留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析

刘洋 许才军 温扬茂 李志才

刘洋, 许才军, 温扬茂, 李志才. 杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
引用本文: 刘洋, 许才军, 温扬茂, 李志才. 杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao, LI Zhicai. InSAR Inversion and Boundary Element Analysis of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake Fault Slip[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
Citation: LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao, LI Zhicai. InSAR Inversion and Boundary Element Analysis of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake Fault Slip[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368

杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析

doi: 10.13203/j.whugis20190368
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 41861134009

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

InSAR Inversion and Boundary Element Analysis of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake Fault Slip

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41874011

The National Natural Science Foundation of China 41774011

The National Natural Science Foundation of China 41861134009

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

  • 摘要: 利用合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术和哨兵1号卫星升轨、降轨合成孔径雷达数据,获取了2016-10-17中国青海杂多Mw 5.9级地震的同震形变场,基于弹性半空间位错理论反演确定了杂多地震断层滑动模型,采用边界元法计算得到了区域应变场作用下震中范围内典型断层的平均滑动角,进而结合区域断裂带特征、杂多地震断层滑动模型和边界元计算结果对地震断层滑动进行了分析。结果表明,杂多地震形变沿升轨、降轨视线向的最大沉降量分别为-3.6 cm、-3.8 cm;地震断层滑动未延伸至地表,主要集中在-3.80~-16.17 km深度范围内,最大值约0.27 m,平均滑动角为-36.04°;地震矩为7.70×1017 N·m,矩震级为Mw 5.9级;杂多Mw 5.9级地震断层滑动可能与区域应变场作用下北东东(north east east, NEE)向断层以左旋走滑为主兼有正断分量的破裂相关。
  • 图  1  杂多Mw 5.9级地震构造背景及InSAR观测范围

    Figure  1.  Tectonic Setting of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake and InSAR Observation Range

    图  2  杂多地震的InSAR同震形变场

    Figure  2.  InSAR Coseismic Deformation Field of the Zadoi Earthquake

    图  3  杂多地震的断层滑动分布模型及其误差

    Figure  3.  Fault Slip Distribution Model of the Zadoi Earthquake and Its Errors

    图  4  模型拟合的形变场及其残差

    Figure  4.  Model Fitting Deformation Field and Its Residuals

    表  1  杂多Mw 5.9级地震的震源参数

    Table  1.   Focal Parameters of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake

    来源 深度/km 节面Ⅰ 节面Ⅱ 震级
    走向/(º) 倾角/(º) 滑动角/(º) 走向/(º) 倾角/(º) 滑动角/(º)
    CENC -9 45 67 -64 174 35 ―136 Mw 5.9
    IGP-CEA 约-5 58 65 -45 171 50 ―146 Ms 6.2
    IEF-CEA -7 63 62 -36 171.8 58.7 ―146.7 Mw 5.9
    USGS -30.5 214 40 -79 20 51 ―99 Mw 5.9
    GCMT -20.9 63 59 -33 171 62 ―145 Mw 6.0
    文献[11] -6 51 69 -40 171 56 ―144 Mw 5.9
    下载: 导出CSV

    表  2  Sentinel-1 SAR数据信息

    Table  2.   Sentinel-1 SAR Data Information

    轨道/升降轨 主/辅影像日期 时间基线/d 空间基线/m
    T070/升轨 2016-09-29/2016-10-23 24 -76
    T077/降轨 2016-09-17/2016-10-17 30 -32
    下载: 导出CSV

    表  3  不同主应变状态下的平均滑动角

    Table  3.   Average Rakes Under Different Principal Strain States

    最大主压/张应变率方位角 SEE向断层平均滑动角/(º) NEE向断层平均滑动角/(º)
    65ºNE/25ºSE 4.16 -53.63
    60ºNE/30ºSE 9.10 -35.83
    55ºNE/35ºSE 14.74 -27.63
    50ºNE/40ºSE 21.63 -23.03
    45ºNE/45ºSE 30.68 -20.06
    40ºNE/50ºSE 43.43 -17.96
    35ºNE/55ºSE 62.17 -16.36
    下载: 导出CSV
  • [1] Hanssen R F. Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis[M]. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2001
    [2] 许才军, 王华, 黄劲松. GPS与InSAR数据融合研究展望[J].武汉大学学报·信息科学版, 2003, 28(S): 58-61 http://ch.whu.edu.cn/article/id/4790

    Xu Caijun, Wang Hua, Huang Jinsong. Prospect on the Intergration of GPS and InSAR Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2003, 28(S): 58-61 http://ch.whu.edu.cn/article/id/4790
    [3] Massonnet D, Rossi M, Carmona C, et al. The Displacement Field of the Landers Earthquake Mapped by Radar Interferometry[J]. Nature, 1993, 364(6 433): 138-142 doi:  10.1038/364138a0
    [4] Weston J, Ferreira A M, Funning G J. Global Compilation of Interferometric Synthetic Aperture Radar Earthquake Source Models: 1. Comparisons with Seismic Catalogs[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2011, 116(B8): B08408 doi:  10.1029/2010JB008132/full
    [5] 温扬茂, 许才军, 刘洋, 等.利用断层自动剖分技术的2008年青海大柴旦Mw 6.3级地震InSAR反演研究[J].武汉大学学报·信息科学版, 2012, 37(4): 458-462 http://ch.whu.edu.cn/article/id/168

