2023年塔吉克斯坦MW7.2地震InSAR同震形變場與滑動分布

字城岱 滕興發(fā) 關舒丹 閆高翔 劉森平 白運峰

1 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院,成都市犀安路999號,611756

北京時間2023-02-23 08:37塔吉克斯坦東部戈爾諾-巴達赫尚自治州穆爾加布地區(qū)發(fā)生7.2級地震,震中位于73.29°E、37.98°N,距離首府霍羅格約162 km,我國新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣等震感強烈。中國科學院青藏高原研究所的初步反演結果表明,本次地震震源深度約為10 km,破裂持續(xù)時間15 s,地震具高傾角右旋走滑兼少量正斷分量[1]。此次地震震中區(qū)域地質(zhì)構造復雜,地震頻發(fā),過去5 a震中250 km范圍內(nèi)發(fā)生M3.0以上地震104次,其中2015年在距離震中約42 km的穆爾加布曾發(fā)生MS7.4地震。

基于塔吉克斯坦地震震中區(qū)域平均海拔較高、地勢險峻、近場GPS臺站稀疏等現(xiàn)狀,本文利用合成孔徑雷達差分干涉測量技術(D-InSAR)獲取塔吉克斯坦地震同震形變場,并據(jù)此反演斷層破裂模型,以揭示本次地震發(fā)震機制。

1 區(qū)域構造背景

印度板塊向歐亞板塊俯沖匯聚,導致帕米爾高原地殼由北到南至少收縮300 km[2]。GPS測量數(shù)據(jù)表明,帕米爾高原內(nèi)部以13～20 mm/a的速度向NNW方向運動[3-4],該運動主要受喀什-葉城斷裂系統(tǒng)東線右旋運動以及公格爾斷裂系統(tǒng)控制[5],喀什-葉城斷裂系統(tǒng)和喀喇昆侖斷層使帕米爾高原沿塔里木盆地西緣平移[6]。本次塔吉克斯坦地震發(fā)生在帕米爾高原中部、喀喇昆侖斷層與薩雷茲-穆爾加布逆沖斷裂系統(tǒng)附近。

從李寧等[7]的研究結果來看,本次地震不符合薩雷茲-穆爾加布逆沖斷裂系統(tǒng)附近多為正斷型地震的特性,但與喀喇昆侖斷層右旋走滑運動[8]特征較為符合?？鰯鄬釉谂撩谞柕貐^(qū)以44±5 mm/a的速度運動[9],但其地質(zhì)偏移量存在較大爭議,且北西段分支情況仍未統(tǒng)一[10-13]。結合歷史地震分布來看,喀喇昆侖斷層北西段存在至少100 a的大型地震窗口期,表明引起本次地震的滑動斷層很可能為喀喇昆侖斷層北西段的一條分支盲斷層,具體情況有待進一步研究。

2 InSAR同震形變場

本次塔吉克斯坦地震震中區(qū)域平均海拔較高,地表高程起伏較大,地形復雜,且地震發(fā)生在冬季,區(qū)域內(nèi)冰雪覆蓋率高,利用傳統(tǒng)野外地質(zhì)考察、GPS及水準測量等方法雖可獲取高精度數(shù)據(jù),但空間密度較低,難以完整反映該區(qū)域同震形變特征。本文采用歐空局(ESA)提供的C波段(波長5.6 cm)Sentinel-1A升降軌TOPS模式SAR影像,利用D-InSAR技術獲取雷達視線向(LOS)同震InSAR地表形變場數(shù)據(jù),SAR影像具體參數(shù)見表1。

表1 SAR影像基本參數(shù)

利用GMTSAR軟件進行數(shù)據(jù)處理,結合ESA精密軌道數(shù)據(jù)、NASA發(fā)布的SRTM DEM數(shù)據(jù)(空間分辨率為30 m)及GACOS提供的大氣數(shù)據(jù)進行軌道改正、地形相位移除及大氣相位削弱。由于區(qū)域內(nèi)冰雪覆蓋率較高,將距離向與方位向比值設置為32∶8,并對干涉圖進行高斯濾波處理,以提高干涉信噪比。利用最小費用流方法(MCF)進行相位解纏處理[14],由于精密軌道數(shù)據(jù)誤差會導致趨勢性相位殘留,利用同震形變場中遠場數(shù)據(jù)建立雙線性軌道趨勢面,用于移除趨勢性相位[15]。在進行地理編碼及相位轉形變后,得到覆蓋研究區(qū)的升降軌同震形變場,結果如圖1所示。

