InSAR數據約束的2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震發震構造研究

于書媛,駱佳驥,楊源源,李成龍

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031;2.安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站,安徽 亳州 233527;3.中國地震局地質研究所,地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)

0 引言

據中國地震臺網中心顯示,2021年5月21日21時48分34秒在云南大理州漾濞縣(99.87°N,25.67°E)發生了MS6.4地震,震源深度8 km。隨后發生多次余震,云南多地州震感強烈,震中漾濞縣太平村多處房屋開裂甚至倒塌,造成一定的經濟損失。美國哈佛大學(Global CMT)和美國地調局(USGS)在震后利用全球臺網數據得出本次地震的矩震級均為MW6.1,本文簡稱本次地震為2021年漾濞MW6.1地震。該地震是繼2017年3月27日大理州漾濞縣7:40:28發生的MS4.8和7:55:00發生的MS5.1地震后在滇西北構造帶上發生的又一次強震事件。

根據美國地調局(USGS)和哈佛大學(Global CMT)給出的震中位置和震源機制解(表1,圖1)可以看出,漾濞地震震中位于川滇塊體滇西地區,所在塊體向西南運動,附近發育NW向的南澗—巍山斷裂帶。由于漾濞地震發震地區的監測臺站比較稀疏,研究區域的地表被植被覆蓋,而傳統的大地測量技術是基于離散點的觀測。目前(截止投稿時)多家機構的定位結果存在較大差異,且該區域活動構造研究程度較淺,有必要對發震構造特征進行進一步的研究。

圖1 2021年云南漾濞MW6.1地震震中區域地質構造背景(圖中沙灘球為漾濞地震震源機制解)Fig.1 Geological structure background of the epicenter area of the MW6.1 Yangbi earthquake

表1 不同機構給出的2021-05-21漾濞地震震源參數Table 1 Focal parameters of 2021-05-21 Yangbi earthquake given by different institutions

漾濞地震發生在橫斷山滇西高山峽谷區,地質構造復雜、地震活動頻繁,震中距漾濞縣城9 km,距大理市37 km,距永平縣40 km。附近斷裂構造復雜,斷裂眾多,漾濞地震處于NW向南澗—巍山斷裂的西側,在這條斷裂東側為蒼山,且還有一條與之平行的紅河斷裂,該斷裂貫穿云南的西部、中部和東南部,控制云南的主要地質構造運動,是一條典型右旋走滑斷裂,分為北、中、南段,全長1 000 km[1-4]。紅河斷裂帶是一條經歷長期演化的塊間構造變形帶,經歷了古近紀的大型左旋剪切運動和新近紀以來的右旋走滑運動,第四紀以來仍為右旋走滑運動的活動斷層[5-6]。20世紀90年代發展的合成孔徑差分干涉測量技術(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry,DInSAR),已在地震發震構造、破裂過程得到廣泛應用,如InSAR在震間和同震形變領域的應用研究[7],InSAR同震形變場與震源破裂過程研究[8]以及InSAR在震后形變及余滑和黏滑模型研究[9]等。InSAR能夠在短時間內獲得較大范圍的觀測數據,同時可深入精細研究地殼運動狀態。

本文利用歐空局(ESA,Eurpoean Space Agency)的哨兵1A衛星的升降軌SAR數據(TPOS模式),運用DInSAR技術重建2021年漾濞MW6.1地震同震形變場,在此基礎上聯合升降軌形變場反演地震發震斷層參數和同震滑動分布,并對本次地震的形變場特征、斷層活動特征和發震構造進行分析與探討。

1 InSAR同震形變場與分析

1.1 研究數據

本文下載Sentinel-1A 干涉寬幅模式SLC IW L 1.1 數據C波段SAR影像作為數據源,數據極化模式為VV極化,距離向和方位向分辨率是5 m×20 m,地震前后升軌和降軌影像參數如表2所列,其中升軌觀測時間為2021年5月20日和2021年6月2日,降軌觀測時間為2021年5月10日和2021年5月22日,升降軌的干涉相對的空間基線分別為26.755 m和-49.708 m,時間基線為12天,短時間極大有助于保持主從圖像之間的相干性,獲取高時間和空間采樣率的同震形變場。DInSAR技術[7]處理使用的是SARscape商用軟件處理模塊,采用的外部參考DEM數據為NASA SRTM DEM(數據精度為30 m)用于消除地形相位的影響。采用Goldstein濾波方法對去平后的干涉圖進行濾波,提高干涉條紋的清晰度。利用Minimum Cost Flow(最小費流量)相位解纏方法實現絕對相位恢復。經過軌道精煉和重去平,最后經過地理編碼,將SAR坐標系統結果投影到WGS-84地理坐標系下的漾濞地震InSAR同震形變場。

表2 升降軌差分干涉影像參數Table 2 Parameters of SAR data used in this study form both ascending and decending scenes

