2021年漾濞MW6.1地震同震形变提取与断层源模型反演研究

熊凌艳 杨莹辉 谷延超 吴少杰 陈 静 杨 超 黄 俊

1 西南石油大学土木工程与测绘学院，成都市新都大道8号，610500 2 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都市二仙桥东三路1号，610059 3 西南石油大学地球科学与技术学院，成都市新都大道8号，610500

2021-05-21云南省大理市漾濞县发生MS6.4地震(99.87°E，25.67°N)，震源深度为8 km。USGS给出的震源机制解显示，此次漾濞地震震级为MW6.1，最佳震源机制解为走向135°、倾角82°、滑动角-165°。漾濞地震震中位于云南省西北部，区域内主要发育有红河断裂带和维西-巍山断裂带，其中红河断裂带斜穿云南省，走向为NW，全长约1 000 km，新构造运动时期以来，红河断裂带先为左旋走滑运动，后转为右旋走滑运动[1]。维西-巍山断裂带东邻红河断裂带，走向为NW，北起维西，向南依次经过河西、通甸、乔后、炼铁、太邑、马鞍山、巍山，全长超过600 km，以右旋走滑为主，兼正断特征。震源机制解结果表明，漾濞地震的发震断层呈NW-SE向右旋走滑特征，可能是由维西-巍山断裂带或川滇块体边界其他分支断裂活动所致。

漾濞地震发生后，许多学者对地震的同震形变[2]、震源机制、地震序列[3]、地震几何参数[4-5]及地震构造背景[6]等进行研究。研究人员利用欧空局Sentinel-1卫星在降轨模式下快速观测获得的漾濞地震震后SAR数据，结合震前数据提取地震的同震地表形变场，为同震位置探测、震源机制反演和地质灾害评估等提供数据基础。为进一步加深对地震同震地表形变和发震机理的认知，本文收集覆盖震中区域的升降轨SAR数据及高精度DEM数据，通过D-InSAR技术，精确提取地震的同震形变场，在弹性半空间位错理论的框架下，运用模拟退火算法进行断层几何参数搜优，并在升降轨InSAR形变约束下反演此次地震的断层滑动模型，精确揭示孕震断层的破裂模式，为区域地震及地质灾害的风险评估提供科学依据。

1 漾濞地震InSAR形变提取与分析

本文收集2021-05-21漾濞地震前后Sentinel-1卫星观测的震区升、降轨SAR数据(表1和图1)，分别为2021-05-20和2021-06-01的升轨影像及2021-05-10和2021-05-22的降轨影像，时间基线均为12 d。使用ISCE InSAR数据处理软件对跨越地震形变期的2幅影像数据对进行干涉处理，得到的干涉相位包括参考椭球面相位Φref、地形相位Φtop和形变相位Φdef[7]。选用90 m分辨率的SRTM-DEM数据和哨兵卫星精密轨道数据，利用二轨法去除地形相位和参考椭球相位[8]。使用Goldstein滤波提高干涉条纹的清晰度，减少由空间基线或时间基线引起的失相干噪声，并利用最小费用流算法对干涉图像进行相位解缠处理[9]，最终获得此次地震的升降轨InSAR同震形变场(图2)。本文基于GACOS(generic atmospheric correction online service for InSAR)提供的高分辨率对流层延迟数据对InSAR干涉结果进行大气相位校正[10]：对数据进行插值并编码，将其从地理坐标系转换到雷达坐标系下。该方法在去除大气延迟相位方面有较好的效果，可有效避免大气误差对后续反演的影响。

图1 研究区域地质构造

表1 漾濞地震SAR影像参数

图2 升降轨InSAR同震形变场

由图2可见，升轨InSAR形变在东西两侧较为一致，最大形变量均为6.0 cm；降轨InSAR形变在近断层区域相干性较差，最大形变量约为7.9 cm。从升轨InSAR形变来看，东西两侧形变场的分界近NS向分布，且两侧的形变场近似呈三角形，远离LOS向一侧的形变中心相干性较差，形变结果不连续。根据形变场的分布推测，此次地震的发震断层是一条靠近维西-巍山断裂带的高倾角近NS向断层。降轨InSAR形变在东西两侧均呈椭圆形对称分布，形变结果的相干性较好，形变场连续，仅在近断层区域存在小范围失相干现象。断层东侧靠近LOS向的形变量级显著大于西侧，且距离发震断层最近的维西-巍山断裂带倾向为NE，故推断此断层应向NE向倾斜。由于高倾角断层多以走滑特征为主，故推测此次地震的发震断层具有高倾角且以右旋走滑为主。

