2021年云南漾濞Mw 6.4级地震的InSAR监测与反演

魏云杰,王 婷,杨成生*,吕 森

(1. 中国地质环境监测院，北京 100081; 2. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

北京时间2021年5月21日21时48分，云南漾濞地区附近发生了6.4级地震。此次地震震中经纬度为(99.87°E，25.67°N)，震源深度为8 km。根据中国地震台网(CENC)测定，在主震发生前，该地区发生了多次3～4级前震。6.4级主震发生后，该地区的地壳活动性并未停止。截至2021年5月23日，漾濞地区附近发生余震33次，震级在2.5到5.2范围内，说明此次地震属于前震→主震→余震地震序列。由于距离震中20 km范围内人口数约6.2万，50 km范围内约216万，而且本次地震位于活动构造的研究空白区域，所以研究此次地震的发震构造及断层活动趋势是非常必要的。

自Massonnet在1993年最早利用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术提取了1992年Landers地震的同震形变场后，InSAR技术被引入地震监测，并引起了地学界的轰动。之后，该技术以全天时、全天候、大范围、高精度地表形变监测的特点，在地震的震间、同震和震后形变监测以及震源机制研究中得到了广泛的应用。以InSAR同震形变场为约束反演地震运动学参数成为研究地震发震机理和破裂过程的重要手段之一，如1997年西藏玛尼7.5级地震、2001年青海昆仑地震、2008年四川汶川地震、2017年四川九寨沟7.1级地震以及2020年新疆伽师地震等。

云南漾濞6.4级地震引起了许多学者的广泛关注。美国地质调查局(USGS)、全球矩心矩张量(GCMT)计划和中国地震台网均给出了此次地震的震源机制解(表1)。王绍俊等以SAR影像为数据源，获取了此次地震的同震形变场；同时以SAR形变场和GNSS数据为约束，设置了两个不同倾向的断层模型，反演了不同倾向模型的滑动分布，并进行了对比分析。李大虎等采用地震体波层析成像(TOMO3D)方法反演获得川滇区域的地壳速度结构特征，对云南漾濞6.4级地震震区及周边的三维P波速度结构进行了剖析；然后获得震区壳内视密度的横向变化特征，最后综合分析漾濞6.4级地震震区地壳结构特征与地震活动关系。杨九元等利用Sentinel-1A/B卫星影像和InSAR技术，得到了同震形变和断层的滑动分布，并计算了同震的库伦应力变化。但是，上述研究关于地震发震断层的详细几何参数并没有给出。由于发震断层几何参数对深入掌握云南漾濞地区及其邻近区域的孕震及发震机理和构造活动特征具有十分重要的科学意义，本文利用InSAR技术获取了云南漾濞6.4级地震的同震形变场，并对同震的震源参数以及发震断层的滑动分布进行了反演与分析讨论，以期为了解此次地震发震机理及区域构造活动特征提供参考。

表1 不同机构给出的震源机制解Table 1 Focal Mechanism Solution from Different Institutes

1 区域构造背景

云南地处印度板块与欧亚板块挤压碰撞带的东北边界。这两大板块长期相对运动，使得区域内新构造运动十分强烈，活动断裂带纵横交错。漾濞彝族自治县位于云南省中西部偏西北，属横断山系滇西纵谷区，云岭山脉南段，地质构造复杂，地质环境条件脆弱。近年来，在极端气候现象和地震活动频繁等因素的影响下，区域内地质灾害的发生呈上升态势，地质灾害类型较为丰富，主要有地震、泥石流、滑坡、崩塌、火山喷发、地裂缝等。

2021年5月发生在云南漾濞地区的又一次6.1级强震，位于川滇块体西南边界。新生代早期以来，青藏高原东缘向东挤出，形成了最强也是最具代表性的川滇菱形块体，该区域地质灾害频繁，是研究灾害预报预警的重点关注区域。该区域发育的断裂复杂，有安定河断裂、红河断裂、安宁河—则木河断裂、澜沧江断裂等，断裂较为活跃，地震活动剧烈。例如，2018年玉溪通海地区的两次5.0级地震，位于川滇菱形地块东端；2019年6月24日的楚雄4.7级地震，位于南华—楚雄断裂附近；2020年5月18日的昭通巧家5.0级地震，位于安宁河—则木河断裂等。

