2022年青海门源MW6.6地震发震构造——来自InSAR和高分影像约束

许光煜，徐锡伟，易亚宁，温扬茂，王启欣,李康，任俊杰

1 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085 2 东华理工大学测绘工程学院，南昌 330013 3 武汉大学测绘学院，武汉 430079

0 引言

根据中国地震台网测定，2022年1月8日1时45分，在青藏高原东北缘祁连山南边界青海门源县皇城乡北发生了MW6.6地震（图1），称之为门源地震，震中位于北纬37.77°，东经101.26°，震源深度10 km（https:∥news.ceic.ac.cn/CC20220108014528.html）.截至2022年1月11日22时，地震造成10人受伤，海北州门源、祁连、刚察、海晏等县境171个村共2405户17069人受灾.震中区域余震不断，最大余震为1月12日M5.2地震.

已有研究表明，震中附近发育着NW向祁连山北缘断裂带中东段和NWW向海原断裂带中西段.祁连山北缘断裂带中东段由NW向旱峡—大黄沟断裂、玉门断裂、佛洞庙—红崖子断裂、民乐—大马营断裂和皇城—双塔断裂等组成，分别为河西走廊酒西、酒东、民乐、武威等新生代中晚期前陆盆地西侧边界断裂（Gaudemer et al.，1995；Xu et al.,2010；徐锡伟等，2016）.其中，佛洞庙—红崖子断裂地壳缩短速率约为1.4 mm·a-1，垂直抬升速率为1.1 mm·a-1，地表破裂型地震复发间隔约为3700年，曾发生过公元1609年红崖子71/4级地震（Xu et al.,2010；徐锡伟等，2010；Li et al.,2021）；民乐—大马营断裂和皇城—双塔断裂是民乐盆地与祁连山之间的主控边界断裂，倾向西南，倾角～36°±8°，民乐—大马营断裂的全新世垂直滑动速率为 2±1 mm·a-1，距今1.36 ka 以来发生过1次地表破裂型地震（Xiong et al.,2017）.GPS监测和地质滑动速率矢量分析反映出祁连山和河西走廊地区NE向地壳缩短率介于2 mm·a-1至4 mm·a-1之间（Hetzel et al.,2004,2019；Zhang et al.,2004；Xu et al.,2010；Xiong et al.,2017；Yang et al.,2018；Zhong et al.,2020；Liu et al.,2021）.海原断裂带由海原断裂、古浪断裂、老虎山断裂、毛毛山断裂、金强河断裂、冷龙岭断裂、托莱山断裂等组成，以左旋走滑为主.冷龙岭断裂晚第四纪左旋滑动速率最大可达19±4 mm·a-1（Lasserre et al.,2002），最小值为6.5±0.7 mm·a-1（Guo et al.,2019a），古地震复发间隔为1650±550年，最新一次地表破裂推测为1927年古浪地震（Guo et al.,2019b）.冷龙岭断裂向东分叉为南北两分支，北支称为古浪断裂，近东西向展布，左旋滑动速率为4.3±0.7 mm·a-1（何文贵等,2010）；南支由金强河断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂和海原断裂等左阶斜列而成，阶区分别形成了天祝、景泰等拉分盆地，左旋滑动速率介于 12±4 mm·a-1和6.6±2 mm·a-1之间（Lasserre et al.,1999；陈文彬，2003；Yao et al.,2019；Shao et al.,2021）.历史上，海原断裂曾发生过1920年海原M8.5地震，1927年古浪M8地震在皇城—双塔断裂和冷龙岭断裂曾发生过同震破裂（Gaudemer et al.，1995；Xu et al.,2010；Guo et al.,2019b）.Gaudemer等（1995）把景泰拉分盆地以西老虎山断裂、毛毛山断裂、金强河断裂、冷龙岭断裂和托莱山断裂称为天祝地震空区，徐锡伟等（2017）利用地震地质标志把老虎山断裂、毛毛山断裂、金强河断裂、冷龙岭断裂和民乐—大马营断裂等划定为祁连山中段高震级地震危险区.显然，发生在冷龙岭断裂西段的门源地震震级仅为MW6.6，明显小于前人对天祝空区或祁连山中段高震级地震危险区的预期震级（Gaudemer et al.,1995；徐锡伟等，2017）.因此，对门源地震变形特征和发震构造研究将深化认识祁连山中段危险区活动断层之间的相互作用，对进一步判定未来地震趋势、高震级地震监测预测等具有十分重要的学术价值和实际减灾意义.