由图2可见，升轨与降轨的形变结果分布明显不一致。由于降轨的干涉相干性较好，因此以降轨结果作为断层划分依据，推测地震的发震断层(图2中黑色虚线)。由图可见，升轨InSAR形变结果中靠近LOS向的西侧与该断层走向吻合。作发震断层的垂直剖面线(图2中黑色实线)，剖面结果见图3，图中红色虚线为断层所在位置。由图可见，形变场东西向宽约20 km，断层西侧宽约12 km，东侧宽约8 km。以剖面线为界，升轨形变场在断层西侧部分剖面以北表现为靠近LOS向运动，剖面以南表现为远离LOS向运动；断层东侧部分则全部表现为远离LOS向运动。

图3 升降轨剖面

图2中的发震断层将地表形变场分为东西2部分，升轨InSAR形变场显示，断层东侧远离卫星方向运动，而降轨InSAR在该区域则为靠近卫星方向运动。据此判定，断层为近NW-SE走向，结合USGS给出的2组震源机制解可知，断层走向135°、倾角82°、滑动角-165°的结果与实际情况接近，可作为之后断层运动模型反演的初值。

2 同震断层滑动模型反演与分析

本文以升降轨InSAR观测得到的地表形变为约束，基于弹性半空间位错理论对震源参数进行反演。

2.1 InSAR同震形变场降采样

InSAR获取的形变信息在空间上是连续的，因此升降轨形变的数据量可能高达数百万，若直接进行反演会大幅增加工作量和反演时间，形变场中存在的噪声也会对结果造成很大的影响，因此需要对形变数据进行降采样处理。本文采用四叉树算法对InSAR获取的形变场数据进行降采样：首先对形变场区域进行取舍，去除形变场中噪声较大、相干性较低的区域，然后设置合适的形变梯度阈值并对其进行降采样处理，最后得到1 404个升轨InSAR观测数据及899个降轨InSAR观测数据。降采样后的结果如图4所示，去除相干性较差及噪声较为明显的区域后，降采样结果在形变中心的区域较为密集，在远离形变中心的区域较为稀疏。

图4 升降轨InSAR观测数据降采样结果

2.2 断层几何参数搜优

根据InSAR形变场显示的同震形变分布结果，结合USGS给出的震源机制解，设定发震断层的初始走向为135°、倾角为82°，并设置断裂走向搜优区间为100°～150°，倾角搜优区间为50°～90°。

Okada[11]总结弹性半空间岩石错动引起的地表形变研究成果，针对点源和有限矩形源，给出半空间中由于倾斜剪切和拉伸断层引起的地表位移及应变的完整解析表达式，并提出地下岩石错动与地表变形间的几何解析模型。Okada有限矩形面源位错模型为弹性半空间条件下的断层走滑、倾滑与张裂三分量的定量反演提供一个可靠的计算框架。确定断层几何的初始参数模型后，采用Yang等[12]提出的断层参数反演方法，构建4 km×4 km的格网，对整个研究区断层进行离散化处理，利用InSAR形变数据作为约束进行最优断层参数搜索，使用模拟退火算法搜优获得漾濞地震的最佳断层几何参数(表2)。其中最优走向为136.6°、倾角为83.1°、滑动角为-170.5°、断层中心深度为10.4 km。进一步使用搜优确定的断层几何参数进行精细的断层滑动反演：将断层面展开为长30 km、宽15 km的面，将其进一步离散为1 km×1 km的格网，确定升、降轨观测值反演的权重，开展断层滑动模型反演。由于降轨观测值相干性较好，为保证反演结果与观测结果的一致性，设置升轨观测值权重为0.55，降轨观测值权重为0.45。

表2 InSAR反演漾濞地震的几何参数

反演结果如图5所示，反演断层运动模型计算得到的地震矩为1.487×1018N·m，对应矩震级为MW6.08，略小于USGS给出的结果(1.743×1018N·m)，但两者均为同一量级。进一步观察图5发现，漾濞地震发震断层的错动主要集中在地下2～12 km深度处，最大滑动量为0.45 m，位于地下7 km深度处。浅层地壳滑动量级相对较小，仅在震源东北约10 km处反演获得量级为0.15 m的断层运动，而野外调查未发现明显的断层出露[13]，意味着此次地震并未显著破裂至地表。反演结果显示，断层运动以右旋走滑为主，兼少量正断层破裂和逆冲运动，区域断层运动释放的能量超过整个地震释放能力的85%。同震形变场显示的地表形变也达到6 cm，但滑动区域相对较深，且释放的地震矩量级相对较小，并未出现明显的地表破裂。