    Wen Yangmao, Xu Caijun, Liu Yang, et al. Source Parameters of 2008 Qinghai Dachaidan Mw 6.3 Earthquake from InSAR Inversion and Automated Fault Discretization Method[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2012, 37(4): 458-462 http://ch.whu.edu.cn/article/id/168
    [6] 苏小宁, 王振, 孟国杰, 等. GPS观测的2015年尼泊尔Ms 8.1级地震震前应变积累及同震变形特征[J].科学通报, 2015, 60(22): 2 115-2 123 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kxtb201522007

    Su Xiaoning, Wang Zhen, Meng Guojie, et al. Pre-seismic Strain Accumulation and Coseismic Deformation of the 2015 Nepal Ms 8.1 Earthquake Observed by GPS[J]. China Science Bulletin, 2015, 60(22): 2 115-2 123 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kxtb201522007
    [7] Zhao D, Qu C, Shan X, et al. InSAR and GPS Derived Coseismic Deformation and Fault Model of the 2017 Ms 7.0 Jiuzhaigou Earthquake in the Northeast Bayanhar Block[J]. Tectonophysics, 2018, 726: 86-99 doi:  10.1016/j.tecto.2018.01.026
    [8] 唐哲明, 韩同林.青藏高原地体的初步划分及构造特征简述[J].中国地质科学院院报, 1990, 21: 121-128 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=HY000001800433

    Tang Zheming, Han Tonglin. Structural Features and Tentative Division of the Terranes in Qinghai-Xizang Plateau[J]. Bulletin of the Chinese Academy of Geological Sciences, 1990, 21: 121-128 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=HY000001800433
    [9] 邓起东, 张培震, 冉勇康, 等.中国活动构造基本特征[J].中国科学D辑:地球科学, 2002, 32(12): 1 020-1 031 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200212007

    Deng Qidong, Zhang Peizhen, Ran Yongkang, et al. Basic Characteristics of Active Tectonics of China[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 2002, 32(12): 1 020-1 031 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-cd200212007
    [10] 邓起东, 冉勇康, 杨晓平, 等.中国活动构造图(1:400万)[M].北京:地震出版社, 2007

    Deng Qidong, Ran Yongkang, Yang Xiaoping, et al. Map of Active Tectonics in China (1:4 000 000)[M]. Beijing: Seismological Press, 2007
    [11] 梁姗姗, 刘敬光, 邹立晔, 等. 2016年10月17日青海杂多Ms 6.2地震震源机制解测定[J].国际地震动态, 2017(9): 12-17 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gjdzdt201709004

    Liang Shanshan, Liu Jingguang, Zou Liye, et al. Determination of the Focal Mechanism Solution of the October 17 2016 Ms 6.2 Earthquake in ZadoiQinghai[J].Recent Developments in World Seismology, 2017(9): 12-17 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gjdzdt201709004
    [12] Qiu J, Qiao X. A Study on the Seismogenic Structure of the 2016 Zadoi, Qinghai Ms 6.2 Earthquake Using InSAR Technology[J]. Geodesy and Geodynamics, 2017, 8(5): 342-346 doi:  10.1016/j.geog.2017.04.008
    [13] 陈威, 余鹏飞, 熊维, 等. 2016年杂多Ms 6.2地震的InSAR形变及断层滑动模型[J].大地测量与地球动力学, 2018, 38(7): 738-742 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dkxbydz201807016

    Chen Wei, Yu Pengfei, Xiong Wei, et al. The Fault Slip Distribution of ZadoiMs 6.2 Earthquake as Revealed by Sentinel-1A InSAR Data[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(7): 738-742 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dkxbydz201807016
    [14] Jiang G, Wen Y, Li K, et al. A Ne-Trending Oblique-Slip Fault Responsible for the 2016 ZadoiEarthquake (Qinghai, China) Revealed by InSAR Data[J]. Pure and Applied Geophysics, 2018, 175(12): 4 275-4 288 doi:  10.1007/s00024-018-1948-0
    [15] 姜弘道.弹性力学问题的边界元法[M].北京:中国水利水电出版社, 2008

    Jiang Hongdao. Boundary Element Method for Elastic Problems[M]. Beijing: China Water and Power Press, 2008
    [16] 吴云, 申重阳, 周硕愚, 等.基于边界元的非连续(块体系统)形变反分析法[J].武汉大学学报⋅信息科学版, 2003, 28(3): 345-350 http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/whchkjdxxb200303018

