溫少妍，單新建，張迎峰，3*，王家慶，

張國(guó)宏1，屈春燕1，徐小波1

1 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100029　2　新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊　830011　3 中國(guó)石油大學(xué)(華東)，青島　266555

?

基于InSAR的青海大柴旦地震三維同震形變場(chǎng)獲取與震源特征分析

溫少妍1，2，單新建1，張迎峰1，3*，王家慶1，

張國(guó)宏1，屈春燕1，徐小波1

1 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1000292新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊8300113 中國(guó)石油大學(xué)(華東)，青島266555

摘要本文利用Envisat ASAR的升、降軌和寬幅數(shù)據(jù)，通過(guò)基于先驗(yàn)知識(shí)的最小二乘迭代逼近獲取大柴旦2次地震的地表三維同震形變.結(jié)果表明，2008年MW6.3地震垂直向形變主要發(fā)生在斷層南盤，以隆升形變?yōu)橹?，最大隆升量約10 cm，北盤沉降量小于等于-1 cm.東西向形變?cè)谀媳P呈向東運(yùn)動(dòng)的特征，最大運(yùn)動(dòng)量約4 cm，北盤向西運(yùn)動(dòng)，最大運(yùn)動(dòng)量約為-2 cm.2009年MW5.8地震垂直向形變顯示斷層南盤抬升的特征，最大抬升量約27 cm，北盤最大沉降量約-3 cm.東西向形變表現(xiàn)為南盤向東運(yùn)動(dòng)，最大約10 cm，北盤向西運(yùn)動(dòng)，約為-4 cm.可以看出這兩次地震均表現(xiàn)為逆沖為主，兼少量左旋走滑的震源特征.視線向結(jié)果無(wú)法判定同震形變的少量走滑特征，而地表三維分量可以有效地識(shí)別出少量左旋還是右旋走滑的震源特性.本文以視線向、垂直向、東西向形變量作為約束條件，利用Okada模型正演了2008年地震同震三維形變場(chǎng).結(jié)果顯示，采用逆沖兼少量左旋走滑的發(fā)震斷層參數(shù)，視線向、垂直向、東西向正演結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果吻合.這也表明采用分解后的地表三維同震形變場(chǎng)可以有效地識(shí)別出發(fā)震斷層的少量左旋走滑特征.

關(guān)鍵詞大柴旦地震； D-InSAR； 三維同震形變場(chǎng)； 發(fā)震斷層性質(zhì)； 正演； Okada模型

1引言

在獲取連續(xù)地表形變信息方面，D-InSAR技術(shù)以其全天候、大范圍、高分辨率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為獲取地震同震形變場(chǎng)的首選測(cè)量手段之一.但D-InSAR技術(shù)僅能觀測(cè)到一維形變量，即D-InSAR觀測(cè)到的形變場(chǎng)并不是地表的真實(shí)形變，而是地表東(E)、北(N)、上(U)三方向形變分量在雷達(dá)脈沖入射方向即視線向(Line of Sight，LOS)向的投影，這就是干涉測(cè)量的視線向模糊問(wèn)題.

D-InSAR所獲取的一維位移信息存在視線向模糊問(wèn)題，在定量解釋地表形變?nèi)卜矫婢哂幸欢ǖ木窒扌?，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求.因此，如何提取地表三維形變對(duì)于理解和分析發(fā)震構(gòu)造機(jī)理至關(guān)重要.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已經(jīng)開展了一系列的研究工作，Wright等(2004)提出利用升降軌、左右視、不同視角組合的SAR干涉圖提取2002年Nenana Mountain同震形變位移三分量；Wang等(2007)利用升、降軌雷達(dá)圖像Offsets測(cè)量法，獲取2005年印度克什米爾地震的三維形變量；一些地震學(xué)者(Fialko et al.，2005；孫建寶等，2006；季靈運(yùn)和許建東，2009；胡俊等，2010)通過(guò)多視線向D-InSAR測(cè)量技術(shù)，結(jié)合形變模擬、Offsets法與GPS測(cè)量等不同方法分別提取了伊朗Bam地震三維同震形變場(chǎng)；許多研究者(汪馳升等，2009；劉云華等，2010，2012；洪順英等，2013；胡俊等，2013)在地表三維形變場(chǎng)獲取方面取得一定的成就，推動(dòng)了D-InSAR技術(shù)在地震3D形變研究新領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)了GPS、水準(zhǔn)測(cè)量等常規(guī)地面形變測(cè)量手段的融合.

