2021年青海玛多 MW7.3 地震 InSAR 的同震形变场、断层滑动分布及其对周边区域的应力扰动

华 俊 赵德政 单新建* 屈春燕 张迎峰 龚文瑜 王振杰 李成龙 李彦川 赵 磊 陈 晗 范晓冉 王绍俊

1)中国地震局地质研究所， 地震动力学重点实验室， 北京 100029

2)中国石油大学(华东)， 海洋与空间信息学院， 青岛 266580

3)河南理工大学， 测绘与国土信息工程学院， 焦作 454003

0 引言

2021年5月22日青海果洛藏族自治州玛多县附近发生了MW7.3地震。 据中国地震台网(1)http: ∥www.csi.ac.cn/。测定， 震中(34.59°N， 98.34°E)位于无人区， 震源深度为17km。 玛多MW7.3地震发生在青藏高原中北部巴颜喀拉次级块体内部一条与东昆仑断裂带主断裂近平行的次级断层上， 靠近东昆仑断裂带中东段的几何大拐弯。 该断裂带震间的地震危险性一直未受到重点关注， 玛多地震的发生是否与东昆仑断裂带主断裂的活动有关以及本次地震的发生对东昆仑主断裂带地震危险性评估的影响尚不清楚。

青藏高原是地震活动和构造运动最强烈的地区之一， 受到欧亚板块和印度板块的持续挤压作用， 其内部分布着一系列的活动断裂和次级块体。 巴颜喀拉块体(图 1)是青藏高原内部近年地震活动最强烈的次级块体(邓起东等， 2014)， 其南、 北边界分别被甘孜-玉树-鲜水河断裂带和东昆仑断裂带所围限， 块体的边界断裂均为大型走滑型断裂， 历史地震活动的时空迁移性明显， 地震危险性高， 边界主断裂带未破裂段的地震危险性一直受到重点关注， 但针对块体内部重要次级断裂的地震危险性缺乏研究和关注。

图 1 玛多地震的构造背景Fig. 1 Tectonic setting of the Maduo earthquake.红色圆点为1976年以来MW<6的历史地震震中； 绿色虚线为升、 降轨InSAR数据范围； 蓝色实线为块体边界； 黑色实线为活动断裂带； 黑色沙滩球为MW6～6.9历史地震的震源机制解； 红色沙滩球为玛多地震的震源机制解； 红色五角星为玛多 地震的震中； 红色实线为根据InSAR数据确定的玛多地震的地表破裂

大尺度的震间GPS观测显示巴颜喀拉地块的平均活动速率为21mm/a(张培震等， 2003)。 由于印度板块和欧亚板块的斜向碰撞、 挤压以及青藏高原地壳物质的构造旋转、 E向逃逸， 巴颜喀拉地块的运动速度自西向东逐渐衰减。 玛多地震是继2017年四川九寨沟7级地震以来青藏高原时隔4a发生的又一次7级以上地震。 玛多地震的发生表明巴颜喀拉块体在1997年玛尼MS7.5、 2001年昆仑山MS8.1、 2008年汶川MS8.0、 2010年玉树MS7.1、 2013年芦山MS7.0和2017年九寨沟MS7.0地震(张国宏等， 2010； 季灵运等， 2017； 单新建等， 2017； 姚鑫等， 2017； 沙海军等， 2018； 刘琦， 2019； 赵雪， 2019)之后仍然具有很强的活动性。

虽然活动块体的边界是强震频发的地带， 但不能因此忽略块体内部重要断裂的地震危险性。 玛多地震的同震运动学研究能揭示块体内部活动断裂的构造分段性、 地震活动的时空不均匀性及其与边界断裂的关系。 块体内部是否具有发生强震的可能， 取决于断层的规模、 震间滑动速率加载量级及周围地震事件的应力扰动等。 根据GCMT地震目录可知， 自1976年以来， 青海玛多附近发生多次中强地震(图 1)， 历史地震震级均

