基金项目:国家重点研发计划(2017YFC150051)和国家自然科学基金——基于三维地壳形变研究黄河断裂灵武段现今活动状态(41604015)联合资助.
(The Second Monitoring and Application Center,China Earthquake Administration,Xi'an 710054,Shaanxi,China)
InSAR; Mojiang MS5.9 earthquake; SDM; coseismic deformation; slip distribution
备注
基金项目:国家重点研发计划(2017YFC150051)和国家自然科学基金——基于三维地壳形变研究黄河断裂灵武段现今活动状态(41604015)联合资助.
采用D-InSAR技术得到2018年云南墨江MS5.9地震的同震形变场,以此为约束,利用SDM程序反演同震形变场和发震断层面的滑动分布,并讨论了此次地震的发震构造。结果 表明:墨江地震造成地表LOS向最大形变量约为6 cm,同震形变场呈对称分布。发震断层以右旋走滑运动为主,符合区域构造的运动性质。断层面的最大滑动量为0.19 m,大约分布在沿断层走向10~13 km、且沿倾向向下3~6 km处。断层在近地表处滑动量较小,同震错动未破裂至地表。
Taking the coseismic deformation of Yunnan Mojiang MS5.9 earthquake in 2018 obtained from D-InSAR technology as a constraint,we inversed the slip distribution of the fault plane along the region tectonic by the steepest descent method(SDM)and discussed the seismogenic structure of the earthquake. The results indicate that the maximum deformation in LOS-trending caused by the Mojiang earthquake is about 6 cm,and the distribution of co-seismic deformation field is symmetrical. The seismic fault is dominated by right-lateral slip,which is consistent with the dextral tectonic movement background of the regional tectonic. The largest slip achieves 0.19 m,which is distributed about 10~13 km along the fault strike and 3~6 km down along the dip direction. The slip of fault near surface is small,and the coseismic displacement does not break to the surface.
引言
合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar,简称InSAR)具有高时空分辨率、高精度、全天候、全天时等优点,无需地面控制点,可以获取高空间分辨率的地壳形变速度场,也可以为反演提供重要约束信息。21世纪初以来,随着SAR卫星数据影像的丰富及处理技术的推动发展,InSAR技术被广泛地应用到地质灾害监测中。尤其在近几年,国内外学者将该技术引入到地震相关研究中,如大范围、高空间分辨率InSAR形变场的获取(Liu et al,2018; 洪顺英等,2009; 邱江涛等,2018),发震构造分析(季灵运等,2017),发震断层面的滑动分布与分析(屈春燕等,2017; Tong et al,2013)以及断层面的闭锁程度研究(Wang et al,2009; Sreejith,2018)等。InSAR技术打破了传统大地测量基于离散点的监测局限,降低了费用、劳动强度等问题,同时解决了无法在短时间内获取大面积、高空间密度的地表沉陷形变场的难题。
2018年9月10日云南墨江发生MS5.9地震,震源深度11 km,墨江15个乡镇、临沧及昆明均有震感,震中灾区部分老旧房屋倒塌,造成一定的经济损失。由于墨江地震发震区域的监测台站比较稀疏,缺少历史大地测量监测数据,因此已有研究中并未给出该地震的具体发震构造。鉴于研究区域的地理位置及地表植被特征,传统的测量技术并不能获得断层面运动的细节特征,本文利用InSAR技术获取2018年墨江MS5.9地震的同震形变场,并以此为约束,反演断层面上的同震滑动分布,探讨本次地震的发震构造。
1 构造背景