2008年11月10日和2009年8月28日在青藏高原東北緣—柴達(dá)木盆地北緣分別發(fā)生兩次MW6.3地震，并伴隨2009年8月30日MW5.4和8月31日MW5.8等多次5級(jí)地震，發(fā)震斷裂為大柴旦—宗務(wù)隆山斷裂，該斷裂處于沉寂已久的祁連—海原地震帶上.近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大柴旦震群中一個(gè)或兩個(gè)地震從同震形變場(chǎng)的獲取、形變場(chǎng)的反演和模擬等方面進(jìn)行了一定程度的研究和探討(Elliot et al.，2011；溫?fù)P茂等，2012； 王樂(lè)洋等，2013)，但未涉及到三維同震形變場(chǎng)的獲取研究，其中Elliott等(2011)利用單一視線向的數(shù)據(jù)反演得到的發(fā)震構(gòu)造的震源特征為逆沖兼少量右旋走滑分量，與大柴旦地區(qū)整體的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景不相符.因此，本文以大柴旦地震震群為研究對(duì)象，基于升、降軌和寬幅SAR數(shù)據(jù)獲取地震的三維同震形變場(chǎng)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征定量分析地表形變特征，進(jìn)而能夠準(zhǔn)確把握斷層的運(yùn)動(dòng)方式、破裂模式與發(fā)震機(jī)制.

2大柴旦區(qū)域構(gòu)造背景

青藏高原東北部是由阿爾金山斷裂，祁連—海原斷裂以及東昆侖斷裂3條巨型左旋走滑斷裂所圍限的活動(dòng)相對(duì)獨(dú)立的柴達(dá)木—祁連活動(dòng)地塊(葛偉鵬等，2013；張培震等，2003).大柴旦—宗務(wù)隆山斷裂是活動(dòng)塊體內(nèi)的一條重要斷裂(圖1)，該斷裂帶位于柴達(dá)木盆地北緣，祁連—海原斷裂的南緣，屬于晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂帶，由多條次級(jí)斷裂組成，包括大柴旦斷裂、錫鐵山—阿木尼克山南緣斷裂、巴音郭勒河斷裂、懷頭他拉活動(dòng)褶皺—逆斷裂等(劉小龍和袁道陽(yáng)，2004；李智敏等，2010).該斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，是夾持在西側(cè)阿爾金左旋走滑斷裂與東側(cè)鄂拉山右旋走滑斷裂之間的構(gòu)造轉(zhuǎn)換過(guò)渡帶，是青藏高原整體不斷隆升并向北東向側(cè)向擠壓共同作用的結(jié)果(葛偉鵬等，2013).另有研究表明，該斷裂帶東段晚更新世—全新世活動(dòng)顯著，除巴音河斷裂已有研究外，其他斷裂的研究程度相對(duì)較低(劉小龍和袁道陽(yáng)，2004).USGS和GCMT震源機(jī)制解結(jié)果顯示，2008年和2009年地震震源類型均表現(xiàn)為逆沖為主的震源特征.此外，Elliott等(2011)利用單一視線向InSAR反演結(jié)果中滑動(dòng)角均大于90°，震源特征為逆沖為主兼少量右旋走滑.大柴旦地區(qū)人類活動(dòng)少，氣候干燥，植被覆蓋率低，地形起伏小且時(shí)空基線較為理想，保證了InSAR數(shù)據(jù)具有良好的相干性，對(duì)形變場(chǎng)的提取與精度提高十分有利.因此，采用D-InSAR技術(shù)研究大柴旦2008年和2009年地震形變場(chǎng)為該區(qū)內(nèi)活動(dòng)斷裂的深入研究提供良好契機(jī)，而且對(duì)于揭示青藏高原的構(gòu)造變形機(jī)制具有重要意義.

3SAR數(shù)據(jù)收集與處理

3.1SAR數(shù)據(jù)情況

本文選用Envisat ASAR的升、降軌IS2數(shù)據(jù)及升軌寬幅數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔、垂直基線距等基本參數(shù)見(jiàn)表1，均為 0級(jí)RAW數(shù)據(jù).

ASAR數(shù)據(jù)采用波長(zhǎng)為5.6 cm的C波段，對(duì)形變的敏感度很好.ASAR IS2數(shù)據(jù)距離向分辨率為20 m，方位向分辨率為4 m，極化方式為VV.寬幅SAR據(jù)幅寬為405 km×405 km,空間分辨率為150 m，具有5個(gè)軌道可對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)，極化 方式為VV或HH.降軌IS2數(shù)據(jù)、升軌寬幅數(shù)據(jù)公共區(qū)域完全覆蓋了同震形變場(chǎng)的影響范圍，而升軌數(shù)據(jù)由于軌道位置的變化，僅覆蓋一半的形變場(chǎng)區(qū)域.SAR數(shù)據(jù)主、從影像對(duì)的垂直空間基線都小于300 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1000多米的臨界基線值.同時(shí)，時(shí)間間隔都在10個(gè)月以內(nèi).理想時(shí)、空基線的選取可以有效地降低時(shí)空失相關(guān)對(duì)形變場(chǎng)獲取結(jié)果的影響.

3.2SAR數(shù)據(jù)處理

差分干涉處理前，由于受軌道誤差的影響，ASAR數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)趨勢(shì)性條紋.首先采用歐空局發(fā)布的DORIS精軌數(shù)據(jù)對(duì)ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道誤差消除.精軌校正后，利用“二軌法”對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理.其中，升、降軌數(shù)據(jù)處理基于GAMMA軟件，升軌寬幅數(shù)據(jù)處理是基于ROI_PAC軟件.

