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门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态

刘洋 许才军 温扬茂

刘洋, 许才军, 温扬茂. 门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
引用本文: 刘洋, 许才军, 温扬茂. 门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao. InSAR Observation of Menyuan Mw5.9 Earthquake Deformation and Deep Geometry of Regional Fault Zone[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
Citation: LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao. InSAR Observation of Menyuan Mw5.9 Earthquake Deformation and Deep Geometry of Regional Fault Zone[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069

门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态

doi: 10.13203/j.whugis20190069
基金项目: 

国家自然科学基金 41874011

国家自然科学基金 41774011

国家自然科学基金 41431069

国家重点研发计划 2018YFC1503603

详细信息
    作者简介:

    刘洋, 博士, 副教授, 主要从事InSAR数据处理与地学解释研究。Yang.Liu@sgg.whu.edu.cn

  • 中图分类号: P237;P227

InSAR Observation of Menyuan Mw5.9 Earthquake Deformation and Deep Geometry of Regional Fault Zone

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41874011

The National Natural Science Foundation of China 41774011

The National Natural Science Foundation of China 41431069

the National Key Research and Development Program of China 2018YFC1503603

More Information
    Author Bio:

    LIU Yang, PhD, associate professor, specializes in InSAR data processing and geophysical interpretation. E-mail: Yang.Liu@sgg.whu.edu.cn

图(5) / 表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-08
  • 刊出日期:  2019-07-05

门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态

doi: 10.13203/j.whugis20190069
    基金项目:

    国家自然科学基金 41874011

    国家自然科学基金 41774011

    国家自然科学基金 41431069

    国家重点研发计划 2018YFC1503603

    作者简介:

    刘洋, 博士, 副教授, 主要从事InSAR数据处理与地学解释研究。Yang.Liu@sgg.whu.edu.cn

  • 中图分类号: P237;P227

摘要: 利用Sentinel-1A卫星升轨、降轨合成孔径雷达影像数据,提取了2016年门源Mw5.9级地震的高精度合成孔径雷达干涉同震形变场,利用单纯形法和非负最小二乘法反演确定了地震断层几何和滑动分布,并构建了区域断裂带的深部几何形态模型。结果表明,门源Mw5.9级地震同震形变以地表抬升为主,沿升轨、降轨视线向的最大值分别为5.3 cm、7.1 cm;地震断层走向、倾角分别为133°、43°;地震滑动以逆冲为主,主要发生在地下6.14~12.28 km处,最大滑动量约0.5 m,平均滑动角为66.85°,地震矩为1.0×1018 N·m(Mw5.94);形变观测拟合残差均方根为0.36 cm;区域断裂带的深部几何形态以花状构造为特征,整体倾向南西,门源地震发震断裂为花状构造中未出露地表的盲断层。相关成果能够为研究区域地壳运动与变形、活动断裂与地震孕育发生等提供参考。

English Abstract

刘洋, 许才军, 温扬茂. 门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
引用本文: 刘洋, 许才军, 温扬茂. 门源Mw5.9级地震形变InSAR观测及区域断裂带深部几何形态[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao. InSAR Observation of Menyuan Mw5.9 Earthquake Deformation and Deep Geometry of Regional Fault Zone[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
Citation: LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao. InSAR Observation of Menyuan Mw5.9 Earthquake Deformation and Deep Geometry of Regional Fault Zone[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
  • 北京时间2016-01-21 01:13,位于青藏高原东北缘的青海省门源回族自治县发生Mw5.9级地震(图 1)。地震震中位于祁连山-海原断裂带的冷龙岭断裂北侧,区域内断裂几何复杂、构造活动强烈[1-5]。自20世纪80年代以来,区域内曾发生多次中强地震(图 1)。其中,门源1986年M6.4级地震与2016年Mw5.9级地震在空间上相距不超过30 km,表明区域内应力积累较高且地震危险性较大。因此,有必要对该地震开展同震形变观测研究,以提高对区域断裂活动构造特征的认识。

    图  1  2016年门源Mw5.9级地震的区域构造背景及Sentinel-1A观测范围

    Figure 1.  Regional Tectonic Background of the 2016 Menyuan Mw5.9 Earthquake and Sentinel-1A Observation Range