从图1可以看出，漾濞6.4级地震的震中区域主要有两条断裂，分别是维西—乔后—巍山断裂和红河断裂。其中，维西—乔后—巍山断裂与震中的距离最为接近，大约为10 km。段梦乔等认为此次地震序列的发震断层以SE向高倾角右旋走滑兼正断层为主，兼有多条NE向左旋走滑兼正断层的高倾角次级断层。杨九元等通过一系列研究认为，此次地震可能破裂在维西—乔后—巍山断裂的隐伏分支断层或一个独立的未知隐伏主断层上，需着重注意维西—乔后—巍山断裂的巍山盆地北端。龙锋等计算的区域构造应力场显示，发震构造受NNW—SSE向近水平主压应力作用发生右旋走滑运动，揭示主发震断层产状和错动类型与维西—乔后—巍山断裂基本一致。根据已有的研究得知，维西—乔后—巍山断裂具有明显的右旋走滑特征，沿线山脊和河流表现为同步右旋位错。维西—乔后—巍山断裂与红河断裂、金沙江断裂以及德钦—中甸—大具断裂等一起，共同构成了川滇活动块体的西部边界。因此，相关研究认为其发震构造为维西—乔后—巍山断裂的平行伴生断裂，这一构造的形成可能与川滇块体SE向滑移和滇西南块体的顺时针旋转有关。

图1 云南漾濞地区区域地质背景Fig.1 Regional Geological Background of Yangbi Area in Yunnan

2 数据来源及处理方法

为了获取漾濞6.4级地震的同震形变场，本次研究调查并选取了地震发生前后时间间隔最短的两景欧洲航天局Sentinel-1A SAR卫星影像(图1)，影像参数如表2所示。数据处理采用瑞士GAMMA遥感公司开发的专门用于干涉雷达数据处理的全功能平台GAMMA软件。采用差分干涉测量(D-InSAR)技术进行数据处理，引入美国航空航天局(NASA)发布的30 m空间分辨率SRTM数字高程模型来消除InSAR干涉图中的地形起伏误差。基于加权功率谱算法的自适应滤波算法被用于干涉图的滤波处理，消除干涉图中的噪声相位。利用二次多项式拟合去除干涉图中残余的轨道误差，相位解缠采用最小费用流算法。为得到精确的形变场，基于大气延迟相位与地形间的相关关系对差分干涉图进行了去除大气影响处理，最后得到了雷达视线方向(Line of Sight,LOS)同震形变场，再进行地理编码便获取了地理坐标系下高精度的同震形变场。

表2 Sentinel-1A SAR卫星影像参数Table 2 Parameters of Sentinel-1A SAR Satellite Image

3 结果分析

经过一系列数据处理，获取了漾濞6.4级地震的干涉解缠图和形变场(图2)。结果显示：此次地震造成断裂东北侧的最大隆升超过10 cm，西南侧的最大下沉约为10 cm以下(雷达视线方向)；两个不同方向水平位错的过渡带为发震断层所在的位置。两个形变区域间并没有由于地表破裂造成大面积的失相干，说明此次同震形变并未造成严重的地表破裂。另外，升、降轨影像的形变场上、下盘的地表运动表现为相反的运动趋势，说明同震引起的形变以水平向为主。同震形变监测结果与王绍俊等的研究结果较为一致。

图2 漾濞Mw 6.4级地震升、降轨的同震形变场Fig.2 Ascending and Descending Co-seismic Deformation Fields of Yangbi Mw 6.4 Earthquake