哨兵卫星全天候、 全天时地获取雷达数据， 为地壳形变监测提供了丰富的、 海量的、 高精度的卫星观测数据， 能够有效弥补基于空间稀疏的GPS数据、 远场地震波数据等反演的震源运动学参数所存在的精度和分辨率不足的缺陷， 以更加准确地约束发震断层的滑动以及同震破裂静态分布。 目前， InSAR技术已广泛应用于地震周期形变监测的多个领域(张国宏等， 2010； 季灵运等， 2017； 屈春燕等， 2017； 单新建等， 2017； 刘云华等， 2018)。 本文基于欧空局升降轨哨兵1号卫星数据(2)https: ∥scihub.copernicus.eu/dhus/#/home。， 在地震发生后获取了玛多地震的同震形变场， 并结合震源机制解综合分析了发震断层的几何参数和结构， 基于弹性半空间Okada模型(Okada， 1985)和Sentinel-1A/B升、 降轨数据反演了玛多MW7.3地震的同震滑动分布， 计算分析玛多地震对东昆仑主断裂的应力扰动和地震危险性的影响。

1 InSAR同震形变场

本文获取了2021年5月22日玛多地震的Sentinel-1 IW模式的升降轨SAR数据， 工作波段为C波段(波长为5.6cm)， 幅宽为250km， 每个轨道采用2个frame， 可完整覆盖地震同震形变的范围。 其中， 震前升、 降轨数据为Sentinel-1AIW模式， 观测日期是2021年5月20日； 震后升、 降轨数据为Sentinel-1BIW模式， 观测日期是2021年5月26日。 SAR影像干涉对的垂直基线分别为52.37m(升轨)和117.02m(降轨)， 时间间隔为6d(具体参数见表1)。

表 1 Sentinel-1卫星影像的参数Table1 Detailed parameters of Sentinel-1 SAR images

采用GAMMA软件(Werneretal.， 2000)对震前和震后SAR数据进行D-InSAR处理。 首先提取升、 降轨Sentinel-1 SAR数据的单复视影像(SLC)对应相同区域的Burst， 根据卫星轨道参数将SRTM-3-arc-sec(90m分辨率)数字高程模型转换到雷达坐标系下。 对升、 降轨干涉对进行粗配准、 精配准以提高方位向配准精度。 根据DEM和SAR轨道参数去除地形相位和平地相位后得到原始的差分干涉图。 为了抑制相位噪声、 提高信噪比， 在数据处理中对干涉图进行了方位向视数10、 距离向视数2的多视处理。 对得到的干涉图进行自适应滤波以去除相位噪声、 降低相位解缠难度。 为提高干涉图相位解缠精度， 对相干性较低的区域进行掩膜处理。 采用基于Delaunay三角网的最小费用流算法(Gallandetal.， 2016)进行二维相位解缠， 得到可靠的解缠相位， 并将形变相位转换为视线向的位移值。 最后， 通过地理编码将干涉图转换到地理坐标系下， 得到升、 降轨同震干涉图和形变场。 在处理SAR数据的过程中没有采用精密轨道数据(震后短时间内尚未发布重定轨的精密轨道数据)， 在相位解缠后， 获取的InSAR同震形变场存在明显的残余轨道误差(刘斌， 2013； Staniewiczetal.， 2020)， 采用线性经验拟合法基于远场InSAR数据(同震形变较小)去除残余轨道误差， 得到精度较高的玛多地震的同震形变场(图 2)。

图 2 玛多地震升、 降轨InSAR同震形变场Fig. 2 Ascending and descending coseismic InSAR interferograms of the Maduo earthquake.a 升轨干涉条纹图； b 升轨干涉位移图； c 降轨干涉条纹图； d 降轨干涉位移图。 蓝色实线为剖面位置

综合分析玛多地震升、 降轨的同震形变场(图 2， 3)， 对比已知的活动断层迹线和位置， 确定玛多地震的发震断层为昆仑山口-江错断裂， 它是与东昆仑主断裂近平行的次级断裂， 但发震断层的东端是否与东昆仑断裂带构造相连尚不清楚。 InSAR同震形变场显示本次地震的同震形变影响的空间范围广， 几乎遍布整个干涉图， InSAR跨断层剖面的不连续特征显示大部分分段的同震破裂到达地表。 基于InSAR形变场位移值的不连续界限可以确定玛多地震明显的地表破裂迹线， 升、 降轨形变场描绘的地表破裂迹线基本一致且同震地表破裂长约210km， 在地表破裂带的东、 西尾端都存在明显的几何变化， 显示玛多地震同震破裂的东、 西尾端具有复杂的几何特征。 玛多地震同震形变场的长轴方向即断层走向整体上为NWW。

