2022年瀘定MW6.7地震滑動模型及地震風險性評估

徐 浪 陳 強 吳遠昆 楊瑩輝 趙晶晶

1 西南交通大學地球科學與環境工程學院,成都市犀安路999號,611756

2 浙江華東測繪與工程安全技術有限公司,杭州市潮王路22號,310014

3 成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,成都市東三路1號,610059

據中國地震臺網中心測定,四川省甘孜州瀘定縣在2022-09-05發生MS6.8地震,震中位于102.236°E、29.679°N,震源深度16 km(圖1)。瀘定地震發生在鮮水河斷裂帶南東段磨西斷裂附近,是該區域1786年M7.6地震后的又一次中強震[1]。GCMT給出的震源機制解顯示,瀘定地震發震斷層走向為164°、傾角為78°、滑動角為7°。地震發生后,不同學者利用GNSS資料[2]、衛星雷達影像數據[3]、地震波形數據[4]對發震斷層的幾何參數和滑動破裂等展開相關研究。已有研究資料表明,瀘定地震發震斷層為鮮水河斷裂磨西段,斷層運動以左旋走滑為主,并破裂至地表。

圖1 瀘定地震構造背景及同震大地測量觀測數據Fig.1 Tectonic setting and coseismic geodetic data of Luding earthquake

鮮水河斷裂帶位于青藏高原的東南緣,與安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶共同組成川滇菱形塊體的東邊界,是中國大陸活動強烈的大型左旋走滑型斷裂帶之一。1700年以來,鮮水河斷裂帶發生8次7級以上地震,整條斷裂幾乎都發生過破裂,最近一次為1973年M7.6爐霍地震[1]。地質資料揭示,鮮水河斷裂左旋走滑速率為8～12 mm/a,且南東段滑動速率大于北西段[5]。基于GNSS數據的震間速度場反演結果顯示,鮮水河斷裂磨西段自1786年后積累的能量足夠產生MW6.89地震[6]。Qiao等[7]利用Sentinel-1衛星數據獲取鮮水河斷裂高密度震間速度場,并估算了磨西段具有發生MW>7.0地震的潛力。復雜的地質構造背景和長期的構造應力加載使得該區域地震風險性較高。

對于此次瀘定地震事件,利用多源大地測量數據獲取地震震源模型的研究較少,并且多數僅計算庫侖應力變化進行地震風險評估,并未結合震前斷層運動參數和歷史地震背景綜合評估該區域地震風險。本文收集Sentinel-1衛星升降軌影像數據,利用D-InSAR技術,精確提取其同震形變場,并聯合GNSS和強震動數據進行共同約束,利用模擬退火算法估計斷層幾何模型參數,反演精細的滑動分布模型,揭示斷層破裂運動模式;然后結合震間斷層閉鎖和已有震間耦合模型資料對斷層滑動分布和余震分布進行分析,深入探討斷層發震機制;最后計算靜態同震庫侖應力變化,結合震間地震矩積累和歷史地震資料綜合進行地震風險評估。

1 瀘定地震同震形變提取

搜集瀘定地震前后覆蓋震中區域的升降軌Sentinel-1雷達衛星影像數據(表1、圖1),利用ISCE(InSAR scientific computing environment)軟件對升降軌數據進行D-InSAR處理[8],獲取同震形變場。在處理過程中,對Sentinel-1影像分別進行距離向為20視以及方位向為4視處理,生成干涉圖。后續利用歐空局發布的精密軌道數據去除參考橢球相位,并基于30 m分辨率的SRTM數字高程模型去除地形相位。然后采用Goldstein濾波方法[9]對干涉圖進行濾波,再使用最小費用流算法[10]進行相位解纏。地理編碼后基于GACOS(generic atmospheric correction online service)模型[11]減弱對流層的大氣延遲分量,最終獲取瀘定地震升降軌同震形變場(圖2)。

表1 SAR影像參數

圖2 Sentinel-1衛星升降軌InSAR同震形變觀測場、模擬場和殘差Fig.2 Observation, simulation and residual of InSAR coseismic deformation of Sentinel-1 ascending and descending tracks

