郝小葉 張永志,2 柳姣姣 程雅雯 吳文強(qiáng) 周 甜

1 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安市雁塔路126號(hào),710054

2 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安市雁塔路中段1號(hào),710054

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心(CENC)測(cè)定,2023-02-06 09:17:37和18:24:50土耳其境內(nèi)發(fā)生2次7.8級(jí)大地震,依次為帕扎爾西克地震和伊爾比斯坦地震,全球地震矩心矩張量(GCMT)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)也相繼公布“雙大震”的震中位置及震源機(jī)制解(表1)。兩次大震震中位置相距約96 km,初步判定均為走滑型破裂機(jī)制,且都發(fā)生于東安納托利亞斷裂系中[1]。據(jù)記載,土耳其境內(nèi)近 25 a共發(fā)生8次7級(jí)以上地震,但在過去一個(gè)世紀(jì)北安納托利亞斷裂帶超強(qiáng)的地殼運(yùn)動(dòng)背景下,此次地震序列急轉(zhuǎn)于東安納托利亞斷裂系,且近乎同時(shí)發(fā)生2次大地震;此外,地震震中處于人口密集區(qū),事后還多次發(fā)生震級(jí)較大的余震,人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都遭受重創(chuàng)。因此,研究本次土耳其“雙大震”的發(fā)震機(jī)理,有助于深入了解東安納托利亞斷裂系的孕震機(jī)制,對(duì)該區(qū)域地震危險(xiǎn)性分析具有重要的參考價(jià)值。

表1 2023年土耳其“雙大震”地震信息

近幾十年來,InSAR技術(shù)在地球物理學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,因其具有高時(shí)空分辨率、全天時(shí)、全天候等優(yōu)勢(shì),使得高效獲取近場(chǎng)地表形變信息成為可能,特別是差分干涉測(cè)量(D-InSAR)與像素偏移追蹤(POT)技術(shù)的聯(lián)合分析可提取到更加完整、豐富的同震形變信息,現(xiàn)已多次應(yīng)用于強(qiáng)震形變監(jiān)測(cè)分析和震源參數(shù)反演研究中[2]。本文采用歐空局(ESA)提供的2023年土耳其“雙大震”破裂區(qū)的完整Sentinel-1 A影像數(shù)據(jù),解算此次事件的近斷層同震形變場(chǎng),并基于“四叉樹”降采樣后的像素偏移量進(jìn)行發(fā)震斷層的精細(xì)化滑動(dòng)分布反演,進(jìn)而分析和探討此次地震序列的震源機(jī)制情況。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

2023-02-06土耳其“雙大震”發(fā)生于阿拉伯板塊和安納托利亞塊體的交界帶——東安納托利亞斷裂系中,是世界上最活躍的大型轉(zhuǎn)換斷裂帶之一,接納了安納托利亞塊體的長(zhǎng)期西向擠壓運(yùn)動(dòng)[3-4]。安納托利亞板塊是在歐亞板塊與阿拉伯板塊的長(zhǎng)期碰撞,以及非洲板塊東北向的不斷俯沖作用下分離產(chǎn)生的一個(gè)微板塊,在各板塊匯聚處形成以東安納托利亞斷層和北安納托利亞斷層2條大型走滑斷裂為主的超強(qiáng)活動(dòng)構(gòu)造結(jié)[5]。地質(zhì)資料表明,“雙大震”破裂斷層均處于以東安納托利亞斷層為主的斷裂系中(圖1)。

圖(a)中藍(lán)色方框表示T14升軌覆蓋范圍,棕色方框表示T21降軌覆蓋范圍,白色方框表示圖(b)覆蓋范圍;紅色實(shí)線表示安納托利亞板塊邊界的主要斷層結(jié)構(gòu)(東安納托利亞斷層和北安納托利亞斷層數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[6]);紅色五角星及震源沙灘球表示由GCMT提供的“雙大震”震中位置及震源機(jī)制解,黑色和藍(lán)色沙灘球分別表示自1960年以來6級(jí)以上歷史地震

