2020年西藏尼玛M W 6．3地震的InSAR同震形变与构造意义

2021-02-14邱江涛季灵运刘传金

地震地质 2021年6期

邱江涛季灵运刘雷刘传金

1）中国地震局第二监测中心，西安 710054

2）中国地震局地质研究所，北京 100029

0 引言

青藏高原一直都是中国强震活动较为频繁的地区之一，大量正断型地震集中发生在高原中部地区。据中国地震台网测定，2020年7月23日4时7分，在西藏那曲市尼玛县（33.19°N，86.81°E）发生6.6级地震（以下简称尼玛地震），震源深度10km。地震发生后，很多机构都给出了震源机制解（表1）。这次地震发生在羌塘中央隆起带区域，而该隆起带分隔了南、北羌塘盆地，构造变形极其复杂（李才等，2009）。震中附近发育依布茶卡－日干配错断裂、玛依岗日山断裂、拉雄错－嘎尔孔茶卡断裂、向阳湖－布若错断裂带等多条走向不一的断裂（图1）。这次地震也是继2008年1月9日改则6.9级地震后，发生在依布茶卡－日干配错断裂上的又一强烈地震。而依布茶卡－日干配错断裂总体是一条左行性质的走滑断层（Tayloret al．，2003；Kappetal．，2004），这与基于震源机制解确定的此次地震主要为正断型地震不符。

图1 2020年尼玛地震的区域构造背景Fig．1 Map showing tectonic setting of the 2020 Nima earthquake．地形起伏数据来自网页(1)http：∥dx．doi．org／10．1029／2019EA000658。；断层数据来自全国活断层展示系统(2)http：∥www．neotectonics．cn／。；黑色实线箭头为GPS水平速度场，数据来自文献（Wang et al．，2020），红色五星为此次地震的震中位置，红色实心圆为2008年改则地震震中位置，数据来自中国地震台网中心(3)https：∥www．cenc．ac．cn／cenc／dzxx／index．htm l。

表1 不同机构给出的2020年尼玛地震的震源机制解Table 1 Focalmechanism solutions of the 2020 Nima earthquake from different institutions

此外，不同机构给出的震源机制解中的震源位置和发震断层参数也存在差异（表1）。因此，首先需要准确确定此次地震的发震断层，才能进一步研究断层的构造运动。此外，震中区域的依布茶卡湖为依布茶卡－日干配错断裂控制的拉分盆地，属于半地堑盆地。有研究表明，西藏中部最年轻的活动构造为广泛分布的裂谷，这些裂谷被认为与浅源地震有关（张进江等，1999）。因此，进一步对此次地震的发震构造开展深入研究，对理解羌塘块体中部地震发震机理和危险性判断具有重要意义。

羌塘腹地平均海拔＞4 800m，淡水奇缺，寒冷缺氧，难以开展此次地震的现场勘察工作。同时，震中附近的GNSS观测站点极其稀疏，最近的GNSS站点的震中距约为100km（图1）。InSAR技术基于主动雷达波测量地表形变，获得的地表面状信息能更好地确定同震形变区域及形变量。目前，InSAR技术已经在青藏高原多个地震中得到成功应用（单新建等，2002；孙建宝等，2007；许才军等，2008；冯万鹏等，2009；乔学军等，2009；Elliottetal．，2010；Ryderet al．，2012；Qiuetal．，2017；邱江涛等，2019）。本文利用InSAR技术和升、降轨Sentinel－1数据获得此次尼玛地震的同震形变场，基于非均匀位错模型得到了精细滑动分布，并探讨了发震构造及其指示意义。

