2022年1月8日青海門源MS6.9地震GNSS同震形變場及其斷層滑動分布

許雙安

摘要：

2022年1月8日在青海省海北州門源縣發生MS6.9地震，本次地震是繼2016年門源MS6.4地震后冷龍嶺斷裂周邊發生的又一次強震。確定本次地震的破裂分布對分析該地區震害風險具有重要意義。通過收集震中及周邊12個GNSS連續站點和震后加密觀測的17個流動站點觀測資料，獲取了震中100 km范圍內29個測站的GNSS靜態同震形變場，并以此為約束反演了本次地震同震滑動分布。結果顯示，近場GNSS觀測到的最大形變量可達1.3 m。反演的最優破裂模型顯示該地震主破裂區深度位于0～10 km，滑動破裂出露地表，最大滑動量為4.07 m，地震矩釋放能量約1.1×1019 N·m，對應矩震級MW6.7。門源地震破裂至地表是造成該地區基礎設施破壞的直接原因。

關鍵詞：

門源地震; GNSS; 同震形變; 滑動分布

中圖分類號： P319????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0401-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220824002

Co-seismic deformation filed and fault-slip distribution of the Menyuan MS6.9

earthquake on January 8， 2022， constrained by GNSS observations

XU Shuang'an1，2

（1. China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， Shaanxi， China;

2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization （FSDI）， Xi'an 710043， Shaanxi， China）

Abstract：

On January 8， 2022， an MS6.9 earthquake occurred in Menyuan County， Qinghai Province. It is another strong earthquake occurred in this region after the 2016 Menyuan MS6.4 earthquake， and determining the rupture distribution of this earthquake has great significance for analyzing the seismic damage risk in this area. Based on the observation data from 12 continuous global navigation satellite system （GNSS） stations and 17 mobile stations in the epicenter and its surrounding areas， the GNSS static co-seismic deformation field of 29 stations within 100 km of the epicenter was obtained and the co-seismic slip distribution of the MS6.9 earthquake was inverted. Results show that the maximum deformation observed by near-field GNSS reaches 1.3 m. The optimal rupture model shows that the main rupture zone of the earthquake is concentrated at the depth of 0-10 km; the sliding rupture is exposed to the surface， and the maximum slip is up to 4.07 m; the inverted seismic moment is about 1.1×1019 N·m， corresponding to MW6.7. The earthquake rupture to the surface is the direct cause of the destruction of infrastructure in this region.

Keywords：

Menyuan earthquake; GNSS; co-seismic deformation; slip distribution

0 引言

據中國地震臺網中心測定，2022年1月8日1時45分，青海省海北州門源縣（37.77°N，101.26°E）發生6.9級地震，震源深度10 km（https：//news.ceic.ac.cn）。這是繼1986年8月26日和2016年1月21日2次門源6.4級地震之后該地區發生的又一次中強震事件［1］。據應急管理部公布的青海門源地震烈度分布圖顯示，此次地震最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ度區及以上面積約2.4萬 km2，其中青海省Ⅵ度區及以上面積約13.7萬 km2，甘肅省Ⅵ度區及以上面積約9 694 km2，等震線長軸呈北西西走向，長軸約200 km，短軸約153 km（www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5646200/index.html）。此次地震影響區域涉及青海省3個市州6個區縣32個鄉鎮，甘肅省3個市6個區縣29個鄉鎮以及中牧山丹馬場、大黃山林場。其中在最高烈度區域內，交通基礎設施橋梁和隧道出現偏移、輸水隧洞局部垮塌，道路路面出現多處裂縫、局部錯斷等現象，對國家和人民財產造成了巨大損失［2］。

中國地震局地球物理研究所快速產出的余震精定位結果顯示，此次門源6.9級地震發生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂、托萊山斷裂和肅南—祁連斷裂的階區部位，屬于海源斷裂帶西段，其晚第四紀左旋走滑速率約為4～6 mm/a［3-5］，如圖1所示。現今青藏高原北部形變場形成是通過不同活動斷裂差異性相對運動、區域內部逆沖擠壓和塊體旋轉共同作用的結果，構造較為復雜［6］。青藏高原東北緣歷史上發生過多次7級以上地震，其中1920年以來發生過3次7.5級以上大地震，包括1920年海原8.5級地震、1927年古浪8.0級地震和1932年昌馬7.6級地震，上述大地震導致海原斷裂、冷龍嶺斷裂和昌馬斷裂發生顯著的地表破裂，并造成重大人員傷亡［7-12］。