3.3D-InSAR結(jié)果分析

我們通過(guò)“二軌法”D-InSAR技術(shù)處理獲取了2008年和2009年大柴旦地震升、降軌常規(guī)模式及升軌寬幅模式的同震形變場(chǎng)，在計(jì)算時(shí)約定目標(biāo)靠近衛(wèi)星方向，形變?yōu)檎?，目?biāo)遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向，形變?yōu)樨?fù).

由于篇幅限制，圖2給出了部分2008年和2009年窄幅常規(guī)模式和寬幅升軌模式的同震形變場(chǎng).從圖2a干涉條紋圖分布格局可以看出，2008年地震整個(gè)干涉圖條紋光滑清晰，顯示出3個(gè)呈橢圓狀態(tài)分布的周期性條紋；斷裂帶南、北兩盤呈不對(duì)稱分布，南盤干涉條紋光滑清晰，北盤未形成明顯條紋.另外，降軌和寬幅形變場(chǎng)圖顯示(圖2b、2c)，地震引起的地表形變主要集中在斷層南盤，形變量為正，表現(xiàn)為上升盤；而北盤形變不明顯，形變量為負(fù)，表現(xiàn)為下降盤；升軌、降軌、升軌寬幅三種觀測(cè)模式下視線向的最大形變中心分別約為0.127 m、0.097 m、0.09 m.

2009年地震的干涉條紋圖和形變場(chǎng)顯示(圖2d、2e、2f)，斷層南盤條紋密集，而北盤條紋稀疏，形變主要集中在南盤，為主動(dòng)盤.升軌、降軌常規(guī)模式下最大視線向隆升量分別約為0.42 m、0.30 m，而北盤形變最大視線向下降量約為-0.1 m，為被動(dòng)盤.同時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)斷層南盤存在3個(gè)較為顯著的形變中心，自西向東依次排列且形變場(chǎng)長(zhǎng)軸走向角度逐漸減小，其中中間處形變中心的形變量最大，而最西側(cè)的形變中心最小，東側(cè)次之.因此，根據(jù)同震形變中心分布特征和震中分布位置可以判斷形變是由2009年5.4級(jí)地震、6.3級(jí)地震、5.8級(jí)地震所引起的.2008年、2009年地震形變量與Elliot等文中給出的形變量相當(dāng)(Elliot et al.，2011).

大柴旦地震升、降軌及升軌寬幅同震視線向形變場(chǎng)均以隆升形變?yōu)橹?，且隆升形變值大于沉降形變值，而隆升形變是逆斷層破裂引起的形變特點(diǎn)，反映了大柴旦地震具有逆斷層的破裂特征，這與USGS、GCMT等給出的逆斷型地震震源機(jī)制解吻合.同時(shí)，結(jié)合升、降軌得到的視線向隆升形變區(qū)和沉降形變區(qū)的位置關(guān)系，可以初步推斷東西向的發(fā)震逆斷層傾向?yàn)槟蟽A.另外，2008年與2009年地震震級(jí)一樣，但2008年地震干涉條紋表現(xiàn)更為平滑且變化梯度較小，2008年地震地表視線向形變量?jī)H約為2009年的0.4倍，這可能說(shuō)明2009年地震震源深度比2008年地震淺.

4三維形變場(chǎng)解算

4.1SAR成像幾何關(guān)系

一維的形變場(chǎng)無(wú)法反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的形變?nèi)?，?gòu)建完整的三維形變場(chǎng).根據(jù)雷達(dá)成像幾何關(guān)系，同時(shí)約定目標(biāo)靠近雷達(dá)時(shí)LOS向形變dLOS為正，遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)dLOS為負(fù)，則形變量圖上任意一點(diǎn)的LOS向形變可表示為

dLOS=dUcosθ-sinθ[dEsin(α-3π/2)

+dNcos(α-3π/2)],

(1)

圖2　大柴旦地震干涉條紋圖及視線向形變場(chǎng)(a)—(c)分別為2008年地震的降軌干涉條紋圖、降軌同震視線向形變場(chǎng)、寬幅同震視線向形變場(chǎng)；(d)—(f)分別為2009年地震降軌干涉條紋圖、降軌同震視線向形變場(chǎng)、升軌同震視線向形變場(chǎng)；干涉條紋一個(gè)色周代表2.8 cm；東西向黑線表示大柴旦—宗務(wù)隆山斷裂.

圖3　(a)為地表三維形變視線向投影示意圖，(b)為地表形變水平向投影示意圖

dLOS=dUcosθ+sinθ[dEcos(α-π)

-dNsin(α-π)],

(2)

公式(1)和(2)分別表示升、降軌視線向形變與地表三維分量間的關(guān)系式，dLOS表示雷達(dá)影像上某點(diǎn)的視線向形變，dU、dN、dE分別表示該點(diǎn)的垂直向、北南向、東西向三維形變分量，θ為入射角，α為衛(wèi)星飛行方位角(以北向起算順時(shí)針為正)，α-3π/2、α-π為方位視線方向，即距離向與北向的夾角.

