基金项目:中国地震局地球物理勘探中心青年基金资助项目(YFGEC2023007); 中国地震局地震科技星火计划项目(XH24055YA).
第一作者简介:于 博(1997-),助理工程师,主要从事流动重力监测及数据处理.E-mail:954328651@qq.com.
(1.中国地震局地球物理勘探中心,河南 郑州 450002; 2.中国地震局第一监测中心,天津 300180)
(1.Geophysical Exploration Center,China Earthquake Administration,Zhengzhou 450002,Henan,China)(2.The First Monitoring Center of China Earthquake Administration,Tianjin 300180,China)
time-varying gravity; InSAR; the Maduo MS7.4 earthquake; co-seismic deformation; fault slip model
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0065
2021年5月22日2时4分,青海果洛州玛多县(34.59°N,98.34°E)发生MS 7.4地震,震源深度17 km。本次地震发生在青藏高原东缘,巴颜喀拉地块与柴达木地块2个次级地块的边界处,是近年来唯一一次发生在块体内部的大地震,填补了巴颜喀拉块体内部7级以上大地震的空白。因此,研究该地震对深入探究巴颜喀拉块体内部构造活动、大震孕震环境具有重要意义。
地球重力场是地球的基本物理场之一,其时空变化蕴含了地表及其内部物质的分布变化、形变及质量迁移、物质交换等信息(孙和平等,2017)。研究表明,震前区域重力场能较好地体现非潮汐变化信息,反映地壳内部的物质迁移过程,与地震的孕育、发生存在密切关系,具有较好的中长期前兆性异常特征,可在中强地震危险性预测中发挥重要作用(祝意青等,2016,2017; 申重阳等,2009,2011; 黄江培等,2022)。目前以重力场时空变化提取地震活动前兆的工作流程一般是,每年利用相对重力仪对重力监测网进行1~2期流动重力观测,以测网内绝对重力点值作为控制,对观测资料进行经典平差计算,对不同时间尺度作差从而得到重力场变化,进而分析提取地震前兆异常。重力场虽然能反映地下质量迁移或结构变化信息,但目前只能针对震区中长期重力演变特征,无法提供同震形变的相关信息。
InSAR技术目前已被广泛应用于地表沉降监测、地震、火山等方面的研究(康帅等,2021; Zhang et al,2019),以同震形变场为约束反演出准确可靠的震源参数,可以很好地弥补重力场时空变化的不足(周传义,2019),中长期重力演变特征与InSAR技术相结合,可为地震孕育、发生及震后调整的整个过程的研究提供更加充分的依据,但目前综合探讨的研究较少。因此,本文使用2019—2023年的流动重力观测资料和2021年5月20—26日InSAR同震观测数据,对2021年玛多MS7.4地震前后区域形变特征进行分析研究。
2008年汶川MS8.0地震发生后,中国地震局通过综合地球物理场观测等项目,在青藏高原东缘建立了区域地震流动重力监测网,经多年优化,形成了中国大陆整体重力监测网络。其中青海省内格尔木—五道梁测线与玛多—玉树测线之间的2条南北连接线均是在2017年青藏高原东缘测网改造时增加的测线,自2018年以来才形成稳定可靠的观测网络,并每年开展1~2期重力观测(胡敏章等,2021)。包含9个绝对重力测点和143个相对重力联测点(图1),本文使用2019—2023年玛多MS7.4地震震区及其周边流动重力测网。该测网的流动重力观测资料和观测工作由中国地震局第二监测中心、四川省地震局、中国地震局第一监测中心、湖北省地震局等单位共同完成。相对重力联测主要使用BURRIS型相对重力仪,部分测期同时使用了LCR-G型和CG-6型相对重力仪(表1)。
图1 2021年玛多MS7.4地震震区及周边流动重力测网
Fig.1 Mobile gravimetric network in the area of the 2021 Maduo MS7.4 earthquake and its vicinity
为保证研究区数据资料的完整性,本文主要采用2019—2023年每年8月前后的流动重力观测资料,以测网内统一的绝对重力点值作为起算基准,采用经典平差方法计算测网每期重力点值(陈兆辉等,2021),并通过作差计算获取了测点重力变化。表1显示,5个年度观测结果平均点值精度均优于15×10-8 m/s2,观测精度较高,数据处理结果可靠,可以用于对玛多MS7.4地震前后重力场变化的研究。