    门源Mw5.9级地震发生后,众多学者基于地震、地质、遥感及形变等数据对震源机制开展了相关研究[3-12]。然而,由于区域内断裂构造几何复杂、发震破裂未延伸至地表等因素的限制,对地震破裂的几何学和运动学特征、区域断裂带的几何形态等研究结果尚不一致。

    震源机制解表明,门源Mw5.9级地震为兼具少量走滑分量的逆冲型地震(表 1)。中国地震局地质研究所推测,发震断裂为民乐-大马营断裂东南段,或者为冷龙岭断裂与民乐-大马营断裂之间的一条逆断层[3]。文献[8]基于科学台阵探测项目布设在震区附近的台站及青海、甘肃地震台网的数据,认为门源地震走向为335°,倾向北东,倾角约75°。文献[3]基于地震前后的高分遥感影像解译、野外考察、余震分布等数据,推测发震断裂为北盘上升、南盘下降的冷龙岭北侧断裂,且在地表为北倾。文献[4, 10]同样推测发震断裂为冷龙岭北侧断裂,但其断层几何与中国地震台网中心(China Earthquake Networks Center,CENC)、中国地震局地球物理研究所(Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,IGP-CEA)、美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)、全球矩心矩张量(global centroid moment tensor,GCMT)目录发布的震源机制解中的走向134°~144°、倾角35°~43°(倾向南西)较为接近,而与文献[3, 8]给出的北倾差异较大。文献[6]联合历史地震、余震、活动构造及合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)数据反演确定了断层参数,认为发震断层为冷龙岭北侧断裂,倾向南西,呈铲状,断层上部、下部倾角分别为85°、40°,断层下部的滑动角为65°。采用与文献[6]相近的观测及GPS数据,文献[5]得出了与文献[6]相近的断层几何和运动学特征。文献[9]利用降轨InSAR数据反演确定了发震断层参数,其走向为130°,倾向南西,倾角为46°,滑动角为47°。文献[11-12]认为,发震断层更可能倾向南西。由此可以看出,相关研究对门源地震发震破裂倾向、滑动角的结论尚不一致。

    表 1  2016年门源Mw5.9级地震断层参数

    Table 1.  Fault Parameters of the 2016 Menyuan Mw5.9 Earthquake

    数据来源 震中位置 长度/km 顶深/底深/km 走向/倾角 滑动角/滑动量 震级
    CENC 101.62°E,37.68°N - - 143°/35° 80°/- M6.4
    IGP-CEA 101.6°E,37.7°N - - 141°/38° 79°/- Ms6.4
    USGS 101.641°E,37.67°N - - 144°/36° 75°/- Mw5.9
    GCMT 101.76°E,37.65°N - - 134°/43° 68°/- Mw5.9
    文献[6] 101.65°E,37.64°N 20 7.29/13.71 134°/40° 65°/- Mw5.9
    文献[7] - - - 128°/43° 78°/- Mw5.9
    文献[8] 101.61°E,37.67°N - - 335°/~75° 97°/- -
    文献[9] 101.69°E,37.66°N 10.2 6.17/9.63 130°/46° 47°/0.6 m Mw5.9
    文献[11] 101.623°E,37.657°N 3.5 7.94/10.06 127°/45° 73°/2.256 m Mw5.891
    文献[12] 101.621°E,37.66°N 16 6.37/13.59 132°/41° 68°/0.41 m Mw5.905
    本研究 101.69°E,37.72°N 9.12 6.40/11.64 133°/43° 65.66°/0.40 m Mw5.9

    综合已有的大地电磁测深剖面、地表地质调查及门源地震相关研究成果,文献[3-7]研究了区域三维综合地形地质剖面、发震断层铲状结构、发震构造模式等,并分析了区域断裂带的深部几何形态。进一步地,文献[3-6]认为,门源Mw5.9级地震发震断裂可能为冷龙岭北侧断裂,而文献[7]认为发震断裂可能为民乐-大马营断裂,产生该差异的原因与对区域断裂带深部几何形态的认识不一致有关。因此,区域断裂带的深部几何形态尚需进一步研究。