4.2升降數(shù)據(jù)解算

從上述公式可以看出，要獲取任意一點(diǎn)的三維形變，至少需要知道某一點(diǎn)的三個(gè)視線向形變觀測(cè)值.對(duì)于大柴旦地震，我們已經(jīng)獲取了升、降軌及寬幅三個(gè)視線向形變場(chǎng)，則可構(gòu)建附有約束條件的三維分量矩陣方程為

(3)

(4)

公式(3)中，d3×1為地表形變的三維分量矩陣，L3×1為由不同視線向觀測(cè)值組成的矩陣，P3×3為SAR成像幾何條件得到的投影系數(shù)矩陣；公式(4)為約束條件方程.文中利用直接解算法和附有約束條件的間接解算法兩種方法進(jìn)行地表三維分量的提取.

首先對(duì)三維分量解算誤差進(jìn)行分析，以確保解算結(jié)果的精度.文中使用的三個(gè)不同模式下觀測(cè)得到的形變場(chǎng)是相對(duì)獨(dú)立的，因此，在計(jì)算三維分量協(xié)方差陣時(shí)，我們假設(shè)不同視線向形變場(chǎng)之間相互獨(dú)立且具有相同的觀測(cè)精度σ=1.利用表1中SAR數(shù)據(jù)的中心入射角和方位角得到投影系數(shù)矩陣P，進(jìn)而利用公式(4)和(5)計(jì)算得到各解算模型中地表三維分量的中誤差.公式(4)和(5)分別為

(4)

(5)

從表2結(jié)果可以看出，兩種解算方案中NS分量的形變中誤差都大于其他兩個(gè)分量，這與InSAR對(duì)南北向形變不敏感有關(guān).尤其是在直接解算方案中，中誤差被病態(tài)系數(shù)矩陣放大至84倍，即厘米級(jí)的形變誤差可能被放大至分米級(jí)，顯而易見(jiàn)，大柴旦地震三維形變場(chǎng)的直接解算結(jié)果可能存在較大的誤差甚至錯(cuò)誤.然而在間接解算方案中，三個(gè)分量的中誤差大大降低.因此，本文采用間接解算法——基于先驗(yàn)知識(shí)的最小二乘迭代逼近法進(jìn)行三維形變場(chǎng)的提取.

表2　不同解算方法下三維分量的中誤差估計(jì)

直接解算法就是利用公式(3)直接求解三分量的形變場(chǎng)并估算各分量中誤差.而間接解算法是采用基于先驗(yàn)知識(shí)的最小二乘迭代逼近算法，具體流程為：

(1) 首先根據(jù)雷達(dá)對(duì)南北向形變不敏感的特征，即南北向形變大小對(duì)視線向的貢獻(xiàn)接近于零的事實(shí)，以及震源特征以逆沖為主，在解算過(guò)程中，采用最小二乘法使南北向形變逐步逼近于零，來(lái)解算垂直向和東西向.

(2) 由于雷達(dá)觀測(cè)對(duì)垂直向的形變敏感，對(duì)于逆沖型地震可以將步驟(1)得到的垂直向形變作為已知量，利用最小二乘法解算東西向和南北向形變.

(3) 以步驟(1)的垂直向形變和(2)中東西向作為已知量，解算出南北向形變.

4.3三維形變場(chǎng)分析

由于直接解算結(jié)果誤差較大，這里僅分析間接解算的結(jié)果.解算過(guò)程中，選取升、降軌常規(guī)模式，以及寬幅升軌模式三幅干涉圖的公共區(qū)域作為研究對(duì)象，利用間接解算方法提取地表三維分量.通過(guò)對(duì)2008年大柴旦地震垂直、東西、北南向形變場(chǎng)解算結(jié)果分析，得到如下認(rèn)識(shí)：

(1) 圖4a垂直向形變解算結(jié)果顯示，位于南側(cè)的上盤整體上呈隆升形變特征，而位于北側(cè)的下盤呈沉降形變特征，但幅度很??；為了定量分析2008年地震的形變特征，對(duì)垂直形變做剖線分析(a為起始點(diǎn)).剖面圖圖5a結(jié)果顯示，斷層北盤沉降量小于1 cm，形變接近零；而斷層南盤隆升量的范圍約0～10 cm.整體上看，隆升形變量遠(yuǎn)大于沉降形變，說(shuō)明發(fā)震斷層性質(zhì)符合逆斷層破裂的特征.

(2) 圖4b東西向解算結(jié)果顯示，斷層南盤呈現(xiàn)朝東運(yùn)動(dòng)形變特征，最大向東運(yùn)動(dòng)量約4 cm，南盤的東段區(qū)域(圖4b中點(diǎn)劃線東側(cè))為擠壓區(qū)，具有相對(duì)抬升形變特征，而西段(圖4b中點(diǎn)劃線西側(cè))表現(xiàn)為為拉張區(qū)，向西形變量約-2 cm.而北盤西段表現(xiàn)為擠壓抬升形變，東側(cè)表現(xiàn)為拉張沉降，向西形變量在-1 cm范圍，形變表現(xiàn)不明顯.東西向的形變特征整體表現(xiàn)出左旋走滑的四象限分布特點(diǎn)，可以得出2008年地震震源特征為逆沖為主，兼少量左旋走滑分量.