圖1 升降軌同震形變場

由圖1可知,本次塔吉克斯坦地震的同震形變場呈不規(guī)則橢圓狀,長軸為70 km,短軸為60 km。以圖中NWW-SEE向黑色虛線為界,圖1(a)升軌形變場顯示,界線下側形變場以靠近衛(wèi)星方向運動為主,伴有部分遠離衛(wèi)星方向的形變,最大形變量約為12 cm;而界線上側則受遠離衛(wèi)星方向的地表運動控制,最大形變量約為15 cm。同時,受失相干及大氣等因素影響,升軌形變場中出現(xiàn)多處形變噪聲,后續(xù)會使用相干性系數(shù)等手段進行去除。相比于升軌形變場,降軌同震形變場(圖1(b))信噪比更高,位于界線下側的形變區(qū)向遠離衛(wèi)星方向運動,最大形變量約為16 cm;而界線上側的形變方向則相反,向靠近衛(wèi)星方向運動,最大形變量為15 cm。結合升降軌形變特征發(fā)現(xiàn),該結果與高傾角走滑地震[16-17]具有高度一致性,由此初步推斷,本次塔吉克斯坦地震為以高傾角走滑為主的地震事件。

3 同震斷層滑動模型反演及分析

以獲取的InSAR升降軌數(shù)據(jù)為約束條件,基于彈性半空間位錯理論,采用模擬退火法進行反演獲取發(fā)震斷層模型參數(shù),并利用線性反演獲得斷層滑動特征,最終得到滑動斷層的空間幾何位置及其運動模型。

3.1 形變場降采樣

由于本文選用的升降軌數(shù)據(jù)具有空間連續(xù)性及覆蓋范圍廣等特點,數(shù)據(jù)量較大,為提高計算效率,需對數(shù)據(jù)進行降采樣處理。為保證結果的可靠性,首先利用相干性系數(shù)對形變場進行掩膜處理,去除精度較低的數(shù)據(jù)點,再利用四叉樹采樣法對未掩膜區(qū)域進行降采樣處理[18],以保證研究區(qū)形變特征的完整性。

3.2 斷層幾何參數(shù)搜優(yōu)

根據(jù)本次地震的InSAR升降軌同震形變場特征,構建一條SE-NW向長80 km、寬60 km的斷層,由于斷層近場形變存在明顯失相干,可認為存在地震導致的部分地表破裂,設定斷層上邊界到達地表。將初始的斷層走向、傾角、深度及滑動角分別設置為130°、80°、-10 km、-170°,搜優(yōu)區(qū)間分別為[90°,180°]、[60°,90°]、[-15 km,-5 km]、[-180°,180°],將斷層離散為5 km×5 km大尺寸矩形滑塊,利用模擬退火算法搜索得到最優(yōu)的斷層幾何參數(shù):走向為131.1°、傾角為85.7°、深度為-8.4 km、滑動角為-171.2°(表2)。

表2 發(fā)震斷層反演參數(shù)對比

3.3 斷層滑動分布反演

在獲取斷層面幾何參數(shù)后,將斷層離散為2 km×2 km小尺寸矩形滑塊,在降采樣后的升降軌形變場約束下反演斷層面運動矢量,以獲得斷層滑動的精細分布。本文反演的塔吉克斯坦地震斷層滑動分布(圖2)顯示,同震主滑移區(qū)主要分布在10～30 km深度范圍內(nèi),沿走向長約40 km,最大滑移量為3.49 m,位于約20 km深度處。主滑移區(qū)兩側更深位置存在兩處子滑移區(qū),其中左側子滑移區(qū)滑移量較小,正斷分量略大于走滑分量,最大滑移量分別約為1.2 m和0.9 m;右側子滑移區(qū)滑移量較大,逆斷分量略小于走滑分量,最大滑移量分別約為1.5 m和2.05 m。該斷層以右旋走滑為主,兼少量傾滑分量,在靠近地表位置的斷層主滑移區(qū)上方不存在大量級的斷層運動,說明本次地震斷層未破裂至地表,而前文提到的地震近場區(qū)域失相干現(xiàn)象可能與嚴重冰雪覆蓋及地震引起的較大量級地質(zhì)災害(滑坡、冰川流速加快等)有關。由表2可知,本文反演得到的矩震級為MW7.16,大于USGS及GCMT結果,但與中國地震臺網(wǎng)中心正式公布的震級較為一致,且斷層走向也與USGS及GCMT的反演結果存在較大差異。這主要是由于USGS及GCMT是利用遠場地震波數(shù)據(jù)開展震源機制參數(shù)估計,由于近場觀測臺站缺失和受限于精細地殼模型,反演結果往往具有較大的不確定性[19]。