1 InSAR同震形变场

欧洲航空局Sentinel－1卫星自2014年发射以来，已为全球多个强震的形变场获取和震源参数反演提供了成功的数据支持。尼玛地震发生后，我们下载了覆盖整个震区的2个轨道的C波段Sentinel－1 SAR影像数据（干涉宽模式（IW）），数据配对信息如表2所示。采用GAMMA软件和二轨法进行DInSAR处理，外部DEM采用30m分辨率的SRTM 数据。针对干涉图中存在的轨道误差，采用欧洲航空局提供的精密轨道数据(4)https：∥qc．sentinel1．eo．esa．int／aux＿poeorb／。进行校正，并选择远离形变区的相干性＞0.8的地面控制点进行相位偏移计算，生成改进的差分干涉图像；采用频率域自适应滤波方法对干涉图进行3次迭代滤波，滤波窗口分别设置为128×128、64×64、16×16，这种由大到小的迭代滤波窗口设置可大大提升干涉图的相干性。之后采用枝切法解缠得到的差分干涉相位，估算并扣除了解缠相位中存在的线性相位斜坡。最后进行地理编码输出，分别获取了此次尼玛地震的升、降轨同震形变场（图2）。

表2 SAR干涉图信息Table 2 Parameters of SAR interferograms

从图2的InSAR干涉图可以看出，Sentinel－1 SAR数据清晰地监测到了本次地震的整个同震形变场，来自不同轨道的干涉图均获得了比较明显的形变信息。其中升、降轨干涉图（图2a，c）均显示出一椭圆形的LOS（line of sight）方向沉降区（长约12km，宽约8km），其中在升轨干涉图中的最大沉降值为－0.298m（图2b），降轨干涉图中的最大沉降值为－0.238m（图2d）。升轨观测的沉降值略小于降轨，这种差异主要是升、降轨2种不同观测模式不同的观测角度所造成的。

图2 2020年尼玛地震的InSAR同震形变场Fig．2 Coseismic deformation fields frominSAR．a、c升、降轨干涉图，实线箭头表示卫星飞行方向，虚线箭头表示雷达视线方向；b、d跨震中区域的升、降轨形变剖面；e Google Earth上的地形，数字为白色实心点处的高程

此外，升、降轨干涉图中存在2处差异明显的地方。在升轨干涉图中，椭圆形沉降区的西侧有一半圆状形变显示为LOS向隆升，最大值为0.1m，沉降区与隆升区由NE向盆山界线隔开（图2e）。但在降轨干涉图中，该半圆状形变显示为沉降，最小值约为－0.1m。根据雷达卫星的右视成像模式可以判断，在升轨观测时，卫星轨道位于图像的左侧（图2a），同震SW 向水平形变在LOS向投影为靠近卫星的隆升运动，但在降轨观测时，卫星轨道位于图像的右侧（图2c），同样的形变在LOS向投影为远离卫星的沉降运动。

综合升、降轨干涉图和剖面图可知，此次地震的形变趋势基本一致，形变主要为LOS向沉降。这一形变态势符合正断型地震形变的主要特征，与地震学结果（表1）一致。同时，同震形变场还显示出走滑特征。初步判断依布茶卡－日干配错断裂可能不是此次地震的发震断层，而依布茶卡－日干配错断裂在这一区域存在一个分支断层（位于依布茶卡湖西侧），该分支断层恰好位于NE向的盆山界线附近，表明发震断层有可能是依布茶卡湖西侧的分支断裂。另外断层东盘形变场条纹比北盘条纹密集，可初步判断该断层E倾。

2 发震断层参数与同震滑动分布

基于大地测量结果反演震源机制是了解发震构造和评估区域地震灾害的重要手段之一。我们利用图2所示的干涉形变结果，通过弹性位错建模计算震源参数。尼玛地震产生的形变场的空间范围在SN向约为22km，在EW 向约为18km，形变数据量庞大。考虑到InSAR形变结果在空间上高度相关，为了提高运算效率，在反演断层几何参数之前首先对干涉图进行降采样处理。由于形变区域地形起伏引起的形变噪声明显，根据形变梯度降采样的四叉树方法可能会放大误差，故选用均匀采样方法，该方法能够有效降低部分误差较大观测区域结果对整体形变结果的影响。实际采样过程中，在近场区域选取的采样点相对密集，在远场区域选取的采样点相对稀疏，这样能够最大程度地保留原始形变场的空间特征。