    Wu Yun, Shen Chongyang, Zhou Shuoyu, et al. An Inversion Method of DDA with BEM[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2003, 28(3): 345-350 http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/whchkjdxxb200303018
    [17] Gomberg J, Ellis M. Topography and Tectonics of the Central New Madrid Seismic Zone: Results of Numerical Experiments Using a Three-Dimensional Boundary Element Program[J].Journal of Geophysical Research, 1994, 99(B10): 20 299-20 310 doi:  10.1029/94JB00039
    [18] Werner C, Wegmüller U, Strozzi T, et al. Gamma SAR and Interferometric Processing Software[C]. ERS-ENVISAT Symposium, Gothenburg, Sweden, 2000
    [19] Scheiber R, Moreira A. Coregistration of Interferometric SAR Images Using Spectral Diversity[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2000, 38(5): 2 179-2 191 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=ac77a6298bca27285edc53b9b2385580
    [20] Farr T G, Rosen P A, Caro E, et al. The Shuttle Radar Topography Mission[J].Reviews of Geophysics, 2007, 45: RG2004 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=10.1029/2005RG000183
    [21] Goldstein R M, Werner C L. Radar Interferogram Filtering for Geophysical Applications[J]. Geophysical Research Letters, 1998, 25(21): 4 035-4 038 doi:  10.1029/1998GL900033
    [22] Goldstein R, Zebker H, Werner C. Satellite Radar Interferometry: Two-Dimensional Phase Unwrapping[J]. Radio Science, 1988, 23(4): 713-720 doi:  10.1029/RS023i004p00713
    [23] Yu C, Penna N T, Li Z. Generation of Real-Time Mode High Resolution Water Vapor Fields from GPS Observations[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2017, 122(3): 2 008-2 025 doi:  10.1002/2016JD025753
    [24] Parsons B, Wright T, Rowe P, et al. The 1994 Sefidabeh (Eastern Iran) Earthquakes Revisited: New Evidence from Satellite Radar Interferometry and Carbonate Dating About the Growth of an Active Fold Above a Blind Thrust Fault[J]. Geophysical Journal International, 2006, 164: 202-217 http://gji.oxfordjournals.org/content/164/1/202.abstract
    [25] Jónsson S, Zebker H, Segall P, et al. Fault Slip Distribution of the 1999 Mw 7.1 Hector Mine, California, Earthquake, Estimated from Satellite Radar and GPS Measurements[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2002, 92(4):1 377-1 389 doi:  10.1785/0120000922
    [26] Liu Y, Xu C, Wen Y, et al. Fault Rupture Model of the 2008 Dangxiong (Tibet, China) Mw 6.3 Earthquake from Envisat and ALOS Data[J]. Advances in Space Research, 2012, 50(7): 952-962 doi:  10.1016/j.asr.2012.06.006
    [27] Okada Y. Surface Deformation Due to Shear and Tensile Faults in a Half-Space[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1985, 75(4): 1 135-1 154 http://gji.oxfordjournals.org/cgi/ijlink?linkType=ABST&journalCode=ssabull&resid=75/4/1135
    [28] 刘洋, 许才军, 温扬茂, 等. 2008年大柴旦Mw 6.3级地震的InSAR同震形变观测及断层参数反演[J].测绘学报, 2015, 44(11): 1 202-1 209 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb201511006

    Liu Yang, Xu Caijun, Wen Yangmao, et al. The InSAR Coseismic Deformation Observations and Fault Parameter Inversion of the 2008 Dachaidan Mw 6.3 Earthquake[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(11): 1 202-1 209 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb201511006
    [29] 王乐洋, 赵雄, 高华.大地测量地震断层同震滑动分布反演的两步解法[J].武汉大学学报·信息科学版, 2019, 44(9): 1 265-1 273 doi:  10.13203/j.whugis20170382

    Wang Leyang, Zhao Xiong, Gao Hua. A Two-Step Solution Method for the Co-seismic Slip Distribution Inversion of Earthquake Faults in Geodesy[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(9): 1 265-1 273 doi:  10.13203/j.whugis20170382
    [30] 李延兴, 杨国华, 李智, 等.中国大陆活动地块的运动与应变状态[J].中国科学D辑:地球科学, 2003, 33(s1): 65-81 http://www.cqvip.com/QK/98491X/2003B04/7697461.html

    Li Yanxing, Yang Guohua, Li Zhi, et al. Movement and Strain Conditions of Active Blocks in the Chinese Mainland[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 2003, 33(s1): 65-81 http://www.cqvip.com/QK/98491X/2003B04/7697461.html
    [31] 吴中海, 周春景, 冯卉, 等.青海玉树地区活动断裂与地震[J].地质通报, 2014, 33(4): 419-469 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgqydz201404003

