2023年積石山MS6.2地震發(fā)震斷層傾向爭議討論與相鄰斷裂地震危險性評估

摘要： 2023年12月18日甘肅省積石山縣發(fā)生MS6.2地震。選取Sentine1-1A升、降軌SAR衛(wèi)星影像，采用差分合成孔徑雷達干涉測量（D-InSAR）技術獲取此次地震的同震形變場。結果顯示，升、降軌LOS向同震形變場長軸為NW—SE向，變形為正值，向衛(wèi)星方向靠近，揭示出地表抬升，升、降軌LOS向最大形變量分別為12 cm和9 cm。以升、降軌形變數(shù)據(jù)為約束，采用梯度下降法（SDM）反演同震滑動分布。反演結果表明：發(fā)震斷裂西南傾向和東北傾向斷層模型均能較好地正擬合合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）同震形變場觀測值，反映出積石山地震為逆沖兼走滑型。為解決此次地震發(fā)震斷層及傾向爭議，重點結合區(qū)域構造背景和余震分布，推測其發(fā)震斷層為一條走向NW—SE且傾向SW的隱伏斷層，走向～148.4°，傾角52°，滑動角～130°，可能為積石山東緣斷裂分支斷層。同震庫侖應力模型顯示，臨潭—宕昌斷裂東段、冷龍嶺斷裂東段、海原斷裂西段、拉脊山南緣斷裂西段、貴德斷裂等斷層段位于同震庫侖應力變化（ΔCFS）正、負跨界轉換處，應給予關注。

關鍵詞： InSAR; 積石山MS6.2地震; 同震形變場; SDM; 斷層滑動分布

中圖分類號： P315""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）02-0480-12

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240520001

Discussion on the controversies of seismogenic fault dipping direction

for 2023 Jishishan MS6.2 earthquake and seismic

hazard assessment of its adjacent faults

PING Zifei1， GE Weipeng^1，2， ZHANG Bo1， ZHU Junwen1， CAO Xiyu1

（1.Lanzhou Institute of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，Gansu，China;

2.Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：

On December 18， 2023， an MS6.2 earthquake occurred in Jishishan County， Gansu Province. The ascending and descending Sentinel-1A SAR satellite images were selected and the differential interferometric synthetic aperture radar （D-InSAR） technology was used to obtain the co-seismic deformation field of the earthquake. The results show that the long axis direction of co-seismic deformation field in the line of sight （LOS） direction is NW-SE， and the deformation is positive， indicating an approach towards the satellite and revealing surface uplift. The maximum deformation in the LOS direction of ascending and descending tracks is 12 and 9 cm， respectively. Subsequently， the co-seismic slip distribution was inverted using the steepest descent method with ascending and descending deformation data as constraints. The inversion results show that both the SW-dipping and NE-dipping fault models fit the observed values of InSAR co-seismic deformation field well， indicating that the MS6.2 earthquake is a combined thrust/strike-slip faulting type. The tectonic background and aftershock distribution in the study area were discussed to solve the controversies on the seismogenic fault and its dipping direction of the event. It is inferred that the seismogenic fault of the Jishishan MS6.2 earthquake is a hidden fault striking NW-SE and dipping SW， with a strike of approximately 148.4°， a dip angle of 52°， and a slip angle of approximately 130°， possibly a branch fault of the Jishishan east margin fault. Additionally， the co-seismic Coulomb stress model shows that the eastern section of Lintan-Tanchang fault， the eastern section of Lenglongling fault， the western section of Haiyuan fault， the western section of Lajishan southern margin fault， and the Guide fault are located at the positive-negative transition zone of co-seismic Coulomb failure stress change （ΔCFS）， which should be given attention.