東安納托利亞斷裂帶(EAFZ)是地中海區(qū)域的主要陸內(nèi)轉(zhuǎn)換斷裂帶之一,全長(zhǎng)約550 km,為左旋走滑型斷層,與右旋走滑性質(zhì)的北安納托利亞大型斷裂帶(NAFS)交會(huì)于東北向的卡爾勒奧瓦三聯(lián)點(diǎn)處,且在西南方向延伸至安塔基亞附近與死海斷裂帶毗鄰[4,7]?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明,東安納托利亞斷層滑動(dòng)速率由東北端向西南端遞減,形變速率值介于4～10 mm/a,遠(yuǎn)低于北安納托利亞斷層的平均滑動(dòng)速率(21～25 mm/a)[8]。研究區(qū)內(nèi)1960年以來共發(fā)生6次5級(jí)以上地震: 1964年賓格爾MS6.9地震、1971年賓格爾MS6.7地震、2003年賓格爾MW6.3地震、2010年埃拉澤MW6.1地震和2020年埃拉澤MW6.8地震[9],均與東安納托利亞斷層地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。東安納托利亞斷層的幾何形狀較為復(fù)雜,斷層南端存在多條次生斷層,其中索爾古和恰爾達(dá)克斷層均呈現(xiàn)北傾的左旋走滑特性[4]。該地震序列的發(fā)生表明,東安納托利亞斷層近年來的地震活動(dòng)仍十分活躍,因此解算此次“雙大震”序列的同震形變場(chǎng),分析發(fā)震斷層的破裂機(jī)制,對(duì)東安納托利亞斷層近年來的運(yùn)動(dòng)特征及斷層固有特性的進(jìn)一步研究具有重要意義。

2 土耳其“雙大震”同震形變場(chǎng)

2023-02-06土耳其“雙大震”發(fā)生后,歐空局先后發(fā)布覆蓋該震區(qū)的Sentinel-1 A衛(wèi)星影像(表2),本文采用衛(wèi)星寬幅干涉模式時(shí)間基線較短的升、降軌干涉像對(duì)進(jìn)行兩軌法差分干涉,以獲取地表形變信息。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和全球矩心矩張量(GCMT)機(jī)構(gòu)測(cè)定的土耳其“雙大震”震源參數(shù)信息,在差分干涉處理前,分別對(duì)Track14(升軌)和Track21(降軌)的主、從影像對(duì)進(jìn)行拼接處理。獲得相應(yīng)的衛(wèi)星影像后,基于GAMMA軟件分別對(duì)升、降軌影像對(duì)作兩軌法差分干涉,并采用美國(guó)宇航局(NASA)公布的SRTM 30 m數(shù)字高程模型消除地形相位的影響[10];設(shè)置影像距離向和方位向視數(shù)比為10∶2進(jìn)行多視處理,抑制干涉相位的噪聲誤差,并使用Goldstein方法進(jìn)行濾波,從而消除噪聲因素的影響;采用最小費(fèi)用流法(MCF)對(duì)影像作相位解纏處理,對(duì)相干系數(shù)大于0.4的像元進(jìn)行解纏,并基于GACOS大氣改正系統(tǒng)消除大氣延遲誤差;通過地理編碼實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)SAR衛(wèi)星坐標(biāo)系到WGS84坐標(biāo)系的投影變換,得到土耳其“雙大震”的升、降軌LOS向形變場(chǎng)(圖2)。

圖2 2023年土耳其“雙大震”同震形變場(chǎng) (D-InSAR LOS向形變)Fig.2 Coseismic deformation field of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (D-InSAR LOS direction)

表2 Sentinel-1 A數(shù)據(jù)參數(shù)