通过图2a、 2c可以看出， 断层NE盘的干涉条纹明显比SW盘密集， 但断层近场的极震区由于形变梯度过大导致相干性较低， 干涉条纹不连续。 结合图2b、 2d和图 3 可以看出升、 降轨卫星视线向(Line of Sight， LOS)最大上升形变量约为0.9m， 最大下降形变量约为0.9m， 且主破裂带不同分段的地表跨断层位移基本相当， 最大视线向断层相对位错约为1.8m。 图 3 中升、 降轨形变场跨断层剖面显示断层远场的形变量较小， 近场的形变量较大， 近场形变梯度较大， 说明同震破裂可能较浅。 同一地区的升、 降轨数据观测得到的形变量符号相反， 形变量基本相同(图 3)， 说明玛多地震的断层运动以水平方向为主。 考虑到雷达卫星右视成像的特点， 确定发震断层以左旋走滑为主。

结合前人的研究认为， 震后短时间内主震触发的余震主要发生于主震同震破裂面及其周围， 且呈带状分布。 结合震后短时间内大量的精定位余震剖面可大致确定发震断层不同分段的倾向， 并以此作为同震滑动分布反演的断层模型初始值。 中国地震局地球物理研究所(3)http: ∥www.cea-igp.ac.cn/。玛多地震余震精定位跨断层剖面显示(图 3)， 昆仑山口-江错断裂不同分段的倾角可能存在略微变化， 但该断裂总体上是一条近垂直、 略向N倾的断裂。 考虑到InSAR形变剖面没有观测到显著的跨断层非对称形变特征， 在后续的断层滑动分布反演中暂未考虑断层倾角沿断层走向的变化。

图 3 玛多地震升降轨InSAR跨断层形变剖面和精定位余震剖面对比(剖面位置见图 2)Fig. 3 Crossing fault profiles of the coseismic ascending(green dots)and descending(red dots)data from InSAR observation.红色为升轨， 绿色为降轨， 黑色圆点为精定位后的余震

表 2 玛多地震震源机制解的几何和运动学参数Table2 Focal mechanism parameters of the Maduo MW7.3 earthquake

2 断层滑动分布模型

反演同震滑动分布之前， 需要确定发震断层的几何模型。 GCMT地震目录和USGS等不同机构都发布了玛多地震基于地震波数据约束的震源机制解节面和震源参数， 可作为断层滑动分布模型几何和运动学参数的初始值(详细参数见表2)。 可以看出， 发震断层为走滑型， 但断层面的走向相差近180°， 倾角为正， 表明2个机构提供的震源机制解的断层走向基本一致但倾向相反： USGS给出的倾向为SW， GCMT的结果倾向为NE， 邓起东等(2014)给出的断裂带结果显示昆仑山口-江错断裂断层倾向NE。 结合InSAR和小地震精定位剖面结果， 最终决定以GCMT的结果作为构建断层模型的先验值。

使用InSAR数据反演断层滑动分布， 需要确定断层的地表迹线。 通过InSAR干涉条纹的疏密和正、 负位移值分界线来确定发震断层的地表迹线(付真等， 2014)。 根据玛多地震余震精定位跨断层剖面的结果确定初始倾角为90°， 将平滑因子设为0.05， 最大迭代次数为10000。 根据发震断层左旋走滑特征， 设置滑动角的范围为-50°～50°， 最大滑动量为15m。 使用SDM(Steepest Descent Method)(Wangetal.， 2008)反演程序将断层面划分为5km×5km的子断层， 使用弹性半空间介质模型(Okada， 1985)对玛多地震进行滑动分布反演， 获得模型与观测数据拟合均方差最小的滑动分布。

在反演之前， 考虑到InSAR同震形变场数据量过大， 且InSAR观测在空间上是连续的， 过多的数据不仅不会提供更多的细节信息， 还会使计算量呈指数增长， 使反演结果难以收敛(张国宏等， 2010)。 因此， 在反演断层几何参数之前采用均匀降采样法对升、 降轨InSAR同震形变场进行降采样处理， 分别得到2563(升轨)和2340(降轨)个形变数据点以约束断层面的同震滑动分布。

