2023年土耳其“雙大震”InSAR同震形變觀測及斷層滑動分布反演

郝小葉 張永志,2 柳姣姣 程雅雯 吳文強 周 甜

1 長安大學地質工程與測繪學院,西安市雁塔路126號,710054

2 地理信息工程國家重點實驗室,西安市雁塔路中段1號,710054

根據中國地震臺網中心(CENC)測定,2023-02-06 09:17:37和18:24:50土耳其境內發生2次7.8級大地震,依次為帕扎爾西克地震和伊爾比斯坦地震,全球地震矩心矩張量(GCMT)和美國地質調查局(USGS)也相繼公布“雙大震”的震中位置及震源機制解(表1)。兩次大震震中位置相距約96 km,初步判定均為走滑型破裂機制,且都發生于東安納托利亞斷裂系中[1]。據記載,土耳其境內近 25 a共發生8次7級以上地震,但在過去一個世紀北安納托利亞斷裂帶超強的地殼運動背景下,此次地震序列急轉于東安納托利亞斷裂系,且近乎同時發生2次大地震;此外,地震震中處于人口密集區,事后還多次發生震級較大的余震,人民生命財產安全和經濟發展都遭受重創。因此,研究本次土耳其“雙大震”的發震機理,有助于深入了解東安納托利亞斷裂系的孕震機制,對該區域地震危險性分析具有重要的參考價值。

表1 2023年土耳其“雙大震”地震信息

近幾十年來,InSAR技術在地球物理學領域得到廣泛應用,因其具有高時空分辨率、全天時、全天候等優勢,使得高效獲取近場地表形變信息成為可能,特別是差分干涉測量(D-InSAR)與像素偏移追蹤(POT)技術的聯合分析可提取到更加完整、豐富的同震形變信息,現已多次應用于強震形變監測分析和震源參數反演研究中[2]。本文采用歐空局(ESA)提供的2023年土耳其“雙大震”破裂區的完整Sentinel-1 A影像數據,解算此次事件的近斷層同震形變場,并基于“四叉樹”降采樣后的像素偏移量進行發震斷層的精細化滑動分布反演,進而分析和探討此次地震序列的震源機制情況。

1 地質構造背景

2023-02-06土耳其“雙大震”發生于阿拉伯板塊和安納托利亞塊體的交界帶——東安納托利亞斷裂系中,是世界上最活躍的大型轉換斷裂帶之一,接納了安納托利亞塊體的長期西向擠壓運動[3-4]。安納托利亞板塊是在歐亞板塊與阿拉伯板塊的長期碰撞,以及非洲板塊東北向的不斷俯沖作用下分離產生的一個微板塊,在各板塊匯聚處形成以東安納托利亞斷層和北安納托利亞斷層2條大型走滑斷裂為主的超強活動構造結[5]。地質資料表明,“雙大震”破裂斷層均處于以東安納托利亞斷層為主的斷裂系中(圖1)。

圖(a)中藍色方框表示T14升軌覆蓋范圍,棕色方框表示T21降軌覆蓋范圍,白色方框表示圖(b)覆蓋范圍;紅色實線表示安納托利亞板塊邊界的主要斷層結構(東安納托利亞斷層和北安納托利亞斷層數據取自文獻[6]);紅色五角星及震源沙灘球表示由GCMT提供的“雙大震”震中位置及震源機制解,黑色和藍色沙灘球分別表示自1960年以來6級以上歷史地震

東安納托利亞斷裂帶(EAFZ)是地中海區域的主要陸內轉換斷裂帶之一,全長約550 km,為左旋走滑型斷層,與右旋走滑性質的北安納托利亞大型斷裂帶(NAFS)交會于東北向的卡爾勒奧瓦三聯點處,且在西南方向延伸至安塔基亞附近與死海斷裂帶毗鄰[4,7]。現有研究結果表明,東安納托利亞斷層滑動速率由東北端向西南端遞減,形變速率值介于4～10 mm/a,遠低于北安納托利亞斷層的平均滑動速率(21～25 mm/a)[8]。研究區內1960年以來共發生6次5級以上地震: 1964年賓格爾MS6.9地震、1971年賓格爾MS6.7地震、2003年賓格爾MW6.3地震、2010年埃拉澤MW6.1地震和2020年埃拉澤MW6.8地震[9],均與東安納托利亞斷層地質構造活動有關。東安納托利亞斷層的幾何形狀較為復雜,斷層南端存在多條次生斷層,其中索爾古和恰爾達克斷層均呈現北傾的左旋走滑特性[4]。該地震序列的發生表明,東安納托利亞斷層近年來的地震活動仍十分活躍,因此解算此次“雙大震”序列的同震形變場,分析發震斷層的破裂機制,對東安納托利亞斷層近年來的運動特征及斷層固有特性的進一步研究具有重要意義。

