基于Sentinel-1A数据反演漾濞MS6.4地震的同震形变场及断层几何参数

朱俊文,姚赟胜,张 波

(甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

0 引言

2021年5月21日21时48分,云南省西部大理州漾濞县发生MS6.4地震(震中:25.67°N,99.87°E),震源深度8 km。本次地震为前-主-余型序列地震,该序列自5月18日至5月23日,共发生0级以上地震达1 585次,其中3级以上40次,3～3.9级24次,4～4.9级12次,5～5.9级3次,6～6.9级1次(国家地震数据中心,https://data.earthquake.cn/)。地震序列发生在川滇块体西边界附近,位于维西—乔后断裂和红河断裂(狭义)过渡带以西。有研究认为,维西—乔后断裂是红河断裂的北延段落,断裂以右旋走滑活动为主[1]。震中附近历史上中强地震极其频繁,震中100 km内5～7级历史地震近百次,最大一次地震为1925年大理7级地震[2]。最近一次地震为2017年云南漾濞MS5.1和MS4.8地震,与本次地震的震中相距25 km[3]。本次地震是研究川滇块体西边界现今构造活动的重要窗口。

震后多学科综合科考结果的阶段性成果(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)显示:地震构造调查发现一条NW-SE走向的地表裂缝带,分为间隔约5 km的南北两段,长度分别为2.5 km和3 km;余震精定位显示走向NW,倾向近直立(略倾向SW)的余震密集带;InSAR/GNSS观测发现破裂面长约20 km,最大滑动量约0.8 m,矩震级为MW6.1。

我国在地震同震形变场获取中主要采用的方法有传统大地水准测量、全球导航卫星系统(GNSS)、全自动激光测距(EDM)以及InSAR等技术。利用传统测量技术观测地震同震形变主要依赖于观测台站与地震震源之间的相对位置,就现有的地震预报技术而言,很难对地震做出精确的预测。尽管我国目前的观测台站网络布设已经有了很好的改善,但在一些人迹罕至、高海拔地区仍然存在许多地震同震形变无法第一时间获取的情况,而InSAR技术远距离、大范围、全天候和主动性等特点弥补了传统测量方法的局限。本文利用sentinel-1A卫星震前和震后升降轨数据,采用差分干涉雷达测量技术(DInSAR)反演了本次地震的同震形变,并以同震形变为约束,基于Okada弹性半空间位错模型[4]进一步反演了此次地震的断层几何参数,为深入研究此次地震的形变过程、发震构造等提供了重要的参考资料。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

漾濞县位于云南省大理州中部和点苍山以西,川滇块体滇西地区,地势自北向南方向倾斜(图1)。研究区内地势和构造复杂,区域内有多条断裂带分布,维西—乔后—巍山断裂[5]、龙蟠—乔后断裂[6]、红河断裂等相互交错,造成该地区地震频发。自1900年以来,在本次地震震中100 km范围内共发生34次5级以上地震,其中5.0～5.9级地震29次,6.0～6.9级地震4次,7.0～7.9级地震1次(中国地震台网)。最大一次地震发生在1925年3月16日大理7.0级地震,距离本次地震震中53 km,最近一次5级以上地震发生在2017年3月27日,距离本次震中25 km。

图1 研究区概况Fig.1 Basic situation of the study area

1.2 研究数据

Sentinel-1卫星是欧洲航天局哥白尼计划(GMES)于2014年和2016年分别发射的搭载C波段合成孔径雷达的双星地球观测卫星,属于主动微波遥感卫星。SAR卫星可全天时、全天候不受云雨等天气影响地获取连续雷达影像。Sentinel-1卫星有条带模式(SM)、干涉宽幅模式(IW)、极宽幅模式(EW)和波谱模式(WV)四种成像模式。本文所使用数据为Sentinel-1A卫星IW成像模式的斜距单视复数产品(SLC),空间分辨率为5 m×20 m,极化方式为VV。数据来源于NASA EARTHDATA网站(https://search.asf.alaska.edu/);选取了震前、震后的升降轨SAR数据共4景用于本次地震同震形变场反演,影像基本信息如表1所列。本次实验选取的升降轨震前、震后两个影像对的时间基线相近,均为12天,空间基线也相对较小,分别为50.35 m和19.27 m,尽可能降低时空失相关对最终结果的影响。

表1 SAR 数据Table 1 SAR data details

本研究所采用的参考DEM为覆盖研究区的ALOS World 3D 30m DEM数据,该数据由JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)机构免费分发(https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/data/index.htm)。

2 研究方法

2.1 DInSAR基本原理

DInSAR技术即合成孔径雷达差分干涉测量,是将同一地区的两景不同时相获取的SAR影像的干涉结果做差分处理,利用DEM消除地形影像获得该地区地表微小形变信息的技术[7],如图2所示。DInSAR处理过程通常包括基线估算、干涉像对配准、干涉图生成、去除平地效应、滤波去噪、相位解缠、轨道精炼和重去平以及相位转形变。根据地形相位的获取方法不同,可将DInSAR技术分为双过差分、三过差分和四过差分等。DInSAR技术被广泛应用地震形变场的反演,Wang等[8]反演了玉树地震形变场;赵强等[9]、季灵运等[10]采用InSAR技术反演了九寨沟地震同震形变场;王家庆等[11]通过多视角InSAR反演了西藏改则地震三维同震形变场。由于三过差分和四过差分会带来更大的误差[12],得到的地表形变量精度偏低[13-15],故本文选用双过差分法获取同震形变。