3.1 GBIS均匀滑动反演

基于InSAR同震形变场开展发震断层的几何参数和运动学参数反演是认识发震机理的关键。为此，采用GBIS开源软件(http:∥comet.nerc.ac.uk/gbis)对本次地震同震形变场进行非线性反演，获取发震断层的几何参数(断层长度、宽度、深度、走向角、倾角等)。GBIS开源软件是通过断层几何参数的后验概率密度函数和观测值的先验知识确定断层的最优参数。目前，该方法在地震、火山等形变反演中得到了广泛应用。首先，根据InSAR形变监测的先验结果选择Okada矩形弹性位错模型，通过设置断层的几何参数(断层长度、宽度、深度、倾角、走向角)和运动学参数(滑动量)，并设置一定的搜索范围，对模型参数进行约束反演，迭代次数设置为3×10。由于InSAR监测结果数据量较大，为提高反演计算效率，需要对形变结果进行降采样处理，即在保证形变特征的同时，减少数据点的数量。本文采用四叉树降采样方法，最终升、降轨的形变场分别保留了2 326、2 655个数据点。在迭代结束后，去掉前3×10次迭代的老化周期，最后便得到了断层的最优模拟结果。最优震源参数见表3，搜索结果范围如图3所示，模型模拟结果如图4所示。

图4 均匀滑动反演结果对比Fig.4 Comparisons of Uniform Slip Inversion Results

由断层的后验概率密度函数分别获取了2.5%和97.5%的最大后验概率解。反演结果(图3和表3)表明：地表同震形变是由一条长度约为12.2 km、宽度为5.0 km、深度为7.5 km、倾角为83°、走向角为132°的断层滑动引起的。由表3可知：发震断层以走滑为主，震中位置深度为7.48 km，明显大于宽度(约为5.00 km)，说明此次地震没有破裂至地表；漾濞6.4级地震走滑分量为-0.68 m，倾滑分量为-0.09 m，表明同震断层活动以走滑为主；其走向角为132°，近似为NWW—SEE向，可见断层走向与美国地质调查局给出的节面1震源机制解基本一致，且同震形变观测结果和均匀滑动反演结果存在很好的相关性。

图3 均匀滑动反演断层参数直方图Fig.3 Histograms of Fault Parameters of Uniform Slip Inversion

表3 均匀滑动反演断层参数Table 3 Fault Parameters of Uniform Slip Inversion

3.2 同震滑动分布反演

基于GBIS开源软件反演可以获取地震震源参数，为进一步分析断层的运动特征以及地震成因，还需对断层进行精细化的滑动分布反演。本文利用最速下降法(Steepest Descent Method,SDM)进行滑动分布反演。其主要思想是利用负梯度方向来决定每次迭代的新搜索方向，随着迭代步数的增加使待优化目标函数逐步减小。该方法基于Okada矩形弹性位错模型。实验中参考GBIS开源软件计算得到的震源参数，进行最初的参数设置。为更全面地获取整个断层的滑动分布结果，将断层长度和宽度分别沿走向和倾向进行延长，沿走向延长至40 km，沿倾向延长至20 km，分为2 km×2 km的小块，共200个小块。根据震源机制解和均匀滑动分布结果可知，漾濞6.4级地震是以走滑为主，故将断层滑动角区间设置为-180°～0°，然后计算每一小块的滑动情况。为进一步保证反演结果的稳定性，引入滑动因子(α)进行约束，最优滑动因子通过权衡模型粗糙度和拟合残差的折中曲线求得，本次反演的最优滑动因子为0.025(图5)。

基于最速下降法反演的结果如图6、7所示。断层模型的反演结果很好地反映了地震同震形变场，断层模型拟合度为80%，不能拟合的形变主要是由形变场NE向地形起伏引起的误差造成。分布式滑动反演得到同震滑动分布结果如图7所示。断层的滑动分布主要集中在沿走向8～24 km和沿倾向2～10 km，平均滑动量为0.19 m，平均滑动角为-153.6°，平均矩震级为6.1(表4)。通过分析滑动分布结果，再一次判定此次地震是一次典型的走滑断层破裂事件。

表4 滑动分布结果Table 4 Sliding Distribution Results

五角星表示最优滑动因子图5 模型粗糙度与拟合残差的折中曲线Fig.5 Tradeoff Curve of Model Roughness and Fitting Residuals

4 讨 论

斜的矩形框表示设置的断层模型在地面的投影；震源球表示漾濞Mw 6.4级地震的震源机制解图6 同震形变观测结果与滑动分布结果对比Fig.6 Comparisons Between Co-seismic Deformation Observations and Sliding Distribution Results