通常重新精定位的余震空间分布可为发震断层的几何模型设置提供非常重要的先验约束信息（Pedersenetal．，2003；季灵运等，2017；Sunetal．，2018）。但由于本研究缺少这一先验信息，我们首先基于区域地质和震源机制解，结合InSAR同震形变的空间展布形态综合确定发震断层的空间展布。以哈佛大学GCMT及NEIC发布的震源机制解为初始参考值，采用OKada均匀弹性半空间位错模型非线性反演断层的几何参数（经度、纬度、走向、倾向、滑动角、深度以及断层的长度、宽度），方程式为

式中，dInSAR为地表观测值，G（m）为与断层参数（长度、宽度、位置、走向、倾角和滑移量）有关的格林函数，ε为观测误差。采用Levemberg Marquardt最小二乘优化算法迭代，对8个断层的几何参数进行求解。

通过迭代计算，以拟合残差最小的解为最优值，获得最佳的断层参数（图3）。发震断层长约9.8km、宽约5.1km，震源深度约为5.6km，走向约为30°，倾角约为68°，滑动角约为－73°。参考点位置X为38.8km、Y为24.6km（X、Y的坐标以InSAR形变图的SW 角点为参考）。这一反演结果与多家机构给出的震源机制解节面2（表1）近似，即分布于依布茶卡湖西侧的依布茶卡－日干配错断裂分支为此次尼玛地震的发震断层。

图3 断层参数的最优解Fig．3 Optimal solution of the estimated fault parameters．纵轴为1×106次迭代中参数的选中频次；横轴为给定的参数范围；红色竖线为最优值

确定发震断层的几何参数后，根据断层面上的滑动量与地表形变之间的线性关系，可反演断层面的同震滑动分布。本文采用SDM方法（Wangetal．，2006，2013）进行反演，其利用最速下降法搜索可使目标函数达到最小的解，反演过程中可在相邻断层片之间施加滑动量平滑或应力降平滑的约束，目前该方法已被广泛应用于多个同震滑动分布的反演研究中（Xuetal．，2010；Jiet al．，2017；Qiuetal．，2017）。在实际反演时，基于CRUST1.0（Laskeetal．，2013）模型并考虑地壳介质的分层差异。由于羌塘地区的平均泊松比值较正常地壳明显偏高（李永华等，2006；刘国成等，2014；严江勇等，2019），故本文参考地震学结论，设置泊松比值为0.29。

考虑InSAR形变场的空间展布，将发震断层的长度设置为32km，沿倾向向下的宽度设置为20km，将断层面划分成1km×1km大小的断层单元。我们选取2幅干涉图（图2）共同约束反演发震断层的精细滑动分布，为2幅干涉图设定相同的权重，结果如图5和图6所示。从整体上看，分布式滑动模型拟合得到的形变场能够较好地模拟观测形变场，主要的形变特征可得到最佳拟合。但也发现在形变区，尤其是在地形起伏大的区域存在过度拟合现象（图4c，f）。降轨拟合残差比升轨高，这可能是由于降轨干涉SAR的空间基线（112.262m）比升轨（－86.679m）大，造成偏大的地形误差所致。

图4 分布式滑动模型的拟合结果Fig．4 Simulation results of distributed slip model．a—c分别为升轨T12的同震形变场、拟合同震形变场和残差图；d—f分别为降轨T121的同震形变场、拟合同震形变场和残差图；白色实线表示模拟断层的地表迹线