Keywords：

InSAR; Jishishan MS6.2 earthquake; co-seismic deformation field; SDM; fault slip distribution

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定（https：//news.ceic.ac.cn/），北京時間2023年12月18日23時59分，甘肅省臨夏州積石山縣發(fā)生MS6.2地震，震源深度10 km，震區(qū)最大烈度為Ⅷ度。此次地震震中位于甘肅省臨夏回族自治州積石山縣柳溝鄉(xiāng)（102.79°E，35.7°N）。截至2023年12月24日6時，共記錄到余震538次，其中3.0級及以上余震11次，最大余震4.1級，均位于主震北部，且呈北西向分布。積石山地震發(fā)生后，國內外不同機構及學者采用不同的方法獲得了該地震的震源機制解（表1），一致認為其是一次逆沖型地震。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，自 1900 年以來，在積石山地震250 km范圍內已經(jīng)發(fā)生了23次M5.5及以上地震，如1920年寧夏海原MS8.5、1927年甘肅古浪西MS8.0、1990年青海共和MS7.0、2013年甘肅岷縣MS6.7等地震。積石山地震發(fā)生在青藏高原東北緣的柴達木—祁連山地塊內部^［5］，在歐亞板塊和印度板塊持續(xù)的匯聚、擠壓作用下，該區(qū)域構造活動劇烈^［6-8］。

積石山地震發(fā)震構造為拉脊山斷裂帶，由拉脊山北緣斷裂、拉脊山南緣斷裂、積石山西緣斷裂和積石山東緣斷裂這四條斷裂帶構成（圖1）。拉脊山斷裂帶在NWW向左旋剪切西秦嶺斷裂與NNW向右旋剪切熱水—日月山斷裂共同作用下，發(fā)育呈NE向凸出弧形的擠壓構造區(qū)和構造轉換帶^［9-10］。拉脊山構造帶運動性質以擠壓逆沖為主，局部地區(qū)表現(xiàn)出走滑的特征^［5，11］。拉脊山斷裂帶最新活動時代主要為晚更新世晚期，僅局部存在全新世早期活動。據(jù)文獻記載，在該斷裂帶上曾發(fā)生過20余次5級左右中等破壞性地震^［11］。由于歷史地震發(fā)生年代久遠，資料記錄簡單，對這些地震的發(fā)震構造尚不了解。

20世紀90年代初，Massonnet 等^［12］首次利用合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術獲取了1992年美國Landers MS7.2地震的同震形變場，自此，InSAR技術開始用于地震監(jiān)測。因該技術具有全天時、全天候、高精度等特點，被廣泛應用于地震的同震、震間和震后的形變監(jiān)測中^［13-17］。地震發(fā)生后，準確獲取地震引發(fā)的真實地表形變有助于進一步認識和分析震源機制。在已獲取的大量積石山地震同震變形場與滑動分布反演結果中，不同學者基于不同資料確定的發(fā)震斷層及斷層傾向有較大差異^{［2-4，18-20］}。本次積石山地震是該區(qū)域內發(fā)生的最大地震，研究其發(fā)震構造對于分析區(qū)域內地震危險性具有重要意義。本文使用差分合成孔徑雷達干涉測量（Differential InSAR，D-InSAR）技術^［21］，獲取2023年積石山MS6.2地震的同震形變場，并以此為約束，反演斷層面上的同震滑動分布，探討本次地震發(fā)震構造，解決發(fā)震斷層及斷層傾向爭議問題，為進一步研究拉脊山斷裂帶區(qū)域地質構造、斷層運動特征及未來強震潛勢提供地殼形變約束。

1 D-InSAR過程與同震形變場

1.1 InSAR數(shù)據(jù)處理

本文選取歐空局（European Space Agency，ESA）提供的Sentine1-1A升、降軌SAR影像，獲取積石山MS6.2地震同震形變場。哨兵衛(wèi)星升、降軌影像可完全覆蓋同震區(qū)域，影像參數(shù)如表2所列。通過美國宇航局NASA的ASF DAAC（Alaska Satellite Facility Distributed Active Archive Center）開發(fā)的ASF HyP3（Hybrid Pluggable Processing Pipeline） 2024 ^［22］SAR 數(shù)據(jù)自動化處理平臺，基于GAMMA軟件進行D-InSAR數(shù)據(jù)處理。