2 多源大地測量數據聯合反演斷層滑動模型

采用自適應四叉樹降采樣算法[12]對兩軌形變場進行降采樣。降采樣前,首先對相干性低于0.5的區域進行掩膜,避免低質量、高噪聲的形變數據參與后續反演,然后選取合適的形變梯度閾值對兩軌數據進行降采樣,最終Sentinel-1升、降軌形變場分別保留1 229個、1 139個觀測數據。另外,本文將聯合Li等[13]公布的GNSS和強震動同震形變數據,同本文獲取的InSAR觀測數據共同反演斷層滑動分布模型(圖3)。采用基于大地測量數據約束的斷層源模型反演方法獲取最優斷層幾何參數[14-15]。根據先驗信息,將斷層走向搜索區間設置為100°～180°、傾角搜索區間設置為50°～90°、滑動角搜索區間設置為-90°～90°。斷層滑動反演之前,需要確定不同大地測量數據的權重以及平滑因子。相比于InSAR數據,GNSS和強震動數據的水平位移精度較高,因此將其權重設置為1,并以0.05為步長在0.05～1區間內設置不同的InSAR數據權重值進行反演,最終繪制模型殘差和InSAR數據權重的L曲線,見圖3(c)。類似地,設置3～20的平滑因子區間,以0.5為步長進行多次反演,最終繪制模型殘差和斷層面粗糙度的L曲線確定平滑因子,見圖3(d)。最終確定平滑因子為8、InSAR權重為0.3進行斷層幾何估計和斷層滑動反演。

圖3 滑動模型及反演參數Fig.3 Slip model and inversion parameters

最優斷層幾何模型表明,瀘定地震發震斷層走向為NNW-SSE,約為164.3°,傾角為73.7°,滑動角為-3.2°。最優滑動模型結果顯示,瀘定地震發震斷層運動模式以左旋走滑為主,兼具少量正斷層和逆沖運動,并破裂至地表。斷層滑動主要分布在0～18 km深度范圍,最大滑動量為1.67 m,位于7 km深度處;地震矩為1.18×1019Nm,對應矩震級為MW6.71,與USGS和GCMT給出的結果較為一致。此外,圖2和圖4顯示了根據最優滑動模型正演的InSAR與GNSS和強震動數據的觀測場與模擬場,二者形變模式與量級都有著很好的一致性,間接驗證了本文估計的斷層幾何參數與最優滑動模型的可靠性和魯棒性。GNSS和強震動觀測水平分量位移殘差為1.7 mm,Sentinel-1升、降軌水平位移殘差分別為1.6 cm和1.7 cm。

圖4 GNSS和強震動數據的觀測場和模擬場Fig.4 The observed and simulated displacement fields of GNSS and strong motion data

余震主要分布在滑動分布邊緣或者梯度變化大的區域,與滑動分布在空間上有較好的互補關系,這可能是由于同震庫侖應力觸發所導致。重定位的余震結果顯示,瀘定地震余震分布集中在17 km深度以上,與后續利用震間GNSS數據反演的17.8 km閉鎖深度有著很好的空間對應關系。大地測量數據反演的三維耦合模型結果顯示,磨西段斷層耦合程度東南段高于西北段[13],西北段斷層弱耦合可能阻止了斷層同震滑動,而東南段高耦合區域的凹凸體可能釋放了應變,后續斷層東南區域的余震深度明顯深于西北區域的余震深度也驗證了這一點。上述分析表明,瀘定地震的同震滑動和后續余震的空間分布受到震間斷層耦合分布狀態的影響。

3 震前斷層運動狀態

搜集Wang等[16]給出的中國大陸長期GNSS速率場,利用垂直于斷層兩側250 km的GNSS數據剖面(圖5(a)中粉色正方形表示反演中使用的GNSS臺站位置),并基于二維彈性螺旋位錯模型反演斷層運動狀態,包括斷層閉鎖、長期運動速率等運動參數。其中平行斷層運動速率Vpar與斷層運動參數之間關系可由式(1)表達:

(1)

圖5 斷層閉鎖深度和長期運動速率反演Fig.5 The inversion of fault locking depth and long-term slip rate

式中,x為數據點到斷層的垂直距離,S為斷層長期運動速率,D為斷層閉鎖深度,a為靜態偏移常數。

采用貝葉斯算法,基于馬爾科夫鏈蒙特卡羅(MCMC)采樣器,計算每個待求參數的后驗概率密度函數,將最大后驗概率解作為參數估計的最優值。對斷層運動參數進行0

4 區域地震風險性評估

2022年瀘定MW6.7地震僅造成磨西斷裂南段發生破裂,磨西斷裂北段自1786年M7.6地震后并未破裂,而大地測量結果顯示磨西段一直存在應變積累,具有發生強震的風險性[6-7]。基于估計的斷層閉鎖深度和長期運動速率,利用式(2)可以估算距離上次特征地震發生后積累的地震矩:

M=G·Vs·(W·L)·T

(2)

式中,M為累積地震矩,G為剪切模量,Vs為斷層長期運動速率,W和L為斷層閉鎖長和寬,T為距離上次特征地震發生后的離逝時間。假設磨西斷裂在17.8 km深度以上完全閉鎖,17.8 km深度以下斷層以10.8 mm/a的速率運動自由滑動,則自1786年積累的地震矩為9.52×1019Nm,相當于一次MW7.26地震的能量。而本次瀘定地震釋放的能量僅占累積地震矩的12.3%,因此磨西斷裂的地震風險性依舊很高。

中強震的發生會釋放斷裂長期加載的應力應變,同時也會對周圍斷裂相互作用從而抑制或者促進周緣斷裂的破裂。本文基于反演的最優滑動模型,在均勻彈性介質模型下計算周緣斷裂上的靜態庫侖應力變化,其中有效摩擦系數設定為0.4,接收斷層模型的參數設置參考文獻[13]。圖6顯示瀘定地震后鄰近區域斷層10 km深度處的庫侖應力變化,庫侖應力明顯增強的區域包括:鮮水河斷裂磨西段北部靠近康定區域、安寧河斷裂北段、小金河斷裂北段、大涼山斷裂北段、龍門山斷裂西側和玉農希斷裂中部。值得注意的是,安寧河斷裂自1480年和1536年發生2次M7.5地震后一直保持平靜,被認為是主要的地震空區[1]。所以在瀘定地震發生后,應加強對安寧河斷裂帶活動性的監測。同時,瀘定地震只造成磨西段南部部分區域發生破裂,磨西段北部區域并未破裂,而磨西段北部靠近康定區域的庫侖應力卻顯著增加,綜合磨西段震間積累的地震矩結果推測,磨西段未來可能發生MW>7.0地震。

圖6 瀘定地震后周緣斷裂10 km深度處的靜態庫侖應力變化Fig.6 Coulomb failure stress change of the adjacent faults at a depth of 10 km after Luding earthquake

5 結 語

本文利用多源大地測量數據反演瀘定地震斷層幾何參數和滑動分布模型,結果顯示,斷層走向為164.3°、傾角為73.7°、滑動角為-3.2°,運動模式以左旋走滑為主,并破裂至地表。斷層滑動分布集中在18 km深度以上,與估計的17.8 km斷層閉鎖深度空間分布一致。余震的空間分布與斷層閉鎖深度也有很好的一致性,并且東南部分余震的深度明顯深于西北部分,這可能是受到震間斷層耦合分布狀態影響所致。瀘定地震僅造成磨西斷裂東南段部分區域發生破裂,而磨西斷裂自1786年積累的地震矩為9.52×1019Nm,相當于一次MW7.26地震的能量,并且磨西斷裂西北段庫侖應力顯著增加,推測磨西段未來可能發生MW>7.0地震。瀘定地震后安寧河斷裂帶庫侖應力加載狀態明顯,后續尤其需要注意安寧河斷裂的地震風險性。