图1 门源地震区域构造背景图深绿色震源球为Global Centroid Moment Tensor（GCMT）发布的历史地震（1976年1月—2022年1月，MW>5）震源机制解 （Dziewonski et al.,1981）；红色震源球为GCMT发布的2022年青海门源地震的震源机制解（Dziewonski et al.,1981）；蓝色矩形框表示本文使用的哨兵1号雷达影像覆盖范围（T26，T128和T33分别表示升轨26，升轨128和降轨33）；浅蓝色矩形框表示高分7号（G7）影像覆盖范围；黑色线段表示该区域构造断裂（徐锡伟等，2016）；FH：佛洞庙—红崖子断裂，QLB：祁连山北缘断裂，MD：民乐—大马营断裂，HC-ST：皇城—双塔断裂，SN-QL：肃南—祁连断裂，TLS:托莱山断裂，LLL:冷龙岭断裂，GL：古浪断裂，JQH:金强河断裂，MMS:毛毛山断裂，LHS:老虎山断裂，HY：海原断裂.紫色箭头为震间GNSS速度场（Wang and Shen,2020）；红色圆圈表示2012—2022年间中国地震台网（https:∥news.ceic.ac.cn）记录到的该区域地震；右上角子图中品红色矩形表示图1范围.Fig.1 Tectonic background of the Menyuan earthquakeThe dark green beach balls are the focal mechanism solutions of historical earthquakes （1976-01—2022-01,MW>5） released by Global Centroid Moment Tensor （GCMT） （Dziewonski et al.,1981）.The red beach ball is the focal mechanism solution of the 2022 Menyuan Earthquake in Qinghai province,China,from GCMT （Dziewonski et al.,1981）.Blue rectangles show the footprint of Sentinel-1 radar images （T26,T128 and T33 represent ascending track 26,ascending track 128 and descending track 33,respectively）.Light blue rectangle outlines the cover area of Gaofen-7 （G7） image.Active faults in this area are outlined in black lines （Xu et al.，2016）.Abbreviations of FH,QLB,MD,HC-ST,SN-QL,TLS,LLL,GL,JQH,MMS,LHS,HY represent Fudongmiao-Hongyazi fault,North Qilianshan fault,Minle-Damaying fault,Huangcheng-Shuangta fault,Sunan-Qilian fault,Tuolaishan fault,Lenglongling fault,Gulang fault,Jinqianghe fault,Maomaoshan fault,Laohushan fault and Haiyuan fault,respectively.Purple arrows are GNSS velocities from Wang and Shen （2020）.Red circles represent seismicity from 2012 to 2022 recorded by China Seismic Network （CSN）.The magenta rectangle in inset map at top right shows the location of the Fig.1.

目前已有一些2022年门源地震的发震断层模型发表（李振洪等，2022；Yang et al.,2022;冯万鹏等,2022;Li et al.,2022），这些研究在数据使用、模型构建、反演结果等方面均存在一定差异性.针对这些研究结果的差异，本文拟围绕发震断层模型的复杂性、实际发震断层模型与地质解译断层的差异和冷龙岭断裂与托莱山断裂在门源地震破裂中的联系这几个关键问题开展研究，从而更为全面地认识门源地震的发震断层.本文利用欧空局升降轨哨兵1号卫星数据，快速获取了2022年1月8日门源MW6.6地震的同震形变场，联合升降轨数据反演发震断层参数和同震滑动分布，并根据单断层模型InSAR拟合残差结果，辅以高分7号影像解译的地表破裂和实地考察成果，构建沿走向变化断层模型，并利用无人机野外观测数据精确断层位置，获取更为真实的发震断层模型；在此基础上比较了已发表模型之间的异同，探讨了区域地震危险性.研究表明，准确的断层模型和滑动分布结果是分析发震断层与地质解译断裂一致性的重要保证，同时对震区冷龙岭断裂、托莱山断裂、民乐—大马营断裂等之间相互作用及区域地震危险性分析具有重要意义.