2022年門源地震發生后，中國地震局牽頭組織相關科研機構開展地震應急科考，通過實地調查發現本次地震序列在地表產生了多條破裂帶，其中地表破裂跡線規模較大的一條位于冷龍嶺斷裂西段，長度約22 km，觀測到的最大位錯量約為3.1 m，變形強度具有由西向東衰減趨勢。調查分析認為地表破裂帶規模無論是寬度、長度還是位錯量級，與主震震級都不相匹配（www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html）。部分學者基于InSAR觀測資料對本次地震同震滑動分布進行了反演，認為本次地震自NWW向SEE破裂，發震斷層最大滑動量達3.5 m，主要滑動分布在東部［13］，這與地質考察的結果存在一定差異。由于本次地震破裂出露地表，通過InSAR觀測資料干涉處理得到的震中近場區域失相干效應明顯，InSAR觀測數據不能獲取本次地震近場視線向位移（LOS），或得到的LOS觀測誤差較大。因此，僅利用InSAR觀測資料反演滑動分布和地震震級會使反演結果存在較大的不確定性。GNSS具有更高的觀測精度和時間分辨率，是地殼形變監測中的一種重要觀測手段。震中近場區域分布的GNSS加密觀測，可以作為InSAR近場失相干區域的有效補充。

為了更深入研究2022年門源地震同震形變分布特征和發震機理，本文利用震中及周邊布設的GNSS連續測站和震后應急觀測的流動測站觀測資料，獲取了本次地震同震形變場;同時根據發震斷層地表跡線和余震精定位結果構建了發震斷層幾何參數初始模型;通過采用GNSS同震形變場為約束，反演同震滑動破裂分布。相關研究結果可以為進一步計算斷層面庫侖應力變化，以及區域未來地震危險性評估提供重要參考。

1 GNSS觀測資料及數據處理

1.1 GNSS觀測資料

2022年1月8日MS6.9門源地震發生后，青海省地方政府會同相關企事業單位開展了震后搶險復舊工作，并組織測繪力量對受地震影響的測量基準進行了快速恢復。為了研究分析并總結本次地震震害特征，對震中附近既有的工程測量控制網前期布設的17個控制點進行了復測，另外還收集有震中周邊分布的GNSS連續觀測站資料，包括青海省 6個CORS站和中國大陸構造環境監測網絡（簡稱：陸態網絡）6個GNSS連續站，如圖2所示。

1.2 GNSS數據處理

采用GAMIT/GLOBK10.7軟件對收集的GNSS原始觀測數據進行高精密數據處理［14］。為保證數據結果的一致性和可靠性，數據處理過程中采用統一的處理模型和處理策略［15］。首先，對固體潮、極潮、海潮進行模型改正，并用GPT2全球氣壓溫度模型進行對流層延遲改正［16］，通過計算估計得到包括測站坐標、衛星軌道和天頂對流層延遲等參數在內的單日松弛解。然后，利用GLOBK將區域松弛解與SOPAC（Scripps Orbital and Permanent Array Center）產出的全球IGS站的單日松弛解合并，得到一個包含全球IGS站和本文GNSS站的單日松弛解。最后，在全球范圍內選擇用于實現參考框架轉換的參考站，以全球單日松弛解做為準觀測值，利用GLOBK通過7參數（3個平移、3個旋轉、1個旋轉）相似變換得到ITRF2014參考框架下的單日坐標解［17］。