黑色箭頭表示離散斷層滑動的運動矢量

3.4 InSAR形變場正演及殘差分析

為驗證本文反演結果的可靠性,利用反演模型正演本次地震的InSAR升降軌形變場,并與觀測值進行對比,結果如圖3所示。對比升降軌形變場的觀測值與模擬值可以發(fā)現(xiàn),二者在形變量及特征上均具有較高的一致性,說明本文斷層反演模型可以很好地解釋地表形變,驗證了本文反演結果的可靠性。進一步分析升降軌形變場的殘差結果發(fā)現(xiàn),大部分區(qū)域的殘差都在0值附近,僅在升軌斷層左側存在較大的殘差值。觀察殘差分布特征發(fā)現(xiàn),殘差變化不連續(xù),分布不均勻,為零星分布,結合研究區(qū)地質(zhì)背景及地震發(fā)生時為冬季等情況,導致殘差較大的原因可能為高海拔地區(qū)嚴重大氣影響及冰川局部運動,由于不滿足彈性位錯機制,無法正演該部分形變,從而導致殘差分布出現(xiàn)異常。

黑色矩形為反演斷層

4 同震庫侖應力分析

由于本次地震震級較大,影響范圍較廣,且震中區(qū)地質(zhì)構造背景復雜,本文收集USGS公布的主震后3個月內(nèi)發(fā)生的103次余震信息,結合靜態(tài)庫侖應力變化與余震分布的對應關系來討論發(fā)震節(jié)面性質(zhì),進而評估本次地震對區(qū)域未來地震危險性的影響。以本文反演得到的右旋節(jié)面解(走向131.1°、傾角85.7°、滑動角-171.2°)為接收面,設置摩擦系數(shù)為0.4、楊氏模量為30 GPa、泊松比為0.25,計算不同深度的靜態(tài)庫侖應力,結果如圖4所示。

綠色小球代表該深度處余震分布;黃色小球代表其他深度處余震分布

從圖4可以看出,在地表處(圖4(a)),應力卸載區(qū)呈NW向,加載區(qū)呈SN向,整體庫侖應力分布以卸載區(qū)為主,朝向與本文反演節(jié)面一致,發(fā)震斷層周圍應力增量遠超應力觸發(fā)閾值0.1 bar,存在較大地震風險。在5 km深度處(圖4(b)),應力加載區(qū)向卸載區(qū)擴張,東、西側應力加載區(qū)明顯增加,但該深度處仍無余震發(fā)生,對于如此大范圍超過閾值的應力加載區(qū),該深度發(fā)生地震的風險依然較大。在10 km深度處(圖4(c)),應力加載區(qū)依然在向卸載區(qū)擴張,該深度的應力加載區(qū)開始大于卸載區(qū),103次余震中有41次發(fā)生于該深度周圍,且均落于庫侖應力大于0.1 bar的應力加載區(qū)或邊界處,推測該深度為震后余震應力釋放的主要區(qū)域。在20 km深度處(圖4(d)),庫侖應力分布關于發(fā)震斷層呈現(xiàn)明顯對稱特征,沿發(fā)震斷層走向方向加載區(qū)與卸載區(qū)交替出現(xiàn),該深度周圍發(fā)生1次余震活動,且位于庫侖應力大于0.1 bar的應力加載區(qū)。