同震干涉和形變場通過二軌法處理獲得，引入歐空局發(fā)布的30 m空間分辨率哥白尼 GLO-30數(shù)字高程模型來消除地形相位誤差。為抑制干涉相位中的噪聲，提高結果精度，距離向和方位向按照10×2進行多視處理，并采用基于加權功率譜法的自適應濾波算法^［23］對干涉圖進行濾波處理，以消除噪聲相位，提高信噪比。相位解纏采用最小費流法（Minimum Cost Flow Algoruthm，MCF）^［24］。根據(jù)相位與形變的轉換關系得到雷達視線向（Line of Sight，LOS）形變，利用地理編碼將其轉換為地理坐標系下的同震形變場。

1.2 同震形變場

經(jīng)HyP3平臺對積石山地震前后升、降軌SAR數(shù)據(jù)進行一系列處理，得到積石山地震的干涉纏繞圖和形變場圖（圖2）。升、降軌結果均顯示：同震形變區(qū)主要位于積石山東緣斷裂東側，形變場呈橢圓形分布（長軸大致為NW—SE向），具有典型逆沖型地震的特征。升軌形變場長軸約為19 km，短軸約為13 km，形變區(qū)域主要表現(xiàn)為靠近雷達方向，最大形變量約為12 cm;降軌形變場長軸約為22 km，短軸約為14 km，最大形變量約為9 cm。由升、降軌LOS向形變場分析得出，發(fā)震斷層應為一條走向NW—SE的逆斷層，且形變場位移連續(xù)，表明本次地震發(fā)震斷層未破裂至地表。靠近積石山地區(qū)的干涉條紋出現(xiàn)不連續(xù)分布，是由于地處山區(qū)，受地表植被影響，導致部分失相干。為進一步了解同震形變場信息，本文繪制與形變場長軸垂直的剖面。圖3表示升、降軌剖面線形變特征，可以看出形變曲線連續(xù)，無明顯位錯，曲線形態(tài)符合逆沖型地震形變特征，主要形變集中在沿剖面距離20～41 km范圍內。

2 斷層滑動分布反演

因積石山地震震級相對較小，斷層未破裂至地表，僅根據(jù)InSAR近橢圓形的抬升形變特征仍無法確定斷層為東傾還是西傾。利用高精度InSAR形變場開展斷層滑動分布反演，可獲得斷層滑動方向、深度及滑動區(qū)域的面積。本研究采用精細斷層滑動分布反演方法，對兩種斷層模型分別進行反演測試。考慮到近場與遠場數(shù)據(jù)均對反演有約束作用，故對觀測得到的InSAR 同震變形場使用均勻降采樣方法。近場每500 m提取一點，遠場每2 km提取一點，經(jīng)均勻降采樣后，升軌數(shù)據(jù)采樣至1 455個數(shù)據(jù)點，降軌至1 458個數(shù)據(jù)點。經(jīng)均勻降采樣后的結果既能減少數(shù)據(jù)量以降低后續(xù)計算量，又保留了同震形變場的主要變形特征，可提高模型反演的計算精度。

采用SDM程序^［25］，對發(fā)震斷層面精細滑動情況進行滑動分布反演。該方法基于Okada彈性半空間位錯模型^［26］，其主要思想是通過負梯度方向來重新選定每次迭代新的搜尋方向，使得每次迭代的結果不斷優(yōu)化，得到最接近目標函數(shù)的結果^［27］。

