朱俊文,姚赟勝,張 波

(甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

2021年5月21日21時(shí)48分,云南省西部大理州漾濞縣發(fā)生MS6.4地震(震中:25.67°N,99.87°E),震源深度8 km。本次地震為前-主-余型序列地震,該序列自5月18日至5月23日,共發(fā)生0級(jí)以上地震達(dá)1 585次,其中3級(jí)以上40次,3～3.9級(jí)24次,4～4.9級(jí)12次,5～5.9級(jí)3次,6～6.9級(jí)1次(國(guó)家地震數(shù)據(jù)中心,https://data.earthquake.cn/)。地震序列發(fā)生在川滇塊體西邊界附近,位于維西—喬后斷裂和紅河斷裂(狹義)過(guò)渡帶以西。有研究認(rèn)為,維西—喬后斷裂是紅河斷裂的北延段落,斷裂以右旋走滑活動(dòng)為主[1]。震中附近歷史上中強(qiáng)地震極其頻繁,震中100 km內(nèi)5～7級(jí)歷史地震近百次,最大一次地震為1925年大理7級(jí)地震[2]。最近一次地震為2017年云南漾濞MS5.1和MS4.8地震,與本次地震的震中相距25 km[3]。本次地震是研究川滇塊體西邊界現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)的重要窗口。

震后多學(xué)科綜合科考結(jié)果的階段性成果(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)顯示:地震構(gòu)造調(diào)查發(fā)現(xiàn)一條NW-SE走向的地表裂縫帶,分為間隔約5 km的南北兩段,長(zhǎng)度分別為2.5 km和3 km;余震精定位顯示走向NW,傾向近直立(略傾向SW)的余震密集帶;InSAR/GNSS觀測(cè)發(fā)現(xiàn)破裂面長(zhǎng)約20 km,最大滑動(dòng)量約0.8 m,矩震級(jí)為MW6.1。

我國(guó)在地震同震形變場(chǎng)獲取中主要采用的方法有傳統(tǒng)大地水準(zhǔn)測(cè)量、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、全自動(dòng)激光測(cè)距(EDM)以及InSAR等技術(shù)。利用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)觀測(cè)地震同震形變主要依賴于觀測(cè)臺(tái)站與地震震源之間的相對(duì)位置,就現(xiàn)有的地震預(yù)報(bào)技術(shù)而言,很難對(duì)地震做出精確的預(yù)測(cè)。盡管我國(guó)目前的觀測(cè)臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)布設(shè)已經(jīng)有了很好的改善,但在一些人跡罕至、高海拔地區(qū)仍然存在許多地震同震形變無(wú)法第一時(shí)間獲取的情況,而InSAR技術(shù)遠(yuǎn)距離、大范圍、全天候和主動(dòng)性等特點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限。本文利用sentinel-1A衛(wèi)星震前和震后升降軌數(shù)據(jù),采用差分干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)(DInSAR)反演了本次地震的同震形變,并以同震形變?yōu)榧s束,基于Okada彈性半空間位錯(cuò)模型[4]進(jìn)一步反演了此次地震的斷層幾何參數(shù),為深入研究此次地震的形變過(guò)程、發(fā)震構(gòu)造等提供了重要的參考資料。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

漾濞縣位于云南省大理州中部和點(diǎn)蒼山以西,川滇塊體滇西地區(qū),地勢(shì)自北向南方向傾斜(圖1)。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)和構(gòu)造復(fù)雜,區(qū)域內(nèi)有多條斷裂帶分布,維西—喬后—巍山斷裂[5]、龍?bào)础獑毯髷嗔裑6]、紅河斷裂等相互交錯(cuò),造成該地區(qū)地震頻發(fā)。自1900年以來(lái),在本次地震震中100 km范圍內(nèi)共發(fā)生34次5級(jí)以上地震,其中5.0～5.9級(jí)地震29次,6.0～6.9級(jí)地震4次,7.0～7.9級(jí)地震1次(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng))。最大一次地震發(fā)生在1925年3月16日大理7.0級(jí)地震,距離本次地震震中53 km,最近一次5級(jí)以上地震發(fā)生在2017年3月27日,距離本次震中25 km。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Basic situation of the study area

1.2 研究數(shù)據(jù)

Sentinel-1衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計(jì)劃(GMES)于2014年和2016年分別發(fā)射的搭載C波段合成孔徑雷達(dá)的雙星地球觀測(cè)衛(wèi)星,屬于主動(dòng)微波遙感衛(wèi)星。SAR衛(wèi)星可全天時(shí)、全天候不受云雨等天氣影響地獲取連續(xù)雷達(dá)影像。Sentinel-1衛(wèi)星有條帶模式(SM)、干涉寬幅模式(IW)、極寬幅模式(EW)和波譜模式(WV)四種成像模式。本文所使用數(shù)據(jù)為Sentinel-1A衛(wèi)星IW成像模式的斜距單視復(fù)數(shù)產(chǎn)品(SLC),空間分辨率為5 m×20 m,極化方式為VV。數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA EARTHDATA網(wǎng)站(https://search.asf.alaska.edu/);選取了震前、震后的升降軌SAR數(shù)據(jù)共4景用于本次地震同震形變場(chǎng)反演,影像基本信息如表1所列。本次實(shí)驗(yàn)選取的升降軌震前、震后兩個(gè)影像對(duì)的時(shí)間基線相近,均為12天,空間基線也相對(duì)較小,分別為50.35 m和19.27 m,盡可能降低時(shí)空失相關(guān)對(duì)最終結(jié)果的影響。