(3) 圖4c北南向解算結(jié)果顯示，斷層兩盤都有向北運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)量約為0.5 cm，在間接解算中誤差σN=6.7的限差范圍內(nèi)，因此，分析認(rèn)為南北向是幾乎沒(méi)有形變分量.

2009年地震失相關(guān)較為嚴(yán)重，在寬幅數(shù)據(jù)解纏處理過(guò)程中，將相干系數(shù)小的點(diǎn)進(jìn)行掩膜處理，造成三維形變圖出現(xiàn)大范圍的空值，最后三維形變圖僅涵蓋了最東側(cè)MW5.8和小部分MW6.3所造成的形變.對(duì)地表形變的三維分量結(jié)果分析認(rèn)為：

(1) 圖4d垂直向形變解算結(jié)果顯示，斷層南盤出現(xiàn)一個(gè)顯著的形變中心，表現(xiàn)出垂直抬升的形變特點(diǎn)，北盤形變下降特點(diǎn)不明顯，這與逆斷型地震引起的形變特征一致；對(duì)垂直形變做剖線分析(a為起始點(diǎn))，圖5b剖線結(jié)果顯示，北盤的下降量約-3 cm，而南盤的最大上升量約27 cm，明顯大于下降量.

(2) 圖4e東西向解算結(jié)果顯示，標(biāo)志線(圖4e點(diǎn)劃線)以東區(qū)域?yàn)镸W5.8地震引起的形變，斷層南盤具有明顯向東運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為前端受 到擠壓作用隆升，后端受到拉張作用沉降的特點(diǎn)，最大隆升量約10 cm；北盤表現(xiàn)為向西運(yùn)動(dòng)，形變量約為-4 cm.標(biāo)志線以西區(qū)為MW6.3引起的形變，南盤靠近斷層處向東運(yùn)動(dòng)，前端受到擠壓作用隆升，可以推測(cè)后端受到拉張作用相對(duì)沉降.總體上，東西向的形變特征與2008年地震表現(xiàn)較為一致，表現(xiàn)出以逆沖為主，兼少量左旋走滑分量.

圖4　大柴旦地震三維形變場(chǎng)結(jié)果圖(a)—(c)分別表示2008年地震垂直、東西、南北向形變； (d)—(f)分別表示2009年地震垂直、東西、北南形變； 紅色線ab表示跨斷層剖線； 圖4b中的虛線表示東西運(yùn)動(dòng)分界； 圖4e中虛線表示兩次地震分界，圖中東西向黑線表示大柴旦—宗務(wù)隆山斷裂.

圖5　大柴旦地震垂直向形變場(chǎng)剖面(a) 2008年地震垂直形變剖面； (b) 2009年地震垂直形變剖面.

(3) 圖4f北南向解算結(jié)果顯示，斷層兩盤在近場(chǎng)都表現(xiàn)出向北運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，最大運(yùn)動(dòng)量約2 cm，斷層北盤的遠(yuǎn)場(chǎng)處出現(xiàn)小范圍約-1 cm向南運(yùn)動(dòng)，這可能是由解纏噪聲引起.

無(wú)論從形變圖定性分析還是剖面圖的定量分析來(lái)看，大柴旦地震垂直向和東西向兩個(gè)方向的形變特征表現(xiàn)為逆沖為主兼少量左旋走滑，這與Elliot等(2011)只采用單一的視線向形變場(chǎng)給出的逆沖為主兼少量右旋不同.從本文結(jié)果看，震源機(jī)制呈現(xiàn)逆沖兼左旋走滑，這與印度板塊向北俯沖造成青藏高原整體不斷隆升，并向北東向側(cè)向擠壓的動(dòng)力學(xué)背景更為符合.

4.4三維形變場(chǎng)的模擬

根據(jù)大柴旦地震同震形變場(chǎng)分布特征，2008年地震采用單分段均勻滑動(dòng)模型進(jìn)行模擬，以視線向、垂直向、東西向?yàn)榧s束條件進(jìn)行同震形變場(chǎng)的模擬，通過(guò)Okada模型正演計(jì)算，得到較為合理的發(fā)震斷層基本參數(shù)(表3)，同時(shí)得到了模擬出的視線向、地表三維形變圖及相應(yīng)的殘差圖.由于2009年地震的相干性較差，在寬幅數(shù)據(jù)處理過(guò)程，三個(gè)形變中心在掩膜處理后為空區(qū)，因此，本文不進(jìn)行2009年地震三維形變場(chǎng)模擬.

