爾MW7.8地震。尼泊爾地震主震發生3 h后，中國西藏定日縣發生MW5.7地震，震中位置為87.3° E、28.4° N，震源深度約16 km，距尼泊爾主震震中約290 km。趙斌等[1]基于采用GPS觀測的尼泊爾主震同震形變場，計算得到定日地區同震應變增加，主應變方向與震源機制結果一致。Zhang等[2]利用三維有限元軟件PyLith進行模擬計算，結果表明尼泊爾地震斷層面上的同震剪切應力變化約為5 MPa，其中尼泊爾主震同震效應引起定日震區庫侖應力變化峰值超過0.1 bar，定日地區處于應力變化增強區域[3]。

西藏定日位于高海拔地區，開展野外地質工作挑戰較大。中國地震局GNSS數據產品服務平臺(http:∥www.cgps.ac.cn)公布的GPS數據處理結果顯示，定日地震震中附近的GPS站點未觀測到完整的同震形變場。盡管地震波資料可以確定中強地震的震源機制解，為分析地震觸發機制提供基礎信息。但研究表明，由于受測站分布、區域地震波速度結構等制約，利用地震波確定的震源位置存在較大誤差，而近場InSAR觀測資料可以較好地約束地震震源位置及相關震源參數[4]。歐洲空間局(ESA)發布的Sentinel-1A衛星數據已覆蓋尼泊爾地震破裂區以及定日地震破裂區(圖1(a))，但由于定日地震震級不大，并未引起學者關注。

本文基于InSAR數據生成同震干涉圖，并利用定日地震同震位移進行滑動分布反演，迭代搜索發震斷層走向、傾角和位置等參數。計算2015年尼泊爾MW7.8主震同震效應在定日地區引起的庫侖應力變化，討論定日地震破裂的物理機制和區域地震危險性，綜合分析喜馬拉雅南部逆沖型斷裂對藏南申扎-定結拉張地塹(XDNFS)的應力觸發影響。

1 區域構造背景

喜馬拉雅造山帶邊界逆沖型斷裂十分發育，是印度-歐亞板塊低角度俯沖碰撞擠壓的結果[5]。藏南地區毗鄰喜馬拉雅主逆沖斷裂帶，受到青藏高原內部東西向拉張作用，形成大量近南北向拉張地塹，與這些地塹相關的正斷層平均拉張速率為2～4 mm/a[4]。關于藏南拉張地塹構造存在多種成因模式，包括西藏高原內部南北向擠壓的變形分解、增厚地幔巖石圈的對流減薄、板塊俯沖擠壓造成地殼縮短或加厚、下地殼流以及重力垮塌等[6-8]，目前仍然存在很大爭議。

(a)中等值線為尼泊爾主震同震模型[2]；(b)為對(a)中黑色方框區域進行放大。黑色震源機制解分別對應GCMT發布的尼泊爾周邊MW5～8地震和2015～2020年定日4次MW5～6地震，黑色線段表示斷層，五角星表示震中位置圖1 尼泊爾MW7.8地震同震形變及定日周邊歷史地震分布Fig.1 The coseismic deformation of the Nepal MW7.8 earthquake and the distribution of historicalearthquakes around Dingri

據GCMT結果顯示，2015年尼泊爾地震發生后，定日地區3級以上歷史地震頻次有所上升[9]。在2015年定日MW5.7地震震中60 km范圍內已發生4次5級以上地震，除2015年MW5.7地震外，分別為2016-05-22 MW5.3、MW5.2地震[10]和2020-03-20 MS5.9地震[11]。這些地震活動表明西藏定日震區近期中強地震活動顯著。

由于USGS和GCMT并未提供2015年定日地震的震源機制信息，本文依據GCMT和CENC等提供的2015年尼泊爾地震和西藏定日地震參數，得到2次地震事件的震源機制解(表1)。由表可知，定日地震2個共軛斷層節面的走向和傾角分別為23°/18°和150°/79°，此次定日地震屬于正斷破裂事件，判斷隱伏斷層傾向可能存在東傾或西傾情況。

表1 2015-04-25尼泊爾地震和定日地震震源機制解

2 同震形變場

Sentinel-1A遙感雷達衛星攜帶C波段合成孔徑雷達，在西藏地區重訪周期最短可達6 d，能夠探測到mm級地表變形，被廣泛運用于獲取同震形變場[12]。由于所有涵蓋2015-04-25定日地震形變的升軌數據均未產生明顯形變干涉條紋，且部分數據時間基線過長導致解纏難度加大，因此本文僅選取降軌數據。所選影像時間基線為24 d，觀測時間分別為2015-04-12和2015-05-06(表2)，影像包含2015年尼泊爾地震和定日地震破裂信息。