墨江地震震中位于墨江县通关镇丙蚌村(图1),处于NW向红河断裂(向宏发等,2004,2017; 李西等,2016)的南边,近SN向把边江断裂(赵慈平等,2014)的东面。红河断裂带横贯云南西部、中部和东南部,控制着云南地区的主要构造活动(张建国,2009),是一条典型的右旋走滑断裂(向宏发等,2006),全长约1 000 km(向宏发等,2004; 李西等,2016),其北段强震频发,历史上曾发生过9次6级以上地震(包括1652年弥渡7级地震和1925年大理7级地震); 其中段尚无强震和大震记载(张建国,2009); 其南段以山前断裂、中谷断裂、双支断裂为主,没有发生过6级以上的地震(虢顺民等,2001),地质与大地测量结果显示南段走滑速率3 mm/a左右(虢顺民等,2001; Loveless,Meade,2011; 刘耀辉等,2015; 孙云梅,李金平,2018; 陆好健等,2018),最大剪应变积累较强,地震危险性较大(孙云梅,李金平,2018)。红河断裂带是否存在发震危险性存有争议(邓起东等,2002; Replumaz et al,2001; 徐锡伟等,2017)。把边江断裂也是一条右旋走滑断裂带,走滑速率达18 mm/a(赵慈平等,2014),截至2014年,该断裂尚无发生过强震和大震的记录。这2条断裂的运动速率存在差异性,可能导致地壳在长期的运动过程中积累能量,从而发震。
2018年墨江地震后,美国地质调查局(USGS)与全球矩心矩张量(GCMT)利用远场地震波资料计算了此次地震的发震位置和震源机制解(表1),结果均表明此次地震为走滑性质事件。
表1 墨江MS5.9地震参数
Tab.1 Parameters of MS5.9 MoJiang earthquake图1 2018墨江MS5.9地震区域构造背景
Fig.1 Tectonic setting of epicenter region for 2018 Mojiang MS5.9 earthquake2 D-InSAR同震形变结果
为得到同震形变场,分别收集墨江地震前后
2个时段C波段的Sentinel-1卫星影像(表2),基于GAMMA软件利用D-InSAR技术依次进行多视、干涉、滤波、解缠、大气、地形相位及轨道误差剔除等分析处理,得到墨江地震同震升降轨数据形变场。由于研究区域内降轨数据的相干性极差,通过多次调整数据处理参数,均未得到理想结果,因此本文只给出了使用升轨数据得到的InSAR形变场(形变方向为LOS方向)(图2a)。从图2a可看出,研究区形变场呈对称分布,覆盖了墨江地震的震中,中间存在一条大致呈NE向的迹线,可能是本次地震的发展断层,迹线两侧形变存在明显差异,形变场显示断层上盘下降量达6 cm,下盘上升约4 cm。结合SAR卫星几何成像方向,可以判断此次地震为右旋走滑为主的事件。
墨江地震地表破裂不明显,无法确定具体发震断层位置,现结合余震序列展布方向进行确定及外部验证。图3a为墨江地震余震的总体展布结果,主要呈圆形分布,线性展布特征
图2 2018年墨江MS5.9地震同震形变场与均匀滑动反演结果
Fig.2 Coseismic deformation and uniform slip inversion of 2018 Mojiang MS5.9 earthquake不明显。沿InSAR形变场中的迹线方向(图2a)选取宽10 km的震源深度剖面(图3a中的黑色矩形框),提取余震展布结果(图3b),同时提取垂直于迹线方向宽10 km的震源剖面数据结果(图3c)进行对比分析。由图3b,c可以看出,余震主要分布在主震震中附近,可能是由于主震震级小,能量小扩展性弱所致,但总体上仍能看出NE向余震展布比NW向长,说明NE向可能为本次地震发震断层的主方向。同时由余震序列得到的主断层方向与InSAR结果给出的发震断层方向一致,说明利用InSAR地表形变场得到的发震断层走向是合理的。
图3 2018年墨江MS5.9余震序列总体展布(a)与其在NE向(b)及NW向(c)的展布
Fig.3 The distribution of aftershock sequence(a)and its distribution along the NW(b)and NE(c)directions如果发震断层走向为NE向,由USGS,GCMT等机构给出的震源机制得出墨江地震是左旋走滑事件,与本文D-InSAR结果不符。主要是由于墨江地震主震震级较小,虽然使用远场地震波资料计算的震源机制解可以作为参考资料,但是相较InSAR近场形变结果的可靠性较低,尤其是USGS解算的震源机制解并没有给出所选用的具体地震台站信息,稀疏的台站信息解算的结果可靠性相对较低。而InSAR技术不仅广泛的应用到地震中,而且具有高精度,尤其是在监测困难或缺少大地测量数据的研究区,因此本研究采用InSAR技术对监测台站稀疏的墨江地震的相关区域进行研究分析,以便获取墨江地震的发震构造。
3 断层滑动反演及发震构造讨论
