祝愛玉, 王永哲*, 李永華, 張東寧

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 北京白家疃地球科學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站, 北京 100095 3 中國地震局震源物理重點實驗室, 北京 100095

0 引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定,2021年5月22日2時4分在青海省果洛州瑪多縣發(fā)生7.4級地震,震中位于北緯34.59°,東經(jīng)98.34°,震源深度17 km.震后的地質(zhì)科考結(jié)果表明,瑪多MS7.4地震發(fā)震構(gòu)造西段發(fā)現(xiàn)大型地表破裂帶.該破裂帶總體走向NW230°—270°,由兩條NWW向的剪切破裂左階羽列組成.破裂帶由一系列的擠壓鼓包和張裂隙相間排列,張裂隙從十幾厘米到2～3 m不等,裂縫通常呈右階雁列狀排列,并顯示明顯垂直位錯,垂直位錯可達約30 cm,并可清晰看到水平擦痕,顯示為具有左旋走滑兼正斷位移的同震斷層.

大地測量是獲取地震同震地表形變的重要手段,并為地震發(fā)生機理的研究提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(袁霜等, 2020; 方進等, 2019; 申文豪等, 2019; 陳威等, 2018; 季靈運等, 2017; Xu, 2017; Song et al., 2019; Jónsson et al., 2002; Funning et al., 2005).同震地表形變觀測中,以全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)和合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)應(yīng)用最廣泛.GPS觀測雖然得到的形變數(shù)據(jù)精度較高,但其空間分辨率取決于觀測站的分布和數(shù)量,瑪多地震所在區(qū)域的自然環(huán)境惡劣,用于進行地表形變觀測的GPS觀測站非常少(朱亞戈等, 2021),難以準確反映本次地震的地表詳細形變特征.InSAR技術(shù)由于可以獲得米級乃至分米級空間分辨率且覆蓋幾十公里范圍內(nèi)的形變信息,使得該技術(shù)在1993年首次應(yīng)用于強震地表形變觀測(Massonnet et al., 1993)以來得到廣泛應(yīng)用(Wang et al., 2019; Wen et al., 2021; Yang et al., 2021; Xu et al., 2016).該技術(shù)還具有全天時、全天侯、受天氣影響小等特點,可以在地表植被覆蓋稀疏的環(huán)境條件下保持高相干性,獲取雷達視線方向1～2 cm精度的形變 (孫建寶等,2007),盡管觀測精度不如GPS技術(shù),但對于強震引起的地表形變觀測已經(jīng)足夠.此次地震區(qū)域地表植被稀疏,非常適合利用InSAR技術(shù)獲取此次地震的同震地表形變場.采用InSAR觀測瑪多地震的同震形變場,不僅能深入的研究地震造成的地表影響,同時能為數(shù)值模擬提供有力的約束.

瑪多地震是2008年汶川地震之后中國發(fā)生的震級最高的一次強震,該地震發(fā)生在巴顏喀拉地塊內(nèi)部的昆侖山口—江錯斷裂上(王未來等, 2021).其北部和南部的東昆侖斷裂帶和甘孜—玉樹斷裂帶,為青藏高原東北緣的巨型走滑斷裂帶(鄧起東等, 2002; 劉光勛, 1996; Fu and Awata, 2005; Kirby et al., 2007; Karplus et al., 2011; 李陳俠等, 2011; 張培震等, 2008).根據(jù)歷史地震記錄,1900年以來,瑪多地震震中周邊300 km范圍內(nèi)共發(fā)生7級以上地震5次,依次為1937年托索湖7.5級地震(李陳俠等, 2006)、1947年達日7.7級地震(劉雷等, 2021; 梁明劍等, 2020)、1963年阿蘭湖7.0級地震、1990年共和7.0級地震(李旭和陳運泰, 1996)和2010年玉樹7.3級地震(張勇等, 2010; 孫鑫喆, 2012).強震導(dǎo)致的庫侖應(yīng)力變化和后續(xù)地震的發(fā)生在時間、空間上具有一定的相關(guān)性,斷層帶上庫侖應(yīng)力的增加對后續(xù)中強地震的發(fā)生具有顯著促進作用(Toda et al., 2011a; Xiong et al., 2010; 石耀霖和曹建玲, 2010; Harris, 1998).為此開展歷史強震對瑪多地震的影響研究,對于分析瑪多地震的孕育機理具有重要的意義.