表2 Sentinel-1A干涉圖數據參數

本文采用開源GMTSAR軟件(https:∥topex.ucsd.edu/gmtsar/)和精密衛星軌道處理地震前后的Sentinel-1A降軌InSAR大地測量數據。采用30 m×30 m分辨率的數字高程模型用于改正地形相位[13]，選取高斯濾波器對干涉影像進行濾波處理，并使用Snaphu算法進行相位解纏[14]。最后，將雷達干涉相位坐標地理編碼處理轉化為地理坐標，獲取干涉效果較好的同震形變場，便于后續分析計算(圖2(a)、2(b))。

分析Sentinel-1A降軌觀測模式下的同震形變場，可初步判定地震引起的地表破裂范圍和形變場沉降量。對于正斷或逆沖破裂事件，斷層上下盤主要為垂直運動，導致近場形變的垂直分量更為顯著。2015年定日MW5.7地震震級偏小，震源深度16 km，斷層錯動引起的地表形變范圍約為10 km×10 km，干涉條紋空間形態特征清晰，呈現NS走向的橢圓形狀。在主要形變區域中心位置沿東西向作一條近25 km測線(AB)，以測線所在位置作為剖面地表跡線。分析測線剖面LOS向形變發現，此次地震事件的同震形變場主要表現為西部沉降、東部輕微抬升的特征。

(a)為2015年定日地震InSAR同震LOS向形變，AB為過LOS最大形變測線；(b)為InSAR形變干涉條紋圖；(c)為降軌影像降采樣選點圖2 定日地震降軌同震形變場Fig.2 Descending coseismic deformation field of the Dingri earthquake

3 同震模型

對部分破裂至地表且構造背景清晰的大型地震(MW>6.5)的發震斷層進行研究較為普遍[12,15]。Sentinel-1A衛星成功捕獲到此次地震的同震形變信息，可為研究地震發震構造和區域地震危險性提供非常寶貴的近場資料。雖然地震破裂斷層的地表跡線一般分布在形變干涉條紋邊緣，但當地震震級較小時，難以直接根據形變區域的構造背景判定發震斷層。本文針對2015年定日MW5.7地震的破裂情況，對斷層幾何參數確定提出相應的分析方法。

3.1 斷層參數估計

由于發震斷層附近的地質構造背景復雜，若未發生形變區域的遠場數據過多參與計算會帶來相應誤差，因此需要選取合適范圍對干涉圖像進行裁剪。裁剪后的干涉圖主要顯示地震造成的形變區域，僅包含少量遠場與地形起伏相關的大氣擾動數據。對于Sentinel-1A提供的降軌觀測影像，一方面InSAR數據具有高空間分辨率特性，有助于描述地震破裂斷層的細節特征；另一方面由于原始干涉圖像的數據點數量過于龐大，會加大反演工作量。為提高反演效率，本文采用四叉樹方法對LOS位移場進行降采樣處理[16]。針對定日地震特點，本文通過設置相應的采樣閾值，使得采樣后數據既能最大程度保留近場形變特征，又能在一定程度上減小遠場形變粗差對反演結果產生的負面影響。降軌形變場經過降采樣處理后，高密度選點個數為1 348個(圖2(c))。

將表1中定日地震震源機制解作為參考，結合定日地震同震形變場的空間分布形態，假設存在SE-NW走向和近N-S走向的兩種潛在正斷發震斷層F1、F2(圖3)。本文采用基于馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法(MCMC)采樣的貝葉斯算法[15]，利用InSAR大地測量觀測數據作為約束進行斷層參數反演。在對發震斷層幾何參數進行搜索時，基于不同方法或設置不同搜索邊界范圍得到的震源位置和幾何參數存在一定差異。為使觀測值和模擬值之間達到最佳擬合效果，經過160 000次非線性迭代計算后參數達到收斂，搜索出能最佳擬合發震斷層的位置(經度、緯度和深度)和幾何參數(長、寬、走向、傾角)，反演獲得斷層幾何參數的后驗概率分布和誤差區間。

