GNSS和InSAR約束的2023積石山MS6.2地震同震滑動分布

摘要：2023年12月18日，甘肅省臨夏州積石山縣發生MS6.2地震，造成了大量的人員傷亡和經濟損失。為了研究該地震的發震構造，以多源觀測為約束，利用GNSS和InSAR數據分別獨立和聯合反演其同震破裂模型;基于反演得到的模型，計算積石山地震在周邊斷裂上產生的同震庫侖應力變化，并進一步分析其對周圍地區的應力影響。結果顯示：積石山地震的發震斷層走向310°，傾角51°，是一次以逆沖為主兼有少量右旋走滑分量的地震，最大滑動量為56.02 cm，大致位于5 km深度處;該地震為調節拉脊山構造轉換帶兩側區域的應力-應變關系發揮著重要作用。地震發生后，積石山東緣斷裂南段、拉脊山南緣斷裂中南段、倒淌河—臨夏斷裂中段，以及西秦嶺北緣斷裂西段受到的庫侖應力加載較高，這些區域未來的地震危險性需要重點關注。

關鍵詞：積石山地震; GNSS; InSAR; 同震庫侖應力變化; 地震危險性

中圖分類號： P315文獻標志碼：A文章編號： 1000-0844（2024）04-0867-13

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240326004

GNSS and InSAR derived coseismic slip distribution

of the 2023 Jishishan MS6.2 earthquakeSUN Yunqiang， QIU Xinpeng， CHEN Changyong， ZHAO Zhuo， LIN Junqi， GONG Weicheng

（College of Transportation and Civil Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China）Abstract：

On December 18， 2023， an MS6.2 earthquake struck Jishishan County， Linxia， Gansu， resulting in significant casualties and property losses. This study aims to investigate the seismogenic structure of the earthquake using multisource observational data. The coseismic rupture model was inverted independently and jointly using GNSS and InSAR data. Based on this model， the coseismic Coulomb stress changes on surrounding faults were calculated to analyze the stress influence caused by the MS6.2 earthquake in the surrounding areas. The seismogenic fault of the Jishishan earthquake was found to have a strike of 310° and a dip angle of 51°. The fault movement was primarily characterized by thrust with a small right-lateral strike-slip component. The maximum slip occurred at a depth of approximately 5 km， with a maximum displacement of 56.02 cm. This earthquake played an important role in regulating the stress-strain relationship across the Lajishan tectonic transition zone. Post-earthquake analysis revealed that high-stress loading was observed in several fault sections： the southern section of the eastern margin fault of Jishishan， the south-central section of the southern margin fault of Lajishan， the middle section of the Daotanghe-Linxia fault， and the western section of the northern margin of the western Qinling fault. These findings indicate that the seismic hazards of these faults require close monitoring in the future.

Keywords：Jishishan earthquake; GNSS; InSAR; coseismic Coulomb stress changes; seismic hazards

0引言

根據中國地震臺網中心（https：//news.ceic.ac.cn/）測定，北京時間2023年12月18日23時59分，中國甘肅省臨夏州積石山縣發生MS6.2地震（35.7°N，102.79°E），震源深度10 km，最高烈度達Ⅷ度（圖1）。全球導航定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）捕捉到此次地震的同震形變覆蓋震中約50 km的區域范圍，總體與地震烈度結果保持一致［1］。在主震發生后，該地區還發生了多次余震，截至2023年12月22日，共發生3.0級以上的余震20次［2］。積石山地震是一次典型的“主震-余震”型地震［3］，造成了大量的人員傷亡（148人死亡，979人受傷，3人失蹤）和基礎設施毀壞，給社會經濟造成巨大損失［4-5］。

