联合光学和雷达遥感数据的2021年玛多MW7.3地震同震形变提取

何 萌 王 鑫 魏久传 傅志豪

1 山东科技大学地球科学与工程学院，青岛市前湾港路579号，266590 2 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京市安宁庄路1号，100085

据中国地震台网中心测定，2021-05-22青海玛多县(34.59°N，98.34°E)发生MW7.3地震。由于震区位于青藏高原腹地，地震监测能力较弱，震中附近GPS台站稀疏，缺乏断层近场数据作为约束，导致USGS、GCMT、GFT等机构反演的震源参数存在较大偏差(表1)。且不同于以往的中强地震多发生于巴颜喀拉块体边缘，玛多地震发生在块体内部，位于东昆仑断裂带和巴颜喀拉-松潘弧形构造带的交会部位[1]。因此，研究玛多MW7.3地震发震断层的几何形态、断层参数及发震构造，对深入探讨该地区断裂的孕震机制及其周边地区地震危险性有着重要的意义。

表1 不同机构反演的玛多MW7.3地震震源参数

通过D-InSAR、LiDAR和GPS等方法可获取高精度、高空间分辨率的地表位移场，同时弥补野外地质调查的时效性缺陷。但这些方法或无法提供地震近场地表形变模式，或缺乏震前数据[2]；而利用高分辨率光学影像可获取水平向地表同震形变场[3-5]。本文利用Landsat-8光学影像和Sentinel-1雷达数据，通过Offset-Tracking和D-InSAR方法提取玛多MW7.3地震震中破裂轨迹及断层几何特征，对此次地震的同震形变场特征、断层参数和运动学特征进行初步分析。

1 数据处理与方法

1.1 光学影像处理

本文利用地震前后的两景Landsat-8光学影像第8波段数据，数据由USGS网站免费提供，参数如表2所示。由于受云雾等天气因素影响，两景影像时间基线为288 d，影像含云量均小于3%。如图1(原始影像)所示，非震中区域地物类型无明显变化，可满足Offset-Tracking处理需求。利用基于ENVI平台开发的COSI-Corr软件，经亚像元匹配获取玛多地震同震位移形变场，并采用均值相减法、多项式拟合模型等方法去除条带、轨道、失相干误差项，最终获取的Landsat-8同震形变场精度为0.75 m。

表2 光学数据参数

图1 玛多MW7.3地震遥感影像概况Fig.1 Remote sensing image of Maduo MW7.3 earthquake

1.2 InSAR数据处理

雷达数据选用欧空局发布的Sentinel-1卫星升降轨宽幅数据，如表3所示。为完整覆盖整个同震形变场，升轨数据(Track-99)采用Sentinel-1A、Sentinel-1B各两景数据同轨拼接而成，时间、空间基线分别为6 d、54 m；降轨数据(Track-106)时间、空间基线分别为12 d、109 m。基于Gamma平台进行D-InSAR处理，获取玛多地震升降轨干涉条纹(图2)，并采用最小费用流方法进行相位解缠[6]。

表3 InSAR数据参数

图2 玛多MW7.3地震干涉条纹Fig.2 Interference fringes of the Maduo MW7.3 earthquake

2 同震形变场分析

2.1 光学同震形变场

通过上述处理可获取玛多地震东西及南北向的光学同震形变场。如图3(a)所示，玛多地震由A-B、B-C、C-D三段地表形变场中的断层破裂迹线组成，其中Landsat-8因受分辨率及数据质量的制约，远场区域存在异常形变，且受鄂陵湖、扎陵湖影响，形变场中存在水体失相干。在地表形变场中，A-B段发震断层迹线整体呈NWW向展布，走向NW79°，该段发震断层长度达46.9 km，断层相对EW方向运动。在鄂陵湖附近存在一个分支断层，走向NW75°，长度达16.7 km，分支断层上下盘均呈向西运动特征，但下盘形变量明显大于上盘，且最大形变量位于主干断层与分支断层交界处，东西向形变量达1.9 m。B-C段断层轨迹整体走向NWW，在1/3处走向由NWW转向NE，发震断层长度达26.4 km。C-D段断裂轨迹连续性好，整体呈NWW向展布，长度达59.2 km，但断层走向较为复杂，经过多次变化，在1/3处走向转为NEE向，延续7.8 km后又转为NWW向并与玛多-甘德断裂相交，之后继续向前延伸。因影像含云量过大，断层末端未获取到光学影像数据。

由于受地形误差的影响，南北向形变场(图3(b))远场方向存在异常形变值，且断层走向均为由南向北运动，在A-B段断层分叉处及C-D段断层末端断层轨迹较为明显。南北向形变场中沿断层破裂轨迹处并未出现明显变形，但东西向形变场中断层上下两盘呈相对EW方向的运动趋势，说明本次地震以左旋走滑性质为主，NS向的形变量很小。

A、B、C、D为断层迹线，L1、L2为选取的形变剖面图3 玛多MW7.3地震光学同震形变场Fig.3 Optical coseismic deformation field of Maduo MW7.3 earthquake