地震精定位時空序列顯示瑪多地震呈現(xiàn)出典型的主震-余震型特征,余震序列總長度約170 km.主震位于余震區(qū)中間,呈雙側(cè)破裂特征 (王未來等, 2021).強震的同震位錯會導(dǎo)致鄰近區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的改變(Toda et al., 2008; 單斌等, 2009),庫侖應(yīng)力變化大于0.01 MPa就會觸發(fā)地震(Toda et al., 2011b; Ma et al., 2005), 為此,通過研究瑪多地震序列導(dǎo)致的應(yīng)力場及庫侖應(yīng)力場變化,可為確定本次地震對其周邊斷裂帶的影響,進而預(yù)判余震趨勢具有重要的意義(Li et al., 2021; Liu et al., 2014; Stein and Okal, 2011; Luo and Liu, 2010; 嚴珍珍等, 2009; 朱守彪等, 2008; Rundle et al., 2006)(圖1).

圖1 瑪多地震周邊構(gòu)造Fig.1 Geological structure around Madoi earthquake

本文采用合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)得到地表形變場及地震破裂面分段結(jié)構(gòu),并建立能反映瑪多地震分段破裂面的黏彈性有限元模型,以InSAR觀測的地表形變、該地區(qū)深部結(jié)構(gòu)、巖石圈流變特性、GPS觀測給出的塊體運動為約束,模擬計算了瑪多地震引起的三維同震位移及同震應(yīng)力變化,討論了瑪多地震的發(fā)生對區(qū)域應(yīng)力場及周邊斷層的影響; 以瑪多破裂面為接收斷層模擬了周邊5次強震的同震庫侖應(yīng)力變化及震后松弛,討論了周邊強震對瑪多地震的觸發(fā)作用.

1 InSAR同震地表形變獲取

地震發(fā)生后,為全面了解地震的地表形變特征,我們收集了歐空局Sentinel-1A/1B兩顆衛(wèi)星升、降軌的合成孔徑雷達影像,組成兩個干涉對.這兩幅干涉對的時間跨度均為6 d,即震前觀測時間為2021年5月20日和震后2021年5月26日.美國Scripps海洋研究所Sandwell教授團隊開發(fā)的開源GMTSAR軟件(Sandwell et al., 2011 )作為本文干涉處理的軟件,采用的處理策略為二軌差分方法,利用水平分辨率3弧秒的SRTM地表高程數(shù)據(jù)(Farr et al., 2007)作為差分基礎(chǔ),從而去除原始干涉圖中的地形相位貢獻.為保證獲取的地表形變的可靠性,在使用SNAPHU算法進行差分相位解纏時,我們只對相干性高于0.1的區(qū)域進行了解纏,而忽略了低于0.1的區(qū)域形變信息.最終,將解纏后的雷達坐標系下的結(jié)果地理編碼到WGS-84坐標系下,得到此次地震的升、降軌雷達視線方向同震形變場.結(jié)果顯示,此次地震引起的升軌方向最大抬升量和沉降量分別為: 1.398 m和1.482 m,而降軌則為: 1.291 m和1.506 m.為提高建模時的計算效率,我們對升、降軌同震形變場進行了重采樣.采樣的方法是每3 km取一個觀測數(shù)據(jù)點,同時,不考慮相干性小于0.3的觀測數(shù)據(jù)點.用于有限元模型的地表形變約束數(shù)據(jù),如圖2所示.

