邱江濤 趙強(qiáng) 林鵬

摘要：2016年11月25日新疆阿克陶MS6.7地震發(fā)生在帕米爾構(gòu)造結(jié)的弧頂?shù)貐^(qū)、木吉斷陷盆地西端附近，此次地震主震破裂過(guò)程復(fù)雜，根據(jù)地震波反演確定的震源機(jī)制解也存在較大差異。利用InSAR技術(shù)處理Sentinel-1 SAR影像數(shù)據(jù)獲取了此次地震的同震形變場(chǎng)，基于彈性半空間位錯(cuò)模型，確定了斷層幾何參數(shù)和滑動(dòng)分布模型。結(jié)果表明，分布式滑動(dòng)模型能較好地解釋觀測(cè)到的InSAR地表形變場(chǎng)。本次地震包括了至少2次破裂子事件，分別位于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的震中以東約7 km處（74.11°E，39.25°N）、以東約33 km處（74.49°E，39.16°N）。地震引起的形變場(chǎng)呈上下對(duì)稱性分布，最大LOS向形變量為20 cm。地震同震位錯(cuò)以右旋走滑為主，主要的滑動(dòng)量集中在地下深度0～20 km處，最大滑動(dòng)量為0.84 m。發(fā)震斷層為木吉斷裂，此次地震顯示印度板塊的北東向推擠作用在增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：阿克陶地震；InSAR；同震滑動(dòng)分布；木吉斷裂；震源機(jī)制

中圖分類號(hào)：P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）03-0415-08

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2016年11月25日22時(shí)24分30秒在新疆維吾爾族自治區(qū)阿克陶縣（39.27°N，74.04°E）發(fā)生了MS6.7地震（以下簡(jiǎn)稱阿克陶地震），震源深度約為10 km。此次地震是繼2012年烏恰5.1級(jí)地震以來(lái)，發(fā)生在南天山西段和帕米爾交匯地區(qū)的又一次強(qiáng)烈地震。

地震發(fā)生在高原山地，由于交通不便、震中附近斷層構(gòu)造復(fù)雜，傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法及時(shí)獲取有效的形變數(shù)據(jù)。而合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）技術(shù)自從 1993 年應(yīng)用于地震形變以來(lái)，已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用（喬學(xué)軍等，2014；季靈運(yùn)等，2017；趙強(qiáng)等，2017），特別是在植被覆蓋度低的青藏高原地區(qū)，同震形變場(chǎng)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都能保持較好的相干性。此外，發(fā)生地震的帕米爾弧形構(gòu)造結(jié)，新生代以來(lái)受到印度板塊向北的強(qiáng)烈擠壓推覆作用，是中國(guó)大陸受板塊動(dòng)力作用最強(qiáng)烈、地震活動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一（Burtman，Molnar，1993；Burtman，2000；尹金輝等，2001；潘家偉等，2009）。因此，InSAR技術(shù)是開(kāi)展2016年新疆阿克陶MS6.7地震研究、獲取本次地震同震形變場(chǎng)、反演震源參數(shù)及發(fā)震斷層滑移分布的重要手段，有助于探討此次地震與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，為判定震區(qū)及區(qū)域地震形勢(shì)提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

2016年阿克陶MS6.7地震發(fā)生在南天山西段和帕米爾交匯地區(qū)、帕米爾構(gòu)造結(jié)的弧頂?shù)貐^(qū)、木吉斷陷盆地西端地區(qū)附近，是印度板塊向歐亞板塊向北東向碰撞的西觸角地區(qū)，附近分布有一系列大型地質(zhì)構(gòu)造（圖1）。震中北部為帕米爾主逆沖斷裂，西部為卡拉庫(kù)爾地塹，南部為喀喇昆侖走滑斷裂，東部為公格爾拉張系（Fan et al，1994；Schoenbohm et al，2011；Sippl et al，2013；Schurr et al，2015）。