从此次地震的同震滑动分布结果可知，断层的同震错动以正断倾滑为主，兼有少许左旋走滑分量，沿走向的破裂长度达14km（图5）。同震滑动主要集中在3～12km深度，最大滑动量达1.1m，位于7km深处，其在地表的投影位置为（33.16°N，86.85°E）。断层在近地表处的滑动量较小，表明同震错动未破裂到地表。反演的位错模型相应的矩震级为MW6.43～6.44，该结果与地震学结果基本一致（表1）。

图5 同震滑动分布图Fig．5 Maps of coseismic slip distributions．a和b分别为断层面滑动分布的二维和三维显示；震源机制解通过反演得到，坐标为最大滑动量在地表的投影位置

图6 2020年尼玛地震的成因机制示意图Fig．6 Model of the genetic mechanism of the 2020 Nima earthquake．红色实线为本文推断的发震断层；震源机制解的侧视图表示地震的类型；白色箭头表示区域构造应力为拉张

3 讨论

3.1 尼玛地震的发震断层

InSAR同震形变场可为判断地震的发震断层提供指示依据。分析尼玛地震InSAR形变场的整体特征可知，升、降轨同震形变场均显示一椭圆形LOS向沉降区，最大LOS向沉降值为－0.298～－0.238m。但沉降区西侧一个半圆状区域的形变在升、降轨形变场显示正负恰好相反。这种形变场态势表明此次地震具有走滑特征。

利用干涉形变结果，以哈佛大学GCMT及NEIC发布的震源机制解为初始参考值，采用OKada均匀弹性半空间位错模型，非线性反演断层的几何参数。结果显示，断层长约9.8km、宽约5.1km，震源深度约为5.6km，走向约为30°，倾角约为68°，滑动角约为－73°，表现为典型的正断兼走滑裂破裂模式。这一反演结果与多家机构给出的震源机制解节面2（表1）匹配，即分布于依布茶卡湖西侧的依布茶卡－日干配错断裂分支是此次地震的发震断层（图6）。这与Taylor等（2003）提出的断层在依布茶卡湖的西岸切割了第四系冲积扇并具有左行的水平运动特征的结论一致。

地震的破裂滑动会改变区域应力场，对余震的发生具有一定影响（Kingetal．，1994）。反之，利用余震的空间展布可以判断反演的发震断层是否可靠。基于反演得到的断层面，我们计算了尼玛地震对区域周围静态库仑应力的影响（图7）。截至2020年8月17日，尼玛地震MW＞3.5的余震分布基本沿模拟断层的走向分布，反映该地区的区域应力状态相对简单，也证明我们反演的发震断层是可靠的。绝大多数余震发生在库仑应力降低的区域，表明此次尼玛地震未能释放断层面积累的全部应力，这也符合正断地震的特征。另外我们也注意到在库仑应力增加区的NE端没有余震发生，这可能与该区域为两侧山体结合部位、构造较为复杂有关。

图7 同震错动造成周围区域的静态库仑应力变化Fig．7 The static Coulomb stress change caused by the coseismic slip．黑色圆点为2020年7月23日主震之后发生在震中附近的余震（数据来自网站(5)https：∥earthquake．usgs．gov／earthquakes。）

3.2 依布茶卡－日干配错断裂的构造性质

依布茶卡－日干配错断裂是现今仍在活动的断层，总体是一条具有左行性质的走滑断层，此次震中区域的依布茶卡湖即是该走滑断层控制的拉分盆地，前人对断裂系左端的2条N倾逆冲断层、断层系北部中生代低角度断层系进行了复原，并估计依布茶卡－日干配错断裂的左行走滑总量为7～14km（Tayloretal．，2003；Kappetal．，2004）。Taylor等（2006）利用InSAR技术研究了单个走滑断层，得到的依布茶卡－日干配错断层的走滑速率为3.4～11mm／a。