圖2 瑪多地震地表InSAR同震形變觀測(a) 升軌方向; (b) 降軌方向.Fig.2 The observed surface deformation of Madoi earthquake by InSAR(a) Ascending direction; (b) Descending direction.

為確定斷層所在位置以及對地震發(fā)生機制進行定性分析(楊亞夫等, 2016),本文利用升、降軌雷達視線方向形變測量結(jié)果,根據(jù)SAR圖像的成像幾何獲得了東西方向和垂直方向的地表形變結(jié)果.具體的,利用式(1)所表征的地表三維形變與InSAR雷達視線向形變的關(guān)系,考慮南北方向形變對于雷達視線方向貢獻最小,InSAR技術(shù)對南北向形變的識別也最不敏感(王永哲等, 2012).因此,在忽略雷達視線方向中的南北方向形變分量情況下,利用升、降軌視線方向形變解算出東西方向和垂直方向的同震形變場(圖3).

圖3 瑪多地震的地表東西向(a)和垂直向(b)的InSAR同震形變場Fig.3 The coseismic surface deformation in the (a) East-West and (b) Vertical directions of the Madoi earthquake observed by InSAR

從圖中可以看出,地表的向西運動和向東運動存在明顯的分界線,可推斷此次地震破裂出地表,形成了較長的破裂跡線; 破裂跡線兩側(cè)存在明顯的東西反向運動,這與左旋走滑的機制非常吻合.另外,垂直向運動相對于東西向運動來講量級較小,可以推斷此次地震伴有少量的兩側(cè)相對升降運動.根據(jù)東西向地表的錯動,勾畫了斷層在地表的破裂跡線,將整個斷層共分成6段用于數(shù)值模擬的分析.考慮到東西向和垂直向形變的誤差,本文在建模時,未將東西向和垂直向形變作為約束進行擬合.

(1)

其中,dlos為雷達視線方向形變,de、du分別為東西向和垂直向形變,θ、α分別為雷達入射角和飛行方向角.

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

InSAR形變觀測給出了瑪多地震的破裂面分為6段(圖3),本文在建立幾何模型時充分考慮瑪多地震破裂面分段,建立了能反映分段破裂面及周邊斷層(鄧起東等, 2002)的三維黏彈性有限元模型,模型范圍為95°E—102.5°E,31.5°N—37°N,深度為100 km(圖4).研究區(qū)包含2條大型的走滑斷裂帶,分別為東昆侖斷裂帶及甘孜—玉樹斷裂帶，瑪多地震的發(fā)震構(gòu)造即昆侖山口—江錯斷裂,以及一些較小的構(gòu)造,例如: 瑪多—甘德斷裂、達日斷裂、鄂拉山斷裂、日月山斷裂、共和盆地的南緣和北緣斷裂等.模型為XYZ坐標系,X軸朝東、Y軸朝北、Z軸朝上.

圖4 三維有限元模型(a) 幾何模型; (b) 彈性模量; (c) 黏滯系數(shù).Fig.4 Three dimensional finite element model(a) Geometric model; (b) Elastic modulus; (c) Viscosity coefficient.

以Wang和Shen(2020)給出的中國大陸及其鄰區(qū)地殼GPS速度場(相對于歐亞大陸)作為模型邊界條件和檢驗?zāi)M結(jié)果的依據(jù).采用GPS的觀測速度值插值到模型邊界給出模型四周邊界的水平速度值.該速度值乘以計算時間步長作為有限元模型的水平位移約束條件,且假定模型四周的水平約束不隨深度變化,即假設(shè)從地表到100 km深度保持一致,垂直方向位移可以保持自由.三維模型底面所有節(jié)點垂直方向(z方向)上位移約束為0,水平向可以自由運動.模型上表面為自由表面,即法向應(yīng)力和剪應(yīng)力均為零.