    InSAR技术能够大范围、高精度、高空间分辨率地捕获地表形变,为研究地震、火山、滑坡等自然灾害提供了新的技术手段[13-17]。Sentinel-1A卫星具有全球覆盖、快速重访、数据免费等优势,已成功应用于地震等研究[18]。单纯形法是一种多变量函数的寻优方法,其基本原理是已知一个基本可行解,判定其是否为最优解,并根据最优条件和可行性条件进行迭代调整、判定,直至得到最优估值,其优点是计算量小、速度快等,已在断层参数非线性反演中得到应用[13, 16]。非负最小二乘法是一种附约束的寻优方法,其基本原理是在最小二乘问题中附加非负性约束条件进行求解,以避免反演中待求参数出现不满足要求的解,其优点是能够顾及先验信息、操作简便等,已在断层滑动分布线性反演中得到应用[19-20]。基于这两种方法的优点,本研究将其应用于门源地震断层几何和滑动分布反演中。

    本研究首先利用青海门源Mw5.9级地震发生前后的Sentinel-1A卫星升轨、降轨合成孔径雷达影像数据,采用差分干涉测量技术进行数据处理和分析,获取同震形变场;进一步地,根据同震形变场分布,采用单纯形法和非负最小二乘法反演确定地震断层几何和滑动分布,为鉴别已有结果的合理性和理解该地震的发震破裂属性等提供支持;最后,综合相关研究成果构建地震破裂区域断裂带的深部几何形态模型,分析冷龙岭断裂、冷龙岭北侧断裂、民乐-大马营断裂及发震断裂的深部产状和空间几何关系。相关成果能够为研究区域地壳运动与变形、活动断裂与地震孕育发生等提供参考。

    • 2016年青海门源Mw5.9级地震发生前后,欧洲空间局(European Space Agency,ESA)Sentinel-1A(C波段)卫星对地震区域进行合成孔径雷达观测,获得了干涉宽幅模式下基于循序扫描地形观测技术采集的雷达数据。综合覆盖范围和时空基线,本研究选取了覆盖震中区域的升轨(轨道号128)、降轨(轨道号033)干涉像对,时间基线均为24 d,空间基线分别为15 m、6.5 m(表 2)。

      表 2  Sentinel-1A干涉像对参数

      Table 2.  Parameters of Sentinel-1A Interferometric Image Pair

      序号 轨道 飞行方向 获取时间 时间基线/d 空间基线/m
      主影像 辅影像
      1 128 升轨 2016-01-13 2016-02-06 24 15
      2 033 降轨 2016-01-18 2016-02-11 24 6.5

      数据处理中,采用瑞士GAMMA软件进行两轨法差分干涉处理[21]。其中,利用ESA提供的精密轨道和美国国家航空航天局发布的90 m分辨率SRTM(shuttle radar topography mission)数字高程模型[22]消除地形相位的影响;采用基于能量谱的局部自适应滤波技术[23]对干涉图进行滤波,并采用枝切法[24]进行相位解缠;进一步地,将雷达坐标系下的相位图进行地理编码,最终得到门源Mw5.9级地震的同震干涉形变场(图 2)。

      图  2  门源Mw5.9级地震同震干涉形变场

      Figure 2.  Coseismic Interferometric Deformation Field of Menyuan Mw5.9 Earthquake

    • 图 2(a)2(b)分别为基于升轨、降轨Sentinel-1A观测得到的同震干涉形变场。将二者进行对比分析可以发现,两者在形变量级及其空间分布上存在一定差异,这主要与升轨、降轨观测的视线向不一致相关[18]。可以看出,该次地震在冷龙岭断裂北东区域均产生了显著的抬升形变,沿升轨、降轨视线向的形变最大值分别为5.3 cm、7.1 cm。该抬升形变区域大致沿北西-南东向延伸。结合地震位错模型正演计算分析,可推测发震断层走向可能沿北西-南东方向延伸,这与震源机制解给出的走向、等震线长轴总体走向基本一致[3-4](表 1)。

      升轨、降轨干涉形变图在震中区域整体上连续光滑,可推测发震断层未破裂至地表。然而,与显著的抬升形变不同,在震中区域未观测到显著的下降形变,表明发震断层的上界面距离地表可能较深,这可能与地震释放能量不足以将破裂延伸至地表有关。综合该形变的空间分布特征,门源Mw5.9级地震的同震破裂可能以逆冲为主,但其断层几何及滑动分布尚需后续反演来确定。

    • 图 2中的InSAR形变包含有近百万个观测值,直接用于反演会显著降低计算效率,而且相邻的观测值在空间上具有高度相关性。为了提高反演效率和最大程度地保留形变空间变化特征,本研究采用四叉树采样方法对原始干涉形变场进行降采样[25]。降采样后,用于反演的升轨、降轨观测值分别有855个和900个。

