熊凌艷 楊瑩輝 谷延超 吳少杰 陳 靜 楊 超 黃 俊

1 西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，成都市新都大道8號，610500 2 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都市二仙橋東三路1號，610059 3 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都市新都大道8號，610500

2021-05-21云南省大理市漾濞縣發(fā)生MS6.4地震(99.87°E，25.67°N)，震源深度為8 km。USGS給出的震源機制解顯示，此次漾濞地震震級為MW6.1，最佳震源機制解為走向135°、傾角82°、滑動角-165°。漾濞地震震中位于云南省西北部，區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有紅河斷裂帶和維西-巍山斷裂帶，其中紅河斷裂帶斜穿云南省，走向為NW，全長約1 000 km，新構(gòu)造運動時期以來，紅河斷裂帶先為左旋走滑運動，后轉(zhuǎn)為右旋走滑運動[1]。維西-巍山斷裂帶東鄰紅河斷裂帶，走向為NW，北起維西，向南依次經(jīng)過河西、通甸、喬后、煉鐵、太邑、馬鞍山、巍山，全長超過600 km，以右旋走滑為主，兼正斷特征。震源機制解結(jié)果表明，漾濞地震的發(fā)震斷層呈NW-SE向右旋走滑特征，可能是由維西-巍山斷裂帶或川滇塊體邊界其他分支斷裂活動所致。

漾濞地震發(fā)生后，許多學(xué)者對地震的同震形變[2]、震源機制、地震序列[3]、地震幾何參數(shù)[4-5]及地震構(gòu)造背景[6]等進行研究。研究人員利用歐空局Sentinel-1衛(wèi)星在降軌模式下快速觀測獲得的漾濞地震震后SAR數(shù)據(jù)，結(jié)合震前數(shù)據(jù)提取地震的同震地表形變場，為同震位置探測、震源機制反演和地質(zhì)災(zāi)害評估等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為進一步加深對地震同震地表形變和發(fā)震機理的認知，本文收集覆蓋震中區(qū)域的升降軌SAR數(shù)據(jù)及高精度DEM數(shù)據(jù)，通過D-InSAR技術(shù)，精確提取地震的同震形變場，在彈性半空間位錯理論的框架下，運用模擬退火算法進行斷層幾何參數(shù)搜優(yōu)，并在升降軌InSAR形變約束下反演此次地震的斷層滑動模型，精確揭示孕震斷層的破裂模式，為區(qū)域地震及地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 漾濞地震InSAR形變提取與分析

本文收集2021-05-21漾濞地震前后Sentinel-1衛(wèi)星觀測的震區(qū)升、降軌SAR數(shù)據(jù)(表1和圖1)，分別為2021-05-20和2021-06-01的升軌影像及2021-05-10和2021-05-22的降軌影像，時間基線均為12 d。使用ISCE InSAR數(shù)據(jù)處理軟件對跨越地震形變期的2幅影像數(shù)據(jù)對進行干涉處理，得到的干涉相位包括參考橢球面相位Φref、地形相位Φtop和形變相位Φdef[7]。選用90 m分辨率的SRTM-DEM數(shù)據(jù)和哨兵衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)，利用二軌法去除地形相位和參考橢球相位[8]。使用Goldstein濾波提高干涉條紋的清晰度，減少由空間基線或時間基線引起的失相干噪聲，并利用最小費用流算法對干涉圖像進行相位解纏處理[9]，最終獲得此次地震的升降軌InSAR同震形變場(圖2)。本文基于GACOS(generic atmospheric correction online service for InSAR)提供的高分辨率對流層延遲數(shù)據(jù)對InSAR干涉結(jié)果進行大氣相位校正[10]：對數(shù)據(jù)進行插值并編碼，將其從地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到雷達坐標(biāo)系下。該方法在去除大氣延遲相位方面有較好的效果，可有效避免大氣誤差對后續(xù)反演的影響。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

表1 漾濞地震SAR影像參數(shù)