2.1 模型一：發(fā)震斷層西南傾向模型

采用均勻介質模型，泊松系數(shù)設置為0.25^［28］。根據(jù)表1，結合區(qū)域內斷層分布特征及同震形變場的分布特點，確定發(fā)震斷層的幾何參數(shù)。拉脊山斷裂帶內孕育許多高傾角逆沖斷層^［10-11］，結合多次反演測試及已有的研究成果，設定模型的傾角為52°，滑動角搜索范圍設置為60°～130°;采用單一斷層模型，根據(jù)同震形變場及干涉圖的分布特點建立斷層地表跡線，斷層走向與形變場及干涉圖長軸走向基本一致，約為148.4°，構建一個40 km×25 km的斷層面;為提高精度，將斷層面劃分為1 000個1 km×1 km的子斷層面。相關資料顯示，大部分余震位于地下5 km以下^［29］，因此設定斷層面上邊界的深度為5 km。經(jīng)過多次反演測試并考慮到平滑效果，將平滑因子設置為0.2，最大迭代次數(shù)為10 000。

圖4展示了發(fā)震斷層西南傾時升、降軌數(shù)據(jù)擬合結果。升軌數(shù)據(jù)殘差均方根為1.7 cm，降軌為1.1 cm。靠近積石山的區(qū)域受植被覆蓋和地形起伏較大的影響，升、降軌數(shù)據(jù)失相干嚴重，使得靠近山區(qū)區(qū)域的采樣點有較大的擬合殘差，但從數(shù)據(jù)模型的相關系數(shù)0.92來看，分布模型具有很高的可靠性。

西南傾模型斷層滑動分布結果如圖5所示，斷層面滑動以逆沖分量為主，伴有少量右旋走滑分量。

斷層的滑動分布主要集中在沿走向10～34 km和沿傾向9～23 km處，最大滑動量0.53 m，位于深度17.21 km處;整個斷層面平均滑動角為128.56°，平均滑動量0.13 m，地震震中坐標102.84°E、35.74°N，對應的地震矩震級約為6.3級。

2.2 模型二：發(fā)震斷層東北傾向模型

同樣采用均勻介質模型，泊松系數(shù)設置為0.25，基于表1，結合區(qū)域內斷層分布情況及同震形變場，設定東傾斷層模型傾角為52°，滑動角搜索范圍為40°～130°;采用單一斷層模型，建立斷層地表跡線，斷層走向與同震形變場及干涉圖長軸趨于一致，約為328.3°，構建一個40 km×25 km的斷層面;將斷層面劃分為1 000個1 km×1 km的子斷層面，斷層面上邊界深度為5 km，平滑因子設置為0.2，最大迭代次數(shù)為10 000。

圖6展示了發(fā)震斷層東北傾時升、降軌數(shù)據(jù)擬合結果。升軌數(shù)據(jù)殘差均方根為1.4 cm，降軌為1.3 cm。同樣在靠近積石山區(qū)域的采樣點有較大的擬合殘差。數(shù)據(jù)模型的相關系數(shù)為0.94，東北傾向的分布模型同樣可靠。

東北傾模型斷層滑動分布結果如圖7所示，斷層面滑動以逆沖分量為主，伴有少量左旋走滑分量。斷層的滑動分布主要集中在沿走向4～32 km和沿傾向7～23 km處，最大滑動量0.38 m，位于深度17.21 km處;整個斷層面平均滑動角為64.47°，平均滑動量0.13 m，地震震中坐標102.8°E、 35.74°N，對應的地震矩震級約為6.3級。

3 討論

3.1 積石山地震發(fā)震斷裂及傾向分析

此次積石山地震周圍區(qū)域發(fā)育有三條大型活動斷裂，分別為日月山斷裂帶和西秦嶺斷裂帶，以及位于兩者過渡部位的拉脊山斷裂帶^［11］。NNW向的日月山斷裂，第四紀以前以逆沖活動為主，晚第四紀以來轉變?yōu)橛倚羟袨橹鳎两袢詮娏一顒?sup>［^8］。