該區(qū)域歷史上強(qiáng)震活躍，震中100 km范圍內(nèi)曾記錄到17次6級(jí)以上地震，其中7級(jí)以上地震4次，分別為1944年9月28日烏恰南7.0級(jí)、1955年4月15日烏恰西7.0級(jí)雙震及1974年8月11日烏恰西南7.3級(jí)地震。此次阿克陶地震發(fā)生后截至26日10時(shí)， 共記錄余震309次，其中4.0～4.9級(jí)地震3次，3.0～3.9級(jí)地震31次，最大余震為4.0級(jí)（孔祥艷等，2017；王蘇等，2018）。根據(jù)震源破裂過(guò)程研究結(jié)果，本次地震以單側(cè)破裂為主，從震中開(kāi)始向東傳播，余震活動(dòng)也顯示了近EW向的展布特征（圖2）。地震發(fā)生后，不同機(jī)構(gòu)給出的震源機(jī)制解均顯示此次地震是一次以走滑為主的破裂事件，但不同機(jī)構(gòu)給出的發(fā)震斷層參數(shù)存在一定差異（表1，圖2），更重要的是此次阿克陶地震的主震破裂過(guò)程復(fù)雜，引起的地面運(yùn)動(dòng)也必然復(fù)雜。

2 InSAR觀測(cè)及結(jié)果

由于震中位于高海拔地區(qū)，人煙稀少、自然條件惡劣，使得以地面觀測(cè)站為基礎(chǔ)的常規(guī)地殼形變觀測(cè)技術(shù)較難實(shí)施。因此SAR影像成為獲取此次地震同震形變場(chǎng)的重要數(shù)據(jù)源。歐空局（ESA）的Sentinel-1衛(wèi)星自2014年發(fā)射以來(lái)，已免費(fèi)提供了大量、廣覆蓋、短周期、短基線的C波段SAR數(shù)據(jù)。阿克陶地震發(fā)生后，筆者下載了覆蓋整個(gè)震區(qū)升降軌道4景SAR影像數(shù)據(jù)（干涉寬模式），組成了2個(gè)時(shí)空基線較短的干涉對(duì)，基本參數(shù)如表2所示。

Sentinel-1影像的InSAR數(shù)據(jù)處理采用GAMMA商業(yè)軟件平臺(tái)（Werner et al，2001），利用兩軌法生成同震形變干涉圖。使用歐空局發(fā)布的Sentinel-1 POD回歸軌道數(shù)據(jù)精化SAR數(shù)據(jù)的軌道參數(shù)；使用顧及大地水準(zhǔn)面差異的30 m分辨率SRTM DEM數(shù)據(jù)來(lái)模擬和去除地形相位。利用多次Goldstein 濾波法提高干涉圖的信噪比；采用最小費(fèi)用流（Minimum Cost Flow，簡(jiǎn)稱MCF）算法進(jìn)行相位解纏；針對(duì)干涉圖中仍殘存的軌道誤差和大氣相位延遲，使用多項(xiàng)式模型和地形相關(guān)法進(jìn)行軌道誤差去除和大氣延遲削弱，最終得到了地理編碼后的阿克陶地震的高分辨率同震地表形變場(chǎng)（LOS視線方向），結(jié)果如圖3所示。

從獲得的LOS向的InSAR同震形變場(chǎng)（圖3）可以看出，Sentinel-1衛(wèi)星升降軌影像數(shù)據(jù)完全覆蓋此次地震的整個(gè)同震形變場(chǎng)，整個(gè)干涉形變相位連續(xù)，特征清晰明顯。其中T107降軌干涉圖（圖3a）顯示SW方向存在一個(gè)半蝴蝶狀的LOS向下沉區(qū)（長(zhǎng)約32 km，最大寬約10 km），最大形變量約20 cm，NE方向存在一處半橢圓狀上升區(qū)（長(zhǎng)軸約36 km，短軸約16 km），最大上升量約為9 cm。T23升軌干涉圖（圖3b）則表現(xiàn)出與降軌干涉圖截然相反的形變態(tài)勢(shì)，即降軌干涉圖顯示的SW方向下沉區(qū)在升軌干涉圖里顯示上升，最大上升量約為12 cm，降軌干涉圖顯示的NE方向上升區(qū)在升軌干涉圖里顯示下沉，最大下沉量約為6 cm。

這種升降軌道干涉圖顯示相反的形變態(tài)勢(shì)表明地震造成的地表形變以水平形變?yōu)橹鳎眷`運(yùn)等，2017），符合走滑型地震形變的主要特征，與地震學(xué)結(jié)果一致。從InSAR同震形變態(tài)勢(shì)、余震分布以及已有斷層的空間相對(duì)位置分布上，初步判斷木吉斷裂為此次地震的發(fā)震斷層。