1.3 靜態同震形變場獲取

GNSS坐標時間序列中包含了多種信號，既有構造運動信號，如測站長期線性運動速率、地震同震形變及震后弛豫形變，也包含部分非構造運動信息，如季節性周期形變，儀器更換引起的坐標時間序列跳變，以及測站觀測環境突變引起的階躍等［15，18-19］。我們分析了QHME（青海門源）坐標時間序列，發現2016年門源地震影響范圍較小，未產生明顯的震后形變，故忽略2016年地震的震后形變影響。2022年門源地震發生后，次日即對周邊GNSS流動站進行了快速復測，所以在同震形變的獲取時，該地震自身引起的震后影響也可忽略不計。GNSS坐標時間序列通用擬合公式如下：

y（ti）=a+bti+csin（2πti）+dcos（2πti）+esin（4πti）+fcos（4πti）+

∑ngj=1gjH（ti-Tgj）+∑nhj=1hjH（ti-Thj）ti（1）

式中：a為截距；b為線性速率;ti為觀測時間;c-f是周年、半周年變化振幅;gi和hi是ti時刻的階躍值;Tgj為地震發生時刻;Thj為階躍發生時刻;H表示Heaviside階梯函數;n為階躍個數。

對于GNSS連續站，本文首先對解算的坐標時間序列進行粗差剔除［20］，然后對不明原因的階躍進行探測，并與同震形變一起進行估計;對于GNSS流動測站，采用基于貝葉斯后驗概率密度統計方法來估計同震位移。陸態網絡連續站和青海CORS站已連續觀測多年，擁有豐富的震前觀測資料，可以根據震前、震后數據直接提取同震形變。本文流動觀測站點只有一期震前觀測資料，為了獲取2022年門源地震同震形變結果，我們首先基于Wang等［19］2020發布的中國大陸長期形變速度場，利用克里金插值算法對長期形變速率未知的站點進行空間插值，估計其震前長期運動速率。然后，將插值得到的測站長期速率代入式（1）中計算提取流動站同震形變。

2 GNSS同震位移場

2022年門源地震水平向同震形變場如圖3所示，有29個GNSS站點記錄到了明顯的同震位移，其中距離震中最近的TB01測站東西向位移為1.29 m，南北向位移為0.2 m。除此之外，近場站點IZQ6、P112、P200均記錄到了0.4 m以上的同震位移。由圖3可以看出，該地震同震形變場呈四象限分布，發震斷裂以北方向測站有NW向運動趨勢，斷裂以南方向測站有向SE方向運動趨勢。由此可以看出，本次地震是以左旋走滑型為主，這與青藏高原東北緣前緣部分的地殼縮短和左旋剪切的背景場一致［21-22］。部分GNSS站點同震形變數值結果列于表1。

該地震的同震破裂區域位于祁連山南部，斷層以北區域缺乏近場GNSS觀測點位。為了增加滑動分布反演時的觀測量和遠場觀測數據的約束，本文在滑動分布反演時還加入了部分遠場GNSS觀測資料。雖然遠場GNSS站點測量的同震形變信噪比較低，但計算結果顯示同震位移方向仍然符合該地震左旋走滑特性，所以認為該站記錄到的同震位移能夠準確反映該地區的同震位移特征。

3 斷層滑動分布反演

地震發生后，國內外多個研究機構給出了該地震的震源機制和同震破裂過程（美國地質調查局、中國地震局地質研究所、中國地震局地球物理研究所等）。其中，美國地質調查局在震后早期發布了W震相震源機制解反演的地震破裂過程，持續時間約10 s，破裂長度30 km，傾角為88°。為了構建發震斷層模型，我們收集發震區地質構造背景、余震精定位結果、地表破裂跡線和InSAR干涉影像結果，發現門源地震地表破裂西段與精定位余震位置并不完全重合（圖1c），可能是斷層傾角發生變化導致，也可能是余震精定位結果存在一定偏差。根據發震區及周邊地震孕震背景以及國內外多家科研機構公開的震源機制解可知，發震斷層為高傾角斷層［13，23］。為此，我們依據InSAR結果識別的破裂跡線構建了非線性的曲面斷層面。由于斷層傾角的少許變化不會改變GNSS資料反演滑動分布的基本特征，本文假設斷層傾角為90°，長度為42 km，寬度為20 km，將彎曲的斷層面離散化為1 km×1 km的840個矩形位錯單元。基于GNSS觀測資料反演同震破裂模型，應滿足觀測數據擬合度和滑動分布粗糙度最小，即：

