InSAR数据约束的2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震发震构造研究

于书媛,骆佳骥,杨源源,李成龙

(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031;2.安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站,安徽 亳州 233527;3.中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京 100029)

0 引言

据中国地震台网中心显示,2021年5月21日21时48分34秒在云南大理州漾濞县(99.87°N,25.67°E)发生了MS6.4地震,震源深度8 km。随后发生多次余震,云南多地州震感强烈,震中漾濞县太平村多处房屋开裂甚至倒塌,造成一定的经济损失。美国哈佛大学(Global CMT)和美国地调局(USGS)在震后利用全球台网数据得出本次地震的矩震级均为MW6.1,本文简称本次地震为2021年漾濞MW6.1地震。该地震是继2017年3月27日大理州漾濞县7:40:28发生的MS4.8和7:55:00发生的MS5.1地震后在滇西北构造带上发生的又一次强震事件。

根据美国地调局(USGS)和哈佛大学(Global CMT)给出的震中位置和震源机制解(表1,图1)可以看出,漾濞地震震中位于川滇块体滇西地区,所在块体向西南运动,附近发育NW向的南涧—巍山断裂带。由于漾濞地震发震地区的监测台站比较稀疏,研究区域的地表被植被覆盖,而传统的大地测量技术是基于离散点的观测。目前(截止投稿时)多家机构的定位结果存在较大差异,且该区域活动构造研究程度较浅,有必要对发震构造特征进行进一步的研究。

图1 2021年云南漾濞MW6.1地震震中区域地质构造背景(图中沙滩球为漾濞地震震源机制解)Fig.1 Geological structure background of the epicenter area of the MW6.1 Yangbi earthquake

表1 不同机构给出的2021-05-21漾濞地震震源参数Table 1 Focal parameters of 2021-05-21 Yangbi earthquake given by different institutions

漾濞地震发生在横断山滇西高山峡谷区,地质构造复杂、地震活动频繁,震中距漾濞县城9 km,距大理市37 km,距永平县40 km。附近断裂构造复杂,断裂众多,漾濞地震处于NW向南涧—巍山断裂的西侧,在这条断裂东侧为苍山,且还有一条与之平行的红河断裂,该断裂贯穿云南的西部、中部和东南部,控制云南的主要地质构造运动,是一条典型右旋走滑断裂,分为北、中、南段,全长1 000 km[1-4]。红河断裂带是一条经历长期演化的块间构造变形带,经历了古近纪的大型左旋剪切运动和新近纪以来的右旋走滑运动,第四纪以来仍为右旋走滑运动的活动断层[5-6]。20世纪90年代发展的合成孔径差分干涉测量技术(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry,DInSAR),已在地震发震构造、破裂过程得到广泛应用,如InSAR在震间和同震形变领域的应用研究[7],InSAR同震形变场与震源破裂过程研究[8]以及InSAR在震后形变及余滑和黏滑模型研究[9]等。InSAR能够在短时间内获得较大范围的观测数据,同时可深入精细研究地壳运动状态。

本文利用欧空局(ESA,Eurpoean Space Agency)的哨兵1A卫星的升降轨SAR数据(TPOS模式),运用DInSAR技术重建2021年漾濞MW6.1地震同震形变场,在此基础上联合升降轨形变场反演地震发震断层参数和同震滑动分布,并对本次地震的形变场特征、断层活动特征和发震构造进行分析与探讨。

1 InSAR同震形变场与分析

1.1 研究数据

本文下载Sentinel-1A 干涉宽幅模式SLC IW L 1.1 数据C波段SAR影像作为数据源,数据极化模式为VV极化,距离向和方位向分辨率是5 m×20 m,地震前后升轨和降轨影像参数如表2所列,其中升轨观测时间为2021年5月20日和2021年6月2日,降轨观测时间为2021年5月10日和2021年5月22日,升降轨的干涉相对的空间基线分别为26.755 m和-49.708 m,时间基线为12天,短时间极大有助于保持主从图像之间的相干性,获取高时间和空间采样率的同震形变场。DInSAR技术[7]处理使用的是SARscape商用软件处理模块,采用的外部参考DEM数据为NASA SRTM DEM(数据精度为30 m)用于消除地形相位的影响。采用Goldstein滤波方法对去平后的干涉图进行滤波,提高干涉条纹的清晰度。利用Minimum Cost Flow(最小费流量)相位解缠方法实现绝对相位恢复。经过轨道精炼和重去平,最后经过地理编码,将SAR坐标系统结果投影到WGS-84地理坐标系下的漾濞地震InSAR同震形变场。

表2 升降轨差分干涉影像参数Table 2 Parameters of SAR data used in this study form both ascending and decending scenes

