GNSS和InSAR约束的2023积石山MS6.2地震同震滑动分布
2024-01-01孙云强邱鑫鹏陈常勇赵卓林君祺龚炜程
摘要:2023年12月18日,甘肃省临夏州积石山县发生MS6.2地震,造成了大量的人员伤亡和经济损失。为了研究该地震的发震构造,以多源观测为约束,利用GNSS和InSAR数据分别独立和联合反演其同震破裂模型;基于反演得到的模型,计算积石山地震在周边断裂上产生的同震库仑应力变化,并进一步分析其对周围地区的应力影响。结果显示:积石山地震的发震断层走向310°,倾角51°,是一次以逆冲为主兼有少量右旋走滑分量的地震,最大滑动量为56.02 cm,大致位于5 km深度处;该地震为调节拉脊山构造转换带两侧区域的应力-应变关系发挥着重要作用。地震发生后,积石山东缘断裂南段、拉脊山南缘断裂中南段、倒淌河—临夏断裂中段,以及西秦岭北缘断裂西段受到的库仑应力加载较高,这些区域未来的地震危险性需要重点关注。
关键词:积石山地震; GNSS; InSAR; 同震库仑应力变化; 地震危险性
中图分类号: P315文献标志码:A文章编号: 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
根据中国地震台网中心(https://news.ceic.ac.cn/)测定,北京时间2023年12月18日23时59分,中国甘肃省临夏州积石山县发生MS6.2地震(35.7°N,102.79°E),震源深度10 km,最高烈度达Ⅷ度(图1)。全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)捕捉到此次地震的同震形变覆盖震中约50 km的区域范围,总体与地震烈度结果保持一致[1]。在主震发生后,该地区还发生了多次余震,截至2023年12月22日,共发生3.0级以上的余震20次[2]。积石山地震是一次典型的“主震-余震”型地震[3],造成了大量的人员伤亡(148人死亡,979人受伤,3人失踪)和基础设施毁坏,给社会经济造成巨大损失[4-5]。
青藏高原东北缘作为青藏高原朝NE向扩展的活动前缘[6-7],长期以来受到印度板块和欧亚板块的碰撞挤压作用,构造活动强烈,而强烈的构造活动在控制着该区域构造演化的同时也深刻影响其地震活动[7-8]。本次地震序列就发生于青藏高原东北缘的拉脊山断裂带上。拉脊山断裂带形成于加里东期,主要由拉脊山北缘断裂、拉脊山南缘断裂和积石山东缘断裂组成[9],起到调节日月山右旋走滑和西秦岭北缘左旋走滑运动之间应力-应变关系的作用。拉脊山断裂带经历过多次的挤压变形与地壳运动,最终形成了现今较为复杂的朝NE向凸出的弧形构造形态[10]。据历史记载,拉脊山南北两侧共发生过20余次5级以上的中强地震[10],但历史强震的离逝时间较为久远,导致该区域经历了较长时间的中强地震平静期。此次积石山地震打破了该区域中强地震平静期,因此,其未来的地震危险性需要进一步评估。
地震破裂过程对于深入了解地震的发震构造和破裂过程,以及进一步分析区域地震危险性具有十分重要的意义。积石山地震发生后的短时间内,大量学者投入到对其发震断层的破裂反演研究中[2,9,11-14]。例如,王卫民等(https://www.itpcas.cas.cn/new_kycg/new_kyjz/202312/t20231219_6945583.html)利用远场波形数据反演了积石山地震的破裂过程,发现其由一个主破裂区和一个次级破裂区组成,主破裂长约15 km,最大滑动量20 cm。张勇等(https://pku-geophysics-source.group/htmls/20231218155930Jishishan.html)利用近场的强震记录对该地震的破裂过程进行了反演,揭示其为NNW向的单侧破裂形式,主破裂长约12 km,最大滑动量37 cm。为避免远震波形数据在传播过程中受到各种因素的影响,罗艳等[13]利用区域的宽频带地震波形记录反演了积石山地震的破裂过程,发现其最大错动量约为35 cm,主体破裂尺度约10 km。