2022年青海門源地震震源機制與同震滑動分布研究

于 儀 李 雪 孫 振 劉珠妹 張朝陽,4

1 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側路40號，430071 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室，武漢市洪山側路40號，430071 3 中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院，青島市長江西路66號，266580 4 防災科技學院電子科學與控制工程學院，河北省三河市學院街465號，065201

2022-01-08青海門源發生MW6.7地震，中國地震局地質研究所測定的地震震源深度為10 km，震中位置為37.77°N、101.26°E，地表破裂帶長度超過22 km，地震主要發生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂和托來山斷裂的階區部位(圖1)。斷裂帶的擠壓速率由托來山斷裂向冷龍嶺斷裂逐漸減小，走滑趨勢逐漸增大[1]。其中北側主破裂帶分布于冷龍嶺斷裂帶西側，整體走向為NWW；南側次級破裂帶分布于托來山斷裂東段局部段，走向近EW。托來山斷裂全長超過280 km，斷裂走向為60°NE，分布于門源盆地北緣，由托來南山南坡斷裂、托來河斷裂和玉石溝3個平行斷裂組合而成[1-4]，運動性質為左旋走滑兼擠壓，左旋走滑速率為4.1±0.1 mm/a。冷龍嶺斷裂帶長約120 km，總體走向為110°NW，水平滑動速率為3.35～4.65 mm/a，平均垂直滑動速率為0.38 mm/a。冷龍嶺斷裂帶位于青藏高原東北緣巨型弧形構造帶的前緣地帶，受到青藏高原塊體向北東方向的擠壓，是全新世活動的左旋走滑兼逆沖斷層[5-8]。冷龍嶺斷裂帶及其周圍區域受到北部歐亞板塊、東部太平洋板塊與SW向印度-青藏板塊的強烈碰撞，導致北部擠壓變形和東部側向擠出[9]。

圖1 門源地震的區域構造背景Fig.1 Tectonic background of Menyuan earthquake

基于此，本文采用Sentinel-1A數據，利用合成孔徑雷達差分干涉(D-InSAR)技術研究門源地震的震源機制及滑動分布，研究成果對理解門源地震的發震機理有重要意義。D-InSAR技術利用同一監測區域2次不同雷達成像位置獲取的相位，采用差分干涉法消除干涉圖中地形因素的影響，得到目標區域的地表形變[10]。D-InSAR技術具有空間分辨率高、覆蓋范圍廣、全天時、全天候等優點，已廣泛應用于地震形變、火山活動及滑坡等災害研究中[11-12]。本文首先利用D-InSAR技術獲得門源地震視線向升降軌同震形變場；然后對同震形變場進行降采樣處理，采用Okada彈性半空間位錯模型進行線性和非線性反演，得到發震斷層的幾何參數和滑動分布情況；最后基于同震滑動模型，正演計算E、N、U三個方向上的地表位移分量，并將其投影到雷達視線向(LOS)上獲取升降軌同震形變場的模擬結果，驗證本文滑動分布模型反演結果的準確性。

1 InSAR數據處理與形變分析

1.1 InSAR數據處理

選取覆蓋2022年門源地震發震區域的Sentinel-1A衛星地震前后升降軌影像數據(表1)，升軌和降軌的時間基線均為12 d，空間基線分別為39.2 m和55.8 m，較短的時間基線和空間基線有利于影像之間保持良好的相干性[13]。

表1 Sentinel-1A 升降軌數據參數

利用D-InSAR技術處理Sentinel-1A數據時，首先需要對影像數據進行導入、裁剪及配準等預處理。在數據導入時添加精密軌道文件，可以降低軌道誤差對形變結果的影響。生成干涉圖時，采用美國宇航局發布的30 m分辨率DEM消除地形相位的影響[14]，設置距離向視數為7、方位向視數為2進行多視處理，并采用Goldstein濾波方法進行濾波處理，結果如圖2所示。由圖可知，干涉結果相干性較好，整體呈類似蝴蝶狀的條紋樣式，干涉條紋清晰光滑，連續性較好。靠近斷層區域的條紋較為密集，說明該區域形變梯度較大。

圖2 2022年門源地震InSAR干涉條紋圖Fig.2 InSAR interference fringe diagram of Menyuan earthquake in 2022