图2 双过差分干涉测量流程Fig.2 Two-pass differential interferometry process

2.2 Okada弹性位错模型

Steketee于1958年最先将位错理论引入到地震学领域[16],随后数十年里,国内外学者对该模型开展了广泛的研究。1985年Okada提出了一套可以计算弹性半空间内剪切力和张裂断层运动引起的地表形变及应变的位错模型,之后又将该模型进一步改进[17],提出了弹性半空间均匀介质位错模型[18]。

如图3所示,Okada模型假设当z≤0时,地壳为弹性媒介,矩形断层面的错动量可分为走滑量(U1)、倾滑量(U2)以及张裂量(U3),α为断层走向,δ为断层倾角,L为断层长度,W为断层宽度,d为断层深度[19]。根据Okada弹性半空间位错理论,地下断层参数很大程度上影响地表形变,二者存在高度非线性相关性。因此,可建立DInSAR获取同震形变与地震断层之间的的关系:

图3 Okada位错模型笛卡尔坐标系(据文献[18])Fig.3 Cartesian coordinates of Okada dislocation model(After reference[18])

disp=G1(m1)+ξ

(1)

式中:disp为DInSAR视线向形变观测数据;m1为断层的9个参数,分别为断层起始点的经纬度、断层深度、走向角、倾角、滑动角、断层长度、宽度和滑动量;G1(·)是联系观测形变量与断层参数的格林函数;ξ为观测误差。

基于Levenberg-Marquardt[20]最小化算法非线性反演断层几何参数,通过多次迭代使目标函数在全局最小值处收敛,给出非线性模型的最优解,即在给出的参数阈值区间内迭代求解,最终求得全局最优解。

3 研究结果

3.1 同震变形场

本文所采用的SAR数据极化方式为VV极化,利用SARscape软件进行数据处理,统一将震前所获取的影像作为主影像,将震后获取的影像作为从影像,制图分辨率设置为20 m,通过配准、干涉图生成和去除平地效应等操作获得去平干涉图,采用Goldstein滤波方法降低由时空失相干的噪声,通过综合对比区域增长法(Region Growing)、最小费用流法(Minimum Cost Flow)和Delaunay MCF法等相位解缠方法的优缺点,本文选择MCF为相位解缠方法。经过轨道精炼、重去平及地理编码等处理,反演得到此次地震升降轨视线向的同震形变场(图4),并对形变场分别做了两个剖面(AA＇和BB＇)。综合升降轨干涉图和视线向同震形变场分析,正值表示形变量沿视线向抬升,即往靠近卫星的方向运动,最大抬升量为8.7 cm;反之,负值表示形变远离卫星方向运动,表现为沉降,最大沉降量为8.2 cm。升降轨影像的干涉条纹和形变量差异主要是由不同轨道侧视角造成。由同震形变场可知,此次地震造成了一条NW-SE走向的断裂,与中国地震局地质研究所野外科考发现的地表裂缝带(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)走向表现为高度一致性。

图4 升降轨同震形变场Fig.4 Coseismic deformation field of ascending and descending orbit

3.2 断层几何参数

为提高反演效率,本文选取降轨数据获得同震形变场进行降采样处理,最终获得1 717个DInSAR视线向形变观测数据来反演断层几何参数。基于Okada弹性半空间均匀位错模型非线性反演出此次地震造成的断层几何参数,如表2所列,表明此次地震断层滑动为右旋走滑,滑动角为175°,大于哈佛大学GCMT(Global Centroid Moment Tensor)和美国地质调查局USGS给出的滑动角。断层走向为313.7°,略小于USGS给出的走向。断层倾角为87°,略高于GCMT和USGS给出的值,但总体相差不大。通过非线性反演得出的地震矩为1.48×1018N·m,矩震级为MW6.1。

表2 不同研究机构给出的漾濞MS6.4地震断层参数Table 2 Fault parameters for the Yangbi MS6.4 earthquake obtained by different research institutions

4 结论与讨论

本实验获取的升降轨数据虽然在空间上恰好覆盖了漾濞地震震中区,但在时间上跨越了部分前震和许多余震,包括主震之前27分钟发生的MS5.6前震和主震发生1小时内又连续发生了1次MS5.0和1次MS5.2余震,从观测数据上得到的同震形变场是前-主-余震共同作用的结果。

本文获取了2021年漾濞MS6.4地震的同震变形场(图4),结合形变场剖面图发现本次地震的形变场长约19 km,宽约20 km。降轨雷达视线向的最大形变约8.7 cm,升轨雷达视线向的最大形变约8.2 cm,视线向形变微弱,地震构造科考也未见到破裂带,仅见NW-SE向的裂缝(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html)。断层面几何参数反演结果显示断层走向313°,倾向NE,倾角87°,滑动角为175°,与USGS和GCMT的节面Ⅱ总体一致(表2)。漾濞地震断层的性质为右旋走滑。

InSAR揭示的漾濞地震断层带位于维西—乔后断裂南段西侧的一条NW向右旋走滑断裂,该断裂可能是维西—乔后断裂的组成部分,该断裂在本次地震中发生活动,但并未扩展到地表。地质和大地测量结果显示,青藏高原在向外扩展的过程中,受到鄂尔多斯块体、华南块体等一系列块体的阻挡,青藏高原的构造变形沿东构造结发生顺时针旋转,高原东南缘物质发生向南的挤出,川滇菱形块体就是青藏高原东南缘向南挤出的典型表现[21-22]。在川滇块体向南挤出的构造背景下,块体西边界的维西—乔后断裂、红河断裂发生右旋走滑,本次地震便是维西—乔后断裂南段分支断裂右旋走滑活动的体现。