杨九元等[14]基于合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)同震形变场反演了积石山地震的断层几何参数和同震滑动分布,结果显示,其同震滑动主要分布于5.6~16.1 km的深度范围,最大滑动量可达66 cm。目前,关于积石山MS6.2地震的同震破裂模型很多,但大多是通过单一的观测数据反演得到的。仅用单一的观测数据难以保证对震中区域的空间全覆盖,采用多种数据进行联合反演不仅能使数据覆盖得更全面,而且可以实现不同数据之间的相互约束[15-16]。如今,已有大量研究采用以GNSS和InSAR为代表的多种数据进行联合反演[15,17-19],这种方式能够在一定程度上弥补单一形变观测数据的缺陷[15,19-20]。
基于此,本文首先采用Okada[21]的弹性位错模型来计算矩形断层滑动引起的地表位移,并使用混沌麻雀搜索优化算法[22](Chaos Sparrow Search Optimization Algorithm,CSSOA)求解断层的最优滑动分布;然后,以GNSS和InSAR数据为约束,分别独立和联合反演了积石山MS6.2地震的同震破裂模型;最后,基于反演的同震破裂模型计算了该地震在周边断裂上产生的同震库仑应力变化,以期进一步理解积石山地震的发震机制,为该区域的地震危险性分析提供参考。
1GNSS和InSAR数据
目前,包括GNSS和InSAR在内的大地测量数据已经被广泛地应用于地震的同震形变研究中[23]。大地测量数据,特别是近场位移,比远震波对断层几何和滑动分布更敏感[24],更有利于区域断层的发震构造和破裂行为研究。
本次研究所使用的GNSS数据来自李志才等[1]对32个卫星导航定位基准站进行高精度动态单历元数据处理后的结果,覆盖了震中附近50 km范围内的同震形变情况,共包含5个站点的数据,即图1中的GUTI、LXYJ、XUNH、LXJS和gsl9。各站点均较为完整、清晰地记录到了地震引起的瞬时变形。然而,积石山地震周边的GNSS观测站点较少,获得的GNSS观测数据相对稀疏,所以同震形变误差也相对较大(置信度35%)。其中,LXJS站点距震中最近,观测到的同震形变也最高,东西向形变达(13.6SymbolqB@
2.6) mm,南北向形变达(10.9SymbolqB@
5.1) mm[1],远高于其余站点的观测值。
本次研究采用的InSAR数据来源于欧洲空间局(https://dataspace.copernicus.eu/)Sentinel-1卫星(表1),通过解算提取了如图2所示的积石山地震前后的InSAR同震干涉图和同震视线向(Line of Sight,LOS)形变图。结果显示,InSAR升、降轨观测数据获得的同震干涉图[图2(a)、(b)]均为一个近似椭圆状的形变条纹,图像内还有少量的失相干区域,或许与地震引发的滑坡、泥流等灾害有关[4-5]。InSAR升、降轨的LOS向形变图[图2(c)、(d)]显示的隆升与沉降分界线大致沿NW—SE方向,可大致确定发震断层位于拉脊山南缘断裂和积石山东缘断裂的交界区域,且主要沿NW—SE方向破裂。发震断层北侧的同震形变以朝向于卫星的抬升运动为主,结合区域构造形态特征[4-5],认为积石山地震符合逆冲型地震的形变特征,且暗示了其发震断层可能为拉脊山南缘断裂未出露地表的隐伏逆冲分支断层。
为了提高InSAR反演的效率并降低远场噪声对反演结果的影响,采用均匀采样方法对积石山地震的InSAR升、降轨同震形变场进行降采样处理,在提高震中周边区域采样点密度的同时降低远离震中区域的采样点密度,最终获取了升、降轨各1 500个形变数据点。
2反演方法
研究者们曾使用模拟退火算法(Simulated Annealing Algorithm,SAA)[25-26]、粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法[12,27]、灰狼优化(Grey Wolf Optimization,GWO)算法[28]等方法进行断层滑动的反演。这些算法虽然在一定程度上提高了搜索能力,却存在易陷入局部最优、收敛速度慢等缺陷。麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)[29]是近年来新兴的一种群体智能优化算法,能够在一定程度上解决收敛速度慢的问题,同时具有搜索精度高、求解效率高、实现简单等优点。但是,当搜索接近全局最优、种群多样性减少时,该算法还是容易陷入局部最优状态。而CSSOA在SSA的基础上引入了Tent混沌和高斯变异,增强了个体在搜索过程中跳出局部最优的能力,并进一步提高了收敛速度[22]。