图 4 为反演的玛多地震断层滑动分布。 由图可知， 同震滑动以左旋走滑为主， 断层走向为276°， 倾角为80°， 最大滑移量约为5m， 平均滑动角为4°， 沿断层走向的破裂长度约为210km， 主体破裂位于0～10km深度范围， 整体上破裂带东侧的滑动量大于西侧， 显示了发震断层破裂的分段性特征。 最大滑动量约为6.0m， 位于地下5km处， 断层在近地表处的滑动量较大， 表明同震滑动破裂到地表， 与野外和InSAR结果一致。 反演得到的矩震级为MW7.45， 比GCMT和USGS基于地震波确定的矩震级略大， 原因可能是InSAR获取的玛多同震形变场包括震后短期内的形变贡献。 基于玛多InSAR同震形变场反演得到的断层运动学参数与GCMT给出的震源机制结果基本一致， 但反演得到的断层走向、 倾角、 滑动角和断层深度都比GCMT结果小， 这可能是由于玛多地震的震中处于无人区， 附近台站较少， 导致GCMT的反演结果存在较大误差。

图 4 基于升、 降轨InSAR数据确定的玛多地震的断层滑动分布Fig. 4 Coseismic slip distribution constrained by ascending and descending InSAR observations.

图 5 是基于升、 降轨InSAR数据反演断层滑动分布的数据拟合情况。 模拟的升、 降轨形变场与观测得到的形变场的分布特征、 形态和量级均基本一致， 两者之间的残差非常小(<20%)， 残差大多在0值附近(图5c， f)， 说明了断层模型的可靠性和合理性。 但在断层近场存在较大的残差值， 主要集中于发震断层的近场和断层走向变化、 几何转换处， DEM误差、 大气误差、 失相干产生的解缠误差以及断层模型的过度简化等都会使断层近场产生较大的残差值。

图 5 升、 降轨InSAR数据约束的断层滑动分布反演拟合情况Fig. 5 InSAR observation， simulation and residual from coseismic slip model inversion constrained by descending(a—c)and ascending(d—f)InSAR observation.a—c分别对应于降轨InSAR数据的观测值、 模拟值和残差值； d—f分别对应于升轨InSAR数据的观测值、 模拟值和残差值

图 6 青海玛多MW7.3同震库仑应力变化(接收断层为东昆仑断裂中段)Fig. 6 Coseismic Coulomb stress change caused by the Maduo MW7.3 earthquake using the middle segment of the East Kunlun Fault as the receiver fault.

图 7 玛多地震同震破裂在不同深度产生的库仑应力变化(接收断层为东昆仑断裂东段)Fig. 7 Coseismic Coulomb stress change caused by the Maduo MW7.3 earthquake using the eastern segment of the East Kunlun Fault as the receiver fault.

图 8 玛多地震同震破裂在不同深度产生的库仑应力变化(接收断层为玛多-甘德断裂西段)Fig. 8 Coseismic Coulomb stress change caused by the Maduo MW7.3 earthquake using the western segment of the Maduo-Gande Fault as the receiver fault.

图 9 玛多地震同震破裂在不同深度产生的库仑应力变化(接收断层为玛多-甘德断裂东段)Fig. 9 Coseismic Coulomb stress change caused by the Maduo MW7.3 earthquake using the eastern segment of the Maduo-Gande Fault as the receiver fault.