1.2 InSAR形變結果

圖2為利用兩軌DInSAR技術獲取的2021年漾濞MW6.1升降軌InSAR干涉條紋圖。從圖中可看出同震特征清晰,升降軌InSAR形變干涉條紋顯示相干性較好。從升降軌數據得到InSAR形變場(形變方向為LOS向)(圖3)。由圖3(a)所示,整體呈現橢圓形狀對稱分布,覆蓋本次地震震中,中間長軸大體呈NW向跡線,結合研究區地質構造背景推測可能是本次地震的發震斷層,斷層跡線兩側形變場存在明顯差異。升軌形變場范圍為南北長約25 km、東西長約28 km,正值表明朝著衛星方向運動,地表顯示為抬升或向西運動,東盤最大LOS形變量約-9 cm;負值表明朝著背離衛星方向運動,地表顯示為沉降或向東運動,西盤最大LOS形變量約10 cm。由圖3(b)所示,降軌形變場范圍為南北長約21 km、東西長約18 km,西盤最大LOS形變量約-9 cm,東盤最大LOS形變量約10 cm。從圖4分析東、西盤的條紋和升降軌形變符號相反特點以及本次地震的發震構造和升降軌LOS向沉降和抬升之間的關系,形變場特征符合走滑型地震形變特征,本文認為2021年漾濞MW6.1地震具有較大的走滑分量且發震斷層呈NW走向的右旋走滑特征。如圖3所示,兩個形變場之間位移連續,未出現因地表形變梯度過大或地表破裂形成的淺地表失相干地區,這種情況表明本次地震斷層深部為破裂至地表,無法確定具體發震斷層位置。

圖2 2021年MW6.1漾濞地震InSAR升降軌同震形變場(LOS方向)Fig.2 InSAR coseismic deformation field for the Yangbi MW6.1 earthquake (LOS direction)

圖3 2021年MW6.1漾濞地震InSAR升降軌干涉條紋圖Fig.3 InSAR coseismic interfergram for the Yangbi MW6.1 earthquake

圖4 2021年MW6.1漾濞地震升降軌同震位移剖線測量結果Fig.4 The LOS displacement profiles of the ascending and descending deformation field of MW6.1 Yangbi earthquake

2 InSAR震源機制反演及發震構造分析

2.1 震源機制反演方法

本文在InSAR同震形變分析結果的基礎上,以2021年MW6.1漾濞地震同震形變場為約束條件,利用Okada彈性半空間位錯模型反演[10-11],研究該地震發震斷層的幾何參數和同震滑動分布特征。其主要技術路線包括:第一步,以升降軌LOS形變場降采樣結果為約束,采用非線性反演均勻滑動的斷層幾何參數;第二步是利用非線性反演方法得到的均勻滑動斷層幾何參數,采用線性反演獲得2021年漾濞MW6.1地震斷層面的精細滑動分布。

為獲得漾濞地震的同震滑動分布特征,本文采用架構于ENVI遙感圖像處理軟件之上的SARscape雷達圖像處理軟件的Displacement Modeling處理模塊,基于Okada彈性半空間位錯模型反演漾濞地震發震斷層的位置、走向、傾向、傾角等幾何參數和精細滑動分布特征,并對本次地震的斷層參數以及滑動機制進行分析,深入理解斷層活動特征和深部破裂特征。反演考慮靠升降軌InSAR數據的空間連續性,對升降軌形變場采用矢量圖層圈定形變場(小區域,采樣間隔1 km)和模型反演范圍(大區域,采樣間隔2 km)進行均勻矢量網格降采樣處理方法,獲得3 679個升軌形變數據點位和2 690個降軌形變數據點位。根據形變場模擬特征,劃定一條走向為“NW-SE”向的發震斷層,如圖5所示。基于降采樣的InSAR視線向形變數據點位形變場結果,通過Displacement Modeling處理模塊的Non-Linear Inversion工具,結合GCMT的建議斷層幾何參數設定搜索區間,采用Okada模型進行最優解搜索,獲得搜索結果。最后將非線性反演獲得的均勻滑動斷層幾何參數,包括經緯度、走向、傾向、滑動角、深度等幾何參數結果導入線性反演模型,并設置線性反演參數,使斷層滑動信息可以很好地完全顯示;通過設置反演為固定滑動角,設置走向和傾向的細分數為20×20,對斷層進行劃分;設置阻尼系數為0.005,反演的精細斷層較為平滑。從圖6精細滑動分布反演結果可以看出,通過斷層幾何參數反演結果表明本次地震的宏觀震中為99.94°E、25.72°N,矩震級為MW6.1,破裂尺度模型斷層長度9.8 km、寬度4 km,破裂深度主要集中在3～6 km范圍內,最大滑動深度5 km;斷層傾角為83.47°,平均滑動角為-146.7°,斷層走向135°,此次地震為右旋走滑。圖6為同震滑動分布,斷層面滑動主要集中在沿斷層走向1～12 km,沿斷層傾向向下基于DInSAR形變結果反演的地震形變宏觀震中與多家研究結構基于地震波確定的震中位置具有比較大的差異,分析原因可能與臺站的分布情況、觀測手段及精度對研究機構的速報結果精度均有影響。同震形變場得到的宏觀震中更能真實地反映中小震源發震位置,為地震監測預報中心提供更加準確的斷層位置和幾何信息。