3 斷層參數(shù)與滑動(dòng)分布反演

3.1 斷層幾何參數(shù)反演

Okada位錯(cuò)模型是構(gòu)建地下斷層參數(shù)與地面形變數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，主要是模擬觀測(cè)干涉形變場(chǎng)和估計(jì)斷層參數(shù)（Wang et al，2006）。一般如無(wú)其他先驗(yàn)信息，可以通過(guò)非線性反演方法和Okada模型反演均勻滑動(dòng)分布模型的斷層幾何參數(shù)（溫?fù)P茂等，2012）。

為有效獲得阿克陶MS6.7地震的同震滑動(dòng)分布特征，本文首先采用均勻網(wǎng)格采樣方法對(duì)升降軌同震形變場(chǎng)進(jìn)行降采樣處理，共獲得降采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)升軌5 839個(gè)、降軌4 841個(gè)，并按照得到的采樣點(diǎn)位置來(lái)計(jì)算實(shí)際的衛(wèi)星入射角及其軌道方位角；采用Okada均勻彈性半空間位錯(cuò)模型，結(jié)合GCMT的震源機(jī)制解和房立華等（2016）提供的阿克陶地震精定位結(jié)果，非線性反演斷層幾何參數(shù)（經(jīng)度、緯度、走向、傾向、滑動(dòng)角、深度以及斷層的長(zhǎng)度、寬度），為了擬合可能殘存的衛(wèi)星軌道誤差，加入6個(gè)軌道參數(shù)來(lái)線性估計(jì)軌道誤差，其中，采用Levemberg-Marquardt最小二乘優(yōu)化算法迭代，進(jìn)行8個(gè)幾何參數(shù)和6個(gè)軌道參數(shù)求解。

從表3可以看出，通過(guò)單一斷層反演，得到發(fā)震斷層走向大致為NWW向，角度約100°，震中位置（74.13°E，39.24° N），傾向80°，斷層參數(shù)與GCMT給出的震源機(jī)制解中的節(jié)面1近似。但強(qiáng)余震的震源機(jī)制表明，震中東側(cè)的余震具有明顯的正斷分量，表明這次地震震源動(dòng)力過(guò)程比較復(fù)雜（張旭等，2017）。主震震源破裂過(guò)程至少有2次（陳杰等，2016；房立華等，2016）。因此，根據(jù)干涉圖及余震分布圖將發(fā)震斷層分割為二，再次非線性反演得到發(fā)震斷層幾何參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)震級(jí)的計(jì)算公式，得到該地震的矩震級(jí)范圍為MW6.62～6.75。

3.2 同震分布式滑動(dòng)反演

發(fā)震斷層的幾何模型確定后，斷層面上的滑動(dòng)量與地表形變之間呈線性關(guān)系（季靈運(yùn)等，2017）。因此，本文在上述Okada位錯(cuò)模型反演獲取發(fā)震斷層幾何參數(shù)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用德國(guó)地學(xué)中心汪榮江開(kāi)發(fā)的SDM程序包（Wang et al，2011，2013），來(lái)獲取斷層面上的精細(xì)滑動(dòng)分布。

本文根據(jù)InSAR數(shù)據(jù)得到的形變圖以及表4反演得到的斷層參數(shù)，確定使用雙斷層模型。一般主震破裂區(qū)范圍上限可以用余震展布范圍確定，由此考慮將斷層沿走向分別拓展50和26 km，沿傾向分別拓展40和38 km，并把斷層面按2 km×2 km共劃分為747個(gè)子斷層。使用升、降軌干涉圖（圖3）聯(lián)合約束反演發(fā)震斷層的精細(xì)滑動(dòng)分布，2幅干涉圖給定相同權(quán)重。反演過(guò)程中，根據(jù)CRUST1.0模型確定區(qū)域地殼分層結(jié)構(gòu)；對(duì)于相鄰斷層片的滑動(dòng)量，施加應(yīng)力降平滑約束。

通過(guò)克里金插值法填補(bǔ)空白點(diǎn)，如圖4所示，從整體上看，分布式滑動(dòng)模型擬合得到的形變場(chǎng)能夠較好地模擬觀測(cè)形變場(chǎng)，2處主要的形變特征能夠得到最佳擬合。但也發(fā)現(xiàn)在形變區(qū)，尤其是北部存在過(guò)度擬合現(xiàn)象（圖4c，d），可能是由于干涉圖包含大氣延遲干擾或積雪影響等噪聲，造成擬合殘差偏大。