2 土耳其“雙大震”同震形變場

2023-02-06土耳其“雙大震”發生后,歐空局先后發布覆蓋該震區的Sentinel-1 A衛星影像(表2),本文采用衛星寬幅干涉模式時間基線較短的升、降軌干涉像對進行兩軌法差分干涉,以獲取地表形變信息。據美國地質調查局(USGS)和全球矩心矩張量(GCMT)機構測定的土耳其“雙大震”震源參數信息,在差分干涉處理前,分別對Track14(升軌)和Track21(降軌)的主、從影像對進行拼接處理。獲得相應的衛星影像后,基于GAMMA軟件分別對升、降軌影像對作兩軌法差分干涉,并采用美國宇航局(NASA)公布的SRTM 30 m數字高程模型消除地形相位的影響[10];設置影像距離向和方位向視數比為10∶2進行多視處理,抑制干涉相位的噪聲誤差,并使用Goldstein方法進行濾波,從而消除噪聲因素的影響;采用最小費用流法(MCF)對影像作相位解纏處理,對相干系數大于0.4的像元進行解纏,并基于GACOS大氣改正系統消除大氣延遲誤差;通過地理編碼實現影像數據SAR衛星坐標系到WGS84坐標系的投影變換,得到土耳其“雙大震”的升、降軌LOS向形變場(圖2)。

圖2 2023年土耳其“雙大震”同震形變場 (D-InSAR LOS向形變)Fig.2 Coseismic deformation field of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (D-InSAR LOS direction)

表2 Sentinel-1 A數據參數

由圖2可知,升、降軌 LOS 向形變場呈現出2個明顯的同震形變區域,表明此次“雙大震”的同震形變分別集中在東安納托利亞主斷層和索爾古分支斷層附近,最大LOS向形變值為1.76 m,出現在MW7.5地震形變區。但土耳其“雙大震”的破裂斷層附近存在大量失相干缺值現象,未完整表現出此次“雙大震”的同震形變,會降低發震斷層模型反演分析的準確性。為呈現出完整的近斷層地表位移,本文基于GAMMA軟件進行像素偏移追蹤處理,該技術采用影像的幅度特征提取位移信息,不受影像對相干性的影響。研究表明,POT技術獲取地表形變的準確性取決于像素尺寸大小及影像對的配準精度,精度可達到像素大小的1/10～1/100[11],但由于該技術基于像素集合獲取位移,相較于LOS向形變場空間分辨率顯著降低。本文利用影像強度的互相關技術獲取SAR影像對的最佳匹配同名點,選取10∶2的距離向與方位向多視比及320×64的搜索窗口進行影像對的偏移追蹤處理,使用一次多項式曲線擬合去除像素偏移量的軌道趨勢誤差,再選用9×9像素的中值濾波窗口進行去噪,最終得到地震前后的距離向像素偏移(圖3)和方位向像素偏移(圖4)。從圖3、4可以看出,升、降軌數據獲取的距離向偏移量效果明顯優于方位向偏移量,這是因為,像素偏移追蹤技術的精度還與影像分辨率有關,而Sentinel-1 A數據的距離向分辨率遠大于方位向分辨率。此外,升、降軌同震形變場位移反向性顯著,與東安納托利亞斷裂系的左旋走滑性質一致。經過POT技術獲取的形變場表現出非常明顯的變形不連續性,提取近斷層位移不連續面來識別地震破裂跡線,這些位移不連續面很可能代表了MW7.8帕扎爾西克地震和MW7.5伊爾比斯坦地震的發震斷層,初步估計2次大地震的發震斷層破裂長度分別約為260 km和110 km。

圖3 2023年土耳其“雙大震”同震形變場 (距離向偏移量)Fig.3 Coseismic deformation field of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (range offset)

圖4 2023年土耳其“雙大震”同震形變場 (方位向偏移量)Fig.4 Coseismic deformation field of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (azimuth offset)

分析此次地震序列的同震形變場(圖2、3)可知,升軌影像僅覆蓋此次“雙大震”的部分破裂區,但“雙大震”破裂斷層兩側的地表運動變化表現出良好的對稱性,地表形變范圍為-3～3 m,量級較大,其中正值表示地面向靠近衛星方向運動,負值表示向遠離衛星方向運動。由于POT技術獲取的形變場覆蓋近斷層區域,最大像素偏移量(2.94 m)遠大于失相干的最大LOS向形變值(1.76 m)。在升軌形變場中,形變量正值出現在發震斷層北端,負值則在發震斷層南端;相反,降軌形變場中正、負形變值分別對應于發震斷層的南、北兩側,表明此次“雙大震”的破裂機制均呈現出左旋走滑特性,與USGS和GCMT所發布的震源機制解一致。