      非线性反演中,待估计的断层参数包括经度、纬度、长度、顶深、底深、走向、倾角、滑动量及滑动角。基于单断层和Okada弹性半空间位错模型[26]模拟地表形变场。待求解的方程为:

      $$ d_{\mathrm{obs}}=G_{1}\left(m_{1}\right) $$ (1)

      式中,dobs表示同震形变观测值;G1是断层参数m1的函数。采用单纯形法[13]求解式(1),断层参数反演结果见表 1

      表 1可以看出,断层破裂长度为9.12 km,顶深、底深分别为6.40 km、11.64 km,表明发震断层未延伸至地表,与前文基于同震形变场推测的结果相一致;走向、倾角分别为133°、43°,倾向南西,该走向与等震线长轴总体走向基本一致[3-4];滑动角、滑动量分别为65.66°、0.40 m,表明震源机制以逆冲为主,与前文基于同震形变场推测的断层运动属性相一致;反演给出的矩震级为Mw5.9。基于该反演模型的升轨、降轨形变观测拟合残差均方根(root mean square, RMS)分别为0.39 cm、0.33 cm,总体拟合残差RMS为0.36 cm,小于文献[9, 11]给出的结果。

      将本研究确定的断层参数与已有结果进行比较。断层破裂长度9.12 km与文献[9]给出的10.2 km相近,但小于文献[6, 12]给出的20 km、16 km;顶深、底深介于文献[6, 9, 11-12]的结果之间;走向、倾角与GCMT、文献[6-7, 9, 11-12]的结果相差不大,但与CENC、IGP-CEA、USGS有一定的差异,与文献[8]中的335°、~75°差异较大;滑动角65.66°与GCMT、文献[6, 12]的结果相近,小于CENC、IGP-CEA、USGS、文献[7-8]给出的结果,大于文献[9]给出的47°;矩震级Mw5.9与已有地震学及InSAR反演结果基本一致。与已有研究结果的比较表明,单纯形法在门源地震断层参数非线性反演中是有效的。

    • 在非线性反演确定断层几何的基础上,线性反演断层面上的滑动分布。反演过程中,将断层面沿走向、倾向分别延伸至24 km、18 km,顶深、底深分别为4.78 km、17.05 km,并按1 km×1 km的断层单元进行剖分;基于Okada弹性半空间位错模型模拟地表形变场[26];采用二阶拉普拉斯平滑约束以避免滑动分布解的振荡。断层几何确定后,滑动分布与地表形变呈线性关系,此时待求解的方程为:

      $$ \left[ \begin{array}{c}{d_{\mathrm{obs}}} \\ {0}\end{array}\right]=\left[ \begin{array}{c}{G_{2}} \\ {\kappa^{2} \Delta^{2}}\end{array}\right] m_{2} $$ (2)

      式中,dobs表示同震形变观测值;G2表示格林函数;m2表示滑动分布;κ2表示平滑因子(本研究采用的值为350);Δ2表示二阶拉普拉斯平滑算子。采用非负最小二乘法[19-20]求解式(2),得到较优滑动分布如图 3(a)所示。

      图  3  门源Mw5.9级地震同震滑动及误差

      Figure 3.  Coseismic Slip Distribution and Its Error of Menyuan Mw5.9 Earthquake

      图 3(a)可以看出,门源Mw5.9级地震以逆冲运动为主,与兼具少量走滑分量的逆冲型震源机制相一致;滑动分布主要发生在地下6.14~12.28 km处;最大滑动量约0.5 m,稍大于文献[6]给出的0.45 m;最大滑动量位于地下约9 km处,与文献[6]给出的9.5 km、文献[8]基于地震重定位技术得到的震源深度9.41 km比较接近;平均滑动角为66.85°,与非线性反演给出的65.66°及文献[6]、文献[12]分别给出的65°、68°比较接近;相应的地震矩为1.0×1018 N·m,矩震级为Mw5.94,与非线性反演及已有地震学、InSAR反演结果相当。与已有研究结果的比较表明,非负最小二乘法在门源地震断层滑动分布线性反演中是有效的。