表3　2008年大柴旦地震發(fā)震斷層參數(shù)

鑒于InSAR南北向觀測(cè)的不敏感性和逆沖型地震的特征等造成北南向形變不可靠，文中對(duì)北南向的形變特征不予討論.圖6所示為模擬的視線向、垂直向形變圖及相應(yīng)的殘差圖，矢量箭頭表示東西向形變場(chǎng).圖6a和6b分別為模擬的視線向形變場(chǎng)和殘差圖結(jié)果，可以看出模擬的2008年地震的視線向形變場(chǎng)與觀測(cè)結(jié)果基本一致，視線向殘差值較小，基本保持在±1 cm的范圍.從垂直向、東西向形變場(chǎng)圖(圖6c中的背景與箭頭)來(lái)看，模擬結(jié)果與間接解算結(jié)果(圖4a和b)十分吻合，從整體上看，斷層南盤在擠壓作用下表現(xiàn)出隆升形變特征，而斷層北盤沒(méi)有出現(xiàn)顯著的形變，最大垂直形變量約10 cm，東西向形變分量呈現(xiàn)出斷層南盤向東運(yùn)動(dòng)的特征，最大運(yùn)動(dòng)量約為3 cm.垂直向殘差值范圍約為±1 cm(圖6d背景底圖)，東西向的殘差值較小(圖6d中黑色箭頭與紅色箭頭的差值)，基本在mm級(jí).

在視線向、垂直向、東西向三個(gè)方向的約束下，采用逆沖兼少量左旋均勻滑動(dòng)斷層模型(表3中滑動(dòng)角為88°)得到的模擬形變場(chǎng)形態(tài)特征與觀測(cè)結(jié)果十分接近，且殘差較小，進(jìn)一步證實(shí)解算結(jié)果的可靠性.同時(shí)，我們分析認(rèn)為，大柴旦地震震源類型為逆沖型兼少量左旋走滑，是印度板塊向北俯沖造成青藏高原整體不斷隆升，并向北東向側(cè)向擠壓的結(jié)果.這一結(jié)果與Elliot等(2011)只采用一個(gè)視線向形變量模擬所得出2008年地震為逆沖兼少量右旋不同.

5結(jié)論

本文選用Envisat ASAR 升、降軌條帶掃描模式及升軌寬幅數(shù)據(jù)，利用基于先驗(yàn)知識(shí)的最小二乘迭代逼近法基提取了大柴旦地震三維地表形變場(chǎng).同時(shí)，以視線向、垂直向、東西向作為約束，利用Okada模型正演模擬了2008年地震的三維形變場(chǎng)，得到了較為合理的發(fā)震斷層參數(shù).通過(guò)對(duì)大柴地震三維同震形變場(chǎng)的特征分析，得到以下結(jié)論：

(1) 三維同震形變場(chǎng)結(jié)果顯示，2008年MW6.3地震垂直向形變主要集中在斷層南盤，最大隆升量約為10 cm；斷層北盤呈沉降形變特征，形變量不足-1 cm；東西向解算結(jié)果顯示，斷層南盤表現(xiàn)出向朝東運(yùn)動(dòng)的特征，最大向東運(yùn)動(dòng)量約4 cm，而北盤向西運(yùn)動(dòng)特征不明顯，約為-1 cm；2009年地震垂直形變量表現(xiàn)出斷層南盤抬升的特征，最大抬升量約27 cm，北盤表現(xiàn)為沉降運(yùn)動(dòng)，最大沉降量約-3 cm.東西向結(jié)果顯示，斷層南盤具有明顯向東運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，最大向東運(yùn)動(dòng)量約10 cm.北盤表現(xiàn)為向西運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)量約為-4 cm.可以看出2008年和2009年地震均表現(xiàn)為逆沖為主，兼少量左旋走滑的震源特征.

(2) 以視線向、垂直向、東西向形變結(jié)果作為約束條件，利用Okada模型，采用逆沖兼少量左旋走 滑的發(fā)震斷層參數(shù)，正演模擬2008年MW6.3地震的三維形變場(chǎng).垂直向模擬結(jié)果與垂直向觀測(cè)結(jié)果最大殘差約為1 cm；東西向模擬結(jié)果與東西向觀測(cè)結(jié)果殘差值在mm級(jí)，解算結(jié)果跟模擬結(jié)果十分吻合，表明解算結(jié)果的可靠性.

(3) 2008年和2009年大柴旦地震震源機(jī)制類型均為以逆沖性質(zhì)為主，兼少量左旋走滑分量，這與印度板塊向北俯沖造成青藏高原整體不斷隆升，并向北東向側(cè)向擠壓的動(dòng)力學(xué)背景較為一致.同時(shí)也說(shuō)明，僅采用單一的視線向同震形變場(chǎng)是很難分離出具有少量走滑分量的發(fā)震斷層，只有通過(guò)三維分解，從不同形變方向進(jìn)行綜合分析，才能得到正確的結(jié)果.

致謝感謝中南大學(xué)李志偉教授、馮光財(cái)博士提供寬幅數(shù)據(jù)，感謝審稿專家提出的寶貴意見(jiàn)和建議.

References

Elliot J R,Parsons B,Jackson J A,et al.2011.Depth segmentation of the seismogenic continental crust: The 2008 and 2009 Qaidam earthquakes.Geophysical Research Letters,38(6): L06305,doi: 10.1029/2011GL046897.

Fialko Y,Sandwell D,Simons M,et al.2005.Three-dimensional deformation caused by the BAM,Iran,earthquake and the origin of shallow slip deficit.Nature,435(7040): 295-299,doi: 10.1038/nature03425.