2.2 InSAR同震形变场

由图4可知，玛多地震同震破裂带有2个地表破裂中心，一个位于鄂陵湖附近(97.717°N，34.475°E)，另一个位于震中附近(98.768°N，34.513°E)。此外，可通过干涉条纹确定活动断层迹线位于2条近平行分布的断裂(甘德南缘断裂与玛多-甘德断裂)之间。干涉条纹结果显示，本次地震鄂陵湖、扎陵湖附近存在水体失相干，沿断层剖面处干涉条纹的不连续及破碎重叠现象说明地震造成了地表破碎。因此，单独利用InSAR形变场虽可对本次地震地表变形性质进行定性评估，但无法精细指示地表破裂，且InSAR的LOS向监测特性对南北向形变量不敏感，需要联合光学同震形变结果以提供准确的断层迹线及发震断层性质，用于后续震源参数的反演。

L1、L2为选取的形变剖面图4 玛多MW7.3地震InSAR同震形变场Fig.4 InSAR coseismic deformation field of Maduo MW7.3 earthquake

根据处理后的InSAR同震形变场对本次地震几何形状参数和断层破裂滑动分布进行分析。玛多地震降轨LOS向同震形变场显示，断层北侧抬升，南侧沉降。由SAR侧视成像机理可知，该地震为左旋走滑性质，且断层首末两端存在分支断裂，末端与玛多-甘德断裂及西藏大沟-昌马河断裂相交。形变场中升轨形变位于-0.89～1.11 m范围内，降轨形变位于-1.19～1.06 m范围内。本文获取的InSAR形变场与杨君妍等[7]利用Sentinel-1数据处理得到的结果较一致(升轨0.7～1.10 m，降轨-1.11～1.21 m)，但最大形变量低于Chen等[8]的结果(升轨1.2 m，降轨1.3 m)，略高于华俊等[9]的结果(升轨0.9 m，降轨0.9 m)。

3 断层几何特征分析

从同震形变中心分别沿断层轨迹及垂直断层轨迹方向提取2条形变剖面L1和L2，如图5所示。 L1剖面(图5(a))中，光学形变场在中间山脊区域存在2次跳变，分支断裂南侧形变量明显低于北侧。由于InSAR结果受地震破裂到地表及震中区域相位缠绕的影响，近场区域存在失相干现象，仅在降轨形变场中反映了断层轨迹分支现象且断层边界不明显。L2剖面(图5(b))中，同震形变场显示，光学及InSAR结果中沉降及抬升段均位于北侧、南侧山脊区域，形变中心位于中间的低洼沟谷地区。由此可见，在沉降中心处两侧形变具有相反的运动趋势，二者的同震形变结果与地貌特征相吻合。光学同震形变剖面图中，东西向形变场中主干断裂南侧受地形效应影响在山体处形变值出现波动跳跃现象；对于南北向形变场，由于通过Offset-Tracking方法获取的光学形变场精度为1/20个像素[10]，受Landsat-8影像分辨率限制，在形变量较小时受地形起伏影响更为明显，因此仅利用东西向的形变结果。

下图为DEM地形图图5 视线向同震形变剖面Fig.5 The Coseismic displacement profiles of the deformation fields

本文给出的SAR结果与光学数据提取的同震地表破裂结果一致，均显示玛多地震以左旋滑动为主，走滑分量与昆仑山口-江错断裂机制一致。由SAR和光学同震形变场结果可知，发震断层至少出现3处地表破裂，主体破碎段的第1段为鄂陵湖南段，延伸约46.9 km；第2段为黄河乡段，延伸约26.4 km；第3段从东草阿龙湖延伸至昌麻河乡，全长82.3 km(InSAR形变场显示断层末端破裂轨迹延伸23.1 km)。发震断层轨迹应属于昆仑山口-江错断裂隐伏段，与实地调查分析结果一致[11-12]，C-D段处由于光学同震形变场可揭露地表微小形变，断层连续性较地表实测结果好。在断层起始端及尾端出现2条分支破裂，分支破裂首段位于鄂陵湖，末端位于昌麻河乡，两处断层首段及末端形变量大于破裂中心，这与越靠近末端位移量越小的认识相矛盾[13]。且地表破裂穿过2条先存断层，结合形变场特征，推测地震发生时走滑型破裂面首端及尾端分别受到鄂陵湖及东侧2条断层影响，导致局部受到挤压变形，从而产生2条分支破裂。

4 结 语

本文收集了2021年青海玛多MW7.3地震前后Landsat-8光学影像及Sentinel-1升降轨道数据，通过Offset-Tracking和D-InSAR方法获得地震光学及InSAR同震形变场。结果表明，高分辨率光学同震形变场可在缺乏野外地震调查的情况下弥补InSAR断层近场失相干的缺陷，快速获取断层破裂迹线。光学结果表明，最大东西向水平位移近1.9 m，且清晰揭示了断层左旋走滑活动特征。升降轨InSAR形变场显示，断层最大LOS向形变为-1.19 m，由于同震破裂到达地表断层近场时出现失相干，联合InSAR和光学同震形变场结果可精准定位本次地震的断层破裂迹线，由位于2条近平行断裂——甘德南缘断裂与玛多-甘德断裂之间的一条未知左旋走滑断层形成。本次地震发震断层的走向与震中以西的左旋走滑断层昆仑山口-江错断裂吻合较好，因此可基本确定玛多MW7.3地震的发震构造是昆仑山口-江错断裂的江错段。结合玛多地震区域构造应力场特征认为，印度板块向欧亚板块持续低角度俯冲引起的长期应力积累是造成本次地震发生的主要原因。