3 同震库仑应力扰动及区域地震危险性

发震断层同震破裂在释放震间应力积累的同时， 必然也会引起周围地壳介质的应力扰动和重新分布， 影响震源附近邻近活动断层的地震活动性和地震危险性(单新建等， 2017)。 地震的发生常常伴随区域性的应力释放和转移， 根据弹性应力模型和假定的接收断层几何估算由同震滑动引起的库仑应力变化， 基于库仑应力加载和卸载效应可对活动断层进行地震危险性评估。 本文基于最优的断层滑动分布模型， 利用Coulomb软件(Linetal.， 2004； Todaetal.， 2005)计算了玛多地震的同震库仑应力变化。 采用的断层静摩擦系数为0.4， 该值是内陆走滑断层实验室测定的典型摩擦值。 摩擦系数的大小只改变库仑应力变化的量级， 不影响库仑应力变化的空间分布模式和形态。 由于玛多地震的发震断层在空间上和巴颜喀拉块体边界的东昆仑断裂带最邻近， 此次地震对东昆仑断裂带的应力扰动最受关注。 结合东昆仑断裂带的历史地震破裂段的分布， 分别以东昆仑断裂带中段和东段2个未破裂段为接收断层， 计算了4种不同深度的库仑应力扰动空间分布， 以表征应力扰动随断层深度的变化。

计算结果分别如图 6 和图 7 所示。 可以发现， 采用2种不同的接收断层， 同震破裂在10km以浅的深度范围内在断层近场区域产生的库仑应力变化均为负值， 而在10km以深的深度范围内断层近场的库仑应力加载为正值， 这与玛多地震同震破裂深度较浅(0～12km)有关。 此外， 还发现若以东昆仑断裂中段为接收断层(断层走向为100°)， 不同深度的库仑应力变化均显示玛多地震对中段并没有产生明显的库仑应力加载效应。 若以东昆仑断裂带东段为接收断层(走向为120°)， 则玛多地震对东昆仑断裂带东段部分区域产生了明显的库仑应力加载效应， 结合该段较高的震间应变率， 东昆仑断裂带东段， 尤其是几何大拐弯附近的地震危险性可能增加， 需要引起关注。

昆仑山口-江错断裂在空间上与巴颜喀拉块体内部的玛多-甘德断裂最为邻近， 分别以玛多-甘德断裂的西段和东段为接收断层计算了4种不同深度的库仑应力变化， 计算结果分别如图 8 和图 9 所示。 通过结果发现， 如果以玛多-甘德断裂西段为接收断层(断层走向为90°)， 不同深度的库仑应力变化均显示玛多地震对玛多-甘德断裂西段并没有产生库仑应力加载效应， 表明玛多地震对玛多-甘德断裂的西段几乎无影响。 若以玛多-甘德断裂东段为接收断层(断层走向为310°)， 则不同深度的库仑应力变化均显示玛多地震对玛多-甘德断裂东段的北西段区域产生了明显的库仑应力降， 其地震危险性可能降低， 但对玛多-甘德断裂与昆仑山口交叉的区域有较为明显的库仑应力加载效应， 考虑到随后玛多地震的余震会进一步释放应力加载， 该区发生较大地震的危险性可能降低。

4 结论

本文基于欧洲航空局Sentinel-1A/BC波段的升、 降轨数据获取了2021年5月22日青海玛多MW7.3地震InSAR同震形变场， 分析了玛多地震的同震形变特征， 大致确定了本次地震的地表破裂迹线。 基于升、 降轨InSAR数据反演了断层滑动分布， 结合库仑应力扰动分析了玛多地震引起的周边区域的地震危险性。 结果表明， 玛多MW7.3地震的发震断层为昆仑山口-江错断裂， 升、 降轨InSAR形变场获得的最大的LOS向形变量皆约0.9m， 跨断层最大相对位错约为1.8m， 断层的最大滑动量约为6.0m， 主体破裂集中在0～10km深度， 基于大地测量数据确定的矩震级为MW7.45， 略大于由地震波数据确定的矩震级。 发震断层以左旋走滑运动为主， 兼有少量正断分量， 断层倾向NE， 倾角约为80°。 以东昆仑断裂带为接收断层的库仑应力结果表明， 玛多MW7.3地震对东昆仑断裂东段几何大拐弯附近产生了明显的应力加载效应， 提高了该段的地震危险性， 需要引起关注。 以玛多-甘德断裂带为接收断层的库仑应力结果表明， 玛多地震对玛多-甘德断裂带和昆仑山口-江错断裂的交叉区域存在明显的应力加载， 但考虑到玛多地震余震将进一步释放库仑应力， 该段发生较大地震的危险性可能减弱， 但仍需引起关注。

致谢欧洲航空局(ESA)为本研究免费提供了Sentinel-1 SAR卫星数据； 本文图件使用GMT软件绘制。 在此一并表示感谢!