InSAR約束下的2021年西藏比如MW5.7地震斷層幾何參數及滑動分布

馬唐敬

1 華北水利水電大學測繪與地理信息學院,鄭州市金水東路136號 450046

對于大地震,由于其能直接反映活動斷層的發震構造及特點,通常會受到學者重視;但中等量級地震同樣不可忽視,可補充主活動構造斷層的詳細發震信息。此外,中等量級地震也會造成較大人員傷亡和財產損失。據美國地質調查局(USGS)報告,2021-03-19世界時06:11:27,在青藏高原中部發生了一次中等量級(MW5.7)淺源地震,震源深度約為8 km。此次地震發生在班公湖怒江縫合帶南部約7 km處,震中位于西藏自治區那曲市(圖1),震后2周內共發生6次MW4.0以上余震(圖1(b))。由于地震發生在相對偏遠且人員稀疏的地區,未引起人員傷亡,卻造成大量房屋受損。據USGS和GCMT報告的震源機制解(表1)可知,該地震發生在SE向中等傾角斷層上,且地震破裂以正斷為主。

表1 2021年比如地震震源參數

(a)中紅色透明區為圖(b)區域,黑粗箭頭為相對板塊運動方向[1]。ATF表示阿爾金斷裂帶,KF表示卡拉喀什斷裂帶,KRF表示喀喇昆侖斷裂帶,MFT表示喜馬拉雅主前緣逆沖帶,BNS表示班公湖怒江縫合帶,AKMS表示阿尼瑪卿-昆侖-麻扎塔格縫合帶,IYS表示雅魯藏布江縫合帶,JS表示金沙江縫合帶。(b)中綠色方框為SAR覆蓋區域,紅星為來自USGS地震機構的2021年比如地震震中,紅色沙灘球為其震源機制解,粉色和淡藍色沙灘球分別為來自GCMT地震機構1976～2021年間大于MW5.0走滑和正斷地震的震源機制解,黃色圓為震后2個月內MW4.0及以上余震,黑線為斷層

自20世紀90年代,眾多學者就開始廣泛研究合成孔徑雷達干涉(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)測量技術,并在大范圍地形制圖、大尺度面域地表變形監測等行業得到廣泛應用。相比于光學遙感,InSAR技術可實現地表變化的時序幾何測量,有助于彌補傳統測量方法和光學遙感的不足。對于地震而言,在獲取地震發生前后短時間內2幅SLC(single-look complex)影像后,對影像進行差分干涉處理,引入外部DEM,以消除震前地形因素對形變結果的影響,從而獲取地震視線向(LOS)高精度同震形變場。基于InSAR獲得的同震形變信息可分析發震斷層的運動方式、破裂模式、產狀、能量積累和釋放及地震應力觸發等問題,從而揭示地震的地震機制[2]。因此InSAR技術可為監測地震提供一種有效的技術手段。

鑒于震中區海拔高、地形嚴峻及InSAR技術在地震監測應用中的突出優勢等,本文基于Sentinal-1A數據,采用InSAR技術獲取2021-03青藏高原中部比如MW5.7地震的斷層幾何參數及滑動分布。由于當地植被稀疏,可獲得此次MW5.7地震高精度高分辨率的同震形變場。這些SAR數據將為了解此次事件的發震斷層幾何參數和詳細同震滑動提供重要機會,從而有助于理解震中區活動斷裂分布及發震構造。

基于獲取的Sentinal-1A降軌SAR數據,首先采用雙軌法獲得覆蓋此次地震的同震形變場;然后基于彈性位錯理論研究此次事件的發震斷層幾何參數及詳細的同震滑動分布,為了解區域應變積累、發震構造及評估區域地震危險性提供重要參考。

1 InSAR數據處理

利用GAMMA軟件[3],采用InSAR雙軌法提取到覆蓋此次地震區域的1個軌道(降軌77)同震干涉信息(表2)。設置Sentinal-1A距離向與方位向的多視比為10∶2,并利用30 m分辨率DEM消除地形相位的影響。為獲得較高的信噪比,首先利用功率頻譜濾波方法對干涉圖進行濾波[4],然后基于枝切法對干涉圖進行解纏[1],最后對干涉圖進行地理編碼,以將其納入WG-S84坐標系框架中[5]。此外,為去除軌道殘差和地形相關的大氣延遲[6],利用遠場非形變區的觀測數據估計得到關于位置、高程和誤差相位的線性函數,從而得到高質量的與2021年比如地震相關的同震形變場。從圖2(a)中可以看到2個主要的葉狀形變條紋,且西北部的形變條紋梯度高于東南部,表明此次地震破裂發生在一個傾向NW的斷層上。干涉圖中連續平滑的形變條紋顯示此次地震是隱伏型地震事件(即未破裂到地表);同震干涉圖視線向形變范圍為-3.4～1.5 cm。考慮到降軌同震形變僅覆蓋震后半天的數據,此次獲取的同震干涉圖中包含較小的震后形變。