青藏高原東北緣作為青藏高原朝NE向擴展的活動前緣［6-7］，長期以來受到印度板塊和歐亞板塊的碰撞擠壓作用，構造活動強烈，而強烈的構造活動在控制著該區域構造演化的同時也深刻影響其地震活動［7-8］。本次地震序列就發生于青藏高原東北緣的拉脊山斷裂帶上。拉脊山斷裂帶形成于加里東期，主要由拉脊山北緣斷裂、拉脊山南緣斷裂和積石山東緣斷裂組成［9］，起到調節日月山右旋走滑和西秦嶺北緣左旋走滑運動之間應力-應變關系的作用。拉脊山斷裂帶經歷過多次的擠壓變形與地殼運動，最終形成了現今較為復雜的朝NE向凸出的弧形構造形態［10］。據歷史記載，拉脊山南北兩側共發生過20余次5級以上的中強地震［10］，但歷史強震的離逝時間較為久遠，導致該區域經歷了較長時間的中強地震平靜期。此次積石山地震打破了該區域中強地震平靜期，因此，其未來的地震危險性需要進一步評估。

地震破裂過程對于深入了解地震的發震構造和破裂過程，以及進一步分析區域地震危險性具有十分重要的意義。積石山地震發生后的短時間內，大量學者投入到對其發震斷層的破裂反演研究中［2，9，11-14］。例如，王衛民等（https：//www.itpcas.cas.cn/new_kycg/new_kyjz/202312/t20231219_6945583.html）利用遠場波形數據反演了積石山地震的破裂過程，發現其由一個主破裂區和一個次級破裂區組成，主破裂長約15 km，最大滑動量20 cm。張勇等（https：//pku-geophysics-source.group/htmls/20231218155930Jishishan.html）利用近場的強震記錄對該地震的破裂過程進行了反演，揭示其為NNW向的單側破裂形式，主破裂長約12 km，最大滑動量37 cm。為避免遠震波形數據在傳播過程中受到各種因素的影響，羅艷等［13］利用區域的寬頻帶地震波形記錄反演了積石山地震的破裂過程，發現其最大錯動量約為35 cm，主體破裂尺度約10 km。楊九元等［14］基于合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）同震形變場反演了積石山地震的斷層幾何參數和同震滑動分布，結果顯示，其同震滑動主要分布于5.6～16.1 km的深度范圍，最大滑動量可達66 cm。目前，關于積石山MS6.2地震的同震破裂模型很多，但大多是通過單一的觀測數據反演得到的。僅用單一的觀測數據難以保證對震中區域的空間全覆蓋，采用多種數據進行聯合反演不僅能使數據覆蓋得更全面，而且可以實現不同數據之間的相互約束［15-16］。如今，已有大量研究采用以GNSS和InSAR為代表的多種數據進行聯合反演［15，17-19］，這種方式能夠在一定程度上彌補單一形變觀測數據的缺陷［15，19-20］。

基于此，本文首先采用Okada［21］的彈性位錯模型來計算矩形斷層滑動引起的地表位移，并使用混沌麻雀搜索優化算法［22］（Chaos Sparrow Search Optimization Algorithm，CSSOA）求解斷層的最優滑動分布;然后，以GNSS和InSAR數據為約束，分別獨立和聯合反演了積石山MS6.2地震的同震破裂模型;最后，基于反演的同震破裂模型計算了該地震在周邊斷裂上產生的同震庫侖應力變化，以期進一步理解積石山地震的發震機制，為該區域的地震危險性分析提供參考。

1GNSS和InSAR數據

目前，包括GNSS和InSAR在內的大地測量數據已經被廣泛地應用于地震的同震形變研究中［23］。大地測量數據，特別是近場位移，比遠震波對斷層幾何和滑動分布更敏感［24］，更有利于區域斷層的發震構造和破裂行為研究。

本次研究所使用的GNSS數據來自李志才等［1］對32個衛星導航定位基準站進行高精度動態單歷元數據處理后的結果，覆蓋了震中附近50 km范圍內的同震形變情況，共包含5個站點的數據，即圖1中的GUTI、LXYJ、XUNH、LXJS和gsl9。各站點均較為完整、清晰地記錄到了地震引起的瞬時變形。然而，積石山地震周邊的GNSS觀測站點較少，獲得的GNSS觀測數據相對稀疏，所以同震形變誤差也相對較大（置信度35%）。其中，LXJS站點距震中最近，觀測到的同震形變也最高，東西向形變達（13.6SymbolqB@