圖2 升降軌InSAR同震形變場

由圖2可見，升軌InSAR形變在東西兩側(cè)較為一致，最大形變量均為6.0 cm；降軌InSAR形變在近斷層區(qū)域相干性較差，最大形變量約為7.9 cm。從升軌InSAR形變來看，東西兩側(cè)形變場的分界近NS向分布，且兩側(cè)的形變場近似呈三角形，遠離LOS向一側(cè)的形變中心相干性較差，形變結(jié)果不連續(xù)。根據(jù)形變場的分布推測，此次地震的發(fā)震斷層是一條靠近維西-巍山斷裂帶的高傾角近NS向斷層。降軌InSAR形變在東西兩側(cè)均呈橢圓形對稱分布，形變結(jié)果的相干性較好，形變場連續(xù)，僅在近斷層區(qū)域存在小范圍失相干現(xiàn)象。斷層?xùn)|側(cè)靠近LOS向的形變量級顯著大于西側(cè)，且距離發(fā)震斷層最近的維西-巍山斷裂帶傾向為NE，故推斷此斷層應(yīng)向NE向傾斜。由于高傾角斷層多以走滑特征為主，故推測此次地震的發(fā)震斷層具有高傾角且以右旋走滑為主。

由圖2可見，升軌與降軌的形變結(jié)果分布明顯不一致。由于降軌的干涉相干性較好，因此以降軌結(jié)果作為斷層劃分依據(jù)，推測地震的發(fā)震斷層(圖2中黑色虛線)。由圖可見，升軌InSAR形變結(jié)果中靠近LOS向的西側(cè)與該斷層走向吻合。作發(fā)震斷層的垂直剖面線(圖2中黑色實線)，剖面結(jié)果見圖3，圖中紅色虛線為斷層所在位置。由圖可見，形變場東西向?qū)捈s20 km，斷層西側(cè)寬約12 km，東側(cè)寬約8 km。以剖面線為界，升軌形變場在斷層西側(cè)部分剖面以北表現(xiàn)為靠近LOS向運動，剖面以南表現(xiàn)為遠離LOS向運動；斷層?xùn)|側(cè)部分則全部表現(xiàn)為遠離LOS向運動。

圖3 升降軌剖面

圖2中的發(fā)震斷層將地表形變場分為東西2部分，升軌InSAR形變場顯示，斷層?xùn)|側(cè)遠離衛(wèi)星方向運動，而降軌InSAR在該區(qū)域則為靠近衛(wèi)星方向運動。據(jù)此判定，斷層為近NW-SE走向，結(jié)合USGS給出的2組震源機制解可知，斷層走向135°、傾角82°、滑動角-165°的結(jié)果與實際情況接近，可作為之后斷層運動模型反演的初值。

2 同震斷層滑動模型反演與分析

本文以升降軌InSAR觀測得到的地表形變?yōu)榧s束，基于彈性半空間位錯理論對震源參數(shù)進行反演。

2.1 InSAR同震形變場降采樣

InSAR獲取的形變信息在空間上是連續(xù)的，因此升降軌形變的數(shù)據(jù)量可能高達數(shù)百萬，若直接進行反演會大幅增加工作量和反演時間，形變場中存在的噪聲也會對結(jié)果造成很大的影響，因此需要對形變數(shù)據(jù)進行降采樣處理。本文采用四叉樹算法對InSAR獲取的形變場數(shù)據(jù)進行降采樣：首先對形變場區(qū)域進行取舍，去除形變場中噪聲較大、相干性較低的區(qū)域，然后設(shè)置合適的形變梯度閾值并對其進行降采樣處理，最后得到1 404個升軌InSAR觀測數(shù)據(jù)及899個降軌InSAR觀測數(shù)據(jù)。降采樣后的結(jié)果如圖4所示，去除相干性較差及噪聲較為明顯的區(qū)域后，降采樣結(jié)果在形變中心的區(qū)域較為密集，在遠離形變中心的區(qū)域較為稀疏。

圖4 升降軌InSAR觀測數(shù)據(jù)降采樣結(jié)果

2.2 斷層幾何參數(shù)搜優(yōu)

根據(jù)InSAR形變場顯示的同震形變分布結(jié)果，結(jié)合USGS給出的震源機制解，設(shè)定發(fā)震斷層的初始走向為135°、傾角為82°，并設(shè)置斷裂走向搜優(yōu)區(qū)間為100°～150°，傾角搜優(yōu)區(qū)間為50°～90°。