總體而言,本次地震震后共發(fā)生103次余震,且集中分布于本文反演的斷層節(jié)面附近,其中30 km深度以上共發(fā)生余震42次(10 km深度周圍41次,20 km深度周圍1次),其余余震均發(fā)生在60 km深度以下,鑒于后者震源深度較深,對地表影響較小,本文在此不進行分析。結合0～20 km深度的庫侖應力分布特征可知,該區(qū)域庫侖應力符合已有的帕米爾高原應力場及地質(zhì)學研究結果[20],隨著深度增加,其影響范圍也在以發(fā)震斷層為中心向外擴張。在5 km深度以下,應力加載區(qū)逐漸侵蝕應力卸載區(qū),并開始以加載區(qū)為主,10 km深度周圍開始發(fā)生余震活動。

計算與本文反演斷層相鄰的2條斷層(薩雷茲-穆爾加布逆沖斷層、喀喇昆侖斷層)的應力變化,結果如圖5所示。觀察薩雷茲-穆爾加布逆沖斷裂系統(tǒng)應力變化發(fā)現(xiàn),該斷裂系統(tǒng)中段10 km深度以下存在遠大于觸發(fā)閾值0.1 bar的應力觸發(fā)區(qū)。結合圖4(c)可知,薩雷茲-穆爾加布逆沖斷裂系統(tǒng)中段與本文反演斷層的交界處曾多次發(fā)生M4.0以上余震,震源深度約為10 km。綜上認為,由于本次地震引起的庫侖應力變化在震后余震的觸發(fā)下得到釋放,薩雷茲-穆爾加布逆沖斷裂系統(tǒng)中段未來短時間內(nèi)地震風險性較小;而喀喇昆侖斷層的應力變化分布于斷層北段,且以應力卸載為主,最大應力變化約為0.3 bar,短時間內(nèi)地震風險性也較小。

圖5 相鄰斷層的同震靜態(tài)庫侖應力變化

GPS數(shù)據(jù)顯示,帕米爾高原東側的運動速率明顯大于北側,存在地殼延伸現(xiàn)象[21],從帕米爾高原至塔里木盆地又存在明顯的E向速率差,存在明顯左旋走滑運動。本次塔吉克斯坦地震發(fā)生在帕米爾高原中西部地區(qū),在2020年后該地區(qū)無6.5級以上地震發(fā)生的背景下,本次地震的發(fā)生是必然的。

5 結 語

本文利用Sentinel-1A衛(wèi)星C波段SAR影像數(shù)據(jù)對2023-02-23塔吉克斯坦地震進行同震形變場提取及斷層參數(shù)反演,并以反演得到的右旋節(jié)面解為接收面,計算不同深度的靜態(tài)庫侖應力。同時,結合本文反演斷層對相鄰的薩雷茲-穆爾加布逆沖斷層和喀喇昆侖斷層造成的應力變化,分析震中區(qū)未來地震風險性,得到以下結論:

1)2023-02-23塔吉克斯坦MW7.2地震發(fā)震斷層位于薩雷茲-穆爾加布逆沖斷裂系統(tǒng)中段、喀喇昆侖斷層北段附近,地震造成升軌LOS向最大形變量達15 cm,降軌LOS向最大形變量達16 cm,形變場特征顯示此次地震以走滑分量為主,兼部分傾滑分量。

2)以InSAR同震形變場為約束,反演得到本次地震發(fā)震斷層走向為131.1°、傾角為85.7°,同震主滑移區(qū)分布在10～30 km深度范圍內(nèi),以右旋走滑為主,最大滑移量約為3.49 m,位于約20 km深度處。主滑移區(qū)左側存在部分正斷分量,最大值約為1.2 m,右側存在部分逆斷分量,最大值約為1.5 m。反演得到的矩震級為MW7.16,與中國地震臺網(wǎng)中心公布的數(shù)據(jù)較為一致。

3)本次塔吉克斯坦地震的余震較集中分布于本文反演斷層附近,且落于應力加載區(qū)或邊界處,在10 km深度以上的淺層地殼區(qū)域無余震信息,10 km深度處發(fā)生大量余震(41次),占3個月來余震總數(shù)的39.8%,且該深度往下,應力變化開始以加載為主。對于與本次發(fā)震斷層相鄰的2條斷層而言,其未來短時間內(nèi)地震風險性較小。

4)本次地震震中在構造上位于印度板塊和歐亞板塊碰撞的西構造結,結合本文模擬的斷層幾何參數(shù)與運動狀態(tài)及對喀喇昆侖斷層產(chǎn)生的應力變化推測,發(fā)震斷層很可能是喀喇昆侖斷層西北延伸部分。