图中箭头表示块体的运动方向图7 断层的二维滑动分布结果Fig.7 Two-dimensional Sliding Distribution Results of Fault

同震的破裂往往会引起周围应力场的变化，从而驱动或者抑制余震的发生。为了进一步揭示漾濞6.4级地震对周围地质构造产生的影响，本文分析了同震破裂对区域应力场的变化。以分布式滑动反演的断层滑动分布结果为依据，基于Coulomb3.3软件，摩擦系数设置为0.4，剪切模量设置为30 GPa，分别计算深度为7.5 km和10.0 km的库伦应力分布；另外，收集了从2021年5月21日至25日的震级大于3的余震结果进行联合分析。基于Coulomb3.3软件得到的漾濞6.4级地震同震库伦应力变化结果如图8所示。将滑动分布结果、库伦应力结果以及地质构造进行联合分析可以发现：余震的分布区域与断层模型迹线走向一致；余震分布区域与断层主破裂区地面7.5 km深度以下的库伦应力减小的展布一致；库伦应力为正值的区域，在地震发生后容易发生余震，余震的发生使得区域构造应力逐渐释放。漾濞6.4级地震在发震断层的主破裂区处于应力调节状态，在维西—乔后—巍山断裂附近造成了明显的应力加载，库伦应力在同震滑动分布量最大的区域处于应力加载状态。余震大部分分布在发震断层周围，但是远离主震震中，说明在主震后较短时间内，断层处于应力调节状态。同震形变场、同震滑动分布和库伦应力计算结果均显示，震中附近没有出现明显的形变特征和较大的滑动量，并且库伦应力状态显示为负值。震中与维西—乔后—巍山断裂距离较近，因此，附近地区仍然需要持续关注。

本文基于SAR卫星影像开展了对漾濞6.4级地震的研究，并利用Okada矩形弹性位错模型对地震进行了构造反演，主要采用的是GBIS开源软件和最速下降法反演方法。反演和计算结果表明，发震断层属于右旋走滑类型，与周围的维西—乔后—巍山断裂的运动学性质相同。根据同震破裂的运动特征分析，发震断层可能属于维西—乔后—巍山断裂的次级断层，与周边断层的运动学关系还需进一步的探索。本文所采用的GBIS开源软件反演为非线性反演方法，是通过假定断层面上的滑动量和滑动角是均匀的，对断层的几何参数进行蒙特卡洛搜索法迭代计算，最后得到几何参数的最优解。而最速下降法反演属于线性反演，通过GBIS开源软件反演获取的断层长度、宽度、走向角、倾角等参数建立断层模型，将断层沿走向和倾向进行划分，然后进行搜索，最后得到地震的滑动角、滑动量以及断层面上的滑动分布，对地震类型进行判定。根据GBIS开源软件反演得到的走向和倾向滑动量，可以对断层类型进行判断；同时根据最速下降法反演计算得到的滑动角和滑动分布，也可以判断断层的类型。因此，可以认为GBIS开源软件和最速下降法两种反演方法是可以相互进行补充和验证的。

5 结 语

(1)2021年5月21日发生的云南漾濞6.4级地震，其同震形变是由一条长度为12.2 km、宽度为5.0 km、深度为7.5 km、走向角为132°、倾角为83°的断层引起的。

斜的矩形框表示断层在平面上的投影；圆点表示从2021年5月21日至25日的震级大于Mw 3的余震图8 库伦应力变化Fig.8 Changes of Coulomb Stress

(2)发震断层的滑动主要分布在沿走向4～28 km和沿倾向2～12 km，平均滑动角为-153.6°，平均滑动量为0.19 m，且此次地震是以右旋走滑为主。

(3)基于滑动分布结果，利用Coulomb3.3软件计算了库伦应力分布变化。本次实验中建立的断层模型是理想状态的矩形模型，与真实的断层模型还有一些差距；在反演中也假定地壳介质在不同深度是均匀分布的，但实际地壳介质分布并不是均匀的，一般需采用全球地壳模型Crust1.0对地层介质进行分类，从而更好地模拟地震发生时不同地层介质对地震演化的影响。这些工作都将是下一步需要开展的工作。

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