1.2 同震形變場

將解纏最小相干系數閾值設置為0.3，采用最小費用流方法進行相位解纏[15]。通過地理編碼等操作得到門源地震的視線向同震形變場(圖3)。由圖可見，升軌和降軌的同震形變場中間斷層走向均為NWW-SEE，與中國地震臺網(CENC)及美國地質調查局(USGS)等公布的斷層走向一致。升軌同震形變場LOS向最大抬升形變量為39 cm，最大沉降形變量為56 cm；降軌同震形變場LOS向最大抬升形變量為58 cm，最大沉降形變量為56 cm。升降軌同震形變場的上盤和下盤表現出相反的運動趨勢，同一軌道上盤和下盤的運動趨勢也相反，說明2022年門源地震的發震斷層具有走滑性質。對比升、降軌同震形變場可以發現，二者形變量級和范圍存在一定的差異，主要是衛星在升、降軌觀測時的成像模式及側視角不同所致。發震斷層附近較大的形變梯度導致相位無法解纏，使得同震形變場在震中附近區域出現形變相位不連續的現象。

圖3 2022年門源地震InSAR同震形變場Fig.3 InSAR coseismic deformation field of Menyuan earthquake in 2022

2 地震斷層參數和滑動分布反演

基于升降軌同震形變場觀測數據，對門源地震的斷層參數和滑動分布特征進行反演。本文采用均勻采樣法對觀測數據進行降采樣處理，解決了因同震形變場數據過多引起的計算量過大的問題。為最大程度地保留形變場特征，本文將近場形變區域采樣間隔設置為500 m，遠場形變區域采樣間隔設置為2 km。

2.1 斷層幾何參數非線性反演

基于Okada 彈性半空間位錯模型[16-17]反演斷層幾何參數，具體模型為：

D=G(ρ) +ε

(1)

式中，D為同震形變場數據，G為格林函數[18]，ρ為發震斷層的經度、緯度、走向、傾向、滑動角、深度、長度、寬度和滑動量共9個反演參數，ε為觀測誤差。

以全球矩心矩張量機構(GCMT)給出的地震信息作為初始參數，采用Levenberg-Marquaedt方法[19]計算最優斷層幾何參數，結果如表2所示。由表可知，斷層傾角為86°，走向為109°，滑動角為0.79°，震源深度為5 km，震中位置為101.28°E、38.78°N，地震矩為8.22×1018Nm，相應的矩震級為MW6.6。反演所得結果與USGS和GCMT等機構公布的斷層參數結果基本一致。

表2 斷層反演參數

圖4為斷層參數反演結果的殘差值，經計算可知，升軌和降軌觀測擬合的總體殘差均方根分別為1.9 cm和2.3 cm，說明斷層幾何參數擬合殘差較小，能準確反映斷層參數的分布特征。但斷層近場兩側的參數反演誤差較大，主要原因有3點：1)斷層附近被積雪覆蓋，存在失相干現象；2)震中附近區域形變梯度較大，導致相位無法解纏，存在相位不連續現象；3)本次地震發生在冷龍嶺斷裂和托來山斷裂的階區部位，斷層構造錯綜復雜，所用模型無法完全解譯斷層。綜上可知，遠場的模擬效果優于近場，能夠反映門源地震近場區域斷層運動的復雜性。

圖4 斷層幾何參數反演結果Fig.4 Inversion results of fault geometric parameters

2.2 斷層滑動分布線性反演

首先將斷層走向和傾向分別延伸至30 km和15 km，然后將斷層面劃分為2 km×1 km的格網，基于固定滑動角的分布式滑動模型，利用非負最小二乘算法對斷層滑動分布進行線性反演。進行多次迭代實驗后確定阻尼因子為0.03，得到斷層滑動分布結果(圖5)。由圖可知，研究區域存在一個主要破裂區，長度約16 km、寬度約5 km。同震破裂表現為左旋走滑特征，滑動分布主要集中在地下2～6 km處(在深度方向，負值表示高于海平面的頂部斷層，正值表示地下深度)，最大滑動量為4.2 m，大約位于地下4.5 km處。上述滑動分布結果與USGS公布的結果相符。