Ge W P,Wang M,Shen Z K,et al.2013.Intersiesmic kinematics and defromation patterns on the upper crust of Qaidam-Qilianshan block.Chinese J.Geophys.(in Chinese),56(9): 2994-3010,doi: 10.6038/cjg20130913.

Hong S Y,Shan X J,Liu Z R,et al.2013.Calculation and analysis of three-dimensional co-seismic deformation field caused by Xinjiang Yutian MW7.2 earthquake.Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese),33(1): 6-12.

Hu J,Li Z W,Zhu J J,et al.2010.Inferring three-dimensional surface displacement field by combining SAR interferometric phase and amplitude information of ascending and descending orbits.Sci.China Earth Sci.(in Chinese),40(3): 307-318,doi: 10.1007/s11430-010-0023-1.

Hu J,Li Z W,Zhu J J,et al.2013.Measuring three-dimensional surface displacement from combined InSAR and GPS data based on BFGS method.Chinese J.Geophys.(in Chinese),56(1): 117-126,doi: 10.6038/cjg20130112.

Ji L Y,Xu J D.2009.Acquiring 3D coseismic deformation field of Bam Earthquake by using D-InSAR and AZO techniques.Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese),29(6): 40-44,doi: 10.3969/j.issn.1671-5942.2009.06.009.

Li Z M,Tu H W,Tian Q J,et al.2010.The 2008 MS6.3 earthquake in the Dacaidan region,Qinghai province and its seismotectonic setting.Progress in Geophys.(in Chinese),25(3): 768-774,doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2010.03.004.

Liu X L,Yuan D Y.2004.Study on the new active features of Bayinguole river active fault,Delingha,Qinghai Province.Northwestern Seismological Journal (in Chinese),26(4): 303-308.

Liu Y H,Qu C Y,Shan X J.2012.Two-dimensional displacement field of the Wenchuan earthquake inferred from SAR intensity offset-tacking.Chinese J.Geophys.(in Chinese),55(10): 3296-3306,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.012.

Liu Y H,Shan X J,Qu C Y,et al.2010.Earthquake deformation field characteristics associated with the 2010 Yushu MS7.1 earthquake.Sci.China Earth Sci.(in Chinese),40(10): 1310-1320,doi: 10.1007/s11430-010-4116-7.

Sun J B,Liang F,Xu X W,et al.2006.3D co-seismic deformation field of the Bam Earthquake (MW6.5) from ascending and descending pass ASAR Radar Interferometry.Journal of Remote Sensing (in Chinese),10(4): 489-496.

Wang C S,Shan X J,Zhang G H,et al.2009.3D coseismic deformation field of the Yutian MS7.3 earthquake calculated from ASAR ascending and descending data.Earthquake (in Chinese),29(Z1): 105-112.

Wang H,Ge L L,Xu C J,et al.2007.3-D coseismic displacement field of the 2005 Kashmir earthquake inferred from satellite radar imagery.Earth,Planets and Space,59(5): 343-349,doi: 10.1186/BF03352694.

Wang L Y,Xu C J,Wen Y M.2013.Fault parameters of 2008 Qinghai Dacaidan MW6.3 earthquake from STLN inversion and InSAR data.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica (in Chinese),42(2): 168-176.

Wen Y M,Xu C J,Liu Y,et al.2012.Source parameters of 2008 Qinghai Dachaidan MW6.3 earthquake from InSAR inversion and automated fault discretization method.Geomatics and Information Science of Wuhan University (in Chinese),37(4): 458-462.Wright T J,Parsons B E,Lu Z.2004.Toward mapping surface deformation in three dimensions using InSAR.Geophysical Research Letters,31: L01607,doi: 10.1029/2003GL018827.

Zhang P Z,Deng Q D,Zhang G M,et al.2003.The strong earthquake activities and active block in China.Science in China (Series D) (in Chinese),33(sup): 12-20.

附中文參考文獻(xiàn)

葛偉鵬,王敏,沈正康等.2013.柴達(dá)木—祁連山地塊內(nèi)部震間上地殼塊體運(yùn)動(dòng)特征與變形模式研究.地球物理學(xué)報(bào),56(9): 2994-3010,doi: 10.6038/cjg20130913.

洪順英,單新建,劉智榮等.2013.新疆于田MW7.2地震3D同震形變場(chǎng)解算與分析.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),33(1): 6-12.

胡俊,李志偉,朱建軍等.2010.融合升降軌SAR干涉相位和幅度信息揭示地表三維形變場(chǎng)的研究.中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué),40(3): 307-318,doi: 10.1007/s11430-010-0023-1.

胡俊,李志偉,朱建軍等.2013.基于BFGS法融合InSAR和GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)地表三維形變.地球物理學(xué)報(bào),56(1): 117-126,doi: 10.6038/cjg20130112.

季靈運(yùn),許建東.2009.利用D-InSAR和AZO技術(shù)獲取Bam地震同震三維形變場(chǎng).大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),29(6): 40-44,doi: 10.3969/j.issn.1671-5942.2009.06.009.

李智敏,屠泓為,田勤儉等.2010.2008年青海大柴旦6.3級(jí)地震及發(fā)震背景研究.地球物理學(xué)進(jìn)展,25(3): 768-774,doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2010.03.004.