利用高精度的InSAR形变场进行断层滑动反演,可以得到可靠性比较高的断层运动方向、深度及空间范围。综合反演计算时间效率,计算时首先将大数据量的InSAR形变场进行降采样处理,同时保证近场区数据量,远场区在不影响结果精度的前提下可以适当稀疏处理。反演计算时,首先假设发震断层是均匀滑动的,通过蒙特卡洛搜索法不断逼近拟合,得到断层参数(Parsons et al,2006); 其次,在获取的参数基础上利用德国地学中心汪荣江开发的最速下降法(Steepest Descent Method,简称SDM)程序包(Wang et al,2004),反演发震断层上每一个单元断层面的滑动情况。
3.1 同震形变场均匀滑动反演采用均匀滑动模型获取墨江MS5.9地震的断层几何参数,参照表3中矩形断层参数(长度、宽度、深度、走向、倾角、倾向滑动量、走向滑动量、参考点位置),进行均匀滑动反演建模。反演的初始参数值参考图2中给出的大致范围区间,利用蒙特卡洛搜索法求取符合预测标准的最佳参数,反复逼近达到最佳拟合,然后生成1 000个均匀分布样本,取其均值作为最优解(表3)。结果表明,发震断层以走滑为主,震源深度约8.38 km,略大于断层宽度,走向约为223°,近似为NE方向,倾角为89°。同震形变场(图2a)、均匀滑动反演结果(图2b)与余震序列展布存在高空间相关性。由图2c可知,除下盘个别微小区域拟合效果不佳外,整体拟合得到的残差结果较小,可能与单一方向InSAR数据、数据失相干等因素有关,说明均匀反演得到的断层参数可靠性较高,因此可以利用得到的断层模型参数进行非均匀反演。
表3 2018年墨江MS5.9地震断层参数及其标准误差
Tab.3 Fault parameters and their standard deviation for 2018 Mojang MS5.9 earthquake3.2 同震断层面滑动分布反演基于断层几何模型参数,以InSAR形变场为约束,采用反演程序SDM进行同震断层面滑动分布反演。为获取断层面的精细滑动分布,参考Crust2.0模型将研究区地壳处理成层状介质模型。反演计算时将断层面沿走向和倾向2个方向划为离散的1 km×1 km近似矩形的小断层片,并将断层的长度与宽度都扩展为20 km,即划为400个 小单元断层片。为了保证反演结果稳定性,通过
图4 粗糙度与拟合残差关系
Fig.4 Relationship between the roughness of the slip model and the model misfit with SAR data粗糙度与拟合残差曲线求得最佳滑动因子为0.03(图4)。图5为墨江地震分布式滑动反演结果与残差,模拟结果与观测形变场的拟合度达90%,较均匀滑动反演结果精度有所提高,由图5b可见,下盘形变区拟合结果较均匀滑动反演(图2b)结果更佳。
图6为同震断层面滑动分布,断层面的滑动分布主要集中在沿断层走向9~15 km、沿倾向向下3~9 km的区域内,平均滑动量与滑动角分别为0.07 m与16.06°。断层在近地表处滑动量较小,表明此次地震未造成地表破裂; 断层面最大滑移量为0.19 m,大约分布在沿断层走向10~13 km、沿倾向向下3~6 km处。滑动分布结果表明断层面的运动方式以右旋走滑活动为主,与InSAR技术判断断层的运动性质一致,表明本次计算结果是合理且可靠的。
3.3 发震构造讨论利用InSAR技术得到墨江地震同震形变场,结果显示,此次地震破裂面大致呈NE走向,与震后余震空间分布基本一致,说明本次地震的反演结果是科学合理的; InSAR形变场及断层面滑动分布,表明此次地震是在以右旋走滑为主的构造背景下发生的事件,符合区域构造的运动性质。
图5 2018年墨江MS5.9地震同震形变场降采样数据与分布式滑动反演
Fig.5 Coseismic deformation down sampling data and model for the distributed slip inversion of 2018 Mojiang MS5.9 earthquake图6 2018年墨江MS5.9地震同震断层面滑动分布
Fig.6 Slip distribution of co-seismic fault surface for 2018 Mojiang MS5.9 earthquake4 结论
基于升轨Sentinel-1A SAR 数据,利用D-InSAR技术及SDM反演程序对2018年9月8日墨江MS5.9地震进行了研究,获取了地震同震形变场及断层面滑动分布,主要得到以下结论:
(1)利用InSAR技术得到墨江地震的同震形变场,升轨数据干涉图相干性较好,雷达视向上,上盘下降量达6 cm,下盘上升约4 cm,表明此次地震事件以右旋走滑为主。
(2)同震形变场位于红河断裂南段与把边江断裂区域之间,判断发震断层可能为2条断裂带间的一条调节断裂。
(3)分布式滑动反演结果与观测形变场的拟合度达90%,断层最大滑移量为0.19 m,大约分布在沿断层走向10~13 km、沿倾向向下3~6 km处,表明此次地震以右旋走滑运动为主,破裂未延伸至地表,与区域构造运动背景一致。
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