2.6） mm，南北向形變達（10.9SymbolqB@

5.1） mm［1］，遠高于其余站點的觀測值。

本次研究采用的InSAR數據來源于歐洲空間局（https：//dataspace.copernicus.eu/）Sentinel-1衛星（表1），通過解算提取了如圖2所示的積石山地震前后的InSAR同震干涉圖和同震視線向（Line of Sight，LOS）形變圖。結果顯示，InSAR升、降軌觀測數據獲得的同震干涉圖［圖2（a）、（b）］均為一個近似橢圓狀的形變條紋，圖像內還有少量的失相干區域，或許與地震引發的滑坡、泥流等災害有關［4-5］。InSAR升、降軌的LOS向形變圖［圖2（c）、（d）］顯示的隆升與沉降分界線大致沿NW—SE方向，可大致確定發震斷層位于拉脊山南緣斷裂和積石山東緣斷裂的交界區域，且主要沿NW—SE方向破裂。發震斷層北側的同震形變以朝向于衛星的抬升運動為主，結合區域構造形態特征［4-5］，認為積石山地震符合逆沖型地震的形變特征，且暗示了其發震斷層可能為拉脊山南緣斷裂未出露地表的隱伏逆沖分支斷層。

為了提高InSAR反演的效率并降低遠場噪聲對反演結果的影響，采用均勻采樣方法對積石山地震的InSAR升、降軌同震形變場進行降采樣處理，在提高震中周邊區域采樣點密度的同時降低遠離震中區域的采樣點密度，最終獲取了升、降軌各1 500個形變數據點。

2反演方法

研究者們曾使用模擬退火算法（Simulated Annealing Algorithm，SAA）［25-26］、粒子群優化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法［12，27］、灰狼優化（Grey Wolf Optimization，GWO）算法［28］等方法進行斷層滑動的反演。這些算法雖然在一定程度上提高了搜索能力，卻存在易陷入局部最優、收斂速度慢等缺陷。麻雀搜索算法（Sparrow Search Algorithm，SSA）［29］是近年來新興的一種群體智能優化算法，能夠在一定程度上解決收斂速度慢的問題，同時具有搜索精度高、求解效率高、實現簡單等優點。但是，當搜索接近全局最優、種群多樣性減少時，該算法還是容易陷入局部最優狀態。而CSSOA在SSA的基礎上引入了Tent混沌和高斯變異，增強了個體在搜索過程中跳出局部最優的能力，并進一步提高了收斂速度［22］。

因此，本文采用Okada［21］的彈性位錯模型計算斷層滑動引起的地表位移，并使用CSSOA［22］反演斷層的最優滑動分布。同時，為了提高反演精度，CSSOA反演策略中的種群規模N=100，最大迭代次數T=50 000，收斂誤差1×10-10，發現者和偵察預警麻雀數占種群規模的20%［22］。

3結果分析

本節將以GNSS和InSAR數據的不同聯合為約束，結合Okada彈性位錯模型和CSSOA，反演得到積石山地震的斷層幾何參數和同震滑動分布。之后，基于反演得到的同震破裂模型計算積石山地震產生的同震庫侖應力變化，以進一步分析周邊斷層未來的地震危險性。

3.1斷層幾何

對積石山地震發震斷層幾何的研究中，不同研究者從不同的角度給出了自己的判斷［2，9，11-14］。他們對于走向的判斷較為一致，認為主要沿NW—SE方向，這與本文獲取的InSAR同震LOS向形變結果一致［圖2（c）、（d）］。對于發震斷層的傾向，研究結果卻有較大差異［9，11-14］。其中，劉振江等［12］認為，積石山地震的發震斷層傾向為NE，這與InSAR反演結果以及余震和同震滑坡的空間分布均較為一致［4，12］。因此，本文選擇NE方向作為積石山地震的發震斷層傾向。

基于積石山地震NE傾的假設，在反演時設置搜索區間為走向［270°，360°］、傾角［40°，90°］。結果顯示，當斷層走向310°、傾角51°時，能夠與InSAR數據實現最佳擬合［圖4（a）］。該結果與楊九元等［14］、張喆等（https：//www.cea-igp.ac.cn/cxdt/280419.html）的反演結果較為接近。