红色五角星为此次地震震源位置, 黑色箭头为断层滑动的方向和量级图5 地震同震断层滑动模型

2.3 InSAR形变场正演与残差计算

为检验反演结果的可信度，利用反演的断层模型结合卫星飞行方向角和入射角，正演计算此次地震的同震InSAR形变场，并与观测值进行对比求得模型残差。对比正演InSAR形变(图6(a)、(b))与原始观测(图2)可知，二者在形变分布和量级上均具有较高的一致性，这意味着断层运动模型反演可较好地恢复地表形变，验证了反演模型的可靠性。

进一步观察图6(c)、(d)的残差分布可知，多数区域的残差值趋近于0，仅在升轨InSAR断层近场发现显著的形变残差，这是由该区域InSAR干涉失相干所致。断层远场部分区域也发现一些残余信号，特别是在东北方向地形起伏较大的区域，考虑到这些区域距断层较远，可以认为信号主要是由InSAR干涉大气延迟造成的。由于大气延迟并不满足弹性位错机制，因此在统计意义上并不会对断层模型反演造成显著的负面影响，但正演InSAR形变中并不包括此部分噪声分量，由此导致残差分布中出现异常现象。

图6 模拟地震InSAR形变场及残差

3 讨 论

此前漾濞MW6.1地震的研究中，有学者分别使用InSAR及GNSS观测数据提取震区的形变信号，并对地震的发震断层进行反演分析。王绍俊等[4]分别使用Sentinel-1A和Sentinel-1B的升降轨数据进行干涉处理，获取漾濞地震的同震形变场，其中升轨和降轨得到的形变最大量级分别约为0.07 m和0.08 m，升轨的形变场主要分布在南北2部分，降轨形变场主要分布在东西2部分。本文在数据的使用上统一选取Sentinel-1A卫星，时间基线均为12 d。与文献[4]中升轨形变场分布略有不同，本文升轨形变场北东侧部分形变几乎为0，在分布上明显分为东西2部分；降轨形变场分布与文献[4]基本一致。文献[4]使用倾向SW的滑动模型和倾向NE的滑动模型对观测数据进行拟合，得出漾濞地震的发震断层走向为NW-SE(134.88°)，破裂集中在地下2～10 km深度处，长约20 km，宽约8 km，以右旋走滑为主，释放的地震矩为1.6×1018N·m，与USGS给出的震源机制解结果一致。2种模型反演的最大滑动量分别为0.8 m和0.6 m，并初步判定断层倾向为SW。与文献[4]不同，本文反演的滑动量级为0.45 m，这是因为文献[4]的网格尺寸离散为2 km×2 km，而本文格网尺寸为1 km×1 km，本文对断层滑动分布的可视化更加精细。

朱俊文等[5]基于地震前后Sentinel-1A卫星升降轨SAR数据提取漾濞地震的同震形变场，获取的最大形变量级分别为8.2 cm和8.7 cm，与王绍俊等[4]的结果存在差异。本文结果与文献[5]仅在形变分布上表现出一致性，在量级上相差较大，尤其是升轨形变量级。文献[5]分别对GCMT和USGS给出的2组震源机制解进行反演对比，其结果与GCMT的一致性较好，但在走向为313.7°的断层几何参数中，其结果与USGS给出的震源机制解相差较大，且没有在研究结果中给出反演的具体滑动分布情况。

张克亮等[2]基于覆盖震中区域的高密度连续GNSS观测台阵，获取震区周边50 km范围内高精度、高密度的三维同震形变场，观测到的最大水平位移与垂直下沉量分别为46 mm和44 mm。以前震和主震的精定位结果为约束，反演获得发震断层走向为135°、倾向为SW、倾角为80°。该结果与本文的反演滑动分布较为一致，滑动量分布与前震序列呈现较好的空间一致性。

4 结 语

本文收集欧空局Sentinel-1卫星升降轨SAR影像数据并进行差分干涉处理，获得2021年漾濞MW6.1地震的InSAR同震形变场，结合升降轨形变数据反演此次地震的发震断层几何参数和滑动分布。InSAR同震形变场结果显示，升轨LOS向最大形变量级为6.0 cm，降轨LOS向最大形变量级为7.9 cm。以InSAR同震形变为约束，反演获得此次地震的发震断层走向为136.6°、倾角为83.1°。断层滑动反演结果显示，断层破裂主要集中在地下2～12 km深度处，最大滑动量约为0.45 m，位于地下7 km深度处，断层滑动整体以右旋走滑为主，兼少量正断层破裂和逆冲运动。