于 儀 李 雪 孫 振 劉珠妹 張朝陽,4

1 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側(cè)路40號，430071 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室，武漢市洪山側(cè)路40號，430071 3 中國石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院，青島市長江西路66號，266580 4 防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北省三河市學(xué)院街465號，065201

2022-01-08青海門源發(fā)生MW6.7地震，中國地震局地質(zhì)研究所測定的地震震源深度為10 km，震中位置為37.77°N、101.26°E，地表破裂帶長度超過22 km，地震主要發(fā)生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂和托來山斷裂的階區(qū)部位(圖1)。斷裂帶的擠壓速率由托來山斷裂向冷龍嶺斷裂逐漸減小，走滑趨勢逐漸增大[1]。其中北側(cè)主破裂帶分布于冷龍嶺斷裂帶西側(cè)，整體走向為NWW；南側(cè)次級破裂帶分布于托來山斷裂東段局部段，走向近EW。托來山斷裂全長超過280 km，斷裂走向為60°NE，分布于門源盆地北緣，由托來南山南坡斷裂、托來河斷裂和玉石溝3個平行斷裂組合而成[1-4]，運動性質(zhì)為左旋走滑兼擠壓，左旋走滑速率為4.1±0.1 mm/a。冷龍嶺斷裂帶長約120 km，總體走向為110°NW，水平滑動速率為3.35～4.65 mm/a，平均垂直滑動速率為0.38 mm/a。冷龍嶺斷裂帶位于青藏高原東北緣巨型弧形構(gòu)造帶的前緣地帶，受到青藏高原塊體向北東方向的擠壓，是全新世活動的左旋走滑兼逆沖斷層[5-8]。冷龍嶺斷裂帶及其周圍區(qū)域受到北部歐亞板塊、東部太平洋板塊與SW向印度-青藏板塊的強烈碰撞，導(dǎo)致北部擠壓變形和東部側(cè)向擠出[9]。

圖1 門源地震的區(qū)域構(gòu)造背景Fig.1 Tectonic background of Menyuan earthquake

基于此，本文采用Sentinel-1A數(shù)據(jù)，利用合成孔徑雷達差分干涉(D-InSAR)技術(shù)研究門源地震的震源機制及滑動分布，研究成果對理解門源地震的發(fā)震機理有重要意義。D-InSAR技術(shù)利用同一監(jiān)測區(qū)域2次不同雷達成像位置獲取的相位，采用差分干涉法消除干涉圖中地形因素的影響，得到目標區(qū)域的地表形變[10]。D-InSAR技術(shù)具有空間分辨率高、覆蓋范圍廣、全天時、全天候等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于地震形變、火山活動及滑坡等災(zāi)害研究中[11-12]。本文首先利用D-InSAR技術(shù)獲得門源地震視線向升降軌同震形變場；然后對同震形變場進行降采樣處理，采用Okada彈性半空間位錯模型進行線性和非線性反演，得到發(fā)震斷層的幾何參數(shù)和滑動分布情況；最后基于同震滑動模型，正演計算E、N、U三個方向上的地表位移分量，并將其投影到雷達視線向(LOS)上獲取升降軌同震形變場的模擬結(jié)果，驗證本文滑動分布模型反演結(jié)果的準確性。

1 InSAR數(shù)據(jù)處理與形變分析

1.1 InSAR數(shù)據(jù)處理

選取覆蓋2022年門源地震發(fā)震區(qū)域的Sentinel-1A衛(wèi)星地震前后升降軌影像數(shù)據(jù)(表1)，升軌和降軌的時間基線均為12 d，空間基線分別為39.2 m和55.8 m，較短的時間基線和空間基線有利于影像之間保持良好的相干性[13]。

表1 Sentinel-1A 升降軌數(shù)據(jù)參數(shù)

利用D-InSAR技術(shù)處理Sentinel-1A數(shù)據(jù)時，首先需要對影像數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入、裁剪及配準等預(yù)處理。在數(shù)據(jù)導(dǎo)入時添加精密軌道文件，可以降低軌道誤差對形變結(jié)果的影響。生成干涉圖時，采用美國宇航局發(fā)布的30 m分辨率DEM消除地形相位的影響[14]，設(shè)置距離向視數(shù)為7、方位向視數(shù)為2進行多視處理，并采用Goldstein濾波方法進行濾波處理，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，干涉結(jié)果相干性較好，整體呈類似蝴蝶狀的條紋樣式，干涉條紋清晰光滑，連續(xù)性較好?？拷鼣鄬訁^(qū)域的條紋較為密集，說明該區(qū)域形變梯度較大。

圖2 2022年門源地震InSAR干涉條紋圖Fig.2 InSAR interference fringe diagram of Menyuan earthquake in 2022