通过平差计算获得各测期测点重力值后,再进行作差运算得到研究区不同时间尺度的重力场变化结果,然后根据玛多MS7.4地震的发震日期将流动重力资料分为3部分:①以玛多MS7.4地
震周边地区2019年流动重力资料作为起算基准,得到玛多MS7.4地震前1年期和2年期研究区的重力场变化(图2a、b); ②以2020年资料作为起算基准,得到玛多MS7.4地震前后1年期研究区的重力场变化(图2c); ③以2021年资料作为起算F1:玛多—甘德断裂; F2:江错断裂; F3:达日断裂; F4:巴颜喀拉山主峰断裂基准,得到玛多MS7.4地震后1年期和2年期研究区的重力场变化(图2d、e)。由于研究区西部测点较为稀疏,因此该区域出现的正变化(图2a)应为由插值导致的假异常,本文不作深入研究。
图2 2021年玛多MS7.4地震震前1年期(a)、震前2年期(b)、地震前后1年期(c)、震后1年期(d)和震后2年期(e)研究区重力场动态变化
Fig.2 Dynamics of the gravity field in the study area one year before(a),two years before(b),one year before and after(c),one year after(d),and two years after(e)the 2021 Maduo MS7.4 earthquake
从震前1年期的重力场变化(图2a)可以看出,玛多MS7.4地震前,研究区西南部的重力场以正变化为主、东北部以负变化为主,正负异常变化基本围绕玛多地震发震区域展布; 0等值线出现在兴海—玛沁—同德之间,且在玛沁附近由南偏折向北; 同德与玛多之间存在重力梯度带,变化量达到70×10-8 m/s2,玛沁以东及玛多以西重力场以正变化为主,但变化较为平缓。从震前2年期的重力场累积变化(图2b)可以看出,研究区东北部的负异常区面积明显扩大,但整体的变化量没有显著增加,重力梯度带随着负异常区的扩张向玛多地震的震中位置移动; 0等值线主要沿玛多至达日方向展布,且在玛多MS7.4地震震中附近,重力梯度带和0等值线的方向与构造断裂的方向吻合。与1年期的重力场相比较,2年期的重力场整体变化量小,其原因为2021年的重力观测资料是在玛多MS7.4地震发生后的8月采集,因此2年期的重力场变化中含有玛多MS7.4地震震后区域重力场调整的信息。整体而言,震前1~2年期研究区的重力场异常区主要围绕玛多地震震中区域展布,且正负异常交界随着时间增加逐渐向震中区域移动。
以2020年度为基准的重力场变化特征包含了地震发生前后区域物质的运移调整情况。图2c显示,研究区重力场以大规模的负变化为主; 同时,其东北部的重力场由震前的负变化转为正变化,但变化量不大,这与震前的负变化部分抵消有关; 玛多以南区域同样存在一定范围的正变化区; 研究区负变化中心分别位于西北-东南方向,且负变化区彼此联通,贯穿了正变化区域,如果以江错断裂作为分界线,其南、北两侧以正变化为主,且正负变化形成类似于四象限的分布态势。
以2021为起算基准的重力场1~2年期变化反映了研究区震后调整状态。震后1年期重力场变化(图2d)显示,重力场以东正西负为主,继承了2020—2021年的1年期重力变化形态。所不同的是,研究区重力场正变化区持续扩大,且由地震发生前后的零散分布变为一个整体; 0等值线仍位于震中附近,但方向由北西-南东向调整为南北向。震后2年期重力场累积变化(图2e)显示,震中附近大部分区域,即江错断裂的东部和南部皆呈现出大规模的负变化,只有其北部的玛沁至兴海存在小范围的正变化区,重力梯度带变化也较平缓。
在玛多MS7.4地震孕育、发生至震后调整各个不同阶段,研究区的重力变化特征可总结为:震前区域异常变化主要集中在震中附近,且重力梯度带随时间推移向震中位置移动,并逐渐形成四象限的变化特征,这一状态与发震断层为走滑型断层相吻合; 震后,研究区重力场发生大范围的反向变化,但随着震后调整,江错断裂的南、北两侧呈现出不同的变化趋势,其南侧仍以反向变化为主,但其北侧已经显示有恢复至震前变化状态的趋势。
从2019—2023年研究区重力场变化可以看出玛多地震发生前后区域中长期地球物理场的变化形态,但存在重力观测时间间隔较长的问题。为了弥补重力方法在研究临震与发震期间重力场变化特征观测的不足,本文收集了欧洲太空局Sentinel-1卫星获取的玛多MS7.4地震前后的升轨和降轨SAR数据(图1中红色框),升轨数据干涉对为2021-05-20—2021-05-26,轨道号为Track99,降轨数据干涉对为2021-05-20—2021-05-26,轨道号为Track106,数据详细参数见表2。