    Wu Zhonghai, Zhou Chunjing, Feng Hui, et al. Active Faults and Earthquake Around Yushu in Eastern Tibetan Plateau[J]. Geological Bulletin of China, 2014, 33(4): 419-469 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgqydz201404003
  • [1] 李振洪, 韩炳权, 刘振江, 张苗苗, 余琛, 陈博, 刘海辉, 杜静, 张双成, 朱武, 张勤, 彭建兵.  InSAR数据约束下2016年和2022年青海门源地震震源参数及其滑动分布 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 887-897. doi: 10.13203/j.whugis20220037
    [2] 任开瑀, 姚鑫, 周振凯, 赵小铭, 李凌婧.  结合InSAR与离散元模拟的岩湾山体变形破坏趋势研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(10): 1589-1597. doi: 10.13203/j.whugis20200474
    [3] 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 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(7): 1035-1042. doi: 10.13203/j.whugis20190069
    [4] 张庆云, 李永生, 罗毅, 张景发, 杨建钦.  2016年意大利阿马特里切Mw 6.2地震震源机制InSAR反演 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(1): 118-124. doi: 10.13203/j.whugis20170252
    [5] 温扬茂, 冯怡婷.  地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
    [6] 李水平, 王琪, 陈刚, 乔学军, 杨少敏, 何平, 陈超.  尼泊尔Mw 7.9级地震同震垂直位移与断层运动模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(10): 1489-1496. doi: 10.13203/j.whugis20160057
    [7] 许才军, 邓长勇, 周力璇.  利用方差分量估计的地震同震滑动分布反演 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(1): 37-44. doi: 10.13203/j.whugis20150500
    [8] 李志才, 张鹏, 温扬茂, 廖瑛.  利用GPS和海底基准点观测形变反演日本大地震(Mw 9.0)同震断层滑动分布 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(1): 40-43.
    [9] 许才军, 何平, 温扬茂, 张磊.  日本2011 Tohoku-Oki Mw 9.0级地震的同震形变及其滑动分布反演:GPS和InSAR约束 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(12): 1387-1391.
    [10] 温扬茂, 许才军, 刘洋, 何平.  利用断层自动剖分技术的2008年青海大柴旦Mw6.3级地震InSAR反演研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(4): 458-462.
    [11] 许才军, 江国焰, 王浩, 温扬茂.  基于GIS的InSAR结果分析方法及在汶川Mw7.9级地震同震解释中的应用 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(4): 379-383.
    [12] 许才军, 王乐洋.  大地测量和地震数据联合反演地震震源破裂过程研究进展 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(4): 457-462.
    [13] 温扬茂, 许才军.  基于敏感度的迭代拟合法反演玛尼Ms7.9级地震滑动分布 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(6): 732-735.
    [14] 李志才, 许才军, 张鹏, 温扬茂.  基于地壳分层的地震断层同震变形反演分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(3): 229-232.
    [15] 许小兰, 李斐.  InSAR及其差分技术在仲巴地震中的应用 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(7): 727-729.
    [16] 许才军, 温扬茂.  基于InSAR数据的西藏玛尼Ms7.9级地震的地壳不均匀性研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(8): 846-849.
    [17] 刘国林, 郝晓光, 薛怀平, 独知行.  影响InSAR测高精度因素的相关性分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2007, 32(1): 55-58.
    [18] 李振洪, 刘经南, 许才军.  InSAR数据处理中的误差分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(1): 72-76.
    [19] 许才军, 王华.  InSAR相位解缠算法比较及误差分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(1): 67-71.
    [20] 杜继亮, 许才军, 李志才.  喜马拉雅块体现今运动学特征的地震矩张量反演分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(3): 261-264.
  • 加载中
图(4) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  625
  • HTML全文浏览量:  111
  • PDF下载量:  148
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-15
  • 刊出日期:  2020-11-19

杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析

doi: 10.13203/j.whugis20190368
    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 41861134009

    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

摘要: 利用合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术和哨兵1号卫星升轨、降轨合成孔径雷达数据,获取了2016-10-17中国青海杂多Mw 5.9级地震的同震形变场,基于弹性半空间位错理论反演确定了杂多地震断层滑动模型,采用边界元法计算得到了区域应变场作用下震中范围内典型断层的平均滑动角,进而结合区域断裂带特征、杂多地震断层滑动模型和边界元计算结果对地震断层滑动进行了分析。结果表明,杂多地震形变沿升轨、降轨视线向的最大沉降量分别为-3.6 cm、-3.8 cm;地震断层滑动未延伸至地表,主要集中在-3.80~-16.17 km深度范围内,最大值约0.27 m,平均滑动角为-36.04°;地震矩为7.70×1017 N·m,矩震级为Mw 5.9级;杂多Mw 5.9级地震断层滑动可能与区域应变场作用下北东东(north east east, NEE)向断层以左旋走滑为主兼有正断分量的破裂相关。

English Abstract

刘洋, 许才军, 温扬茂, 李志才. 杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
引用本文: 刘洋, 许才军, 温扬茂, 李志才. 杂多Mw 5.9级地震断层滑动的InSAR反演及边界元分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao, LI Zhicai. InSAR Inversion and Boundary Element Analysis of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake Fault Slip[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
Citation: LIU Yang, XU Caijun, WEN Yangmao, LI Zhicai. InSAR Inversion and Boundary Element Analysis of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake Fault Slip[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1678-1686. doi: 10.13203/j.whugis20190368
  • 合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术利用两次或多次合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)重复观测中的相位信息提取地表地形和形变信息,其对卫星视线向(line of sight,LOS)形变比较敏感,具有全天候、大面积、无人值守等优势[1-2]。自成功监测1992年美国加利福尼亚州兰德斯Ms 7.2级地震同震形变[3]以来,相关学者利用InSAR技术获得了全球范围内若干地震事件的精度达毫米或厘米级、空间分辨率达几米或几十米的同震形变,反演确定了精细的地震断层滑动模型,显著推动了地震机理等研究[4-7]