圖5為阿克陶地震同震滑動(dòng)分布結(jié)果，從圖中可以看出阿克陶地震同震破裂長(zhǎng)度約70 km，同震滑動(dòng)分布主要集中在沿傾向向下0～20 km 深度范圍，屬典型的淺源構(gòu)造地震。斷層破裂主要以右旋走滑為主，破裂西段正斷分量不明顯，最大滑動(dòng)量0.84 m，位于7.1 km深處；東段最大滑動(dòng)量0.68 m，位于6.6 km深處，兼有正斷分量，沿傾向最大滑動(dòng)量0.38 m。從滑動(dòng)分布得出的矩震級(jí)為MW6.61～6.67，與表1給定的震級(jí)基本一致，略小于均一滑動(dòng)的反演結(jié)果。

4 討論

結(jié)合上述分析結(jié)果，展開(kāi)如下討論：

（1）震中位置分析。2016年阿克陶地震發(fā)生后，盡管CENC、GCMT和USGS等機(jī)構(gòu)利用遠(yuǎn)場(chǎng)波動(dòng)資料分別計(jì)算出該地震的發(fā)震位置和震源機(jī)制解，但是由于亞洲地區(qū)地震臺(tái)站稀少以及青藏高原地區(qū)地殼的不均勻性，使得基于地震波資料給出的地震震中位置有著較大的不確定性（表1）。根據(jù)通過(guò)單一斷層反演計(jì)算得到的InSAR同震形變中心位置（圖3），大致確定阿克陶MS6.7地震同震破裂的震中為（74.13°E，39.24°N），與USGS確定的位置相差約11.7 km，與GCMT確定的中心位置相差約3.4 km，與CENC確定的相差約6.4 km。這種差異可能也與地震學(xué)反演得到的震中是起始破裂的位置、InSAR反演的結(jié)果是滑動(dòng)量級(jí)最大的部位有關(guān)。

（2）震源機(jī)制分析。從InSAR同震形變圖像（圖3）和位錯(cuò)反演結(jié)果（圖4，5）來(lái)看，此次地震地表形變以水平形變?yōu)橹鳎鹌屏验L(zhǎng)度約為70 km。發(fā)震斷層走向大致為NWW向，角度約100°，傾向約80°，斷層參數(shù)與GCMT給出的震源機(jī)制解中的節(jié)面Ⅰ近似，與木吉斷裂吻合。使用雙斷層均一滑動(dòng)模型反演得到此次地震的矩震級(jí)范圍為MW6.62～6.75，分布式滑動(dòng)模型反演得出的矩震級(jí)為MW6.61～6.67，與各機(jī)構(gòu)給定的震級(jí)基本一致。斷層面上的精細(xì)滑動(dòng)分布結(jié)果，證明此次地震震源破裂主要以右旋走滑為主，僅在東段兼有部分正斷分量。

（3）與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。帕米爾構(gòu)造結(jié)是中國(guó)大陸受板塊動(dòng)力作用最強(qiáng)烈、地震活動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一?，F(xiàn)今GPS觀測(cè)資料（楊少敏等，2008；Mohadjer et al，2010；Ge et al，2015；Zhou et al，2016）表明該構(gòu)造結(jié)整體向北的推擠速率高達(dá)（23±2）mm/a，現(xiàn)今構(gòu)造變形以前緣地殼縮短和走滑、構(gòu)造結(jié)內(nèi)部拉張為特征。內(nèi)部拉張分別以東部的公格爾山拉張系和西部卡拉庫(kù)爾地塹的EW向拉張作用為主（Brunel et al，1994；Robinson et al，2004，2007；陳杰等，2011）。此次地震發(fā)震斷層即位于公格爾山拉張系最北段，木吉盆地北緣。公格爾山拉張系的東西向拉張量呈北大南小態(tài)勢(shì)，在最北段的木吉盆地約為30 km（Robinson et al，2007）。對(duì)比震中100 km范圍內(nèi)7級(jí)以上地震震源機(jī)制解（喬學(xué)軍等，2014；Metzger et al，2016），表明帕米爾高原內(nèi)部上地殼變形仍以近EW向拉張為主，印度板塊的NE向推擠作用在增強(qiáng)。