經過上述反演過程，分別獲得東傾和西傾隱伏斷層幾何模型(表3)。其中，東傾斷層模型左上角點經緯度為87.3°E、28.4°N，震源深度約9 km。破裂長度約3 km，寬約5 km，最大滑動量為0.2 m。斷層走向最終收斂在355°，傾角最優值為39°(圖3中F2)。重新設置斷層走向的搜索范圍，將搜索經度范圍向東擴張，采用上述同樣方法反演均勻破裂滑動模型。結果表明，斷層走向最終收斂在178°，傾角最優值為48°，斷層傾向西(圖3中F1)。西傾斷層模型左上角點經緯度為87.4°E、28.6°N，震源深度約8km。破裂長度約5 km，寬約5 km，最大滑動量約為0.2 m，以正斷破裂為主。上述結果表明，東傾與西傾斷層模型之間的破裂特征具有互偶性。由于涵蓋2015年定日地震的觀測數據有限，且此次地震形變量較小，并未破裂至地表，僅采用單軌InSAR觀測數據進行分析比較，可以看出東傾和西傾斷層幾何反演仍然存在較大的不確定性。

F1、F2分別為東傾和西傾隱伏斷層，淺藍色區域代表沿測線AB的地形起伏圖3 地形起伏與斷層位置關系Fig.3 Relationship between the regional topographic relief and active faults

3.2 滑動分布反演

發震斷層位置和幾何產狀作為研究震源破裂模型的先驗信息，關乎破裂模型反演結果的可靠性。同震破裂滑動分布可以給出更多關于震源破裂的細節信息，本文基于上述均勻滑動模型研究得到的發震斷層位置和幾何參數，分別估計SE-NW向東傾和近N-S向西傾兩種正斷層模型。在反演前，將前文搜索的斷層幾何模型分別沿長度和寬度延長至20 km×25 km，將斷層面沿斷層走向和傾向分別劃分為30×20共計600個子斷層，子斷層尺寸為0.83 km×0.83 km。本研究采用約束最小二乘法反演斷層模型的滑動分布特征[15]，依據震源機制解判斷定日附近地震的發震斷層為正斷層，不考慮走滑分量的影響。在均勻彈性半空間位錯模型框架下，建立地表形變和子斷層塊滑動之間的線性關系[17]，反演解算2015年定日地震同震破裂滑動分布(圖4)。

表3 InSAR數據反演獲取的定日地震震源參數

圖4 定日地震斷層同震滑動分布Fig.4 Distribution of coseismic slip of Dingri earthquake

由滑動分布特征可知，此次定日地震并未破裂至地表，地震形變破裂區整體長度近5 km，寬度約5 km。SE-NW走向東傾斷層破裂深度主要集中在4～15 km范圍內，以正斷滑動為主，最大滑動量約0.2 m，震中位于87.3°E、28.4°N，深度約9 km，釋放的地震矩約為 5.1×1017N·m，對應矩震級MW5.7。近N-S走向西傾斷層破裂深度主要分布在6～9 km范圍內，最大滑動量約0.2 m，釋放的地震矩約為3.7×1017N·m，對應矩震級MW5.6。反演的西傾發震斷層運動機制同均勻滑動模型結果較為接近。

利用圖4滑動分布模型，正演模擬降軌LOS向位移形變(圖5(b)、5(e))。共有326 891個數據點參與模擬，東傾斷層整體擬合殘差為-2.2～2.6 cm，西傾斷層整體擬合殘差為-2.2～2.7 cm。

結合地震同震形變場可以大致判定斷層分布位置，測定的震源機制解也可作為判斷地震破裂機制、構建破裂滑動幾何模型的先驗信息。假設地震兩個共軛面的走向近乎平行，僅通過余震分布很難勾勒出斷層跡線，難以判斷發震斷層。本文基于地震同震形變場粗略估計斷層上下盤信息，根據圖2提供的地震區域LOS向形變位移，判斷斷層為西傾。為進一步驗證斷層傾向，本研究設置兩種傾向參數進行搜索，分別得到東、西傾兩種分布模型，并正演得到兩種滑動模型的模擬值和殘差值。從模型正演結果可知，兩種傾向的斷層模型均存在誤差，僅根據斷層參數反演結果判斷斷層傾向具有不確定性。研究震源破裂模型有助于研究震源物理機制和庫侖應力變化，可更好地理解定日地震震源破裂的發震構造和區域地震危險性。

