基于Sentinel-1A數據反演漾濞MS6.4地震的同震形變場及斷層幾何參數

朱俊文,姚赟勝,張 波

(甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

2021年5月21日21時48分,云南省西部大理州漾濞縣發生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,共發生0級以上地震達1 585次,其中3級以上40次,3～3.9級24次,4～4.9級12次,5～5.9級3次,6～6.9級1次(國家地震數據中心,https://data.earthquake.cn/)。地震序列發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)過渡帶以西。有研究認為,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為主[1]。震中附近歷史上中強地震極其頻繁,震中100 km內5～7級歷史地震近百次,最大一次地震為1925年大理7級地震[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今構造活動的重要窗口。

震后多學科綜合科考結果的階段性成果(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)顯示:地震構造調查發現一條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觀測發現破裂面長約20 km,最大滑動量約0.8 m,矩震級為MW6.1。

我國在地震同震形變場獲取中主要采用的方法有傳統大地水準測量、全球導航衛星系統(GNSS)、全自動激光測距(EDM)以及InSAR等技術。利用傳統測量技術觀測地震同震形變主要依賴于觀測臺站與地震震源之間的相對位置,就現有的地震預報技術而言,很難對地震做出精確的預測。盡管我國目前的觀測臺站網絡布設已經有了很好的改善,但在一些人跡罕至、高海拔地區仍然存在許多地震同震形變無法第一時間獲取的情況,而InSAR技術遠距離、大范圍、全天候和主動性等特點彌補了傳統測量方法的局限。本文利用sentinel-1A衛星震前和震后升降軌數據,采用差分干涉雷達測量技術(DInSAR)反演了本次地震的同震形變,并以同震形變為約束,基于Okada彈性半空間位錯模型[4]進一步反演了此次地震的斷層幾何參數,為深入研究此次地震的形變過程、發震構造等提供了重要的參考資料。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

漾濞縣位于云南省大理州中部和點蒼山以西,川滇塊體滇西地區,地勢自北向南方向傾斜(圖1)。研究區內地勢和構造復雜,區域內有多條斷裂帶分布,維西—喬后—巍山斷裂[5]、龍蟠—喬后斷裂[6]、紅河斷裂等相互交錯,造成該地區地震頻發。自1900年以來,在本次地震震中100 km范圍內共發生34次5級以上地震,其中5.0～5.9級地震29次,6.0～6.9級地震4次,7.0～7.9級地震1次(中國地震臺網)。最大一次地震發生在1925年3月16日大理7.0級地震,距離本次地震震中53 km,最近一次5級以上地震發生在2017年3月27日,距離本次震中25 km。

圖1 研究區概況Fig.1 Basic situation of the study area

1.2 研究數據

Sentinel-1衛星是歐洲航天局哥白尼計劃(GMES)于2014年和2016年分別發射的搭載C波段合成孔徑雷達的雙星地球觀測衛星,屬于主動微波遙感衛星。SAR衛星可全天時、全天候不受云雨等天氣影響地獲取連續雷達影像。Sentinel-1衛星有條帶模式(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。本文所使用數據為Sentinel-1A衛星IW成像模式的斜距單視復數產品(SLC),空間分辨率為5 m×20 m,極化方式為VV。數據來源于NASA EARTHDATA網站(https://search.asf.alaska.edu/);選取了震前、震后的升降軌SAR數據共4景用于本次地震同震形變場反演,影像基本信息如表1所列。本次實驗選取的升降軌震前、震后兩個影像對的時間基線相近,均為12天,空間基線也相對較小,分別為50.35 m和19.27 m,盡可能降低時空失相關對最終結果的影響。

表1 SAR 數據Table 1 SAR data details

本研究所采用的參考DEM為覆蓋研究區的ALOS World 3D 30m DEM數據,該數據由JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)機構免費分發(https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/data/index.htm)。