    北京时间2016-10-17T15:14,位于青藏高原中部羌塘块体的中国青海省杂多县发生Mw 5.9级地震(见图 1)。青藏高原由多个次级块体组成,其地壳运动以东西向水平、垂向隆升为主,沿块体边界发育大型走滑断裂带。羌塘块体内部发育有近北东(north east,NE)、北西(north west,NW)向共轭剪切断裂及其控制的地堑盆地[8-10]。杂多Mw 5.9级地震震中位于近南东东(south east east,SEE)向莫云-结多断裂带、近北东东(north east east,NEE)向杂多-上拉秀断裂带的交汇部位。地震发生后,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)、中国地震局地震预测研究所(Institute of Earthquake Forecasting,China Earthquake Administration,IEF-CEA)、美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)和全球矩心矩张量(Global Centroid Moment Tensor,GCMT)目录等发布了震源机制解(见表 1)。相关研究利用地震波形、InSAR数据等进一步提取了该地震的震源机制解、破裂断层几何及其滑动分布[11-14]。利用宽频带波形、区域活动断裂及余震分布数据等,文献[11]采用通用剪切-粘贴(generalized cut and paste,gCAP)方法提取了杂多Mw 5.9级地震震源机制解,断层走向、倾角及滑动角分别为51º、69º及-40º;利用升轨InSAR数据等,文献[12]采用Levemberg-Marquardt法、最速下降法提取了破裂断层几何及滑动分布,断层走向、倾角及平均滑动角分别为72º、65º、-60º,最大滑动量为0.17 m;利用与文献[12]相近的数据,文献[13]首先确定断层走向为58º,进而采用尝试法、最速下降法确定断层倾角、平均滑动角分别为60º、-71.6º,最大滑动量为0.17 m;利用升轨、降轨InSAR数据等,文献[14]采用多峰值颗粒群优化法、有界变量最小二乘法确定的断层走向、倾角及平均滑动角分别为约61º、75º、-39º,最大滑动量为约0.31 m,大于文献[12-13]给出的0.17 m。可以看出,不同研究结果间差别比较大的参数是断层滑动角、最大滑动量。因此,本文将对杂多地震的断层滑动模型作进一步研究,为理解该地震的破裂属性等提供参考。

    图  1  杂多Mw 5.9级地震构造背景及InSAR观测范围

    Figure 1.  Tectonic Setting of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake and InSAR Observation Range

    表 1  杂多Mw 5.9级地震的震源参数

    Table 1.  Focal Parameters of the Zadoi Mw 5.9 Earthquake

    来源 深度/km 节面Ⅰ 节面Ⅱ 震级
    走向/(º) 倾角/(º) 滑动角/(º) 走向/(º) 倾角/(º) 滑动角/(º)
    CENC -9 45 67 -64 174 35 ―136 Mw 5.9
    IGP-CEA 约-5 58 65 -45 171 50 ―146 Ms 6.2
    IEF-CEA -7 63 62 -36 171.8 58.7 ―146.7 Mw 5.9
    USGS -30.5 214 40 -79 20 51 ―99 Mw 5.9
    GCMT -20.9 63 59 -33 171 62 ―145 Mw 6.0
    文献[11] -6 51 69 -40 171 56 ―144 Mw 5.9

    杂多Mw 5.9级地震震区海拔较高,地势起伏较大,目前对震中区域活动构造特征的研究相对较少。杂多Mw 5.9级地震的发生为深化对区域断裂带运动特征的认识提供了机会。综合地震序列特征及区域地质构造等资料,文献[11]认为杂多Mw 5.9级地震断层滑动可能与杂多-上拉秀断裂发生破裂相关,文献[14]给出了类似的结论。文献[12-14]认为该地震的发生与羌塘块体所处的构造环境相关,其断层滑动类型是羌塘块体内地震破裂的典型特征。可以看出,相关研究主要对该地震的断层滑动进行了定性解释,尚缺少计算分析。因此,有必要采用数值方法定量研究震中范围内典型断层的滑动特征,以弥补已有研究仅利用地震序列特征及区域地质构造等对地震断层滑动进行定性解释的不足。边界元法仅对研究区域的边界划分单元,以定义在边界上的边界积分方程为控制方程,并化为代数方程组进行求解[15]。该方法具有单元个数少、计算方便等优点,已在地壳形变及构造演化研究中得到应用[16-17]。本文采用该方法对杂多地震断层滑动进行边界元计算分析。

    本文利用InSAR技术和哨兵1号(Sentinel-1)卫星升轨、降轨SAR数据提取了2016年青海杂多Mw 5.9级地震的同震形变场,基于弹性半空间位错理论和非负最小二乘法[6]反演确定了杂多地震断层滑动模型。相比于已有研究采用的最速下降法[12-13]、有界变量最小二乘法[14]等优化算法,非负最小二乘法具有操作简便、计算量小等优点。进一步地,采用边界元法计算得到了区域应变场作用下震中范围内典型断层的平均滑动角,进而结合区域断裂带特征、杂多地震断层滑动模型和边界元计算结果对杂多地震断层滑动进行了分析。