根據擬合得到的斷層幾何參數，反演了積石山地震的同震滑動分布。通過固定斷層的走向、傾角和位置，沿走向和傾向將斷層面的長度和寬度均擴大至20 km，等間距地將斷層面離散為30 × 20個小矩形斷層單元。為了權衡數據擬合度和滑動分布的平滑度，根據測試結果，設置最優平滑因子為0.005［圖4 （b）］。

3.2同震滑動分布反演

3.2.1GNSS獨立反演

以GNSS同震觀測數據為約束，獨立反演了積石山地震的同震滑動分布。結果顯示（圖5），同震滑動分布幾乎遍布整個斷層面，呈現出由斷層面中心向四周遞減的形式，在中部（5～15 km）呈現逆沖兼右旋的特征，而在～3 km深度處和模型深部則更傾向于純右旋走滑的趨勢。中心的高滑移區近似圓形，最大滑動集中于7.5～10 km深度，最大滑動量為25.64 cm，在地表還有接近15 cm的滑動聚集。平均滑動角130.07°，釋放的地震矩約1.11×1018 N·m，相當于一次MW6.0地震。

3.2.2InSAR獨立反演

以InSAR數據為約束，獨立反演了積石山地震的同震滑動分布。結果顯示（圖6），同震滑動的分布特征相對單一，近似呈半橢圓形，以逆沖為主，伴隨有少量的左旋走滑特征。同震滑動分布于2.5～20 km深度范圍，主要由5 km深度處向兩側及更深處遞減;最大滑動量為57.69 cm，位于～5 km深度。地表淺層0～2.5 km深度范圍內未有滑動分布存在，暗示積石山地震是一次隱伏的逆沖型地震。破裂長度大致為15 km，平均滑動角77.30°，釋放的地震矩約2.47×1018 N·m，相當于一次MW6.2地震。

3.2.3GNSS和InSAR聯合反演

圖5、6的結果顯示，使用GNSS和InSAR數據進行獨立反演時存在很大差異，不僅同震滑動的運動性質不一致，滑動量也相差了近兩倍。可見，不同觀測數據的單一反演無法準確、真實地表達地震破裂形態。

基于衛星獲取的InSAR圖像可以完整記錄不規則地表的同震一維LOS向形變［33］，但InSAR技術可能出現相位失相干和平行衛星軌道跡線的斷層形變精度缺失［14，34］，因此，很難僅依靠InSAR觀測數據獲得真實可靠的三維同震形變場［35］。GNSS可以觀測到同震的三維形變場，實現長期的時序形變監測，但積石山地震周邊的GNSS站點稀疏，無法捕捉到大范圍的同震形變場的細節。很明顯，這兩種數據的觀測特性能夠實現互補，且為斷層的滑動分布反演帶來更豐富的約束。因此，本研究結合GNSS和InSAR數據進行聯合反演，使兩種數據相互約束。

由于GNSS數據較為稀疏，且置信率較低，因此在聯合反演中給予它較小的權重，并相應地提高InSAR數據的權重，最終將GNSS和InSAR數據聯合反演的相對權重設置為0.2∶0.8。

GNSS和InSAR數據聯合反演的結果（圖7）顯示，同震滑動分布主要呈現出逆沖兼右旋的特征，越接近地表，右旋走滑分量逐漸減少，進而轉變成以逆沖為主兼有少量右旋走滑分量的形式。主破裂長度大致為15 km;同震滑動主要分布于2.5～7.5 km的深度范圍，最大滑動位于5 km深度，最大滑動量為56.02 cm;10～20 km深度范圍內還散布有多處滑動量為20～30 cm的次級破裂。平均滑動角102.61°，釋放的地震矩約1.79×1018 N·m，相當于一次MW6.1地震。

3.3同震庫侖應力變化

地震是在一定構造應力條件下斷裂達到極限狀態突然破裂失穩的結果，一次地震的發生會導致區域斷裂的應力狀態發生改變［36］。計算大地震產生的庫侖應力變化，對于評估區域未來的地震危險性具有重要意義［37-38］。