从此次尼玛地震的同震形变场分布范围判断，尼玛地震的实际震中位于依布茶卡－日干配错断裂西侧分支的东北端，两侧山体相接位置，故尼玛地震的形变不但受依布茶卡－日干配错断裂的控制，也受到两侧山体的影响。根据同震滑动分布（图5）可以判断，地震发生时，断层上盘先发生正断倾滑，最大滑动量为1.1m，这与2008年改则MS6.9地震破裂在依布茶卡－日干配错断裂的分阶部位类似，都属于受到的张性应力积累引起的正断倾滑，但这与依布茶卡－日干配错断裂的走滑性质有差异。造成这种差异的原因可能是由于应力松弛效应，经过数万年的蠕变作用，在依布茶卡－日干配错断裂的一些地区地壳的上部，应力状态由初始加载时的走滑断层逐渐转为正断层性质，且垂直方向成为最大主压应力方向（张东宁等，1995）。

熊盛青等（2020）通过分析羌塘盆地的高精度航空重、磁数据发现，依布茶卡－日干配错断裂（对应熊盛青等（2020）研究中的F2和F3）作为羌塘盆地中央隆起带的南界，断裂两侧地质体的密度差异明显，断面较陡。断裂北侧发育EW 向伸展构造，形成近SN走向的断裂（曾思红等，2017）。这些SN向断裂的形成时间明显晚于依布茶卡－日干配错断裂，属于年轻的活动构造。因此，诱发此次尼玛地震的可能不是依布茶卡－日干配错断裂，这次地震可能与青藏高原85%的正断层活动（Elliottetal．，2010）类似，是岩石圈引力势能变化的结果。

3.3 羌塘块体中西部的地震活动性

Taylor等（2009）总结归纳了西藏的活动断层，认为在西藏发生的MS≥5地震与地表活动断层具有良好的相关性。青藏高原南部的地震分布与半地堑构造的湖泊分布相吻合（邱江涛等，2019）。李金胜（2019）统计了1980—2017年羌塘块体中部的地震位置，结果显示羌塘块体的地震活动绝大多数属于浅层地震（震源深度≤10km），且地震多发生在活动断层的连接部位。此次尼玛地震即发生在依布茶卡－日干配错断裂的一个半地堑盆地内，属于浅层地震，同震滑动主要集中在3～12km深度，最大滑动量达1.1m，位于7km深处。

基于GNSS速度插值计算的中国大陆连续变形场（Wangetal．，2020）显示，羌塘块体的最大剪切应变率主要沿鲜水河－小江断裂分布，块体中部及西部处于张性应力状态，主应变率方向显示该区呈NW－SE向扩展，说明羌塘中部及西部的地震活动的动力学背景主要是扩展环境下的地堑构造。但这一推论受到现有GNSS数据稀疏的限制，有待进一步判定。

大地电磁测深（张胜业等，1996）、深地震测深（Gaoetal．，2013）、宽频带地震（李永华等，2006；吴蔚等，2017）等观测结果表明，羌塘盆地地壳内的低速层分布广泛且横向不连续，埋深大多约为20km。Nelson等（1996）和Kind等（1996）认为，藏北高原中地壳内低速带明显的区域，部分熔融所占的比重较大。羌塘块体内较高的泊松比也指示下方地壳大概率存在部分熔融（严江勇等，2019）。曾思红等（2017）通过对卫星重力数据开展多尺度小波分析，发现SN向断裂可能是青藏高原内深部热流上涌的通道。据此推测，羌塘块体中西部的浅层地震可能是这些部分熔融地壳的活跃运动所引起的上覆浅层位置的地震活动。

分析羌塘块体活动断层的连接部位可发现，这些连接部位多在地形地貌复杂地区，其间的次级分支断层与主控断裂的性质往往不同。例如，此次尼玛地震即发生在依布茶卡－日干配错断裂西侧分支的NE端，地震破裂受到两侧山体的限制。而2008年改则地震的发震断层也不是依布茶卡－日干配错断裂，而是其与改则－洞错断裂连接部位的次级断裂。因此，未来针对羌塘块体的地震危险性研究应多关注活动断层的连接部位。