（4）Okada半無(wú)限空間模型雖然計(jì)算速度快、精度高，廣泛應(yīng)用于同震反演，但使用半無(wú)限空間模型反演得到的斷層深度大于真實(shí)的斷層深度，并且反演的滑移量也偏大。本文使用的Okada半無(wú)限空間模型只用于斷層幾何參數(shù)反演，同時(shí)使用Wang等（2006）發(fā)布的基于分層介質(zhì)模型的反演程序SDM對(duì)這次地震進(jìn)行地下位錯(cuò)反演，以得到更準(zhǔn)確的地下位錯(cuò)分布及應(yīng)力分布等信息。但本次發(fā)震位置處于高海拔區(qū)域，野外考察難度較大，所以單一測(cè)量手段很難精確地確定地下及地表的位錯(cuò)分布（季靈運(yùn)等，2015），如果結(jié)合GPS、強(qiáng)震等資料進(jìn)行地表破裂和地下位錯(cuò)聯(lián)合反演，則會(huì)更為精細(xì)地解決模型的建立與實(shí)際地震破裂的關(guān)系，有效提高震源機(jī)制解的精度。

5 結(jié)論

2016年11月25日阿克陶地震發(fā)生在新疆西南緣高寒地區(qū)，由于自然條件限制，野外地質(zhì)調(diào)查和地球物理數(shù)據(jù)采集工作難以完全開(kāi)展。本研究利用Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行InSAR 處理，獲取新疆阿克陶MS6.7地震的高質(zhì)量同震地表形變場(chǎng)，并聯(lián)合反演了發(fā)震斷層的幾何參數(shù)、精細(xì)滑動(dòng)分布特征。

（1）此次地震發(fā)生在帕米爾構(gòu)造結(jié)的弧頂?shù)貐^(qū)，Sentinel-1衛(wèi)星升降軌影像數(shù)據(jù)完全覆蓋此次地震的整個(gè)同震形變場(chǎng)。從獲得的升降軌同震LOS形變場(chǎng)可以看出，此次地震屬于右旋走滑型地震，地表形變以水平形變?yōu)橹?，呈上下?duì)稱性分布，且主要分布在發(fā)震斷層附近的區(qū)域，最大LOS向形變量為20 cm，結(jié)合余震分布判斷木吉斷裂為此次地震的發(fā)震斷層。

（2）阿克陶地震的主震破裂過(guò)程復(fù)雜，引起震中附近地面出現(xiàn)大量邊坡失穩(wěn)、巖崩、滾石等地質(zhì)災(zāi)害，因此采用均勻網(wǎng)格采樣方法可以有效抑制個(gè)別誤差較大結(jié)果對(duì)整個(gè)形變場(chǎng)特征的影響。

（3）本次地震震源動(dòng)力過(guò)程比較復(fù)雜，主震震源破裂過(guò)程至少有2次，因此使用雙斷層模型反演斷層面上的精細(xì)滑動(dòng)分布。同震滑動(dòng)分布主要集中在沿傾向向下0～20 km 深度范圍，屬典型的淺源構(gòu)造地震。震源破裂西段正斷分量不明顯，最大滑動(dòng)量0.84 m，位于7.1 km深處。東段最大滑動(dòng)量0.68 m，位于6.6 km深處，兼有正斷分量，沿傾向最大滑動(dòng)量0.38 m。符合木吉斷裂近直立，兼具正斷作用的構(gòu)造特征。

感謝 ESA 為本文提供的 Sentinel-1A/B 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，中國(guó)地震局地球物理研究所房立華研究員提供的余震精定位結(jié)果，GFZ 汪榮江教授提供的 SDM反演程序。

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Abstract The Akto MS6.7 earthquake，Xinjiang occurred near the western end of the Muji fault basin in the top of the Pamir syntax.The main shock of this earthquake is complicated and the focal mechanism solutions show differences based on seismic wave inversions.Based on the Sentinel-1 SAR image data，the coseismic deformation field of the earthquake is obtained by InSAR technique.Based on the elastic half-space dislocation model，the geometrical parameters and the slip distribution model are determined by nonlinear and linear inversion algorithms.The results show that the distributed slip model can well explain the coseismic deformation field.The earthquake includes at least two rupture events，which are located at 7 km（74.11 ° E，39.25 ° N）and 33 km（74.49 ° E，39.16 ° N）east of the epicenter of the CENC.The deformation field caused by the earthquake shows symmetric distributions，with the maximum deformation（LOS）of 20 cm.The main seismic slip is concentrated in the 0～20 km depth，and the maximum slip is 0.84 m.The seismic fault is the Muji fault，and this earthquake shows that the N-E thrust of the Indian plate is enhanced.

Keywords：the Akto earthquake；InSAR；coseismic slip distribution；Muji fault；focal mechanism