表2 用于生成同震變形場的SAR數據信息

圖2 2021年比如地震同震形變場與降采樣數據

2 大地測量數據模擬

2.1 斷層幾何參數反演

本文利用基于分辨率的降采樣方法[7]對比如地震同震形變場進行重采樣(圖2(b)),并基于矩形位錯理論[8]對斷層滑動進行反演。分別采用非線性反演方法和線性反演方法獲得斷層幾何參數及斷層面上詳細的滑動分布,同時利用多峰值粒子群方法搜索最優的斷層走向、傾角、滑動角、斷層上邊界埋深深度、斷層寬度、長度、滑動量及斷層位置等信息[9]。基于USGS公布的震源機制解及本文同震形變場研究結果,認為此次地震破裂發生在傾向NW的正斷型斷層上,因此反演中約束斷層的走向和滑動角分別在181°～269°和-45°～-135°范圍內。斷層幾何參數反演結果顯示,此次比如地震以正斷裂為主,伴有少量走滑運動,滑動主要分布在5.4～11.4 km深度處(表1)。為評估震源參數的穩定性,采用蒙特卡洛方法將噪聲擾動疊加于原始觀測數據中,并對生成的100組數據進行反演。結果表明,所有斷層幾何參數均較為穩定(圖3),正演結果(圖4(a)～4(c))顯示,均勻滑動模型在整體上可較好地擬合降軌同震形變場,但在斷層跡線附近仍有較大殘差。

直方圖為100組帶有噪聲擾動的觀測數據反演獲取的斷層幾何參數分布;紅色虛線為最優幾何參數,紅線為誤差范圍

(a)和(d)為觀測數據,(b)和(e)分別為均勻滑動模型和滑動分布模型模擬數據,(c)和(f)為殘差。紅實線為地表跡線,紅虛線為埋深在地下的破裂面框架。紅色沙灘球為此次比如地震震源機制解

2.2 滑動分布模擬

固定由均勻滑動模型獲取的最優發震斷層位置、走向和傾角,分別沿走向和傾向將斷層面長度和寬度延長至24 km和20 km,并將斷層面離散成480個1 km×1 km的網格。為確保滑動分布真實的滑動梯度,在反演中添加平滑因子。此外,考慮到利用均勻滑動分布模型得到的傾角相對于精細滑動分布并不是最優的[10],本文在隨后的線性反演中將進一步優化傾角。為同時搜索到最優的傾角及平滑因子,采用對數函數[9](式(1))對傾角和平滑因子進行估計(圖5(a))。進一步將斷層面左、右及下邊界滑動約束為0,并進行線性反演,結果表明(圖5(b)),破裂斷層以正斷為主,滑動主要分布在2.4～11.2 km深度處,在6.4 km深度處滑動量最大為0.17 m。這與已公開的研究結果較為一致[11]。該滑動分布模型產生的地震矩約為3.6×1017Nm,相當于MW5.7。正演結果(圖4(d)～4(c))顯示,相較于均勻滑動模型,滑動分布模型能更好地擬合降軌同震觀測形變場,且均方根誤差為 2.7 mm。

(a)為不同傾角和平滑因子log(ψ+ξ) 函數等值線分布,紅色五角星為全局最小,對應的最優傾角為53°,平滑因子為3.2; (b)為2021年比如地震同震滑動分布模型

f(δ,α2)=log(ψ+ξ)

(1)

式中,ψ和ξ分別為滑動粗糙度和殘差,δ和α2分別為傾角和平滑因子。

3 結 語

利用InSAR技術獲取2021年比如地震同震形變場,其視線向形變范圍約為-3.4～1.5 cm。發震斷層幾何參數及詳細同震滑動分布反演結果表明,此次地震破裂以正斷為主,且伴有少量左旋走滑分量,主要滑動分布在2.4～11.2 km深度范圍內,在6.4 km深度處滑動量達到最大值0.17 m;同震滑動分布模型產生的地震矩約為 3.6×1017Nm,相當于MW5.7。斷層淺部2.4 km以上深度滑動缺失表明,此次地震發生在一條之前未被探測到的隱伏斷層上,蒙特卡洛反演結果顯示出較為收斂的斷層幾何參數也進一步支持了該結論。