1.2 InSAR形变结果

图2为利用两轨DInSAR技术获取的2021年漾濞MW6.1升降轨InSAR干涉条纹图。从图中可看出同震特征清晰,升降轨InSAR形变干涉条纹显示相干性较好。从升降轨数据得到InSAR形变场(形变方向为LOS向)(图3)。由图3(a)所示,整体呈现椭圆形状对称分布,覆盖本次地震震中,中间长轴大体呈NW向迹线,结合研究区地质构造背景推测可能是本次地震的发震断层,断层迹线两侧形变场存在明显差异。升轨形变场范围为南北长约25 km、东西长约28 km,正值表明朝着卫星方向运动,地表显示为抬升或向西运动,东盘最大LOS形变量约-9 cm;负值表明朝着背离卫星方向运动,地表显示为沉降或向东运动,西盘最大LOS形变量约10 cm。由图3(b)所示,降轨形变场范围为南北长约21 km、东西长约18 km,西盘最大LOS形变量约-9 cm,东盘最大LOS形变量约10 cm。从图4分析东、西盘的条纹和升降轨形变符号相反特点以及本次地震的发震构造和升降轨LOS向沉降和抬升之间的关系,形变场特征符合走滑型地震形变特征,本文认为2021年漾濞MW6.1地震具有较大的走滑分量且发震断层呈NW走向的右旋走滑特征。如图3所示,两个形变场之间位移连续,未出现因地表形变梯度过大或地表破裂形成的浅地表失相干地区,这种情况表明本次地震断层深部为破裂至地表,无法确定具体发震断层位置。

图2 2021年MW6.1漾濞地震InSAR升降轨同震形变场(LOS方向)Fig.2 InSAR coseismic deformation field for the Yangbi MW6.1 earthquake (LOS direction)

图3 2021年MW6.1漾濞地震InSAR升降轨干涉条纹图Fig.3 InSAR coseismic interfergram for the Yangbi MW6.1 earthquake

图4 2021年MW6.1漾濞地震升降轨同震位移剖线测量结果Fig.4 The LOS displacement profiles of the ascending and descending deformation field of MW6.1 Yangbi earthquake

2 InSAR震源机制反演及发震构造分析

2.1 震源机制反演方法

本文在InSAR同震形变分析结果的基础上,以2021年MW6.1漾濞地震同震形变场为约束条件,利用Okada弹性半空间位错模型反演[10-11],研究该地震发震断层的几何参数和同震滑动分布特征。其主要技术路线包括:第一步,以升降轨LOS形变场降采样结果为约束,采用非线性反演均匀滑动的断层几何参数;第二步是利用非线性反演方法得到的均匀滑动断层几何参数,采用线性反演获得2021年漾濞MW6.1地震断层面的精细滑动分布。

为获得漾濞地震的同震滑动分布特征,本文采用架构于ENVI遥感图像处理软件之上的SARscape雷达图像处理软件的Displacement Modeling处理模块,基于Okada弹性半空间位错模型反演漾濞地震发震断层的位置、走向、倾向、倾角等几何参数和精细滑动分布特征,并对本次地震的断层参数以及滑动机制进行分析,深入理解断层活动特征和深部破裂特征。反演考虑靠升降轨InSAR数据的空间连续性,对升降轨形变场采用矢量图层圈定形变场(小区域,采样间隔1 km)和模型反演范围(大区域,采样间隔2 km)进行均匀矢量网格降采样处理方法,获得3 679个升轨形变数据点位和2 690个降轨形变数据点位。根据形变场模拟特征,划定一条走向为“NW-SE”向的发震断层,如图5所示。基于降采样的InSAR视线向形变数据点位形变场结果,通过Displacement Modeling处理模块的Non-Linear Inversion工具,结合GCMT的建议断层几何参数设定搜索区间,采用Okada模型进行最优解搜索,获得搜索结果。最后将非线性反演获得的均匀滑动断层几何参数,包括经纬度、走向、倾向、滑动角、深度等几何参数结果导入线性反演模型,并设置线性反演参数,使断层滑动信息可以很好地完全显示;通过设置反演为固定滑动角,设置走向和倾向的细分数为20×20,对断层进行划分;设置阻尼系数为0.005,反演的精细断层较为平滑。从图6精细滑动分布反演结果可以看出,通过断层几何参数反演结果表明本次地震的宏观震中为99.94°E、25.72°N,矩震级为MW6.1,破裂尺度模型断层长度9.8 km、宽度4 km,破裂深度主要集中在3～6 km范围内,最大滑动深度5 km;断层倾角为83.47°,平均滑动角为-146.7°,断层走向135°,此次地震为右旋走滑。图6为同震滑动分布,断层面滑动主要集中在沿断层走向1～12 km,沿断层倾向向下基于DInSAR形变结果反演的地震形变宏观震中与多家研究结构基于地震波确定的震中位置具有比较大的差异,分析原因可能与台站的分布情况、观测手段及精度对研究机构的速报结果精度均有影响。同震形变场得到的宏观震中更能真实地反映中小震源发震位置,为地震监测预报中心提供更加准确的断层位置和几何信息。