式中：d為同震形變觀測值;W為觀測值的權矩陣;G為格林函數;m為子斷層滑動矢量;SymbolQC@2拉普拉斯光滑算子［24］;β為光滑因子。本文中格林函數G為利用Okada彈性半無限空間均勻介質模型來計算［25-26］。

受限于GNSS臺站密度比較稀疏，在有限斷層反演過程中通常需要加入比較強的平滑權重來提升反演結果的穩定性。由式（2）可以看出，斷層滑動分布特征除了與GNSS站點分布有關，光滑因子對反演結果的影響也很大。本文利用搜索法，在0～0.5之間對光滑因子進行搜索，通過GNSS數據擬合殘差與滑動位移的光滑度之間的L曲線，選取最終的光滑因子為0.15。

基于上述方法，得到了2022年門源地震同震破裂模型，如圖5所示。結果顯示，同震滑動分布主要集中在0～10 km之間，主破裂面最大滑動量約為4.07 m，破裂出露地表。假設泊松比為 0.25，剪切模量為 30 GPa，利用同震滑動模型計算得到地震矩釋放能量為1.1×1019 N·m，對應矩震級MW6.7，與地震波反演結果相當。

如圖6所示，2022門源地震同震破裂模型的模擬值與GNSS觀測值擬合整體上較一致，說明斷層參數的選取相對可靠。與Herring等［13］基于InSAR觀測資料反演獲取的同震滑動分布相比，震級大小相當，但最大滑動量和最大破裂區域位置存在差異。本文反演的主破裂區域在西段，這可能與GNSS在東部的站點分布較少有關，也可能與選取的斷層模型存在差異有關。

4 討論

為了進一步驗證本文GNSS觀測資料對滑動分布反演的約束能力和分辨能力，我們制作了棋盤檢驗。輸入斷層的幾何特征不變，設定每個棋盤網格為7 km×5 km，滑動網格的滑動量為1 m，不滑動的為0 m。首先，我們根據該棋盤模型正演了GNSS觀測站的同震位移，然后在該同震位移上加入觀測誤差，最后利用相同的參數反演該棋盤的滑動分布，如圖7所示。結果顯示，本文的GNSS站點可以很好的分辨出淺層0～10 km處的滑動。正演和反演的地震矩和震級都相同，說明基于GNSS觀測資料反演獲取的發震震級也較為可靠。

地震發生后，國內學者分別利用InSAR和GNSS觀測資料對2022年門源地震同震破裂滑動分布進行了研究分析［13，27-28］。如李煜航等［28］利用其測量的GNSS數據結果反演的滑動分布主要分布在冷龍嶺西段和托萊山東段，最大滑動量約3 m，矩震級MW6.55，而Luo等［27］基于InSAR反演的滑動分布顯示該地震的最大滑動量約4 m，矩震級MW6.7，與本文的最大滑動量約4 m，矩震級MW6.7的結果比較一致。反演結果出現這種差異可能是由于計算采用的數據源和構建的模型不同導致。

5 結論

本文通過對震中附近的GNSS站點進行加密觀測，獲取了2022年門源MS6.9地震近場水平向GNSS同震形變場，直觀的揭示了該地震的同震形變分布特征。

（1） 同震形變結果顯示，2022年門源地震以左旋走滑為主，同震形變場呈四象限展布，觀測到的地表最大同震形變量達1.3 m。過震中沿西北-東南方向，GNSS形變量呈現出距震中距離越遠，同震形變位移越小的特征。

（2） 以GNSS觀測結果為約束反演得到同震滑動分布模型，結果顯示該地震主要滑動量集中在0～10 km深度，最大滑動量為4.07 m，地震矩為1.1×1019 N·m，對應矩震級MW6.7。

（3） 本次地震破裂滑動出露到地表是該地區基礎設施受損的重要原因。

致謝：感謝中國地震局地震研究所野外觀測小組在GNSS數據采集中提供的幫助，趙斌提供了地震同震滑動分布反演程序，并對程序進行了詳細的講解，王東振在GNSS數據處理方面提供了很大的幫助，青海省基礎測繪院趙利江提供的青海CORS站數據。

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