表1 SAR 數(shù)據(jù)Table 1 SAR data details

本研究所采用的參考DEM為覆蓋研究區(qū)的ALOS World 3D 30m DEM數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)由JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)機(jī)構(gòu)免費(fèi)分發(fā)(https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/data/index.htm)。

2 研究方法

2.1 DInSAR基本原理

DInSAR技術(shù)即合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量,是將同一地區(qū)的兩景不同時(shí)相獲取的SAR影像的干涉結(jié)果做差分處理,利用DEM消除地形影像獲得該地區(qū)地表微小形變信息的技術(shù)[7],如圖2所示。DInSAR處理過(guò)程通常包括基線估算、干涉像對(duì)配準(zhǔn)、干涉圖生成、去除平地效應(yīng)、濾波去噪、相位解纏、軌道精煉和重去平以及相位轉(zhuǎn)形變。根據(jù)地形相位的獲取方法不同,可將DInSAR技術(shù)分為雙過(guò)差分、三過(guò)差分和四過(guò)差分等。DInSAR技術(shù)被廣泛應(yīng)用地震形變場(chǎng)的反演,Wang等[8]反演了玉樹(shù)地震形變場(chǎng);趙強(qiáng)等[9]、季靈運(yùn)等[10]采用InSAR技術(shù)反演了九寨溝地震同震形變場(chǎng);王家慶等[11]通過(guò)多視角InSAR反演了西藏改則地震三維同震形變場(chǎng)。由于三過(guò)差分和四過(guò)差分會(huì)帶來(lái)更大的誤差[12],得到的地表形變量精度偏低[13-15],故本文選用雙過(guò)差分法獲取同震形變。

圖2 雙過(guò)差分干涉測(cè)量流程Fig.2 Two-pass differential interferometry process

2.2 Okada彈性位錯(cuò)模型

Steketee于1958年最先將位錯(cuò)理論引入到地震學(xué)領(lǐng)域[16],隨后數(shù)十年里,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該模型開(kāi)展了廣泛的研究。1985年Okada提出了一套可以計(jì)算彈性半空間內(nèi)剪切力和張裂斷層運(yùn)動(dòng)引起的地表形變及應(yīng)變的位錯(cuò)模型,之后又將該模型進(jìn)一步改進(jìn)[17],提出了彈性半空間均勻介質(zhì)位錯(cuò)模型[18]。

如圖3所示,Okada模型假設(shè)當(dāng)z≤0時(shí),地殼為彈性媒介,矩形斷層面的錯(cuò)動(dòng)量可分為走滑量(U1)、傾滑量(U2)以及張裂量(U3),α為斷層走向,δ為斷層傾角,L為斷層長(zhǎng)度,W為斷層寬度,d為斷層深度[19]。根據(jù)Okada彈性半空間位錯(cuò)理論,地下斷層參數(shù)很大程度上影響地表形變,二者存在高度非線性相關(guān)性。因此,可建立DInSAR獲取同震形變與地震斷層之間的的關(guān)系:

圖3 Okada位錯(cuò)模型笛卡爾坐標(biāo)系(據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig.3 Cartesian coordinates of Okada dislocation model(After reference[18])

disp=G1(m1)+ξ

(1)

式中:disp為DInSAR視線向形變觀測(cè)數(shù)據(jù);m1為斷層的9個(gè)參數(shù),分別為斷層起始點(diǎn)的經(jīng)緯度、斷層深度、走向角、傾角、滑動(dòng)角、斷層長(zhǎng)度、寬度和滑動(dòng)量;G1(·)是聯(lián)系觀測(cè)形變量與斷層參數(shù)的格林函數(shù);ξ為觀測(cè)誤差。

基于Levenberg-Marquardt[20]最小化算法非線性反演斷層幾何參數(shù),通過(guò)多次迭代使目標(biāo)函數(shù)在全局最小值處收斂,給出非線性模型的最優(yōu)解,即在給出的參數(shù)閾值區(qū)間內(nèi)迭代求解,最終求得全局最優(yōu)解。

3 研究結(jié)果

3.1 同震變形場(chǎng)