图5 形变场采样及反演残差 Fig.5 Deformation field sampling and inversion residuals

2.2 发震构造分析

本次地震为典型的构造地震活动,地震发生于横断山滇西峡谷区,光学影像可见地震附近众多北西向线性构造特征,且附近断裂众多、交汇,给发震构造判识带来很大困难[12-14]。精确测定漾濞MW6.1地震的发震断层及属性对理解地质构造特征及地震活动具有重要意义。目前(截至发稿时)一种观点认为发震断层为维西—乔后断裂中南段,该断裂为NW走向右旋走滑断裂,在这条断裂东侧与之平行的红河断裂有许多横断层,其中一些横断层延伸到维西—乔后断裂,维西—乔后断裂在中南段与龙潘—乔后断裂交汇。本次地震附近断裂分布密集,交错复杂,被认为是漾濞主震后余震丰富的原因之一[15]。另一种观点认为漾濞地震的发震断层为维西—乔后断裂西侧的一条NW向次生断裂,走向NW-SE,整体倾向SW,以右旋走滑为主[16]。从本文利用InSAR技术获取的2021年漾濞地震同震形变场显示(图2),同震变形场没有出现在已探明的维西—乔后断裂周边;同时,升降轨形变符号相反,形变呈现非对称分布,形变场长轴方向为NW向,表明发震断层倾向西,断层走向NW-SE,与主震后余震空间分布基本一致,且符合上述两种观点认为的发震断层的运动特征,表明本文得到的同震形变场反演结果是科学合理的。从反演的断层滑动分布结果可知(图6),地震未破裂到地表,表明本次地震的发震断层是隐伏断层。根据云南第四纪活动断层分布[17],综合地表形变观测数据、地震孕育环境及前人研究成果,本文初步认为2021年漾濞MW6.1地震发震断裂是一条位于维西—乔后断裂西侧的NW向的隐伏次生断裂,断裂活动方式为右旋走滑,其与主断裂维西—乔后断裂的关系还需要通过现场地质调查资料进行综合判定。

图6 漾濞地震同震滑动分布Fig.6 Co-seismic slip distribution of the 2021 Yangbi earthquake

3 结语

本文基于升降轨Sentinel-1A数据,采用DInSAR技术重建2021年5月21日漾濞MW6.1地震升降轨LOS向同震形变场,在此基础上以升降轨同震形变场为约束运用Okada模型反演断层滑动分布特征,结果表明:

(1)运用DInSAR技术获取2021漾濞MW6.1地震同震形变场,升降轨数据干涉图相干性较好,升降轨形变场运动特征显示本次地震发震断层是“NW-SE”走向的断层,具有明显的右旋走滑特征。其中升轨干涉图视线向,上盘下降量达9 cm,下盘上升约10 cm;降轨干涉图沿视向,上盘上升量达9 cm,下盘下降约10 cm,说明本次地震事件的发震断层以右旋走滑运动为主。

(2)基于同震形变场线性反演断层滑动分布模型进一步显示为NW-SE向发震断层,本次地震为发震断层的右旋走滑事件,地震破裂未达到地表,与野外地质考察结果吻合,发震断层长9.8 km,宽10 km,断面倾向SW,走向135°,倾角83.47°,滑动角-146.7°,最大滑移量为0.35 m,震中位于25.72°N,99.94°E,震源深度接近8.0 km;同震滑动主要集中在3～6 km深度范围内,以右旋走滑为主,矩震量为1.743×1018N·m,矩震级为MW6.1。与USGS和GCMT给出的震源机制解基本一致。

(3)同震形变场分布于已探明的维西—乔后断裂西南侧,其特征和断层反演参数与该断裂基本一致。同时地震未破裂至地表,推测2021漾濞MW6.1地震发震断层为一条走向NW-SE的隐伏断裂,与维西—乔后断裂之间的归属关系仍有待进一步野外地质和地球物理工作。本次地震附近断裂众多且交汇,表明发震区域可能仍是未来发生地震的危险地区。

致谢:感谢欧空局(ESA)提供的免费Sentinel-1A雷达卫星影像。感谢易智瑞提供的SARscape软件和ArcGIS软件。