西秦嶺北緣斷裂是青藏高原東北部一條大型左旋走滑斷裂，走向近NWW向，中更新世以來活動性質轉變?yōu)樽笮羟袨橹鳎笮呋至靠赡鼙环e石山吸收，促使了積石山的隆升^［9］。

拉脊山斷裂帶在前兩者的擠壓作用和青藏高原北東向擴展的影響下，走向自西向東由近EW向轉變?yōu)榻黃N向，活動性質體現(xiàn)為向盆地內的擠壓逆沖為主^［10］。拉脊山斷裂帶最新活動時代為晚更新世晚期，僅局部為全新世早期活動^［11］。此次積石山地震為該區(qū)域內發(fā)生的最大級地震，說明該斷裂仍具發(fā)震能力。現(xiàn)今大地測量結果顯示^［30］，近NW向的積石山斷裂仍在活動，積石山東緣斷裂及積石山西緣斷裂均表現(xiàn)出逆沖兼右旋走滑的構造特征。研究表明^［17］，震間垂向形變速度顯示積石山目前還在持續(xù)抬升（圖3）， 積石山仍處于強烈造山運動中。

InSAR同震形變場結果顯示，形變場主要位于積石山東緣斷裂東側且連續(xù)完整，破裂未達地表。同震形變場與滑動分布反演結果均說明此次地震與拉脊山斷裂帶現(xiàn)存斷層無關，推測積石山地震發(fā)生在一條未知的隱伏逆沖斷層上。兩種斷層模型均能很好地解釋本次地震的同震形變場。

為驗證發(fā)震斷裂傾向模型的合理性，選取一條垂直于斷層模型及已知斷裂的剖面，利用文獻［31］中的余震精定位數(shù)據(jù)繪制其剖面，并將斷層模型及斷裂深部展布投影至剖面圖上，結果見圖8。資料顯示^［32］，積石山東緣斷裂為主控斷層，積石山西緣斷裂為次級構造。據(jù)此，推測繪制兩條斷裂的地下展布形態(tài)，如圖8中實線所示。從余震剖面結果來看，余震簇均在兩個模型斷層面之上。若發(fā)震斷層東傾，該斷層可能為積石山西緣斷裂的衍生構造或積石山東緣斷裂的反沖斷層;從西高東低地形看，若東傾則應具有顯著正斷性質，與區(qū)域逆沖縮短的構造背景不相符。斷層的地下展布形態(tài)說明積石山西緣斷裂未穿過積石山東緣斷裂，且始終在該斷裂之上;文獻［30］表明，積石山西緣斷裂構造特征為逆沖兼右旋走滑，基于此，發(fā)震斷層為東傾的積石山西緣斷裂衍生斷裂的假設顯然不合理。此外，反沖構造深度一般在10 km以內^［33-37］，從余震剖面結果顯示余震主要集中在5～15 km深度范圍內，InSAR反演最大滑動深度超過17 km，少見如此深度的反沖構造;文獻［38］中臨夏盆地地質構造剖面圖顯示，在積石山以東臨夏盆地西緣處未見東傾反沖構造結構。從上述構造背景來看，穿過積石山東緣斷裂的東傾斷層模型不合理。若發(fā)震斷層西傾，該斷層可能為拉脊山北緣斷裂東段或積石山東緣斷裂的分支斷層。青藏高原東北緣三維形變資料顯示^［17］，拉脊山斷裂帶以3～4 mm/a的速度向東運動，縮短速率～17 nanostrain/a，并具有4～6 mm/a的快速隆升速率;區(qū)域構造環(huán)境中，積石山斷裂運動學性質為逆沖兼右旋走滑，同時結合斷層地下展布情況，可確定其具有右旋走滑分量的西傾模型在上述構造背景下更為合理。未有明確資料指出拉脊山北緣斷裂東段跨過黃河向南延伸至本次地震的形變場內，推測本次發(fā)震斷層可能為積石山東緣斷裂的隱伏分支斷層而不是拉脊山北緣斷裂的分支斷層。