因此,本文采用Okada[21]的弹性位错模型计算断层滑动引起的地表位移,并使用CSSOA[22]反演断层的最优滑动分布。同时,为了提高反演精度,CSSOA反演策略中的种群规模N=100,最大迭代次数T=50 000,收敛误差1×10-10,发现者和侦察预警麻雀数占种群规模的20%[22]。
3结果分析
本节将以GNSS和InSAR数据的不同联合为约束,结合Okada弹性位错模型和CSSOA,反演得到积石山地震的断层几何参数和同震滑动分布。之后,基于反演得到的同震破裂模型计算积石山地震产生的同震库仑应力变化,以进一步分析周边断层未来的地震危险性。
3.1断层几何
对积石山地震发震断层几何的研究中,不同研究者从不同的角度给出了自己的判断[2,9,11-14]。他们对于走向的判断较为一致,认为主要沿NW—SE方向,这与本文获取的InSAR同震LOS向形变结果一致[图2(c)、(d)]。对于发震断层的倾向,研究结果却有较大差异[9,11-14]。其中,刘振江等[12]认为,积石山地震的发震断层倾向为NE,这与InSAR反演结果以及余震和同震滑坡的空间分布均较为一致[4,12]。因此,本文选择NE方向作为积石山地震的发震断层倾向。
基于积石山地震NE倾的假设,在反演时设置搜索区间为走向[270°,360°]、倾角[40°,90°]。结果显示,当断层走向310°、倾角51°时,能够与InSAR数据实现最佳拟合[图4(a)]。该结果与杨九元等[14]、张喆等(https://www.cea-igp.ac.cn/cxdt/280419.html)的反演结果较为接近。
根据拟合得到的断层几何参数,反演了积石山地震的同震滑动分布。通过固定断层的走向、倾角和位置,沿走向和倾向将断层面的长度和宽度均扩大至20 km,等间距地将断层面离散为30 × 20个小矩形断层单元。为了权衡数据拟合度和滑动分布的平滑度,根据测试结果,设置最优平滑因子为0.005[图4 (b)]。
3.2同震滑动分布反演
3.2.1GNSS独立反演
以GNSS同震观测数据为约束,独立反演了积石山地震的同震滑动分布。结果显示(图5),同震滑动分布几乎遍布整个断层面,呈现出由断层面中心向四周递减的形式,在中部(5~15 km)呈现逆冲兼右旋的特征,而在~3 km深度处和模型深部则更倾向于纯右旋走滑的趋势。中心的高滑移区近似圆形,最大滑动集中于7.5~10 km深度,最大滑动量为25.64 cm,在地表还有接近15 cm的滑动聚集。平均滑动角130.07°,释放的地震矩约1.11×1018 N·m,相当于一次MW6.0地震。
3.2.2InSAR独立反演
以InSAR数据为约束,独立反演了积石山地震的同震滑动分布。结果显示(图6),同震滑动的分布特征相对单一,近似呈半椭圆形,以逆冲为主,伴随有少量的左旋走滑特征。同震滑动分布于2.5~20 km深度范围,主要由5 km深度处向两侧及更深处递减;最大滑动量为57.69 cm,位于~5 km深度。地表浅层0~2.5 km深度范围内未有滑动分布存在,暗示积石山地震是一次隐伏的逆冲型地震。破裂长度大致为15 km,平均滑动角77.30°,释放的地震矩约2.47×1018 N·m,相当于一次MW6.2地震。
3.2.3GNSS和InSAR联合反演
图5、6的结果显示,使用GNSS和InSAR数据进行独立反演时存在很大差异,不仅同震滑动的运动性质不一致,滑动量也相差了近两倍。可见,不同观测数据的单一反演无法准确、真实地表达地震破裂形态。