3 土耳其“雙大震”滑動分布反演

基于POT技術獲取的地表距離向像素偏移量可以清晰展現此次地震序列的發震斷層跡線(圖3),與地震序列的余震分布也高度一致(圖1(b))。本文通過獲取的升、降軌距離向偏移量,使用基于約束條件下的最小二乘原理及最速下降法SDM反演程序[12]進行發震斷層的滑動反演研究,其核心思想是基于負梯度方向的分析調整每次迭代計算的搜索方向,使得待優化的目標函數隨著迭代次數的增加而逐漸減少。

為深入探討土耳其“雙大震”的震源機制,了解此次地震的震源參數及斷層滑動分布趨勢,以震中附近的距離向位移量為約束進行反演分析。首先選用“四叉樹”方法對形變數據進行降采樣,高密度選取影響力占比權重較大的近場形變區域,最終保留1 632個升軌數據點和1 714個降軌數據點。基于斷層滑動的非均勻性構建分布式滑動模型,采用最速下降法進行發震斷層的精細化滑動反演。在反演過程中將地殼視為均勻介質模型,發震斷層細分為4 km×5 km小單元片;根據已發表的震源機制解(表1)和前人對土耳其活動斷裂的研究成果[6,13]初步設定發震斷層F1和F2(圖3、4)的幾何傾角初始值分別為88°和78°,搜索范圍分別為(70°, 90°)和(40°, 90°)。通過不斷改變拉普拉斯滑動因子以獲取最優解,帕扎爾西克地震和伊爾比斯坦地震的斷層滑動分布結果如圖5、6所示,劃分的子斷層塊滑動方向以箭頭表示。

圖5 2023年土耳其“雙大震”斷層滑動分布(二維)Fig.5 The fault slip distribution of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (2D)

圖6 2023年土耳其“雙大震”斷層滑動分布(三維)Fig.6 The fault slip distribution of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (3D)

分析圖5、6可知,此次地震序列的地表破裂主要集中在東安納托利亞主斷裂帶及索爾古斷層上。其中,東安納托利亞主斷層的破裂由帕扎爾西克地震觸發,地表破裂長度約260 km,斷層破裂深度在0～25 km范圍內,最大滑動量約為10.5 m,位于東安納托利亞斷層的S5子斷層地表區域,平均滑動角為3.74°,屬于左旋走滑型兼少量逆沖分量地震;伊爾比斯坦地震的破裂斷層主要為索爾古斷層和恰爾達克斷層,破裂深度范圍為0～30 km,最大滑動量為11.8 km,平均滑動角為1.05°,以左旋走滑分量為主。此外,分析“雙大震”序列后的余震分布和同震形變場可知,MW7.8地震還觸發了努爾達吉-帕扎爾吉克分支斷層上微弱的地表破裂,但USGS、GCMT解算的震源機制解及Li等[14]的研究結果均表明,MW7.8地震可能在該斷層成核,推測該斷層的微運動會顯著影響主斷裂帶的地殼運動。兩次地震發震斷層的破裂機制均與主斷裂帶長期研究中的左旋走滑性質保持一致,且破裂斷層機制與“雙大震”后的余震分布結構高度匹配,表明反演結果具備合理性。

為進一步驗證反演結果的可信度,對模型擬合的形變值和觀測形變值進行對比分析,模擬殘差效果如圖7(圖中兩個黃色五角形,上為MW7.5地震,下為MW7.8地震;圖(a)、(b)、(c)為升軌數據,圖(d)、(e)、(f)為降軌數據)所示。滑動分布反演的模擬值與觀測值之間的相關度達到92.74%,說明模型擬合效果良好,可信度高;擬合值和觀測值之間的殘差較小,基本分布在0值附近,斷層線附近出現少許高殘差值(約為0.61 m)是由于真實的發震斷層線較為復雜,存在多個分支斷層結構,且各斷層的傾角存在多樣性,與模擬選取的斷層結構之間存在較大差異。另外,在形變值遠場還存在部分較高殘差值,且研究得出的地震矩與USGS、GCMT等機構存在較大差異,分析可能與MW6.7余震的地質活動有關。鑒于主震與余震之間的時間間隔及空間距離的緊密性,獲取的形變值無法剔除此次強余震的影響。

圖7 2023年土耳其“雙大震”滑動分布擬合結果Fig.7 The fitting results of distributed slip model of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023