2 研究方法

2.1 DInSAR基本原理

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

圖2 雙過差分干涉測量流程Fig.2 Two-pass differential interferometry process

2.2 Okada彈性位錯模型

Steketee于1958年最先將位錯理論引入到地震學領域[16],隨后數十年里,國內外學者對該模型開展了廣泛的研究。1985年Okada提出了一套可以計算彈性半空間內剪切力和張裂斷層運動引起的地表形變及應變的位錯模型,之后又將該模型進一步改進[17],提出了彈性半空間均勻介質位錯模型[18]。

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

圖3 Okada位錯模型笛卡爾坐標系(據文獻[18])Fig.3 Cartesian coordinates of Okada dislocation model(After reference[18])

disp=G1(m1)+ξ

(1)

式中:disp為DInSAR視線向形變觀測數據;m1為斷層的9個參數,分別為斷層起始點的經緯度、斷層深度、走向角、傾角、滑動角、斷層長度、寬度和滑動量;G1(·)是聯系觀測形變量與斷層參數的格林函數;ξ為觀測誤差。

基于Levenberg-Marquardt[20]最小化算法非線性反演斷層幾何參數,通過多次迭代使目標函數在全局最小值處收斂,給出非線性模型的最優解,即在給出的參數閾值區間內迭代求解,最終求得全局最優解。

3 研究結果

3.1 同震變形場

本文所采用的SAR數據極化方式為VV極化,利用SARscape軟件進行數據處理,統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,制圖分辨率設置為20 m,通過配準、干涉圖生成和去除平地效應等操作獲得去平干涉圖,采用Goldstein濾波方法降低由時空失相干的噪聲,通過綜合對比區域增長法(Region Growing)、最小費用流法(Minimum Cost Flow)和Delaunay MCF法等相位解纏方法的優缺點,本文選擇MCF為相位解纏方法。經過軌道精煉、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(圖4),并對形變場分別做了兩個剖面(AA＇和BB＇)。綜合升降軌干涉圖和視線向同震形變場分析,正值表示形變量沿視線向抬升,即往靠近衛星的方向運動,最大抬升量為8.7 cm;反之,負值表示形變遠離衛星方向運動,表現為沉降,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視角造成。由同震形變場可知,此次地震造成了一條NW-SE走向的斷裂,與中國地震局地質研究所野外科考發現的地表裂縫帶(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)走向表現為高度一致性。

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

3.2 斷層幾何參數

為提高反演效率,本文選取降軌數據獲得同震形變場進行降采樣處理,最終獲得1 717個DInSAR視線向形變觀測數據來反演斷層幾何參數。基于Okada彈性半空間均勻位錯模型非線性反演出此次地震造成的斷層幾何參數,如表2所列,表明此次地震斷層滑動為右旋走滑,滑動角為175°,大于哈佛大學GCMT(Global Centroid Moment Tensor)和美國地質調查局USGS給出的滑動角。斷層走向為313.7°,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。通過非線性反演得出的地震矩為1.48×1018N·m,矩震級為MW6.1。

表2 不同研究機構給出的漾濞MS6.4地震斷層參數Table 2 Fault parameters for the Yangbi MS6.4 earthquake obtained by different research institutions

4 結論與討論

本實驗獲取的升降軌數據雖然在空間上恰好覆蓋了漾濞地震震中區,但在時間上跨越了部分前震和許多余震,包括主震之前27分鐘發生的MS5.6前震和主震發生1小時內又連續發生了1次MS5.0和1次MS5.2余震,從觀測數據上得到的同震形變場是前-主-余震共同作用的結果。

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

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生活動,但并未擴展到地表。地質和大地測量結果顯示,青藏高原在向外擴展的過程中,受到鄂爾多斯塊體、華南塊體等一系列塊體的阻擋,青藏高原的構造變形沿東構造結發生順時針旋轉,高原東南緣物質發生向南的擠出,川滇菱形塊體就是青藏高原東南緣向南擠出的典型表現[21-22]。在川滇塊體向南擠出的構造背景下,塊體西邊界的維西—喬后斷裂、紅河斷裂發生右旋走滑,本次地震便是維西—喬后斷裂南段分支斷裂右旋走滑活動的體現。