基于卫星获取的InSAR图像可以完整记录不规则地表的同震一维LOS向形变[33],但InSAR技术可能出现相位失相干和平行卫星轨道迹线的断层形变精度缺失[14,34],因此,很难仅依靠InSAR观测数据获得真实可靠的三维同震形变场[35]。GNSS可以观测到同震的三维形变场,实现长期的时序形变监测,但积石山地震周边的GNSS站点稀疏,无法捕捉到大范围的同震形变场的细节。很明显,这两种数据的观测特性能够实现互补,且为断层的滑动分布反演带来更丰富的约束。因此,本研究结合GNSS和InSAR数据进行联合反演,使两种数据相互约束。
由于GNSS数据较为稀疏,且置信率较低,因此在联合反演中给予它较小的权重,并相应地提高InSAR数据的权重,最终将GNSS和InSAR数据联合反演的相对权重设置为0.2∶0.8。
GNSS和InSAR数据联合反演的结果(图7)显示,同震滑动分布主要呈现出逆冲兼右旋的特征,越接近地表,右旋走滑分量逐渐减少,进而转变成以逆冲为主兼有少量右旋走滑分量的形式。主破裂长度大致为15 km;同震滑动主要分布于2.5~7.5 km的深度范围,最大滑动位于5 km深度,最大滑动量为56.02 cm;10~20 km深度范围内还散布有多处滑动量为20~30 cm的次级破裂。平均滑动角102.61°,释放的地震矩约1.79×1018 N·m,相当于一次MW6.1地震。
3.3同震库仑应力变化
地震是在一定构造应力条件下断裂达到极限状态突然破裂失稳的结果,一次地震的发生会导致区域断裂的应力状态发生改变[36]。计算大地震产生的库仑应力变化,对于评估区域未来的地震危险性具有重要意义[37-38]。
为了分析积石山地震对周边主要断裂的同震库仑应力影响,将库仑应力投影至各接收断层上(接收断层参数列于表2,深度为5 km)。结果显示(图8),地震产生的库仑应力变化对震中50 km范围内的影响较大,即库仑应力变化超过千帕量级的断裂段主要集中在此范围内。积石山东缘断裂中段、拉脊山南缘断裂东南段和倒淌河—临夏断裂中东段的库仑应力变化为负,其库仑应力卸载最高分别为72.61、15.41和9.92 kPa。庄浪河断裂、马衔山北缘断裂和西秦岭北缘断裂中段也产生了一定的应力卸载作用,但影响程度较低,仅有百帕量级。
如图8所示,积石山地震发生后,周边的多条断裂都受到了应力加载效应的影响,加载效应的传递主要沿NW—SE方向,并随着震中距的增加而减小。其中,临潭—宕昌断裂受到的应力加载影响最小,应力加载量不到百帕;拉脊山北缘断裂和日月山断裂受到的影响也相对较低,分别为0.20 kPa和0.22 kPa;西秦岭北缘断裂西段和倒淌河—临夏断裂中段也受到了一定的应力加载作用,库仑应力最大增加量分别为1.60 kPa和2.10 kPa。积石山东缘断裂和拉脊山南缘断裂与震中较为接近,因此所受应力加载影响较大。其中,积石山东缘断裂受到的应力加载最高达15.58 kPa,加载区域主要位于南段;拉脊山南缘断裂受到的应力加载最高达15.81 kPa,加载区域主要位于中南段;两者均超过了10 kPa的应力触发阈值[36],地震危险性增大。虽然积石山地震的发生对周边断裂的影响仅有千帕,但考虑到该区域历史强震的离逝时间较为长久以及构造的持续加载,这些断裂未来的地震危险性仍需重点关注。
4讨论
4.1不同数据反演结果差异
上文基于GNSS和InSAR数据对积石山地震的同震破裂模型进行了独立反演,在不同数据约束下,最终的反演结果呈现一定的差异。其中,单一GNSS数据反演的滑动分布在地表呈现大量纯右旋走滑特征,断层中部转变为逆冲兼右旋的形式(图5),而单一InSAR数据反演的滑动分布在断层中则呈现出集中逆冲兼少量左旋的形式(图6)。由于InSAR技术可以获取到高精度的一维LOS向形变,特别是地表垂向形变,而GNSS获取的是地表的三维形变场,具有更高的水平分量精度,若仅依靠单一数据进行反演,滑动分布形态会更倾向于所使用数据的自身优势,难以全面反映真实的地震破裂过程[35]。
GNSS和InSAR数据的联合反演能够使多方互为约束,同时保证水平分量和垂直分量的精度,从而提高反演结果的可靠性。联合反演的结果显示,积石山地震的同震滑动分布从断层底部向地表逐渐由右旋走滑向逆冲转变,呈现出以逆冲为主兼有少量右旋走滑分量的形式(图7),且最大滑动分布靠近地表(~5 km)。这可能表明了此次积石山地震更倾向于浅层释放[27],也在一定程度上解释了其震级不高却震害严重的原因。