      基于蒙特卡罗方法估计滑动分布的精度(图 3(b)),最大误差为1.4 cm,平均误差为0.5 cm。图 4为滑动分布模型拟合的形变场及拟合残差,虚线表示断层沿上倾方向在地表的投影迹线。结果显示,图 3(a)的滑动分布模型能够较好地解释大部分形变观测。升轨、降轨形变观测拟合残差RMS分别为0.38 cm、0.33 cm,总体拟合残差RMS为0.36 cm。在震中近场及远场区域存在一定的拟合残差,其可能与反演过程中采用的简单断层几何、弹性半空间位错模型、大气相位误差等相关[27]

      图  4  滑动分布模型拟合的形变场及残差

      Figure 4.  Fitted Deformation Fields and Residuals Using Slip Distribution Model

    • 门源Mw5.9级地震发生在青藏高原东北缘祁连山-海原断裂带,区域内发育有多条活动断裂。根据已有的活动构造资料可知,震中南北两侧主要分布有冷龙岭断裂、冷龙岭北侧断裂、民乐-大马营断裂[2, 4-5](图 1)。冷龙岭断裂为岩石圈深大断裂,由多个呈左阶斜列状的子断层组成,总体走向为290°~300°,倾向北东,倾角为50°~60°,全新世以来,以左旋走滑运动为主;冷龙岭北侧断裂倾向南西,以逆冲运动为主,其活动性弱于冷龙岭断裂;民乐-大马营断裂倾向南西,总体走向为120°~130°,倾角沿走向有显著变化,以挤压逆冲为主[1, 3-6, 28]。综合区域断裂的相关研究成果[3-7, 10]及门源Mw5.9级地震断层的反演结果,构建了地震破裂区域断裂带的深部几何形态模型(图 5)。

      图  5  地震破裂区域断裂带的深部几何形态模型示意图

      Figure 5.  Sketch Map of Deep Geometry Model of Regional Fault Zone Around Earthquake Rupture

      图 5可以看出,区域断裂在深度剖面上显示花状构造,与冷龙岭岩石圈深大断裂相伴生;在断裂带的深部,断层面整体倾向南西;门源地震发震破裂是一条没有出露地表、以逆冲运动为主的盲断裂;冷龙岭断裂的倾向自地下至地表发生反转,以左旋走滑为主要运动特征;冷龙岭北侧断裂可能在浅部与冷龙岭断裂相交,也可能与地震盲发震断裂相交后,在较深处与冷龙岭断裂相交[4];民乐-大马营断裂可能在浅部与地震盲发震断裂相交[7],也可能在较深处与冷龙岭断裂相交。

      图 5中的花状构造与已有结论[3-4, 7, 10]整体一致。在文献[3-6]中,门源Mw5.9级地震发震断裂可能是花状构造中的冷龙岭北侧断裂,而文献[7]认为,发震断裂可能是民乐-大马营断裂。本研究给出的模型倾向于发震断裂为花状构造中未出露地表的盲断层,其可能与冷龙岭北侧断裂相交,也可能与民乐-大马营断裂相交,还有可能为一条未知的隐伏断裂。

    • 本研究利用Sentinel-1A卫星升轨、降轨合成孔径雷达影像数据提取了2016年门源Mw5.9级地震的高精度InSAR同震形变场,利用单纯形法和非负最小二乘法反演确定了地震断层几何和滑动分布,进而构建了地震破裂区域断裂带的深部几何形态模型,得出以下结论。

      1) 提取了门源Mw5.9级地震的升轨、降轨InSAR同震形变场,其主要位于冷龙岭断裂北东区域,整体沿北西-南东向延伸,以地表抬升为主,沿升轨、降轨视线向的形变最大值分别为5.3 cm、7.1 cm;地表下降不显著。

      2) 利用单纯形法非线性反演确定了地震断层几何,断层破裂长度为9.12 km,发震断层未延伸至地表,顶深、底深分别为6.40 km、11.64 km;走向、倾角分别为133°、43°,倾向南西。

      3) 利用非负最小二乘法线性反演确定了地震断层滑动分布,其以逆冲运动为主;主要发生在地下6.14~12.28 km处,最大滑动量约0.5 m,平均滑动角为66.85°,地震矩为1.0×1018 N·m,矩震级为Mw5.94;形变观测拟合残差RMS为0.36 cm。

      4) 构建了地震破裂区域断裂带的深部几何形态模型,其以花状构造为特征,整体倾向南西;门源地震发震断裂为花状构造中未出露地表的盲断层。相关成果能够为研究区域地壳运动与变形、活动断裂与地震孕育发生等提供参考。

参考文献 (28)

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