為了分析積石山地震對周邊主要斷裂的同震庫侖應力影響，將庫侖應力投影至各接收斷層上（接收斷層參數列于表2，深度為5 km）。結果顯示（圖8），地震產生的庫侖應力變化對震中50 km范圍內的影響較大，即庫侖應力變化超過千帕量級的斷裂段主要集中在此范圍內。積石山東緣斷裂中段、拉脊山南緣斷裂東南段和倒淌河—臨夏斷裂中東段的庫侖應力變化為負，其庫侖應力卸載最高分別為72.61、15.41和9.92 kPa。莊浪河斷裂、馬銜山北緣斷裂和西秦嶺北緣斷裂中段也產生了一定的應力卸載作用，但影響程度較低，僅有百帕量級。

如圖8所示，積石山地震發生后，周邊的多條斷裂都受到了應力加載效應的影響，加載效應的傳遞主要沿NW—SE方向，并隨著震中距的增加而減小。其中，臨潭—宕昌斷裂受到的應力加載影響最小，應力加載量不到百帕;拉脊山北緣斷裂和日月山斷裂受到的影響也相對較低，分別為0.20 kPa和0.22 kPa;西秦嶺北緣斷裂西段和倒淌河—臨夏斷裂中段也受到了一定的應力加載作用，庫侖應力最大增加量分別為1.60 kPa和2.10 kPa。積石山東緣斷裂和拉脊山南緣斷裂與震中較為接近，因此所受應力加載影響較大。其中，積石山東緣斷裂受到的應力加載最高達15.58 kPa，加載區域主要位于南段;拉脊山南緣斷裂受到的應力加載最高達15.81 kPa，加載區域主要位于中南段；兩者均超過了10 kPa的應力觸發閾值［36］，地震危險性增大。雖然積石山地震的發生對周邊斷裂的影響僅有千帕，但考慮到該區域歷史強震的離逝時間較為長久以及構造的持續加載，這些斷裂未來的地震危險性仍需重點關注。

4討論

4.1不同數據反演結果差異

上文基于GNSS和InSAR數據對積石山地震的同震破裂模型進行了獨立反演，在不同數據約束下，最終的反演結果呈現一定的差異。其中，單一GNSS數據反演的滑動分布在地表呈現大量純右旋走滑特征，斷層中部轉變為逆沖兼右旋的形式（圖5），而單一InSAR數據反演的滑動分布在斷層中則呈現出集中逆沖兼少量左旋的形式（圖6）。由于InSAR技術可以獲取到高精度的一維LOS向形變，特別是地表垂向形變，而GNSS獲取的是地表的三維形變場，具有更高的水平分量精度，若僅依靠單一數據進行反演，滑動分布形態會更傾向于所使用數據的自身優勢，難以全面反映真實的地震破裂過程［35］。

GNSS和InSAR數據的聯合反演能夠使多方互為約束，同時保證水平分量和垂直分量的精度，從而提高反演結果的可靠性。聯合反演的結果顯示，積石山地震的同震滑動分布從斷層底部向地表逐漸由右旋走滑向逆沖轉變，呈現出以逆沖為主兼有少量右旋走滑分量的形式（圖7），且最大滑動分布靠近地表（～5 km）。這可能表明了此次積石山地震更傾向于淺層釋放［27］，也在一定程度上解釋了其震級不高卻震害嚴重的原因。

同時，在進行聯合反演時，數據的權重主要根據其置信度進行分配，反演結果自然會受到權重比的影響。未來在嘗試聯合反演時，除了需要考慮多種數據的最優組合外，還需要進一步考慮權重的合理分配，以期最大程度地吻合現場觀測值。