采用多物理場耦合有限元軟件COMSOL進行模擬計算,時間步長500年(依據(jù)模型給定彈性和流變材料參數(shù)計算出的數(shù)百年至數(shù)千年的黏彈性松弛時間),根據(jù)時間步長逐步施加邊界位移約束.經(jīng)過了40個時間步,即20000年的加載作用,以最后得到的研究區(qū)穩(wěn)定地殼構(gòu)造應(yīng)力場作為研究地區(qū)的背景構(gòu)造應(yīng)力場.通過模擬計算的地表形變和現(xiàn)今GPS觀測形變對比分析(圖5),可以看出計算值和測量值從方向和大小來看都比較相近,說明了計算模型的可靠性.

圖5 地殼形變速度的計算值和測量值的對比(圖中紅色箭頭為模擬結(jié)果; 藍色箭頭為Wang和Shen(2020)發(fā)表的相對歐亞板塊的GPS觀測速度結(jié)果)Fig.5 Comparison of calculated and observed horizontal deformation rate (The red arrows are the simulated results;The blue arrows are GPS observations (Wang and Shen, 2020))

2.2 同震位移模擬結(jié)果

基于黏彈性三維有限元模型,構(gòu)建符合實際的背景應(yīng)力場.通過降低瑪多地震分段破裂區(qū)域的彈性模量,采用試錯法確定破裂段1,2,3,4的彈性模量降低為7.8 GPa,破裂段5,6的彈性模量降低為5.8 GPa,以地表的InSAR形變觀測為約束,從而確定瑪多地震引起的位移場和應(yīng)力場的變化.由于本文是將瑪多地震的主震和震后大約8 d的時間內(nèi)余震作為一個整體進行求解,因此本文的應(yīng)力場變化能反映主震和大部分余震形成的應(yīng)力釋放.

為了將模擬的地表形變與Sentinel-1升、降軌InSAR同震地表形變比較,采用公式(1)將三維地表形變投影到雷達視線方向(升、降軌)上,并與實際觀測的形變(圖2a,6b)相減,得到觀測值與模擬值之間的殘差如圖6a(升軌)和6c(降軌)所示.根據(jù)殘差數(shù)據(jù)分布的直方圖(圖6b,6d)可以看出升軌的殘差超過80%的值小于0.1 m,95%的殘差不超過0.2 m;降軌的殘差分布85%的值不超過0.2 m.在進行模型構(gòu)建時,本文將整個斷裂簡單地分成了6段.然而,此次瑪多地震實際的地表破裂比較復(fù)雜,并非簡單的直線分段,這會造成本來位于上盤的觀測點在模擬時按照下盤來模擬,下盤的觀測點按照上盤來模擬,這必然會造成模擬值與觀測值存在較大的殘差.從殘差圖中可以看出,盡管有少數(shù)幾個觀測點的殘差值較大,但這些殘差較大的點對于此次地震的整個形變場模式影響不大,模擬的升、降軌形變場與實際觀測值具有較好地一致性.根據(jù)以上觀測值和模擬值的對比分析,可以看出模擬得到的地表形變分布特征和InSAR觀測的地表形變基本吻合.

圖6 模擬值和InSAR觀測的地表形變殘差(a) 升軌方向觀測值與模擬值的殘差; (b) 升軌方向殘差直方圖; (c) 降軌方向觀測值與模擬值的殘差; (d) 降軌方向殘差直方圖.Fig.6 Surface deformation residuals of simulated results and InSAR observations(a) The residuals of the observed and simulated values in the ascending direction; (b) The histogram of the residual error in the ascending direction; (c) The residual error between the observed value and the simulated value in the descending direction; (d) Histogram of residual error in the descending direction.