Okada[11]總結(jié)彈性半空間巖石錯動引起的地表形變研究成果，針對點源和有限矩形源，給出半空間中由于傾斜剪切和拉伸斷層引起的地表位移及應(yīng)變的完整解析表達式，并提出地下巖石錯動與地表變形間的幾何解析模型。Okada有限矩形面源位錯模型為彈性半空間條件下的斷層走滑、傾滑與張裂三分量的定量反演提供一個可靠的計算框架。確定斷層幾何的初始參數(shù)模型后，采用Yang等[12]提出的斷層參數(shù)反演方法，構(gòu)建4 km×4 km的格網(wǎng)，對整個研究區(qū)斷層進行離散化處理，利用InSAR形變數(shù)據(jù)作為約束進行最優(yōu)斷層參數(shù)搜索，使用模擬退火算法搜優(yōu)獲得漾濞地震的最佳斷層幾何參數(shù)(表2)。其中最優(yōu)走向為136.6°、傾角為83.1°、滑動角為-170.5°、斷層中心深度為10.4 km。進一步使用搜優(yōu)確定的斷層幾何參數(shù)進行精細的斷層滑動反演：將斷層面展開為長30 km、寬15 km的面，將其進一步離散為1 km×1 km的格網(wǎng)，確定升、降軌觀測值反演的權(quán)重，開展斷層滑動模型反演。由于降軌觀測值相干性較好，為保證反演結(jié)果與觀測結(jié)果的一致性，設(shè)置升軌觀測值權(quán)重為0.55，降軌觀測值權(quán)重為0.45。

表2 InSAR反演漾濞地震的幾何參數(shù)

反演結(jié)果如圖5所示，反演斷層運動模型計算得到的地震矩為1.487×1018N·m，對應(yīng)矩震級為MW6.08，略小于USGS給出的結(jié)果(1.743×1018N·m)，但兩者均為同一量級。進一步觀察圖5發(fā)現(xiàn)，漾濞地震發(fā)震斷層的錯動主要集中在地下2～12 km深度處，最大滑動量為0.45 m，位于地下7 km深度處。淺層地殼滑動量級相對較小，僅在震源東北約10 km處反演獲得量級為0.15 m的斷層運動，而野外調(diào)查未發(fā)現(xiàn)明顯的斷層出露[13]，意味著此次地震并未顯著破裂至地表。反演結(jié)果顯示，斷層運動以右旋走滑為主，兼少量正斷層破裂和逆沖運動，區(qū)域斷層運動釋放的能量超過整個地震釋放能力的85%。同震形變場顯示的地表形變也達到6 cm，但滑動區(qū)域相對較深，且釋放的地震矩量級相對較小，并未出現(xiàn)明顯的地表破裂。

紅色五角星為此次地震震源位置, 黑色箭頭為斷層滑動的方向和量級圖5 地震同震斷層滑動模型

2.3 InSAR形變場正演與殘差計算

為檢驗反演結(jié)果的可信度，利用反演的斷層模型結(jié)合衛(wèi)星飛行方向角和入射角，正演計算此次地震的同震InSAR形變場，并與觀測值進行對比求得模型殘差。對比正演InSAR形變(圖6(a)、(b))與原始觀測(圖2)可知，二者在形變分布和量級上均具有較高的一致性，這意味著斷層運動模型反演可較好地恢復(fù)地表形變，驗證了反演模型的可靠性。

進一步觀察圖6(c)、(d)的殘差分布可知，多數(shù)區(qū)域的殘差值趨近于0，僅在升軌InSAR斷層近場發(fā)現(xiàn)顯著的形變殘差，這是由該區(qū)域InSAR干涉失相干所致。斷層遠場部分區(qū)域也發(fā)現(xiàn)一些殘余信號，特別是在東北方向地形起伏較大的區(qū)域，考慮到這些區(qū)域距斷層較遠，可以認為信號主要是由InSAR干涉大氣延遲造成的。由于大氣延遲并不滿足彈性位錯機制，因此在統(tǒng)計意義上并不會對斷層模型反演造成顯著的負面影響，但正演InSAR形變中并不包括此部分噪聲分量，由此導(dǎo)致殘差分布中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖6 模擬地震InSAR形變場及殘差