針對積石山地震，有學者采用波形數據和大地測量數據進行了一系列的反演工作［2，9，11-14］。由于對地震的傾向尚未取得共識，而傾向的差異又會對結果產生較大影響，因此本文主要與其他NE傾的同震破裂模型進行對比。不同研究反演得到的積石山地震的同震滑動分布形態各不相同，但都顯示其是一次以逆沖為主兼少量右旋走滑分量的地震，與本文的聯合反演結果一致。不同研究者得出的最大滑動量結果存在較大差異：最小的反演結果僅為24 cm［2］，而最大的反演結果達66 cm［14］，總體呈現出InSAR數據結果略高于波形數據的現象，這或許與InSAR數據對近場形變更為敏感有關［24］。大部分研究顯示同震最大滑動在10 km深度上下浮動，而李雨森等［9］的反演結果則顯示最大滑動位于地表淺層，呈現出由地表淺層向四周破裂的發震形式，這可能與滑動限制有關（考慮到積石山地震淺層破裂的存在［27］）。

4.2最大剪切應變率

最大剪切應變率能夠反映區域構造變形的強烈程度和能量積累的狀態，從而揭示構造變形與地震活動之間的關系［35，44］。大多數時候，最大剪切應變率的分布與潛在的地震危險區直接相關，其高梯度區及邊緣區域很有可能就是未來幾年的主要地震危險區［45］。前人的研究［7］也曾指出區域的最大剪應變率分布可以反映各斷裂潛在的地震危險性，并為區域未來的地震活動性提供科學依據。

將研究區域劃分為0.1°×0.1°的網格，基于1991—2016年間觀測到的全球定位系統速度場數據［46］，采用Shen等［47］ 開發的高斯函數和Voronoi單元加權函數的應變率插值代碼，計算了研究區域的最大剪切應變率分布，并進一步分析其構造變形和斷層應變積累的特征［35］。在計算時，假設區域的構造運動是剛性塊體連續變形，忽略地表破裂或蠕變產生的非彈性變形［48-49］（即地殼介質是彈性的，應力率和應變率呈線性關系）。結果顯示（圖9），研究區域最大剪切應變率的低值區位于拉脊山斷裂和積石山斷裂的交界部位，而高值區則主要位于拉脊山斷裂帶的NE、NW和SW三個方向，總體呈現由拉脊山構造轉換帶向周緣遞增的趨勢。值得關注的是，積石山地震就發生在最大剪切應變率高低值的過渡區域，這表明該地震可能是日月山右旋走滑運動和西秦嶺北緣左旋走滑運動之間的擠壓作用所致［10］，并為調節拉脊山構造轉換帶兩側區域的應力-應變關系發揮著重要作用。相關研究指出，2008年于田地震［50］、2013年松原地震［51］、2014年于田地震［50］和2019年瀘定地震［52］等均發生于最大剪切應變率高低值的過渡區域。此次積石山地震的發生也再次驗證了這一觀點，并為最大剪切應變率高低值過渡區域的地震危險性研究提供了又一可供參考的震例。

5結論

本文以GNSS和InSAR數據為約束，反演了2023年積石山MS6.2地震的同震破裂模型，并以此計算了地震產生的同震庫侖應力變化及其對周邊主要斷裂的影響。主要結論如下：

（1） 聯合反演結果顯示，積石山地震的發震斷層走向為310°，傾角為51°，是一次以逆沖為主兼有少量右旋走滑分量的地震;最大滑動大致位于5 km深度處，最大滑動量為56.02 cm，釋放的地震矩約為1.79×1018 N·m，相當于一次MW6.1地震。

（2） 積石山地震產生的同震庫侖應力變化結果顯示，積石山東緣斷裂中段、拉脊山南緣斷裂東南段以及倒淌河—臨夏斷裂中東段產生了大幅度的應力卸載作用，地震危險性降低;而積石山東緣斷裂南段、拉脊山南緣斷裂中南段、倒淌河—臨夏斷裂中段和西秦嶺北緣斷裂西段受到的應力加載較高，這些斷裂的潛在地震危險性需要重點關注。

（3） 積石山地震正好發生于最大剪切應變率的過渡區域，很有可能是日月山右旋走滑運動和西秦嶺北緣左旋走滑運動之間的擠壓作用導致的，其為調節拉脊山構造轉換帶兩側區域的應力-應變關系發揮著重要作用。

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（本文編輯：趙乘程）