本文模擬得出的三維同震位移(圖7)結(jié)果顯示,東西向分量最大,其最大和最小值分別為1.1 m和-1.38 m;其次是南北向分量,其最大和最小值分別為0.7 m和-0.74 m; 垂向分量相對較小,最大為0.3 m.瑪多地震總的同震位移(圖7d)呈現(xiàn)出“四象限”分布,是走滑斷層錯動的典型圖像.同震位移結(jié)果還顯示,此次地震發(fā)震斷層的北側(cè),位移方向為北西向; 在發(fā)震斷層的南側(cè),位移方向為東南向; 發(fā)震斷層的南側(cè)位移要略大于北側(cè)位移,比較大的錯動主要集中在東側(cè)和西側(cè),中間部位的錯動相對較小.

其次，觀察非對角線的子群關(guān)系：子群1到2，1到3， 3到5，8到7等子群聯(lián)系緊密。結(jié)合上文子群內(nèi)部密度及往返聯(lián)系分析，從子群2與子群1密度達到0.640，表明在子群1與2的游客行為中，游客經(jīng)成都、重慶都市旅游景區(qū)向著西部更遠景區(qū)頻繁流動，如至武隆、至九寨-黃龍，若悲觀估計，三峽旅游可能正逐步發(fā)展成為成渝西部地區(qū)旅游的跳板，而非旅途終點站，游客的最終旅游目的地愈加朝著西部、多種形態(tài)的內(nèi)陸旅游目的地延伸。

圖7 三維同震位移模擬結(jié)果(a) 東西向分量; (b) 南北向分量; (c) 垂直向分量; (d) 總位移.Fig.7 The simulation results of 3D coseismic displacement (a) East-West component; (b) North-South component; (c) Vertical component; (d) Total displacement.

2.3 同震應(yīng)力場變化模擬結(jié)果

以地表同震位移為約束,本文給出了10 km深度的同震應(yīng)力變化和庫侖應(yīng)力變化(圖8).庫侖應(yīng)力變化ΔCFS為

ΔCFS=Δτ+μΔσn,

(2)

其中Δτ為斷層面上的剪切力變化; Δσn為斷層面上的正應(yīng)力變化,壓應(yīng)力為負數(shù);μ為斷層面上的有效摩擦系數(shù),一般取值范圍為0.2～0.8,本文取值為0.4(Stein et al., 1992; King et al., 1994; Freed, 2005; 石耀霖和曹建玲, 2010).有效摩擦系數(shù)的取值會在一定程度上改變庫侖應(yīng)力的大小,但不會影響庫侖應(yīng)力正負的改變.

圖8a顯示在整個破裂面上是以壓應(yīng)力為主,在破裂面的西南向和北東向有拉張分量,并呈現(xiàn)不規(guī)則的四象限分布.圖8b顯示破裂面的北側(cè)和南側(cè)剪應(yīng)力增強,而東側(cè)和西側(cè)剪應(yīng)力減低,因此地震呈現(xiàn)左旋走滑趨勢.以上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布特征都揭示了瑪多地震為典型的走滑型地震的特征.由于本文考慮了區(qū)域彈性模量等參數(shù)的非均勻性,以及區(qū)域斷層分布的影響,而應(yīng)力場分布受區(qū)域構(gòu)造和深部結(jié)構(gòu)的影響,因此本文結(jié)果更能反映區(qū)域應(yīng)力場分布特征.

根據(jù)瑪多地震的震源機制解(郭祥云,http: ∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/278249.Html; 萬永革等,https:∥mp.weixin.qq.com/s/60hFBoaBXa-c_Q9BVCNYHw),其破裂面的整體走向為101°,傾向為87°,滑動角為-7°,采用公式(2)計算得到10 km處的同震庫侖應(yīng)力變化(圖8c,8d,8e).圖8d給出了震后3個小時的地震精定位結(jié)果,可以看出余震主要分布在西部和東部,而中間部位有一段地震空區(qū).圖8e給出了震后8天的余震精定位,隨著時間的推移,余震數(shù)量越來越多,可以看出余震向西部和東部繼續(xù)擴展,東部的余震逐漸轉(zhuǎn)向為北東向,中間部位的地震空區(qū)也在逐漸變小.對比庫侖應(yīng)力變化可以看出,余震都分布在庫侖應(yīng)力影區(qū),說明瑪多地震已經(jīng)充分釋放了應(yīng)變，其和庫侖應(yīng)力影區(qū)有很好的一致性,同時中間的地震空區(qū)和庫侖應(yīng)力增強區(qū)域也有很好的對應(yīng)關(guān)系.