4 討 論

2023年土耳其“雙大震”發生在安納托利亞板塊與阿拉伯板塊的交界帶——東安納托利亞斷裂系中,Sentinel-1 A衛星成功覆蓋此次地震序列的形變區域,震區植被覆蓋稀疏,但矩震級較大,地震矩釋放及破裂程度明顯,導致影像數據的相干性較差,故聯合D-InSAR技術與POT技術進行同震形變的獲取分析。土耳其“雙大震”序列的地震矩總釋放量約為1.24×1021N·m,略大于Li等[14]聯合POT技術獲取的距離向偏移量與GPS速率反演得到的9.62×1020N·m地震矩量,可能和反演時引入的GPS數據以及選取的斷層參數差異有關。該結果與USGS、GCMT發布信息之間存在差異,可能是受Sentinel-1A影像重訪周期的限制,將2次事件的發震斷層滑動反演同步進行所引起。

本文研究結果表明,MW7.8帕扎爾西克地震震源位于東安納托利亞斷層系的努爾達吉-帕扎爾吉克斷裂上,該分支斷層破裂程度較小,但會顯著影響東安納托利亞主斷裂帶的地殼運動,地表破裂長度約260 km,主斷裂東北方向上S3、S5部分的滑動破裂明顯。MW7.5伊爾比斯坦地震發生在東安納托利亞斷層系的分支斷裂——索爾古斷層和恰爾達克斷層上,斷層破裂深度在20～30 km之間,沿斷層走向無明顯橫向變化,破裂長度約110 km,遠小于MW7.8地震所引起的破裂長度,但此次“雙大震”序列的最大滑動量出現在索爾古分支斷裂的地表位置。研究表明,MW7.8帕扎爾西克地震從努爾達吉-帕扎爾吉克分支斷裂沿北北東向延伸到東安納托利亞主斷裂帶上后,沿主斷裂帶繼續向東北方向擴展,隨著能量消散破裂方向發生逆轉,向西南方向沿主斷裂帶繼續擴展。Zhao等[6]聯合InSAR同震形變場及GPS數據得到的發震斷層精細滑動分布結果也表明,帕扎爾西克地震所觸發的同震破裂在東安納托利亞主斷裂東北部分較為明顯,西南端的滑動程度較低,地震序列的最大滑動分布于第2次大地震的形變區域。Li等[14]以GPS數據和距離向偏移量為約束,反演發震斷層的精細滑動分布認為,MW7.8地震引發的地表破裂由東北向西南方向逐漸遞減,且在努爾達吉-帕扎爾吉克分支斷裂上未發生明顯滑動,而MW7.5地震的發震斷裂出現3個明顯的滑動區。由此可知,本文基于同震形變反演的發震斷層滑動分布與已有研究成果基本一致,此次土耳其“雙大震”地震事件均屬于左旋走滑兼少量逆向傾滑分量的地震,該地震序列可解釋為相對穩定的東安納托利亞斷裂系的一次超強能量活動。

5 結 語

本文選取歐空局公布的Sentinel-1A影像數據作為研究數據源,基于GAMMA軟件使用兩軌法和POT技術進行影像干涉,獲取土耳其“雙大震”同震形變場,基于分布式滑動模型進行斷層精細化滑動分布反演,得到以下結論:

1)土耳其“雙大震”升、降軌LOS向同震形變場在形態和形變量上呈現出明顯的對稱性,均屬于典型的左旋走滑型地震,地震破裂的最大距離向偏移量約2.94 m,遠大于LOS向最大形變量。

2)土耳其“雙大震”事件均以左旋走滑兼部分傾滑運動為主,與GCMT、USGS等機構發布的震源機制解一致,與該區域左旋走滑的地質構造背景也一致。其中,MW7.8帕扎爾西克地震發生于東安納托利亞斷層系的努爾達吉-帕扎爾吉克斷裂上,未見明顯破裂,但會顯著影響主斷裂帶的地殼運動,地表破裂超過260 km;MW7.5伊爾比斯坦地震發生在東安納托利亞斷層系的分支斷裂——索爾古斷層和恰爾達克斷層上,破裂長度約110 km。

3)土耳其“雙大震”斷層滑動反演結果與原始觀測值的擬合度達92.74%,最大滑動量為11.8 m,出現在MW7.5伊爾比斯坦地震的形變區,地震矩總釋放量為1.24×1021N·m。

致謝：歐洲航天局(ESA)提供Sentinel-1 A衛星影像數據及GAMMA軟件的技術支持,文中大部分圖件使用GMT軟件繪制,在此一并表示感謝。