3 討 論

此前漾濞MW6.1地震的研究中，有學(xué)者分別使用InSAR及GNSS觀測數(shù)據(jù)提取震區(qū)的形變信號，并對地震的發(fā)震斷層進行反演分析。王紹俊等[4]分別使用Sentinel-1A和Sentinel-1B的升降軌數(shù)據(jù)進行干涉處理，獲取漾濞地震的同震形變場，其中升軌和降軌得到的形變最大量級分別約為0.07 m和0.08 m，升軌的形變場主要分布在南北2部分，降軌形變場主要分布在東西2部分。本文在數(shù)據(jù)的使用上統(tǒng)一選取Sentinel-1A衛(wèi)星，時間基線均為12 d。與文獻[4]中升軌形變場分布略有不同，本文升軌形變場北東側(cè)部分形變幾乎為0，在分布上明顯分為東西2部分；降軌形變場分布與文獻[4]基本一致。文獻[4]使用傾向SW的滑動模型和傾向NE的滑動模型對觀測數(shù)據(jù)進行擬合，得出漾濞地震的發(fā)震斷層走向為NW-SE(134.88°)，破裂集中在地下2～10 km深度處，長約20 km，寬約8 km，以右旋走滑為主，釋放的地震矩為1.6×1018N·m，與USGS給出的震源機制解結(jié)果一致。2種模型反演的最大滑動量分別為0.8 m和0.6 m，并初步判定斷層傾向為SW。與文獻[4]不同，本文反演的滑動量級為0.45 m，這是因為文獻[4]的網(wǎng)格尺寸離散為2 km×2 km，而本文格網(wǎng)尺寸為1 km×1 km，本文對斷層滑動分布的可視化更加精細。

朱俊文等[5]基于地震前后Sentinel-1A衛(wèi)星升降軌SAR數(shù)據(jù)提取漾濞地震的同震形變場，獲取的最大形變量級分別為8.2 cm和8.7 cm，與王紹俊等[4]的結(jié)果存在差異。本文結(jié)果與文獻[5]僅在形變分布上表現(xiàn)出一致性，在量級上相差較大，尤其是升軌形變量級。文獻[5]分別對GCMT和USGS給出的2組震源機制解進行反演對比，其結(jié)果與GCMT的一致性較好，但在走向為313.7°的斷層幾何參數(shù)中，其結(jié)果與USGS給出的震源機制解相差較大，且沒有在研究結(jié)果中給出反演的具體滑動分布情況。

張克亮等[2]基于覆蓋震中區(qū)域的高密度連續(xù)GNSS觀測臺陣，獲取震區(qū)周邊50 km范圍內(nèi)高精度、高密度的三維同震形變場，觀測到的最大水平位移與垂直下沉量分別為46 mm和44 mm。以前震和主震的精定位結(jié)果為約束，反演獲得發(fā)震斷層走向為135°、傾向為SW、傾角為80°。該結(jié)果與本文的反演滑動分布較為一致，滑動量分布與前震序列呈現(xiàn)較好的空間一致性。

4 結(jié) 語

本文收集歐空局Sentinel-1衛(wèi)星升降軌SAR影像數(shù)據(jù)并進行差分干涉處理，獲得2021年漾濞MW6.1地震的InSAR同震形變場，結(jié)合升降軌形變數(shù)據(jù)反演此次地震的發(fā)震斷層幾何參數(shù)和滑動分布。InSAR同震形變場結(jié)果顯示，升軌LOS向最大形變量級為6.0 cm，降軌LOS向最大形變量級為7.9 cm。以InSAR同震形變?yōu)榧s束，反演獲得此次地震的發(fā)震斷層走向為136.6°、傾角為83.1°。斷層滑動反演結(jié)果顯示，斷層破裂主要集中在地下2～12 km深度處，最大滑動量約為0.45 m，位于地下7 km深度處，斷層滑動整體以右旋走滑為主，兼少量正斷層破裂和逆沖運動。