由圖2可知,升、降軌 LOS 向形變場(chǎng)呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的同震形變區(qū)域,表明此次“雙大震”的同震形變分別集中在東安納托利亞主斷層和索爾古分支斷層附近,最大LOS向形變值為1.76 m,出現(xiàn)在MW7.5地震形變區(qū)。但土耳其“雙大震”的破裂斷層附近存在大量失相干缺值現(xiàn)象,未完整表現(xiàn)出此次“雙大震”的同震形變,會(huì)降低發(fā)震斷層模型反演分析的準(zhǔn)確性。為呈現(xiàn)出完整的近斷層地表位移,本文基于GAMMA軟件進(jìn)行像素偏移追蹤處理,該技術(shù)采用影像的幅度特征提取位移信息,不受影像對(duì)相干性的影響。研究表明,POT技術(shù)獲取地表形變的準(zhǔn)確性取決于像素尺寸大小及影像對(duì)的配準(zhǔn)精度,精度可達(dá)到像素大小的1/10～1/100[11],但由于該技術(shù)基于像素集合獲取位移,相較于LOS向形變場(chǎng)空間分辨率顯著降低。本文利用影像強(qiáng)度的互相關(guān)技術(shù)獲取SAR影像對(duì)的最佳匹配同名點(diǎn),選取10∶2的距離向與方位向多視比及320×64的搜索窗口進(jìn)行影像對(duì)的偏移追蹤處理,使用一次多項(xiàng)式曲線擬合去除像素偏移量的軌道趨勢(shì)誤差,再選用9×9像素的中值濾波窗口進(jìn)行去噪,最終得到地震前后的距離向像素偏移(圖3)和方位向像素偏移(圖4)。從圖3、4可以看出,升、降軌數(shù)據(jù)獲取的距離向偏移量效果明顯優(yōu)于方位向偏移量,這是因?yàn)?像素偏移追蹤技術(shù)的精度還與影像分辨率有關(guān),而Sentinel-1 A數(shù)據(jù)的距離向分辨率遠(yuǎn)大于方位向分辨率。此外,升、降軌同震形變場(chǎng)位移反向性顯著,與東安納托利亞斷裂系的左旋走滑性質(zhì)一致。經(jīng)過POT技術(shù)獲取的形變場(chǎng)表現(xiàn)出非常明顯的變形不連續(xù)性,提取近斷層位移不連續(xù)面來識(shí)別地震破裂跡線,這些位移不連續(xù)面很可能代表了MW7.8帕扎爾西克地震和MW7.5伊爾比斯坦地震的發(fā)震斷層,初步估計(jì)2次大地震的發(fā)震斷層破裂長(zhǎng)度分別約為260 km和110 km。

圖3 2023年土耳其“雙大震”同震形變場(chǎng) (距離向偏移量)Fig.3 Coseismic deformation field of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (range offset)

圖4 2023年土耳其“雙大震”同震形變場(chǎng) (方位向偏移量)Fig.4 Coseismic deformation field of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (azimuth offset)

分析此次地震序列的同震形變場(chǎng)(圖2、3)可知,升軌影像僅覆蓋此次“雙大震”的部分破裂區(qū),但“雙大震”破裂斷層兩側(cè)的地表運(yùn)動(dòng)變化表現(xiàn)出良好的對(duì)稱性,地表形變范圍為-3～3 m,量級(jí)較大,其中正值表示地面向靠近衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng),負(fù)值表示向遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng)。由于POT技術(shù)獲取的形變場(chǎng)覆蓋近斷層區(qū)域,最大像素偏移量(2.94 m)遠(yuǎn)大于失相干的最大LOS向形變值(1.76 m)。在升軌形變場(chǎng)中,形變量正值出現(xiàn)在發(fā)震斷層北端,負(fù)值則在發(fā)震斷層南端;相反,降軌形變場(chǎng)中正、負(fù)形變值分別對(duì)應(yīng)于發(fā)震斷層的南、北兩側(cè),表明此次“雙大震”的破裂機(jī)制均呈現(xiàn)出左旋走滑特性,與USGS和GCMT所發(fā)布的震源機(jī)制解一致。