    • 杂多Mw 5.9级地震发生于近SEE走向的莫云-结多断裂带、近NEE走向的杂多-上拉秀断裂带的交汇部位,震中距离2010年玉树Ms 7.1级地震震中、杂多县城分别约160 km、35 km。截至2016-10-24T12:00,共记录到余震829次,其中,最大余震为Ms 4.2级[11]。震源机制解显示杂多地震是一次兼有走滑、正断破裂的事件,其中,震源深度为约-5~-30.5 km,节面Ⅰ的滑动角为-33º~-79º(见表 1)。

      杂多地震震区海拔约4 700 m,人类活动较少,野外调查和观测相对困难,全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)点位稀疏,最近的GNSS点位距离震中约50 km。地震发生前后,Sentinel-1卫星对震中区域进行了具有不同方位向(azimuth,AZI)的升轨、降轨观测,获得了干涉宽幅模式下的SAR影像数据,较好地覆盖了震中区域(见图 1)。基于时空基线准则,本文选取了2景轨道号070、升轨(Track 070 and ascending,T070A)和2景轨道号077、降轨(Track 077 and descending,T077D)影像数据来提取杂多地震的同震形变场,时间基线分别为24 d、30 d,空间基线分别为-76 m、-32 m(见表 2),合理的时空基线能够有效降低时空去相干对干涉形变场提取的影响。

      表 2  Sentinel-1 SAR数据信息

      Table 2.  Sentinel-1 SAR Data Information

      轨道/升降轨 主/辅影像日期 时间基线/d 空间基线/m
      T070/升轨 2016-09-29/2016-10-23 24 -76
      T077/降轨 2016-09-17/2016-10-17 30 -32
    • 采用GAMMA软件[18]中的二轨法差分干涉测量技术进行数据处理。其中,采用考虑地形影响的重采样技术、顾及重叠Burst区相位差的谱分离方法[19]进行影像配准,采用Sentinel-1卫星的精密轨道和美国航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)发布的30 m分辨率数字高程模型[20]估计并去除地形相位,采用基于能量谱的局部自适应滤波技术[21]对干涉图进行滤波并采用枝切法[22]进行相位解缠,将解缠相位地理编码至WGS84坐标系。同时,采用通用大气校正在线服务(generic atmospheric correction online service,GACOS)平台[23]提供的InSAR大气改正数据校正大气相位,最后获得覆盖杂多Mw 5.9级地震震中区的InSAR同震形变场(见图 2)。图 2中,正值、负值分别表示沿LOS向靠近、远离卫星。

      图  2  杂多地震的InSAR同震形变场

      Figure 2.  InSAR Coseismic Deformation Field of the Zadoi Earthquake

      图 2中可以看出,升轨、降轨InSAR同震形变场整体上连续光滑,震中区域局部地表形变特征清晰,可推测地震破裂断层未延伸至地表;升轨、降轨同震形变场沿LOS向的最大沉降量分别为-3.6 cm、-3.8 cm;地震断层两侧的形变呈不对称分布。采用一维(1 dimension,1D)协方差函数[24]估计升轨、降轨同震形变场的误差特征,二者的标准差分别为4.3 mm、3.4 mm。

    • 地震断层滑动模型反演前,本文采用四叉树采样算法[25-26]图 2中的InSAR形变场进行降采样,处理后用于后续反演的升轨、降轨数据分别有669、615个。根据已有研究结果、InSAR形变场分布特征及不同几何模型下的反演测试,本文采用单断层几何模型模拟地表形变场,其地表中心点位置为(94.80ºE,32.87ºN),走向、倾角分别为64.74º、72º。断层倾角对滑动分布反演具有较大影响,本文确定断层倾角时主要考虑以下因素:(1)利用青海、西藏固定台站的宽频带波形数据、区域活动断裂及余震分布数据等,文献[11]采用gCAP方法反演确定的断层倾角为69º。由于采用了近震观测数据,其反演结果更为可靠;(2)联合升轨、降轨形变观测数据等,文献[14]反演确定的断层倾角为75º。由于同时采用了不同视角的观测数据,其对断层倾角有更好的约束;(3)结合文献[11, 14]的地震学、大地测量学反演结果,本文取二者的平均值(72º)作为滑动分布反演时的断层倾角。基于该倾角大小的断层几何模型,本文确定的断层滑动模型能够较好地拟合观测到的升轨、降轨形变场,且拟合残差均方根与相应观测值的标准差相近(见§2.2);(4)参考已有研究结果,本文对倾角变化范围为50º~80º的断层几何模型进行了反演测试,发现采用其他倾角大小的断层几何模型并不能显著改善对观测值的拟合。

      在固定断层位置、走向及倾角的基础上,将断层面长宽均设置为24 km,并将其划分为1 km ×1 km的子断层。采用Okada弹性半空间位错理论[27]计算断层位错产生的地表形变场,其表达式可写为:

      $$ d=Gs $$ (1)

      式中,d为地表形变;G为将滑动分布s与地表形变d联系起来的格林函数,根据位错理论求取。为了避免相邻断层单元滑动分布解的振荡,附加二阶拉普拉斯平滑约束条件$Δ^2$[28]。由此,式(1)可写为:

      $$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} d\\ 0 \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} G\\ {{\kappa ^2}{\Delta ^2}} \end{array}} \right]s $$ (2)