圖5 形變場采樣及反演殘差 Fig.5 Deformation field sampling and inversion residuals

2.2 發震構造分析

本次地震為典型的構造地震活動,地震發生于橫斷山滇西峽谷區,光學影像可見地震附近眾多北西向線性構造特征,且附近斷裂眾多、交匯,給發震構造判識帶來很大困難[12-14]。精確測定漾濞MW6.1地震的發震斷層及屬性對理解地質構造特征及地震活動具有重要意義。目前(截至發稿時)一種觀點認為發震斷層為維西—喬后斷裂中南段,該斷裂為NW走向右旋走滑斷裂,在這條斷裂東側與之平行的紅河斷裂有許多橫斷層,其中一些橫斷層延伸到維西—喬后斷裂,維西—喬后斷裂在中南段與龍潘—喬后斷裂交匯。本次地震附近斷裂分布密集,交錯復雜,被認為是漾濞主震后余震豐富的原因之一[15]。另一種觀點認為漾濞地震的發震斷層為維西—喬后斷裂西側的一條NW向次生斷裂,走向NW-SE,整體傾向SW,以右旋走滑為主[16]。從本文利用InSAR技術獲取的2021年漾濞地震同震形變場顯示(圖2),同震變形場沒有出現在已探明的維西—喬后斷裂周邊;同時,升降軌形變符號相反,形變呈現非對稱分布,形變場長軸方向為NW向,表明發震斷層傾向西,斷層走向NW-SE,與主震后余震空間分布基本一致,且符合上述兩種觀點認為的發震斷層的運動特征,表明本文得到的同震形變場反演結果是科學合理的。從反演的斷層滑動分布結果可知(圖6),地震未破裂到地表,表明本次地震的發震斷層是隱伏斷層。根據云南第四紀活動斷層分布[17],綜合地表形變觀測數據、地震孕育環境及前人研究成果,本文初步認為2021年漾濞MW6.1地震發震斷裂是一條位于維西—喬后斷裂西側的NW向的隱伏次生斷裂,斷裂活動方式為右旋走滑,其與主斷裂維西—喬后斷裂的關系還需要通過現場地質調查資料進行綜合判定。

圖6 漾濞地震同震滑動分布Fig.6 Co-seismic slip distribution of the 2021 Yangbi earthquake

3 結語

本文基于升降軌Sentinel-1A數據,采用DInSAR技術重建2021年5月21日漾濞MW6.1地震升降軌LOS向同震形變場,在此基礎上以升降軌同震形變場為約束運用Okada模型反演斷層滑動分布特征,結果表明:

(1)運用DInSAR技術獲取2021漾濞MW6.1地震同震形變場,升降軌數據干涉圖相干性較好,升降軌形變場運動特征顯示本次地震發震斷層是“NW-SE”走向的斷層,具有明顯的右旋走滑特征。其中升軌干涉圖視線向,上盤下降量達9 cm,下盤上升約10 cm;降軌干涉圖沿視向,上盤上升量達9 cm,下盤下降約10 cm,說明本次地震事件的發震斷層以右旋走滑運動為主。

(2)基于同震形變場線性反演斷層滑動分布模型進一步顯示為NW-SE向發震斷層,本次地震為發震斷層的右旋走滑事件,地震破裂未達到地表,與野外地質考察結果吻合,發震斷層長9.8 km,寬10 km,斷面傾向SW,走向135°,傾角83.47°,滑動角-146.7°,最大滑移量為0.35 m,震中位于25.72°N,99.94°E,震源深度接近8.0 km;同震滑動主要集中在3～6 km深度范圍內,以右旋走滑為主,矩震量為1.743×1018N·m,矩震級為MW6.1。與USGS和GCMT給出的震源機制解基本一致。

(3)同震形變場分布于已探明的維西—喬后斷裂西南側,其特征和斷層反演參數與該斷裂基本一致。同時地震未破裂至地表,推測2021漾濞MW6.1地震發震斷層為一條走向NW-SE的隱伏斷裂,與維西—喬后斷裂之間的歸屬關系仍有待進一步野外地質和地球物理工作。本次地震附近斷裂眾多且交匯,表明發震區域可能仍是未來發生地震的危險地區。

致謝:感謝歐空局(ESA)提供的免費Sentinel-1A雷達衛星影像。感謝易智瑞提供的SARscape軟件和ArcGIS軟件。