3 土耳其“雙大震”滑動(dòng)分布反演

基于POT技術(shù)獲取的地表距離向像素偏移量可以清晰展現(xiàn)此次地震序列的發(fā)震斷層跡線(圖3),與地震序列的余震分布也高度一致(圖1(b))。本文通過獲取的升、降軌距離向偏移量,使用基于約束條件下的最小二乘原理及最速下降法SDM反演程序[12]進(jìn)行發(fā)震斷層的滑動(dòng)反演研究,其核心思想是基于負(fù)梯度方向的分析調(diào)整每次迭代計(jì)算的搜索方向,使得待優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)隨著迭代次數(shù)的增加而逐漸減少。

為深入探討土耳其“雙大震”的震源機(jī)制,了解此次地震的震源參數(shù)及斷層滑動(dòng)分布趨勢(shì),以震中附近的距離向位移量為約束進(jìn)行反演分析。首先選用“四叉樹”方法對(duì)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣,高密度選取影響力占比權(quán)重較大的近場(chǎng)形變區(qū)域,最終保留1 632個(gè)升軌數(shù)據(jù)點(diǎn)和1 714個(gè)降軌數(shù)據(jù)點(diǎn)?；跀鄬踊瑒?dòng)的非均勻性構(gòu)建分布式滑動(dòng)模型,采用最速下降法進(jìn)行發(fā)震斷層的精細(xì)化滑動(dòng)反演。在反演過程中將地殼視為均勻介質(zhì)模型,發(fā)震斷層細(xì)分為4 km×5 km小單元片;根據(jù)已發(fā)表的震源機(jī)制解(表1)和前人對(duì)土耳其活動(dòng)斷裂的研究成果[6,13]初步設(shè)定發(fā)震斷層F1和F2(圖3、4)的幾何傾角初始值分別為88°和78°,搜索范圍分別為(70°, 90°)和(40°, 90°)。通過不斷改變拉普拉斯滑動(dòng)因子以獲取最優(yōu)解,帕扎爾西克地震和伊爾比斯坦地震的斷層滑動(dòng)分布結(jié)果如圖5、6所示,劃分的子斷層塊滑動(dòng)方向以箭頭表示。

圖5 2023年土耳其“雙大震”斷層滑動(dòng)分布(二維)Fig.5 The fault slip distribution of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (2D)

圖6 2023年土耳其“雙大震”斷層滑動(dòng)分布(三維)Fig.6 The fault slip distribution of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023 (3D)