      式中,$κ^2$为平滑因子,通过观测数据拟合残差与滑动模型粗糙度之间的折衷曲线确定,本文选取的值为350。为了顾及升轨、降轨形变场中残余轨道相位的影响,在反演模型中分别加入一次线性函数以降低其对滑动分布解的影响。由此,根据同震地表形变观测,采用非负最小二乘法[6]线性反演求取断层滑动模型。

    • 图 3(a)为反演得到的断层滑动分布模型。可以看出,杂多Mw 5.9级地震断层滑动未延伸至地表,主要集中在-3.80~-16.17 km深度范围内,存在一个显著滑动区域;断层滑动最大值约0.27 m,位于-7.61~-8.56 km深度范围内;平均滑动角为-36.04º。依据该滑动分布模型计算得到的地震矩为7.70×1017 N·m,相应的矩震级为Mw 5.9,与CENC、IEF-CEA、USGS及文献[11-14]等基于地震波或InSAR数据确定的矩震级相当,小于GCMT给出的Mw 6.0。

      图  3  杂多地震的断层滑动分布模型及其误差

      Figure 3.  Fault Slip Distribution Model of the Zadoi Earthquake and Its Errors

      将本文给出的断层滑动模型与已有的研究结果进行比较。滑动区域主要集中在-3.80 ~ -16.17 km深度范围内,介于文献[12-14]给出的-3.63 ~ -17.22 km、-3.46 ~-17.32 km、-2.90~-18.35 km之间。最大滑动量约0.27 m,大于文献[12-13]给出的0.17 m,而小于文献[14]给出的约0.31 m,可能与反演过程中采用的数据源、反演方法、正则化约束方式等不同相关[28-29]。最大滑动量所处的深度范围为-7.61 ~ -8.56 km,浅于文献[12-14]分别给出的-10.88 km、-9 km、约-10 km。平均滑动角为-36.04º,与IEF-CEA给出的-36º基本一致,大于GCMT给出的-33º,小于IGP-CEA、文献[11]、文献[14]给出的-45º、-40º、-39º,而与CENC、USGS、文献[12]、文献[13]给出的-64º、-79º、-60º、-71.6º差异较大。上述比较表明,本文结果与已有研究结果整体上相一致,表明本文确定断层滑动模型的方法和结果具有合理性。

      图 3(b)为利用蒙特卡罗方法估计得到的断层滑动分布误差,其最大值为1.6 cm,平均值为0.5 cm,表明图 3(a)中的断层滑动分布模型具有一定的可靠性。图 4给出了模型正演计算得到的拟合形变场及其残差,升轨、降轨拟合形变场与图 2中的观测值整体上比较一致,表明断层滑动分布模型能够较好地解释同震形变观测值。在地震断层区域及远场区域仍存在一定的拟合残差,其可能与断层几何模型简化、余震形变及大气相位误差等相关。升轨、降轨形变场的拟合残差均方根分别为4.4 mm、3.7 mm,其大小与相应观测值的标准差4.3 mm、3.4 mm相近。

      图  4  模型拟合的形变场及其残差

      Figure 4.  Model Fitting Deformation Field and Its Residuals

    • 本文采用边界元法[17]计算在区域应变场作用下杂多Mw 5.9级地震震中范围内典型断层的平均滑动角,进而对杂多地震断层滑动进行分析,以弥补已有研究仅利用地震序列特征及区域地质构造等进行定性解释的不足。在实际计算过程中,本文根据胡克定律将区域应变场转换为区域应力场。

      将区域内的断层离散化为J个断层边界元,区域内存在应力场,当边界条件为应力大小时,则边界元上待求解的方程[17]为:

      $$ \tau _{bc}^s\left( {{x_i}, {y_i}, {z_i}} \right) = \mathop \sum \limits_{j = 1}^J \left( {G_{ij}^{ss}s_j^s + G_{ij}^{sd}s_j^d + G_{ij}^{sn}s_j^n} \right) + \tau _{bg}^s $$ (3)
      $$ \tau _{bc}^d\left( {{x_i}, {y_i}, {z_i}} \right) = \mathop \sum \limits_{j = 1}^J \left( {G_{ij}^{ds}s_j^s + G_{ij}^{dd}s_j^d + G_{ij}^{dn}s_j^n} \right) + \tau _{bg}^d $$ (4)
      $$ \tau _{bc}^n\left( {{x_i}, {y_i}, {z_i}} \right) = \mathop \sum \limits_{j = 1}^J \left( {G_{ij}^{ns}s_j^s + G_{ij}^{nd}s_j^d + G_{ij}^{nn}s_j^n} \right) + \tau _{bg}^n $$ (5)

      其中,$\tau_{bc}^s$、$\tau_{bc}^d$和$\tau _{bc}^n$为第i个边界元($x_i, y_i, z_i$)上沿走向(s)、倾向(d)及法向(n)的应力边界条件;$s_j^s$、$s_j^d$和$s_j^n$为第j个边界元上沿走向、倾向及法向的滑动;$G_{ij}^{ss}、G_{ij}^{sd}、G_{ij}^{sn}、G_{ij}^{ds}、G_{ij}^{dd}、G_{ij}^{dn}、G_{ij}^{ns}、G_{ij}^{nd}$和$G_{ij}^{nn}$为将第j个边界元上的滑动与第i个边界元上的应力边界条件联系起来的格林函数;$\tau _{bg}^s$、$\tau _{bg}^d$和$\tau _{bg}^n$为第i个边界元上沿走向、倾向及法向的区域应力场。进一步地,式(3)~(5)可写为:

      $$ {\tau _{bc}} = G's' + {\tau _{bg}} $$ (6)