同时,在进行联合反演时,数据的权重主要根据其置信度进行分配,反演结果自然会受到权重比的影响。未来在尝试联合反演时,除了需要考虑多种数据的最优组合外,还需要进一步考虑权重的合理分配,以期最大程度地吻合现场观测值。
针对积石山地震,有学者采用波形数据和大地测量数据进行了一系列的反演工作[2,9,11-14]。由于对地震的倾向尚未取得共识,而倾向的差异又会对结果产生较大影响,因此本文主要与其他NE倾的同震破裂模型进行对比。不同研究反演得到的积石山地震的同震滑动分布形态各不相同,但都显示其是一次以逆冲为主兼少量右旋走滑分量的地震,与本文的联合反演结果一致。不同研究者得出的最大滑动量结果存在较大差异:最小的反演结果仅为24 cm[2],而最大的反演结果达66 cm[14],总体呈现出InSAR数据结果略高于波形数据的现象,这或许与InSAR数据对近场形变更为敏感有关[24]。大部分研究显示同震最大滑动在10 km深度上下浮动,而李雨森等[9]的反演结果则显示最大滑动位于地表浅层,呈现出由地表浅层向四周破裂的发震形式,这可能与滑动限制有关(考虑到积石山地震浅层破裂的存在[27])。
4.2最大剪切应变率
最大剪切应变率能够反映区域构造变形的强烈程度和能量积累的状态,从而揭示构造变形与地震活动之间的关系[35,44]。大多数时候,最大剪切应变率的分布与潜在的地震危险区直接相关,其高梯度区及边缘区域很有可能就是未来几年的主要地震危险区[45]。前人的研究[7]也曾指出区域的最大剪应变率分布可以反映各断裂潜在的地震危险性,并为区域未来的地震活动性提供科学依据。
将研究区域划分为0.1°×0.1°的网格,基于1991—2016年间观测到的全球定位系统速度场数据[46],采用Shen等[47] 开发的高斯函数和Voronoi单元加权函数的应变率插值代码,计算了研究区域的最大剪切应变率分布,并进一步分析其构造变形和断层应变积累的特征[35]。在计算时,假设区域的构造运动是刚性块体连续变形,忽略地表破裂或蠕变产生的非弹性变形[48-49](即地壳介质是弹性的,应力率和应变率呈线性关系)。结果显示(图9),研究区域最大剪切应变率的低值区位于拉脊山断裂和积石山断裂的交界部位,而高值区则主要位于拉脊山断裂带的NE、NW和SW三个方向,总体呈现由拉脊山构造转换带向周缘递增的趋势。值得关注的是,积石山地震就发生在最大剪切应变率高低值的过渡区域,这表明该地震可能是日月山右旋走滑运动和西秦岭北缘左旋走滑运动之间的挤压作用所致[10],并为调节拉脊山构造转换带两侧区域的应力-应变关系发挥着重要作用。相关研究指出,2008年于田地震[50]、2013年松原地震[51]、2014年于田地震[50]和2019年泸定地震[52]等均发生于最大剪切应变率高低值的过渡区域。此次积石山地震的发生也再次验证了这一观点,并为最大剪切应变率高低值过渡区域的地震危险性研究提供了又一可供参考的震例。
5结论
本文以GNSS和InSAR数据为约束,反演了2023年积石山MS6.2地震的同震破裂模型,并以此计算了地震产生的同震库仑应力变化及其对周边主要断裂的影响。主要结论如下:
(1) 联合反演结果显示,积石山地震的发震断层走向为310°,倾角为51°,是一次以逆冲为主兼有少量右旋走滑分量的地震;最大滑动大致位于5 km深度处,最大滑动量为56.02 cm,释放的地震矩约为1.79×1018 N·m,相当于一次MW6.1地震。
(2) 积石山地震产生的同震库仑应力变化结果显示,积石山东缘断裂中段、拉脊山南缘断裂东南段以及倒淌河—临夏断裂中东段产生了大幅度的应力卸载作用,地震危险性降低;而积石山东缘断裂南段、拉脊山南缘断裂中南段、倒淌河—临夏断裂中段和西秦岭北缘断裂西段受到的应力加载较高,这些断裂的潜在地震危险性需要重点关注。
(3) 积石山地震正好发生于最大剪切应变率的过渡区域,很有可能是日月山右旋走滑运动和西秦岭北缘左旋走滑运动之间的挤压作用导致的,其为调节拉脊山构造转换带两侧区域的应力-应变关系发挥着重要作用。
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(本文编辑:赵乘程)