分析圖5、6可知,此次地震序列的地表破裂主要集中在東安納托利亞主斷裂帶及索爾古斷層上。其中,東安納托利亞主斷層的破裂由帕扎爾西克地震觸發(fā),地表破裂長(zhǎng)度約260 km,斷層破裂深度在0～25 km范圍內(nèi),最大滑動(dòng)量約為10.5 m,位于東安納托利亞斷層的S5子斷層地表區(qū)域,平均滑動(dòng)角為3.74°,屬于左旋走滑型兼少量逆沖分量地震;伊爾比斯坦地震的破裂斷層主要為索爾古斷層和恰爾達(dá)克斷層,破裂深度范圍為0～30 km,最大滑動(dòng)量為11.8 km,平均滑動(dòng)角為1.05°,以左旋走滑分量為主。此外,分析“雙大震”序列后的余震分布和同震形變場(chǎng)可知,MW7.8地震還觸發(fā)了努爾達(dá)吉-帕扎爾吉克分支斷層上微弱的地表破裂,但USGS、GCMT解算的震源機(jī)制解及Li等[14]的研究結(jié)果均表明,MW7.8地震可能在該斷層成核,推測(cè)該斷層的微運(yùn)動(dòng)會(huì)顯著影響主斷裂帶的地殼運(yùn)動(dòng)。兩次地震發(fā)震斷層的破裂機(jī)制均與主斷裂帶長(zhǎng)期研究中的左旋走滑性質(zhì)保持一致,且破裂斷層機(jī)制與“雙大震”后的余震分布結(jié)構(gòu)高度匹配,表明反演結(jié)果具備合理性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證反演結(jié)果的可信度,對(duì)模型擬合的形變值和觀測(cè)形變值進(jìn)行對(duì)比分析,模擬殘差效果如圖7(圖中兩個(gè)黃色五角形,上為MW7.5地震,下為MW7.8地震;圖(a)、(b)、(c)為升軌數(shù)據(jù),圖(d)、(e)、(f)為降軌數(shù)據(jù))所示?；瑒?dòng)分布反演的模擬值與觀測(cè)值之間的相關(guān)度達(dá)到92.74%,說明模型擬合效果良好,可信度高;擬合值和觀測(cè)值之間的殘差較小,基本分布在0值附近,斷層線附近出現(xiàn)少許高殘差值(約為0.61 m)是由于真實(shí)的發(fā)震斷層線較為復(fù)雜,存在多個(gè)分支斷層結(jié)構(gòu),且各斷層的傾角存在多樣性,與模擬選取的斷層結(jié)構(gòu)之間存在較大差異。另外,在形變值遠(yuǎn)場(chǎng)還存在部分較高殘差值,且研究得出的地震矩與USGS、GCMT等機(jī)構(gòu)存在較大差異,分析可能與MW6.7余震的地質(zhì)活動(dòng)有關(guān)。鑒于主震與余震之間的時(shí)間間隔及空間距離的緊密性,獲取的形變值無法剔除此次強(qiáng)余震的影響。

圖7 2023年土耳其“雙大震”滑動(dòng)分布擬合結(jié)果Fig.7 The fitting results of distributed slip model of the Türkiye conjugate earthquakes in 2023

4 討 論

2023年土耳其“雙大震”發(fā)生在安納托利亞板塊與阿拉伯板塊的交界帶——東安納托利亞斷裂系中,Sentinel-1 A衛(wèi)星成功覆蓋此次地震序列的形變區(qū)域,震區(qū)植被覆蓋稀疏,但矩震級(jí)較大,地震矩釋放及破裂程度明顯,導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)的相干性較差,故聯(lián)合D-InSAR技術(shù)與POT技術(shù)進(jìn)行同震形變的獲取分析。土耳其“雙大震”序列的地震矩總釋放量約為1.24×1021N·m,略大于Li等[14]聯(lián)合POT技術(shù)獲取的距離向偏移量與GPS速率反演得到的9.62×1020N·m地震矩量,可能和反演時(shí)引入的GPS數(shù)據(jù)以及選取的斷層參數(shù)差異有關(guān)。該結(jié)果與USGS、GCMT發(fā)布信息之間存在差異,可能是受Sentinel-1A影像重訪周期的限制,將2次事件的發(fā)震斷層滑動(dòng)反演同步進(jìn)行所引起。