      其中,$τ_{bc}$为边界元上的应力边界条件;G'为将边界元上滑动s'与应力边界条件联系起来的格林函数;$τ_{bg}$为区域应力场。若已知应力边界条件和区域应力场,则可以根据式(6)求出断层边界元上的滑动,进而可计算相应的平均滑动角。需要指出的是,本文中仅估计沿走向和倾向的滑动。

      顾及杂多地震震中范围内典型断层的几何特征,本文采用SEE、NEE向断层进行边界元计算分析,其中,SEE向断层的走向、倾角根据区域内莫云-结多断裂带的平均走向、倾角[9-10]设置为120º、65º,长度、宽度分别设置为84 km、24 km;NEE向断层的走向、倾角与杂多地震断层滑动模型反演时采用的64.74º、72º相一致,长度、宽度均设置为24 km。区域应力场根据区域应变场确定,计算中地壳的杨氏模量、泊松比分别取7.0×1010 Pa、0.25。根据文献[30],采用的区域最大主压应变率为-14.29×10-9/a,最大主张应变率为21.13×10-9/a,二者的方位角见表 3。本文主要分析区域应变场作用下断层的平均滑动角,故采用应变率场和应变场得到的结果相一致。

      表 3  不同主应变状态下的平均滑动角

      Table 3.  Average Rakes Under Different Principal Strain States

      最大主压/张应变率方位角 SEE向断层平均滑动角/(º) NEE向断层平均滑动角/(º)
      65ºNE/25ºSE 4.16 -53.63
      60ºNE/30ºSE 9.10 -35.83
      55ºNE/35ºSE 14.74 -27.63
      50ºNE/40ºSE 21.63 -23.03
      45ºNE/45ºSE 30.68 -20.06
      40ºNE/50ºSE 43.43 -17.96
      35ºNE/55ºSE 62.17 -16.36

      表 3给出了不同主应变状态下SEE、NEE向断层的平均滑动角。可以看出,随着最大主压应变率的方位角由35ºNE变化到65ºNE、最大主张应变率的方位角由55ºSE变化到25ºSE,SEE向断层的平均滑动角变化范围大于NEE向断层;当最大主压应变率、最大主张应变率的方位角分别为45ºNE~60ºNE、45ºSE~30ºSE时,SEE向断层以左旋走滑为主兼有逆冲分量,平均滑动角为30.68º~9.10º,而NEE向断层以左旋走滑为主兼有正断分量,平均滑动角为-20.06º~-35.83º。

      杂多Mw 5.9级地震震中范围内的莫云-结多断裂带走向约120º,倾角约65º,其滑动属性以左旋走滑为主兼有逆冲分量[9-10, 14, 31]。杂多地震发震断层走向64.74º,倾角72º,地震滑动以左旋走滑为主兼有正断分量,平均滑动角为-36.04º。二者的走向、倾角参数与本文边界元计算中采用的SEE、NEE向断层几何相一致。将二者的滑动属性与表 3中的边界元计算结果进行比较,可以发现二者的滑动属性与最大主压应变率、最大主张应变率的方位角分别为45ºNE~60ºNE、45ºSE~30ºSE时SEE、NEE向断层的滑动特征基本一致。由此,根据杂多地震震中区域的断裂带特征、杂多地震断层滑动模型及边界元计算结果,本文认为杂多Mw 5.9级地震断层滑动可能与区域应变场(最大主压应变、最大主张应变方向分别约为45ºNE~60ºNE、45ºSE~30ºSE)作用下NEE向断层以左旋走滑为主兼有正断分量的破裂相关。

    • 基于Sentinel-1卫星升轨、降轨SAR数据,本文利用InSAR技术获取了2016-10-17青海杂多Mw 5.9级地震的同震形变场,升轨、降轨InSAR同震形变场整体上连续光滑,震中区域的局部地表形变特征清晰,沿LOS向的最大沉降量分别为-3.6 cm、-3.8 cm;地震断层两侧的形变呈不对称分布。

      基于弹性半空间位错理论反演确定了杂多地震断层滑动模型,断层滑动未延伸至地表,主要集中在-3.80~-16.17 km深度范围内,存在一个显著滑动区域;断层滑动最大值约0.27 m,位于-7.61~-8.56 km深度范围内;平均滑动角为-36.04º;地震矩为7.70×1017 N·m,相应的矩震级为Mw 5.9。

      采用边界元法计算得到了区域应变场作用下杂多Mw 5.9级地震震中范围内典型断层的平均滑动角,结果表明,杂多Mw 5.9级地震断层滑动可能与区域应变场(最大主压应变、最大主张应变方向分别约45ºNE~60ºNE、45ºSE~30ºSE)作用下NEE向断层以左旋走滑为主兼有正断分量的破裂相关。

参考文献 (31)

目录

    /

    返回文章
    返回