使用GAMMA软件对升轨和降轨数据进行干涉处理,其中外部DEM数据使用SRTM30 m分辨率数据。采用传统Goldstein滤波与平面拟合方式去除大气误差和轨道误差(Werner et al,2000; 李永生等,2016; Goldstein,Werner,1998; Rosen et al,1996),通过最小费用流方法进行相位解缠,最后通过地理编码获取玛多地震的同震形变场。
表2 2021年玛多MS7.4地震干涉图详细信息
Tab.2 Details of the 2021 Maduo MS7.4 earthquake interferogram
图3为玛多MS7.4地震的InSAR同震形变场,图中定义靠近卫星飞行方向为正,远离卫星飞行方向为负。从升轨同震形变场(图3a)可以看出,LOS向最大抬升形变量约为1.29 m,主要分布于江错断裂的北盘; LOS向最大沉降量约为1.08 m,主要分布于江错断裂的南盘,最大形变量主要集中在发震断层近场区域。从降轨同震形变场(图3b)可以看出,LOS向最大抬升形变量为0.88 m,主要分布于江错断裂南盘; LOS向最大沉降量为0.98 m,主要分布在江错断裂北盘。从上文可以看出,升轨和降轨同震形变场分布区域基本一致,但LOS向抬升和沉降区域分布相反,这是由SAR成像机理导致的。根据InSAR同震形变场分布可以初步推断玛多MS7.4地震的发震断层为走滑断层,但由于近场形变量较大,导致断层附近存在一定的失相干现象。[FL)][KH-1]
图3 2021年玛多MS7.4地震升轨(a)和降轨(b)InSAR同震形变场
Fig.3 The ascending-orbit(a)and the descending-orbit(b)InSAR co-seismicdeformation field of the Maduo MS7.4 earthquake in 2021
由于InSAR形变场数据量相对较大,在反演前需要进行降采样。本文采用四叉树降采样算法对InSAR同震形变场进行降采样,并将降采样处理后的升轨与降轨InSAR形变场进行联合反演。使用德国地学中心SDM软件(Wang et al,2008)进行断层滑动分布反演,并使用分层介质模型计算格林函数。
考虑到玛多MS7.4地震发震构造的复杂性,本文采用双断层模型进行反演,断层几何模型参考USGS(2021)、Global Centroid Moment Tensor(2021)等机构的震源机制解和精定位后地震序列参数,最后根据余震精定位结果(王未来等,2021)及InSAR形变场展布,获取玛多MS7.4地震的震源滑动模型(图4)。为获得相对精细的滑动分布结果,本文将断层划分为4 km×4 km的子断层,主断层倾角设置为70°~110°,第二段断层倾角设置为90°~80°,最大滑动量设定为7 m,利用位错模型粗糙度和数据吻合度之间折中曲线,确定反演使用的平滑因子α=0.25。
基于InSAR数据反演的结果,利用双断层模型反演得到的矩震级MW为7.52。从图4可以看出, 双断层模型的滑动主要集中在地壳内20 km深度内,主断层最大倾滑量约为4.8 m,分支断层最大滑移量约2 m; 断层以走滑运动为主,尤其在最大滑动区域近乎纯走滑; 在地表有明显的破裂,且规模巨大,最大滑动主要集中在S2段。潘家伟等(2021)的野外考察结果显示本次玛多MS7.4地震地表破裂带主要沿N105°E走向展布,地表破裂带全长约151 km,与本文获取的断层滑动分布结果一致。
图4 2021年玛多MS7.4地震双断层滑动模型
Fig.4 The co-seismic slip distribution of the2021 Maduo MS7.4 earthquake inversedby the double fault model
玛多MS7.4地震前观测到了较长时间尺度的累积重力变化,震前区域异常变化主要集中在震中附近,以负变化为主; 震后研究区重力场发生大范围的反向变化,但随着震后调整,江错断裂的南北两侧呈现出不同的变化趋势。震前重力变化主要反映地球内部构造运动相关物质的迁移过程,对于MS≥7.0地震的重力变化分析,应关注其长期的重力变化特征,短期的弱变化可能意味着震区地壳已进入“固化”状态,内部应力持续增强(胡敏章等,2021)。从对玛多MS7.4地震的区域应力场的相关研究发现,玛多震区构造应力场以EW向挤压作用为主(徐志国等,2021); 地表GPS速度场结果显示,区域地表位移是以由西往东运动为主(Wang,Shen,2020); 以2021年为基准的震后重力场变化整体以西南区域为负变化,东北区域为正变化为主,反映出震后物质向东逃逸,与巴颜喀拉地块现今整体向东向运动的特征相符。