本文研究結(jié)果表明,MW7.8帕扎爾西克地震震源位于東安納托利亞斷層系的努爾達(dá)吉-帕扎爾吉克斷裂上,該分支斷層破裂程度較小,但會(huì)顯著影響東安納托利亞主斷裂帶的地殼運(yùn)動(dòng),地表破裂長(zhǎng)度約260 km,主斷裂東北方向上S3、S5部分的滑動(dòng)破裂明顯。MW7.5伊爾比斯坦地震發(fā)生在東安納托利亞斷層系的分支斷裂——索爾古斷層和恰爾達(dá)克斷層上,斷層破裂深度在20～30 km之間,沿?cái)鄬幼呦驘o明顯橫向變化,破裂長(zhǎng)度約110 km,遠(yuǎn)小于MW7.8地震所引起的破裂長(zhǎng)度,但此次“雙大震”序列的最大滑動(dòng)量出現(xiàn)在索爾古分支斷裂的地表位置。研究表明,MW7.8帕扎爾西克地震從努爾達(dá)吉-帕扎爾吉克分支斷裂沿北北東向延伸到東安納托利亞主斷裂帶上后,沿主斷裂帶繼續(xù)向東北方向擴(kuò)展,隨著能量消散破裂方向發(fā)生逆轉(zhuǎn),向西南方向沿主斷裂帶繼續(xù)擴(kuò)展。Zhao等[6]聯(lián)合InSAR同震形變場(chǎng)及GPS數(shù)據(jù)得到的發(fā)震斷層精細(xì)滑動(dòng)分布結(jié)果也表明,帕扎爾西克地震所觸發(fā)的同震破裂在東安納托利亞主斷裂東北部分較為明顯,西南端的滑動(dòng)程度較低,地震序列的最大滑動(dòng)分布于第2次大地震的形變區(qū)域。Li等[14]以GPS數(shù)據(jù)和距離向偏移量為約束,反演發(fā)震斷層的精細(xì)滑動(dòng)分布認(rèn)為,MW7.8地震引發(fā)的地表破裂由東北向西南方向逐漸遞減,且在努爾達(dá)吉-帕扎爾吉克分支斷裂上未發(fā)生明顯滑動(dòng),而MW7.5地震的發(fā)震斷裂出現(xiàn)3個(gè)明顯的滑動(dòng)區(qū)。由此可知,本文基于同震形變反演的發(fā)震斷層滑動(dòng)分布與已有研究成果基本一致,此次土耳其“雙大震”地震事件均屬于左旋走滑兼少量逆向傾滑分量的地震,該地震序列可解釋為相對(duì)穩(wěn)定的東安納托利亞斷裂系的一次超強(qiáng)能量活動(dòng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文選取歐空局公布的Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)源,基于GAMMA軟件使用兩軌法和POT技術(shù)進(jìn)行影像干涉,獲取土耳其“雙大震”同震形變場(chǎng),基于分布式滑動(dòng)模型進(jìn)行斷層精細(xì)化滑動(dòng)分布反演,得到以下結(jié)論:

1)土耳其“雙大震”升、降軌LOS向同震形變場(chǎng)在形態(tài)和形變量上呈現(xiàn)出明顯的對(duì)稱性,均屬于典型的左旋走滑型地震,地震破裂的最大距離向偏移量約2.94 m,遠(yuǎn)大于LOS向最大形變量。

2)土耳其“雙大震”事件均以左旋走滑兼部分傾滑運(yùn)動(dòng)為主,與GCMT、USGS等機(jī)構(gòu)發(fā)布的震源機(jī)制解一致,與該區(qū)域左旋走滑的地質(zhì)構(gòu)造背景也一致。其中,MW7.8帕扎爾西克地震發(fā)生于東安納托利亞斷層系的努爾達(dá)吉-帕扎爾吉克斷裂上,未見明顯破裂,但會(huì)顯著影響主斷裂帶的地殼運(yùn)動(dòng),地表破裂超過260 km;MW7.5伊爾比斯坦地震發(fā)生在東安納托利亞斷層系的分支斷裂——索爾古斷層和恰爾達(dá)克斷層上,破裂長(zhǎng)度約110 km。

3)土耳其“雙大震”斷層滑動(dòng)反演結(jié)果與原始觀測(cè)值的擬合度達(dá)92.74%,最大滑動(dòng)量為11.8 m,出現(xiàn)在MW7.5伊爾比斯坦地震的形變區(qū),地震矩總釋放量為1.24×1021N·m。

致謝：歐洲航天局(ESA)提供Sentinel-1 A衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及GAMMA軟件的技術(shù)支持,文中大部分圖件使用GMT軟件繪制,在此一并表示感謝。