圖5 滑動分布反演結果Fig.5 Inversion results of slip distribution

結合斷層參數反演結果和滑動分布結果可知，2022年門源地震發震斷層具有左旋走滑特征，整體呈NWW-SEE向。可以判定本次地震發生在SE向冷龍嶺斷裂西北段和EW向托來山斷裂東段之間，理由如下：1)本文反演得到的發震斷層滑動方式與冷龍嶺斷裂和托來山斷裂的運動方式一致；2)中國地震局地球物理研究所對余震序列進行重定位后得到主震和374次余震的震源位置參數，其中主震發生在托來山斷裂和冷龍嶺斷裂交會處；余震序列西段位于托來山斷裂，東段位于冷龍嶺斷裂，余震整體分布方向與本文同震形變場呈現的走向一致。

3 地震三維位移場正演研究

利用D-InSAR技術計算的同震形變場是地面E、N、U三個方向上位移分量在雷達脈沖入射方向投影的疊加結果。本文以同震滑動模型為源數據，正演得到地表位移的三維形變場，結果如圖6所示。由圖6(a)可見，在E方向上，斷層北盤呈向西的運動趨勢，南盤呈向東的運動趨勢，說明本次地震以走滑為主。由圖6(b)可見，在N方向上，斷層北盤西段呈擠壓抬升特征，東段呈拉張沉降特征，東段形變量遠小于西段，因此北盤整體呈向南的運動趨勢；斷層南盤呈向北的運動趨勢，整體表現為前端受到擠壓作用產生抬升形變，后端受到拉張作用產生沉降形變，沉降形變量遠大于抬升形變量。由圖6(c)可見，在U方向上，斷層北盤東段呈沉降形變特征，西段呈抬升形變特征；斷層南盤東段呈抬升形變特征，西段呈沉降形變特征。U方向斷層整體呈四象限分布，形變量遠小于E、N方向。由3方向同震形變位移可知，本次地震的發震斷層具有左旋走滑特征。

圖中黑色線代表斷層圖6 正演形變場不同方向位移分量結果Fig.6 Results of displacement components in different directions of forward deformation field

以E、N、U三個方向上的位移分量為數據源，添加傳感器的方位角、觀察角度和軌道表面文件等信息，得到模擬升降軌衛星視線向的同震形變場和殘差值，結果如圖7所示。由圖可知，升降軌同震形變場的模擬結果在形變量級和分布形態上與觀測得到的同震形變場(圖3)基本一致，殘差分布主要集中在斷層附近，與斷層近場失相干現象、斷層模型簡化及大氣誤差等因素有關。經計算可知，升軌同震形變場模擬結果的殘差范圍為-0.13～0.15 m，降軌同震形變場模擬結果的殘差范圍為-0.13～0.19 m，驗證了本文同震滑動分布反演結果的準確性。

圖7 正演模擬的升降軌LOS向同震形變場與觀測值殘差Fig.7 Forward simulated coseismic deformation field of ascending and descending orbit and residual error of observed value

4 結 語

本文利用Sentinel-1A衛星的升降軌數據，通過D-InSAR技術獲得2022年門源地震視線向同震形變場。采用Okada彈性半空間模型進行反演，獲得本次地震發震斷層參數和斷層滑動分布情況，并基于滑動分布模型正演得到升降軌同震模擬形變場。主要結論如下：

1)同震形變場顯示，本次地震發震斷層整體走向為NWW-SEE，運動方式以走滑為主。升軌同震形變場沿視線向最大抬升形變量為39 cm，最大沉降形變量為56 cm；降軌同震形變場沿視線向最大抬升形變量為58 cm，最大沉降形變量為56 cm。

2)門源地震發震斷層傾角為86°、走向為109°、滑動角為0.79°，震中位置為101.28°E、38.78°N，地震矩為8.22×1018Nm，對應的矩震級為MW6.6，該結果與USGS和GCMT等機構公布的斷層參數基本一致。發震斷層具有左旋走滑特征，滑動分布主要集中在地下2～6 km處，最大滑動量為4.2 m，位于地下4.5 km處。總體分析可知，此次地震發生在SE向冷龍嶺斷裂西北段和EW向托來山斷裂東段之間。

3)升降軌同震形變場正演模擬結果在形變量級和分布形態上與觀測得到的同震形變場基本一致，驗證了本文同震滑動分布反演結果的準確性。