圖8 同震應(yīng)力變化(a) 正應(yīng)力變化; (b) 剪應(yīng)力變化; (c) 庫侖應(yīng)力變化; (d) 庫侖應(yīng)力變化和震后3個小時的余震分布; (e) 庫侖應(yīng)力變化和震后8天內(nèi)的余震分布.Fig.8 Coseismic stress variation(a) Normal stress variation; (b) Shear stress variation; (c) Coulomb stress variation; (d) Coulomb stress variation and aftershock distribution in 3 hours after the Madoi earthquake; (e) Coulomb stress variation and aftershock distribution within 8 days after the Madoi earthquake.

從庫侖應(yīng)力變化(圖8c)看出,瑪多地震發(fā)震斷層兩側(cè)的震后庫侖應(yīng)力變化為負數(shù).說明瑪多地震的發(fā)生,使得發(fā)震斷層南北兩側(cè)區(qū)域應(yīng)力都得到了充分的釋放.而庫侖應(yīng)力的增加區(qū)域是發(fā)震斷層的西南和東北端,推測未來的余震的發(fā)生主要向西南和東北方向發(fā)展.

3 討論

3.1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力對瑪多地震的影響

根據(jù)三維應(yīng)力和應(yīng)變模擬計算結(jié)果給出了未考慮歷史強烈地震活動時研究區(qū)最大剪應(yīng)力分布模擬結(jié)果(圖9),其中最大剪應(yīng)力為(σ1-σ3)/2,σ1為最大主壓應(yīng)力,σ3為最小主壓應(yīng).圖9中的黑色五角星表示自1900年以來發(fā)生在研究區(qū)域M7級以上地震(表1).首先從不同深度的最大剪應(yīng)力分布可以看出,10 km處的剪應(yīng)力最大.根據(jù)地震精定位的研究結(jié)果(王未來等,2021),瑪多地震的主震深度為10 km左右,這與我們的計算結(jié)果一致.其次,區(qū)域剪應(yīng)力高值區(qū)的分布,主要集中在東昆侖斷裂帶西部、昆侖山口—江錯斷裂、甘孜—玉樹斷裂的西部,這些剪應(yīng)力高值區(qū)和歷史的強震有很好的對應(yīng)關(guān)系,尤其是1937年托索湖地震、1963年阿蘭湖地震、2010年玉樹地震和2021年瑪多地震等.同時,高剪應(yīng)力區(qū)域和彈性模量低值區(qū)域相對應(yīng)(圖4b),即在周邊塊體的擠壓作用下,較低的彈性模量更容易累積應(yīng)變,因而使得斷層更加容易滑動.此次瑪多7.4級地震明顯處于應(yīng)力增強區(qū)域,因此地震的發(fā)生和周邊塊體的擠壓作用及地處低彈性模量區(qū)域密不可分.

3.2 周邊歷史強震對2021年瑪多MS7.4地震的觸發(fā)作用

本文根據(jù)歷史地震目錄統(tǒng)計了瑪多地震震中周邊300 km范圍內(nèi),1900年以來發(fā)生7級以上地震5次(表1),其中1990年共和地震是逆沖型地震,其他4次強震發(fā)生在巴顏喀拉地塊的邊界或者內(nèi)部,都是走滑型地震,而1937年的托索湖地震破裂尺度達到240 km,影響范圍極廣.

表1 區(qū)域1900年以來研究區(qū)7級以上地震目錄和破裂方向數(shù)據(jù)Table 1 Catalogue and fracture direction of earthquakes with magnitude 7 and above in the study area since 1900

圖9 不同深度的最大剪應(yīng)力(a) 5 km處; (b) 10 km處;(c) 15 km處; (d) 20 km處.Fig.9 Maximum shear stress at different depths(a) 5 km; (b) 10 km; (c) 15 km; (d) 20 km.