綜合區(qū)域構造背景、InSAR反演結果及余震分布，本文更傾向于積石山地震發(fā)生在積石山東緣斷裂的隱伏西傾逆沖分支斷層上。

3.2 區(qū)域地震危險性分析

地震同震破裂釋放震間累積應力，并改變周圍區(qū)域應力狀態(tài)及應力分布，會影響相鄰活動斷層的地震活動性^［39］。根據(jù)庫侖應力的加卸載可對活動斷層的地震危險性進行評估，若相鄰活動斷層的上一次地震離逝時間較長，其滑動行為表現(xiàn)為地震周期模型震間變形后期狀態(tài)，且同震破裂的正、負應力轉換線通過此鄰區(qū)斷層段，則此斷層段會受到輕微應力擾動而破裂，未來有觸發(fā)地震的可能性^［40］。

本文基于西傾斷層模型反演的滑動分布結果，利用PSGRN/PSCMP程序^［41］，計算滑動量在最大深度17.2 km處積石山地震引起的周邊斷層同震庫侖應力變化。研究表明^［42］，有效摩擦系數(shù)取值只會改變同震庫侖應力變化（Coulomb Failure Stress change，ΔCFS）數(shù)值相對大小，不會影響ΔCFS的極性，更換有效摩擦系數(shù)不會影響本文結論，因此摩擦系數(shù)設置為0.4，接收斷層滑動參數(shù)參考文獻［17，30，43-48］，計算結果如圖9所示。

結果表明：積石山西緣斷裂中段、拉脊山南緣斷裂及拉脊山北緣斷裂南段、倒淌河—臨夏斷裂西段均處于ΔCFS高值區(qū)。本次地震ΔCFS正＼，負分界線通過了臨潭—宕昌斷裂東段、冷龍嶺斷裂東段、海原斷裂西段、拉脊山南緣斷裂西段、貴德斷裂等斷層段，未來仍需持續(xù)關注上述區(qū)域的地震危險性。

4 結論

本文采用Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用D-InSAR技術獲取積石山MS6.2地震同震形變場，使用SDM程序反演斷層滑動分布，結合區(qū)域構造背景及余震分布，給出了本次地震的構造模型，得出如下結論：

（1） 升、降軌同震形變場呈現(xiàn)近橢圓形分布，顯示本次地震最大形變量升軌LOS向為12 cm，降軌LOS向為9 cm，形變場連續(xù)，表明破裂未達地表。

（2） 結合余震分布及已知斷裂的地下展布情況，推測發(fā)震斷層為一條走向NW—SE＼，傾向SW的隱伏斷層，可能為積石山東緣斷裂的分支斷層。斷層滑動分布反演結果與觀測形變場的擬合度達90%以上。模型表明，本次地震為逆沖兼右旋走滑型，斷層走向約148.4°，傾角約52°，滑動峰值深度17.21 km，最大滑動量0.53 m，總的矩震級MW6.3，反演獲得的震源深度與GCMT和GFZ相似。

（3） 同震庫侖應力結果顯示，臨潭—宕昌斷裂東段、冷龍嶺斷裂東段、海原斷裂西段、拉脊山南緣斷裂西段、貴德斷裂等斷層段位于ΔCFS正＼，負轉換區(qū)域，存在發(fā)生地震的可能性，需要重點關注。

致謝：感謝ASF（https：//search.asf.alaska.edu/）為本文提供了歐空局哥白尼Sentinel-1數(shù)據(jù)；感謝“中國地震臺網(wǎng)中心 國家地震科學數(shù)據(jù)中心（https：//data.earthquake.cn/）”提供的數(shù)據(jù)支撐；感謝中國地震局第二監(jiān)測中心徐晶副研究員＼，張文婷工程師給予的幫助；圖件由GMT等軟件繪制，在此一并表示感謝！

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（本文編輯：張向紅）