(a)～(c)分別表示原始觀測值、東傾斷層模擬值和殘差分布；(d)～(f)分別表示原始觀測值、西傾斷層模擬值和殘差分布圖5 斷層模擬值和殘差分布Fig.5 Fault simulation results and residual distribution

4 同震應力觸發

強震造成的庫侖應力變化被廣泛應用于余震觸發與分布、其他地震觸發與區域災害研究。為研究2015年尼泊爾地震和定日地震的應力觸發關系，本文采用基于InSAR形變反演得到的定日地震破裂滑動模型，計算尼泊爾同震在定日地震破裂斷層上加載的庫侖應力變化。參考趙斌等[1]提供的尼泊爾同震破裂模型，利用前述均勻滑動模型的斷層參數反演結果，采用新的接收斷層模型，分別設置兩種傾向接收斷層的走向和傾角(表3)。基于上述破裂模型，設置有效摩擦系數為0.44[12]，計算尼泊爾主震對定日地震接收斷層的同震庫侖應力影響，結果如圖6所示。計算結果表明，2015年尼泊爾主震破裂引起同震庫侖應力轉移。定日地區位于尼泊爾地震引起的庫侖應力變化增強區，庫侖應力增強峰值超過0.1bar，2015年西藏定日MW5.7地震受到2015年尼泊爾MW7.8地震主震應力觸發影響。

5 結 語

本文利用InSAR觀測資料測定定日MW5.7地震的形變區域呈現橢圓型，降軌形變顯示沿LOS向靠近衛星的最大位移量約為-39 mm，沿所選地表測線繪制LOS向形變剖面，形變量為-26～24 mm，形變場主要為負值。但本研究僅收集到關于定日地震的單降軌觀測數據，其中震中區域僅顯示單個形變中心，難以根據上、下盤形變來區分斷層跡線位置。本文利用去地形誤差和大氣校正對形變場附近的噪聲誤差進行抑制，能夠大致判斷形變場主動盤和被動盤，從而可進一步優化對斷層傾角的約束[10]。此外，定日地震位于藏南申扎-定結拉張地塹，研究表明該類型地震斷層傾角主要集中在39°～52°[4]。基于貝葉斯反演得到的東傾斷層傾角約39°，而西傾斷層傾角約48°，后者傾角數值在理論上更有利于形成正斷層[4]。綜上可知，本文選取近N-S走向的西傾斷層滑動模型作為最優斷層破裂模型。

本文研究表明，2015年尼泊爾MW7.8地震造成藏南申扎-定結拉張地塹的應變加載，觸發定日MW5.7地震。震后形變研究表明，發生在同震破裂下傾方向的余滑以及下地殼和上地幔的粘彈性松弛是震后變形的主要機制，震后余滑釋放的地震矩相當于MW7.3地震[2,18]。震后形變一般包括震后余滑、震后粘彈性松弛效應及震后空隙回彈等，通常持續幾年甚至幾十年，影響范圍廣泛[18]。因此，尼泊爾地震對于青藏高原南部的影響不僅包括同震破裂變形，還包括震后變形影響。由此推斷藏南地區拉張地塹的地震活動與喜馬拉雅逆沖斷裂帶的地震活動息息相關，也是藏南拉張地塹系統發育的原因之一。受篇幅所限，本文不作進一步探討。此后在2016～2020相繼發生的正斷性地震[11]，可能與尼泊爾地震后的應力持續加載有關。

子圖分別代表尼泊爾主震同震應力變化對定日2015～2020三次MW5～6地震發震斷層的庫侖應力影響，其中(b)、(c)分別為2015-04-25定日MW5.7地震東傾和西傾接收斷層，(d)為2016-05-22定日MW5.3地震西傾接收斷層，(e)為2020-03-20定日MS5.9地震東傾接收斷層，黑線為斷層在地表投影，五角星代表震中位置圖6 2015年尼泊爾地震對定日地震接收斷層的應力觸發影響Fig.6 Influence of the stress triggering of 2015 Nepal earthquake on the receiving fault of Dingri earthquake

致謝：感謝歐洲空間局(EAS)免費提供Sentinel-1A SAR影像數據和精密軌道數據、美國宇航局提供SRTM數字地形模型、中國地震局地質研究所“活動斷層探測數據交匯與共享管理中心”提供斷層數據。感謝GCMT、USGS和CENC提供震源機制解及歷史地震等信息。本文使用GMTSAR開源軟件處理InSAR數據，采用GMT6.2軟件進行圖像繪制。