1.2 同震形變場

將解纏最小相干系數(shù)閾值設(shè)置為0.3，采用最小費用流方法進行相位解纏[15]。通過地理編碼等操作得到門源地震的視線向同震形變場(圖3)。由圖可見，升軌和降軌的同震形變場中間斷層走向均為NWW-SEE，與中國地震臺網(wǎng)(CENC)及美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)等公布的斷層走向一致。升軌同震形變場LOS向最大抬升形變量為39 cm，最大沉降形變量為56 cm；降軌同震形變場LOS向最大抬升形變量為58 cm，最大沉降形變量為56 cm。升降軌同震形變場的上盤和下盤表現(xiàn)出相反的運動趨勢，同一軌道上盤和下盤的運動趨勢也相反，說明2022年門源地震的發(fā)震斷層具有走滑性質(zhì)。對比升、降軌同震形變場可以發(fā)現(xiàn)，二者形變量級和范圍存在一定的差異，主要是衛(wèi)星在升、降軌觀測時的成像模式及側(cè)視角不同所致。發(fā)震斷層附近較大的形變梯度導(dǎo)致相位無法解纏，使得同震形變場在震中附近區(qū)域出現(xiàn)形變相位不連續(xù)的現(xiàn)象。

圖3 2022年門源地震InSAR同震形變場Fig.3 InSAR coseismic deformation field of Menyuan earthquake in 2022

2 地震斷層參數(shù)和滑動分布反演

基于升降軌同震形變場觀測數(shù)據(jù)，對門源地震的斷層參數(shù)和滑動分布特征進行反演。本文采用均勻采樣法對觀測數(shù)據(jù)進行降采樣處理，解決了因同震形變場數(shù)據(jù)過多引起的計算量過大的問題。為最大程度地保留形變場特征，本文將近場形變區(qū)域采樣間隔設(shè)置為500 m，遠場形變區(qū)域采樣間隔設(shè)置為2 km。

2.1 斷層幾何參數(shù)非線性反演

基于Okada 彈性半空間位錯模型[16-17]反演斷層幾何參數(shù)，具體模型為：

D=G(ρ) +ε

(1)

式中，D為同震形變場數(shù)據(jù)，G為格林函數(shù)[18]，ρ為發(fā)震斷層的經(jīng)度、緯度、走向、傾向、滑動角、深度、長度、寬度和滑動量共9個反演參數(shù)，ε為觀測誤差。

以全球矩心矩張量機構(gòu)(GCMT)給出的地震信息作為初始參數(shù)，采用Levenberg-Marquaedt方法[19]計算最優(yōu)斷層幾何參數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表可知，斷層傾角為86°，走向為109°，滑動角為0.79°，震源深度為5 km，震中位置為101.28°E、38.78°N，地震矩為8.22×1018Nm，相應(yīng)的矩震級為MW6.6。反演所得結(jié)果與USGS和GCMT等機構(gòu)公布的斷層參數(shù)結(jié)果基本一致。

表2 斷層反演參數(shù)

圖4為斷層參數(shù)反演結(jié)果的殘差值，經(jīng)計算可知，升軌和降軌觀測擬合的總體殘差均方根分別為1.9 cm和2.3 cm，說明斷層幾何參數(shù)擬合殘差較小，能準確反映斷層參數(shù)的分布特征。但斷層近場兩側(cè)的參數(shù)反演誤差較大，主要原因有3點：1)斷層附近被積雪覆蓋，存在失相干現(xiàn)象；2)震中附近區(qū)域形變梯度較大，導(dǎo)致相位無法解纏，存在相位不連續(xù)現(xiàn)象；3)本次地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂和托來山斷裂的階區(qū)部位，斷層構(gòu)造錯綜復(fù)雜，所用模型無法完全解譯斷層。綜上可知，遠場的模擬效果優(yōu)于近場，能夠反映門源地震近場區(qū)域斷層運動的復(fù)雜性。

圖4 斷層幾何參數(shù)反演結(jié)果Fig.4 Inversion results of fault geometric parameters

2.2 斷層滑動分布線性反演

首先將斷層走向和傾向分別延伸至30 km和15 km，然后將斷層面劃分為2 km×1 km的格網(wǎng)，基于固定滑動角的分布式滑動模型，利用非負最小二乘算法對斷層滑動分布進行線性反演。進行多次迭代實驗后確定阻尼因子為0.03，得到斷層滑動分布結(jié)果(圖5)。由圖可知，研究區(qū)域存在一個主要破裂區(qū)，長度約16 km、寬度約5 km。同震破裂表現(xiàn)為左旋走滑特征，滑動分布主要集中在地下2～6 km處(在深度方向，負值表示高于海平面的頂部斷層，正值表示地下深度)，最大滑動量為4.2 m，大約位于地下4.5 km處。上述滑動分布結(jié)果與USGS公布的結(jié)果相符。