本文所采用的SAR數(shù)據(jù)極化方式為VV極化,利用SARscape軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,統(tǒng)一將震前所獲取的影像作為主影像,將震后獲取的影像作為從影像,制圖分辨率設(shè)置為20 m,通過(guò)配準(zhǔn)、干涉圖生成和去除平地效應(yīng)等操作獲得去平干涉圖,采用Goldstein濾波方法降低由時(shí)空失相干的噪聲,通過(guò)綜合對(duì)比區(qū)域增長(zhǎng)法(Region Growing)、最小費(fèi)用流法(Minimum Cost Flow)和Delaunay MCF法等相位解纏方法的優(yōu)缺點(diǎn),本文選擇MCF為相位解纏方法。經(jīng)過(guò)軌道精煉、重去平及地理編碼等處理,反演得到此次地震升降軌視線向的同震形變場(chǎng)(圖4),并對(duì)形變場(chǎng)分別做了兩個(gè)剖面(AA＇和BB＇)。綜合升降軌干涉圖和視線向同震形變場(chǎng)分析,正值表示形變量沿視線向抬升,即往靠近衛(wèi)星的方向運(yùn)動(dòng),最大抬升量為8.7 cm;反之,負(fù)值表示形變遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為沉降,最大沉降量為8.2 cm。升降軌影像的干涉條紋和形變量差異主要是由不同軌道側(cè)視角造成。由同震形變場(chǎng)可知,此次地震造成了一條NW-SE走向的斷裂,與中國(guó)地震局地質(zhì)研究所野外科考發(fā)現(xiàn)的地表裂縫帶(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)走向表現(xiàn)為高度一致性。

圖4 升降軌同震形變場(chǎng)Fig.4 Coseismic deformation field of ascending and descending orbit

3.2 斷層幾何參數(shù)

為提高反演效率,本文選取降軌數(shù)據(jù)獲得同震形變場(chǎng)進(jìn)行降采樣處理,最終獲得1 717個(gè)DInSAR視線向形變觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)反演斷層幾何參數(shù)?；贠kada彈性半空間均勻位錯(cuò)模型非線性反演出此次地震造成的斷層幾何參數(shù),如表2所列,表明此次地震斷層滑動(dòng)為右旋走滑,滑動(dòng)角為175°,大于哈佛大學(xué)GCMT(Global Centroid Moment Tensor)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS給出的滑動(dòng)角。斷層走向?yàn)?13.7°,略小于USGS給出的走向。斷層傾角為87°,略高于GCMT和USGS給出的值,但總體相差不大。通過(guò)非線性反演得出的地震矩為1.48×1018N·m,矩震級(jí)為MW6.1。

表2 不同研究機(jī)構(gòu)給出的漾濞MS6.4地震斷層參數(shù)Table 2 Fault parameters for the Yangbi MS6.4 earthquake obtained by different research institutions

4 結(jié)論與討論

本實(shí)驗(yàn)獲取的升降軌數(shù)據(jù)雖然在空間上恰好覆蓋了漾濞地震震中區(qū),但在時(shí)間上跨越了部分前震和許多余震,包括主震之前27分鐘發(fā)生的MS5.6前震和主震發(fā)生1小時(shí)內(nèi)又連續(xù)發(fā)生了1次MS5.0和1次MS5.2余震,從觀測(cè)數(shù)據(jù)上得到的同震形變場(chǎng)是前-主-余震共同作用的結(jié)果。

本文獲取了2021年漾濞MS6.4地震的同震變形場(chǎng)(圖4),結(jié)合形變場(chǎng)剖面圖發(fā)現(xiàn)本次地震的形變場(chǎng)長(zhǎng)約19 km,寬約20 km。降軌雷達(dá)視線向的最大形變約8.7 cm,升軌雷達(dá)視線向的最大形變約8.2 cm,視線向形變微弱,地震構(gòu)造科考也未見(jiàn)到破裂帶,僅見(jiàn)NW-SE向的裂縫(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)。斷層面幾何參數(shù)反演結(jié)果顯示斷層走向313°,傾向NE,傾角87°,滑動(dòng)角為175°,與USGS和GCMT的節(jié)面Ⅱ總體一致(表2)。漾濞地震斷層的性質(zhì)為右旋走滑。

InSAR揭示的漾濞地震斷層帶位于維西—喬后斷裂南段西側(cè)的一條NW向右旋走滑斷裂,該斷裂可能是維西—喬后斷裂的組成部分,該斷裂在本次地震中發(fā)生活動(dòng),但并未擴(kuò)展到地表。地質(zhì)和大地測(cè)量結(jié)果顯示,青藏高原在向外擴(kuò)展的過(guò)程中,受到鄂爾多斯塊體、華南塊體等一系列塊體的阻擋,青藏高原的構(gòu)造變形沿東構(gòu)造結(jié)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn),高原東南緣物質(zhì)發(fā)生向南的擠出,川滇菱形塊體就是青藏高原東南緣向南擠出的典型表現(xiàn)[21-22]。在川滇塊體向南擠出的構(gòu)造背景下,塊體西邊界的維西—喬后斷裂、紅河斷裂發(fā)生右旋走滑,本次地震便是維西—喬后斷裂南段分支斷裂右旋走滑活動(dòng)的體現(xiàn)。