劉小龍,袁道陽(yáng).2004.青海德令哈巴音郭勒河斷裂帶的新活動(dòng)特征.西北地震學(xué)報(bào),26(4): 303-308.

劉云華,屈春燕,單新建.2012.基于SAR影像偏移量獲取汶川地震二維形變場(chǎng).地球物理學(xué)報(bào),55(10): 3296-3306,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.012.

劉云華,單新建,屈春燕等.2010.青海玉樹MS7.1級(jí)地震地表形變場(chǎng)特征研究.中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué),40(10): 1310-1320,doi: 10.1007/s11430-010-4116-7.

孫建寶,梁芳,徐錫偉等.2006.升降軌道ASAR雷達(dá)干涉揭示的巴姆地震(MW6.5)3D同震形變場(chǎng).遙感學(xué)報(bào),10(4): 489-496.

汪馳升,單新建,張國(guó)宏等.2009.基于ASAR升降軌數(shù)據(jù)解算于田MS7.3地震3D同震形變場(chǎng).地震,29(Z1): 105-112.

王樂(lè)洋,許才軍,溫?fù)P茂.2013.利用STLN和InSAR數(shù)據(jù)反演2008年青海大柴旦MW6.3級(jí)地震斷層參數(shù).測(cè)繪學(xué)報(bào),42(2): 168-176.

溫?fù)P茂,許才軍,劉洋等.2012.利用斷層自動(dòng)剖分技術(shù)的2008年青海大柴旦MW6.3級(jí)地震InSAR反演研究.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),37(4): 458-462.

張培震,鄧起東,張國(guó)民等.2003.中國(guó)大陸的強(qiáng)震活動(dòng)與活動(dòng)地塊.中國(guó)科學(xué)(D輯),33(增刊): 12-20.

(本文編輯張正峰)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(地區(qū))合作項(xiàng)目(41461164002)，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(LED2013A02,LED2015B04)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(14CX02110A)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介溫少妍，女，1985年生，工程師，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所在讀博士，主要從事InSAR技術(shù)及其在地震科學(xué)中的應(yīng)用研究. E-mail：wenshaoyan999@163.com *通訊作者張迎峰，男，1990年生，在讀碩士，主要從事InSAR形變場(chǎng)數(shù)值模擬等研究.E-mail：jingqing129@163.com

doi:10.6038/cjg20160313 中圖分類號(hào)P315

收稿日期2015-02-02，2015-08-06收修定稿

Three-dimensional co-seismic deformation of the Da Qaidam,Qinghai earthquakes derived from D-InSAR data and their source features

WEN Shao-Yan1，2，SHAN Xin-Jian1，ZHANG Ying-Feng1，3*，WANG Jia-Qing1，ZHANG Guo-Hong1，QU Chun-Yan1，XU Xiao-Bo1

1StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion，ürümqi830011，China3ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266555，China

AbstractThis work used a least square iterative approximation algorithm based on priori knowledge to calculate three-dimensional co-seismic deformation of the Da Qaidam earthquakes from ascending，descending and wide-swath data of Envisat ASAR.The results show that the vertical deformation of MW6.3 earthquake in 2008 occurred mainly in the south wall of the fault，where uplift is dominant.The maximum displacement is about 10 cm.The subsidence on the north wall of the fault is less than -1 cm.The east-west component on the south fault exhibits eastward movement with a maximum of 4 cm.The north wall moves westward with -2 cm maximum.For the MW5.8 earthquake in 2009,the south wall of the fault uplifted with 27 cm maximum value.The maximum subsidence of the north wall is about -3 cm.The component of east-west deformation manifests the south wall moves to east,and the maximum amount is about 10 cm.The maximum westward movement of the north wall is about -4 cm.In short，the sources of Da Qaidam earthquakes in 2008 and 2009 are thrust faulting with a small left-lateral strike slip component.It is impossible to judge the little strike-slip of co-seismic deformation with single light of sight，while the sinistral or dextral characteristics of the seismic source could be identified through the three-dimensional deformation of the surface.Besides，we have made forward modeling of the 3D co-seismic deformation field of the 2008 MW6.3 earthquake using the Okada model with the constraints of LOS，vertical and east-west deformation.The simulation results of these displacements are in good agreement with the observations by using a thrust seismogenic fault model with small left-lateral strike slip，which verifies the reliability of computation results and allows to recognize effectively the characteristic of small left-lateral strike slip using decomposition results.

KeywordsDa Qaidam earthquake； D-InSAR； Three-dimensional co-seismic deformation field； Characteristics of seismic source

溫少妍，單新建，張迎峰等.2016.基于InSAR的青海大柴旦地震三維同震形變場(chǎng)獲取與震源特征分析.地球物理學(xué)報(bào)，59(3):912-921,doi:10.6038/cjg20160313.

Wen S Y,Shan X J,Zhang Y F,et al.2016.Three-dimensional co-seismic deformation of the Da Qaidam,Qinghai earthquakes derived from D-InSAR data and their source features.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):912-921,doi:10.6038/cjg20160313.