圖5 滑動分布反演結(jié)果Fig.5 Inversion results of slip distribution

結(jié)合斷層參數(shù)反演結(jié)果和滑動分布結(jié)果可知，2022年門源地震發(fā)震斷層具有左旋走滑特征，整體呈NWW-SEE向?？梢耘卸ū敬蔚卣鸢l(fā)生在SE向冷龍嶺斷裂西北段和EW向托來山斷裂東段之間，理由如下：1)本文反演得到的發(fā)震斷層滑動方式與冷龍嶺斷裂和托來山斷裂的運動方式一致；2)中國地震局地球物理研究所對余震序列進行重定位后得到主震和374次余震的震源位置參數(shù)，其中主震發(fā)生在托來山斷裂和冷龍嶺斷裂交會處；余震序列西段位于托來山斷裂，東段位于冷龍嶺斷裂，余震整體分布方向與本文同震形變場呈現(xiàn)的走向一致。

3 地震三維位移場正演研究

利用D-InSAR技術(shù)計算的同震形變場是地面E、N、U三個方向上位移分量在雷達脈沖入射方向投影的疊加結(jié)果。本文以同震滑動模型為源數(shù)據(jù)，正演得到地表位移的三維形變場，結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可見，在E方向上，斷層北盤呈向西的運動趨勢，南盤呈向東的運動趨勢，說明本次地震以走滑為主。由圖6(b)可見，在N方向上，斷層北盤西段呈擠壓抬升特征，東段呈拉張沉降特征，東段形變量遠小于西段，因此北盤整體呈向南的運動趨勢；斷層南盤呈向北的運動趨勢，整體表現(xiàn)為前端受到擠壓作用產(chǎn)生抬升形變，后端受到拉張作用產(chǎn)生沉降形變，沉降形變量遠大于抬升形變量。由圖6(c)可見，在U方向上，斷層北盤東段呈沉降形變特征，西段呈抬升形變特征；斷層南盤東段呈抬升形變特征，西段呈沉降形變特征。U方向斷層整體呈四象限分布，形變量遠小于E、N方向。由3方向同震形變位移可知，本次地震的發(fā)震斷層具有左旋走滑特征。

圖中黑色線代表斷層圖6 正演形變場不同方向位移分量結(jié)果Fig.6 Results of displacement components in different directions of forward deformation field

以E、N、U三個方向上的位移分量為數(shù)據(jù)源，添加傳感器的方位角、觀察角度和軌道表面文件等信息，得到模擬升降軌衛(wèi)星視線向的同震形變場和殘差值，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，升降軌同震形變場的模擬結(jié)果在形變量級和分布形態(tài)上與觀測得到的同震形變場(圖3)基本一致，殘差分布主要集中在斷層附近，與斷層近場失相干現(xiàn)象、斷層模型簡化及大氣誤差等因素有關(guān)。經(jīng)計算可知，升軌同震形變場模擬結(jié)果的殘差范圍為-0.13～0.15 m，降軌同震形變場模擬結(jié)果的殘差范圍為-0.13～0.19 m，驗證了本文同震滑動分布反演結(jié)果的準確性。

圖7 正演模擬的升降軌LOS向同震形變場與觀測值殘差Fig.7 Forward simulated coseismic deformation field of ascending and descending orbit and residual error of observed value

4 結(jié) 語

本文利用Sentinel-1A衛(wèi)星的升降軌數(shù)據(jù)，通過D-InSAR技術(shù)獲得2022年門源地震視線向同震形變場。采用Okada彈性半空間模型進行反演，獲得本次地震發(fā)震斷層參數(shù)和斷層滑動分布情況，并基于滑動分布模型正演得到升降軌同震模擬形變場。主要結(jié)論如下：

1)同震形變場顯示，本次地震發(fā)震斷層整體走向為NWW-SEE，運動方式以走滑為主。升軌同震形變場沿視線向最大抬升形變量為39 cm，最大沉降形變量為56 cm；降軌同震形變場沿視線向最大抬升形變量為58 cm，最大沉降形變量為56 cm。

2)門源地震發(fā)震斷層傾角為86°、走向為109°、滑動角為0.79°，震中位置為101.28°E、38.78°N，地震矩為8.22×1018Nm，對應(yīng)的矩震級為MW6.6，該結(jié)果與USGS和GCMT等機構(gòu)公布的斷層參數(shù)基本一致。發(fā)震斷層具有左旋走滑特征，滑動分布主要集中在地下2～6 km處，最大滑動量為4.2 m，位于地下4.5 km處?？傮w分析可知，此次地震發(fā)生在SE向冷龍嶺斷裂西北段和EW向托來山斷裂東段之間。

3)升降軌同震形變場正演模擬結(jié)果在形變量級和分布形態(tài)上與觀測得到的同震形變場基本一致，驗證了本文同震滑動分布反演結(jié)果的準確性。