由于2020年与2021年两期流动重力观测数据的采集时间更接近于玛多MS7.4地震的发震时间,可以认为2020—2021年1年尺度重力场变化更能反映玛多MS7.4地震发生前后的区域重力场变化特征,因此选取此1年尺度的重力场变化与同震形变场进行叠加(图5)。图5显示,升轨和降轨InSAR同震形变场沿江错断裂呈倾斜的纺锤状分布,50~100 cm的形变区域对应的重力场以负变化为主,但在江错断裂南盘存在小范围的重力正变化区,变化量在10×10-8 m/s2以内,而其周边区域重力场变化量迅速减小至-60×10-8 m/s2。这一现象的出现可能有以下原因:①该小范围的重力场正变化区域内测点数量稀少,通过插值获得的区域重力场变化会受到其周围大范围负变化的影响,导致原本变化量就不大的正变化区显示为负变化区; ②2020—2021年1年尺度重力场变化包含了地震发生前、后重力场变化的信息,但InSAR获得的同震形变场反映的是地震发震时的区域形变特征。相比之下,重力场变化调整是在地震发生后一段时间内较缓慢地进行,因此地震发生后重力场的变化量反映的更多是区域重力场震后的调整状态。
图5 重力场变化(2020-08—2021-08)与升轨(a)和降轨(b)InSAR同震形变场叠加结果
Fig.5 Composition of the gravity field changes from August 2020 to August 2021 and the ascending-orbit(a)and the descending-orbit(b)InSAR deformation
如果要更准确地将重力场变化与同震形变结果相对应,需将震后变化量扣除,但这是十分困难的,只能根据震后区域重力场变化趋势进行定性分析。综上认为玛多MS7.4地震的发震断层南部的重力场变化在发震前后以正变化为主,但范围和量级较北部的负变化小。这与InSAR同震形变场显示的断层两侧的形变量具有较好的一致性,也与谈洪波等(2021)利用地表同震形变与重力变化模拟的结果一致,该研究认为,玛多MS7.4地震近震区重力变化主要受地表垂直位移影响,震后由中下地壳介质黏弹效应造成了区域垂向形变,进而引发了区域重力场的这一中长期变化调整态势,说明震后壳内介质黏弹性松弛效应可能是重力场变化调整的影响因素之一。
结合图4分析可以发现,断层分支S3和S4段对应重力场变化量为(-60~-50)×10-8 m/s2的区域,而S1和S2段对应重力场变化量为(-30~ -10)×10-8 m/s2的区域。如果考虑扣除地震发生之后重力场的变化量的情况,两者差距可能更加明显。断层分支区域不仅对应了InSAR形变量最大的区域,同时还处于重力场变化更大区域。综上分析可以得出,玛多MS7.4地震发生前后区域重力场和InSAR同震形变场在形态上和变化剧烈程度上均保持一致。
本文结合2019—2023年青藏高原中东部及邻区重力场时空变化信息和2021年玛多MS7.4地震前后研究区的InSAR观测资料,系统分析了玛多MS7.4地震前后的重力场和形变场变化过程及特征,主要得出以下结论:
(1)研究区不同起算基准的重力场时空变化结果显示了玛多MS7.4地震前后区域重力场相对完整的演化过程。震前研究区重力场异常变化集中在震中附近,以震中区域为中心,其东部地区重力正变化范围随着时间推移逐渐收窄,变化量级减小; 0等值线在震中附近发生偏折,且正负变化之间的重力梯度带向震中附近移动,最终梯度带沿着与断裂带走向垂直的方向展布; 区域重力场变化在震中区域形成了类似四象限的分布特征。震后,研究区重力场发生大范围的反向变化,但随着震后调整,发震断层的南北两侧呈现出不同的变化趋势,其南侧仍以反向变化为主,但其北侧已经显示出要恢复到震前变化状态的趋势,这反映出发震断层南北两侧不同的构造和运动属性。
(2)InSAR同震形变场升轨、降轨结果表明,地震活动造成LOS向形变最大达1.29 m,发震断层为走滑型。通过断层滑动分布反演得到,发震断层为双断层,最大滑动量达4.7 m。在地震发震过程中,破裂滑动自西至东逐渐增强,滑动最强区域分布于震中以东区域,在地壳内20 km深度内。
(3)不同起算基准的重力场变化特征反映了玛多地震前后中长期的区域形变特征,而InSAR结果则显示出玛多地震的同震形变。在地震前后1年期的重力场变化呈现出了近似四象限的变化特征,这与玛多地震震源机制显示的膨胀、压缩区具有对应性,并且与InSAR同震形变场以及发震断层的断层属性相吻合。在震后重力场的调整变化,特别是2年尺度的重力场累积变化中,震中区域东部的重力场变化量更大,这与双断层滑动模型给出的滑动量分布结果一致。
本研究使用重力数据来源于中国地震局国家重力台网中心,SAR数据来源于欧洲太空局,SDM反演程序来源于汪荣江教授,绘图程序来自GMT,在此一并表示衷心感谢!