本文計算了以上5次7級以上地震事件投影到瑪多地震破裂面的同震庫侖應(yīng)力變化(圖10).根據(jù)同震庫侖應(yīng)力的影響可以看出(圖10a),1937年托索湖7.5級地震、1963年阿蘭湖7.0級地震和1990年共和7.0級地震在瑪多地震主破裂面上的投影都為負數(shù),說明其對瑪多地震破裂面有卸載的作用,使得瑪多地震的發(fā)生推遲.2010年玉樹7.3級地震的發(fā)生在瑪多地震主破裂面的庫侖應(yīng)力投影為正數(shù),說明玉樹地震對瑪多地震具有促進作用.

圖10 1900年以來區(qū)域5次強震投影在瑪多地震破裂面上的庫侖應(yīng)力變化(a) 同震庫侖應(yīng)力變化; (b) 考慮構(gòu)造應(yīng)力的庫侖應(yīng)力變化.Fig.10 Coulomb stress variation of 5 strong earthquakes projected on the fracture surface of Madoi earthquake(a) Coseismic Coulomb stress variation; (b) Coulomb stress variation considering tectonic stress.

其次,我們考慮了震后的黏彈松弛效應(yīng),計算了以上5次強震在瑪多地震主破裂面的庫侖應(yīng)力變化(如圖10b),可以看出隨著震后的松弛效應(yīng),瑪多主破裂面的庫侖應(yīng)力變化在塊體邊界的作用力下,應(yīng)變在不斷的累積,隨著區(qū)域的地震的發(fā)生,例如1963年的阿蘭湖地震、1990年的共和地震使得瑪多地震發(fā)震斷層的應(yīng)力得到了部分釋放,從而推遲了瑪多地震的發(fā)生,而2010年的玉樹地震使得瑪多地震發(fā)震斷層的應(yīng)力突然增加,從而加速了瑪多地震的發(fā)生.

3.3 瑪多地震序列對周邊斷層的影響

由于以上的同震庫侖應(yīng)力的計算是以瑪多地震發(fā)震斷層為接收斷層,因此只能反映和發(fā)震斷層相同走向和傾向的周邊斷層的庫侖應(yīng)力影響,而不能反映其他周邊斷層的影響.為了進一步研究瑪多地震對周邊主要斷層的庫侖應(yīng)力影響,本文給出了以周邊主要斷層為接收斷層的庫侖應(yīng)力變化(圖11所示),可以看出瑪多地震序列的發(fā)生,使得南北向的應(yīng)力得到了充分的釋放,導(dǎo)致東昆侖斷裂帶的西部、瑪多—甘得斷裂帶的中部偏西部位、達日斷裂帶的西部以及甘孜—玉樹斷裂帶的東部區(qū)域的庫侖應(yīng)力變化為負; 庫侖應(yīng)力變化明顯增強的區(qū)域為昆侖山口—江錯斷裂的北部、瑪多—甘德斷裂的西部及東部部分區(qū)域、東昆侖斷裂帶中部、共和盆地南緣斷裂和北緣斷裂,以上區(qū)域的庫侖應(yīng)力變化明顯大于0.01 MPa,說明瑪多地震序列的發(fā)生對以上斷裂帶有很大影響,大大的增加了上述斷裂帶滑動的可能; 甘孜—玉樹斷裂帶西部及日月山斷裂帶的庫侖應(yīng)力變化為正,說明瑪多地震會加快以上斷裂帶滑動.

圖11 周邊主要斷裂帶的同震庫侖應(yīng)力變化Fig.11 Variation of coseismic Coulomb stress of main faults around the Madoi earthquake

4 結(jié)論

在瑪多地震發(fā)生的區(qū)域,Sentinel-1影像數(shù)據(jù)具有較好的覆蓋,本文利用較短時間基線的四景雷達影像數(shù)據(jù),通過干涉處理獲得了瑪多地震的升、降軌InSAR同震形變場,得到了兩個雷達視線方向的同震形變場.通過忽略南北向形變,解算了東西方向和垂直方向的同震形變場.根據(jù)東西向地表的錯動,勾畫了斷層在地表的跡線,將破裂面共分成6段用于數(shù)值模擬的分析.東西方向的地表形變表明,此次地震發(fā)生了較大的東西向運動,破裂跡線南側(cè)向東、北側(cè)向西運動,且兩側(cè)的相對運動明顯,垂直向形變量級較小,沿地表破裂跡線無明顯地表錯動.由此可知,此次地震為左旋走滑為主的地震,這與地震學(xué)所得結(jié)果一致.

本文模擬計算得到了瑪多地震周邊區(qū)域三維的地表形變,通過與InSAR觀測結(jié)果進行比較,證實了模擬結(jié)果的可靠性.在此基礎(chǔ)上,給出了三維地表同震形變場,可以看出瑪多地震引起了較大的地表變形,其中東邊部分區(qū)域的地表形變較大,錯動量達到2.5 m,中間有部分區(qū)域形變相對較小,同時也可以看出瑪多地震為典型的左旋走滑型地震,模擬結(jié)果與震源機制及地質(zhì)考察的結(jié)果一致.

本文以Sentinel-1升、降軌InSAR同震地表形變等多個結(jié)果作為約束,給出了瑪多地震引起的應(yīng)力場變化,結(jié)果顯示瑪多地震的余震都分布在庫侖應(yīng)力為負的區(qū)域,說明瑪多地震序列釋放了發(fā)震斷層上積累的應(yīng)力; 而發(fā)震斷層的西南和東北端庫侖應(yīng)力有所增加,推測未來余震的發(fā)生可能會朝西南和東北方向發(fā)展.

為了探討歷史地震對瑪多地震的影響,本文模擬了周邊5次7級以上強震對瑪多地震斷層面的影響.結(jié)果顯示周邊地塊的加載使得瑪多地震斷層面的應(yīng)變不斷的累積,2010年玉樹地震對瑪多地震的發(fā)生有很大的促進作用.本文也給出了瑪多地震的發(fā)生對周邊斷層的影響,模擬結(jié)果顯示,瑪多地震造成了昆侖山口—江錯斷裂的西部、東昆侖斷裂帶中部、共和盆地南緣斷裂、北緣斷裂等多個應(yīng)力強加載區(qū)(庫侖應(yīng)力變化明顯大于0.01 MPa),推測瑪多地震的發(fā)生將大大增加上述斷裂帶滑動的可能; 瑪多地震同時造成了甘孜—玉樹斷裂帶西部、日月山段帶等多個弱加載區(qū)(庫侖應(yīng)力>0),由此推測瑪多地震可能會對上述斷裂帶有一定的促進作用.

同時,本文也存在一定的不足之處.本文采用軟弱夾層反映斷層的屬性,利用減低地震破裂區(qū)域的彈性模量的方式模擬地震引起的應(yīng)力場的變化.因此本文的模擬結(jié)果主要是在InSAR觀測形變的約束下,反映瑪多地震的孕育發(fā)震原因及瑪多地震的發(fā)生可能會對周邊斷層的影響,對于精細的模擬瑪多地震的滑動特征,接下來我們需要考慮具體的地震破裂模型.

致謝本文采用的最新的波速和密度數(shù)據(jù)是中國地震局地球物理研究所石磊博士提供,黏滯系數(shù)參數(shù)是國土資源部孫玉軍博士提供.歐洲空間局(ESA)免費發(fā)布Sentinel-1A/1B SAR數(shù)據(jù).在此表示感謝.同時感謝匿名審稿專家的建議.