1 高分7号同震影像解译

中国资源应用中心提供了震后应急拍摄的国产高分7号多光谱卫星影像，其空间分辨率为2.6 m，全色影像空间分辨率达到0.65 m，影像成像时间为2021年11月30日（震前）和2022年1月8日（震后）.根据收集到的两景地震前后遥感影像，分别进行了相应的影像预处理操作，包括正射校正、图像融合、波段组合、影像色彩增强等，最后对地震前后的高分7号卫星影像进行目视解译，圈定地震造成的地表破裂.在正射融合后的高分7号遥感影像中，清晰可见位于硫磺沟附近沿冷龙岭断裂西段分布、长约19 km的地震地表破裂带（称之为主破裂带），以及位于狮子口沟以西托莱山断裂东端近东西走向长约4 km的分支地震地表破裂（图2）.其中，主破裂带西端可见连续地裂缝叠加在一条北西西-南东东走向坡中谷现象（图2a和b中红色箭头所指位置），反映出冷龙岭断裂西段南侧有垂直隆升现象；主破裂带中东段为积雪覆盖的山体部分，同样形成了线性展布的地表和冰面不连续张剪切裂隙和挤压鼓包（图2c、d、e、f）.

2 同震形变场获取与建模

2.1 InSAR同震形变场

利用哨兵1号升降轨雷达影像进行干涉处理获得了门源地震的同震形变场（表1，图3）.其中，升轨26和降轨33震前数据均为2021年12月29日拍摄，震后数据均为2022年1月10日拍摄，升轨128为2022年1月5日震前数据，震后数据为2022年1月17日拍摄.该区域植被覆盖较少，干涉对相干性较好.数据处理采用GAMMA软件（Wegnüller et al.,2016），利用二轨法获取升降轨同震干涉结果，对干涉结果进行多视处理以增强信噪比，使用SRTM 90 m分辨率的DEM数据（Farr et al.,2007）模拟和去除地形相位影响，利用最小费用流算法对干涉图进行解缠（Chen and Zebker,2000），将解缠后的干涉图进行地理编码.利用双线性函数对非形变区域的InSAR数据进行建模，以及使用线性函数拟合InSAR观测值和地形之间的关系来改正InSAR观测中的轨道和大气延迟误差（Feng et al.,2019）.InSAR同震干涉图显示冷龙岭断裂西段沿线存在清晰的地表同震形变.连续的近东西走向的非对称蝴蝶状形变条纹所勾勒的断层走向基本与地质解译的冷龙岭断裂迹线相一致，表明门源地震的发震断层是冷龙岭断裂西段.升降轨数据显示出相反的形变特征（图3），表明门源地震破裂造成的地表形变以水平运动为主.两个InSAR升轨数据的同震视线向位移范围分别为-72.4～37.4 cm（升轨26）和-56.7～39.7 cm（升轨128），降轨视线向位移范围为-49.4～47.2 cm（降轨33）.其中InSAR升轨26数据并未完全覆盖整个地震破裂区域，仅记录到地震破裂西部的部分地表形变.降轨33和升轨128完整覆盖了地震破裂区域，但在形变中心区域都存在一定程度的失相干现象（图3）.

2.2 同震垂直与水平形变场

为了更直观地显示门源地震的地表形变，我们利用升降轨InSAR观测值（升轨128和降轨33）反演地表的准东西向和准垂直向同震形变场.由于雷达卫星绕地球运转的轨道为近极地轨道，即飞行方向接近南北向，因此InSAR的视线向观测量对地表的南北向位移最不敏感，对地表垂直位移最为敏感，东西向位移次之（Fialko et al.,2001）.基于InSAR视线向位移这一特征，以及考虑到门源地震为近东西向走滑地震事件，这里假设地表南北向位移为0.通过升降轨InSAR这两个不同视角的观测值，可以获得准东西向和准垂直向同震形变场 （Fujiwara et al.,2000;Wen et al.,2016）.反演结果显示地表位移以东西向形变为主，且主形变区域可见大量垂直位移（图4a和b）.其中，冷龙岭断裂南侧大梁山山体可见明显抬升，抬升量约20 cm左右，托莱山东端南部山体可见山体沉降，沉降量约为10 cm左右.结果显示准东西向位移范围为-68.6～78.0 cm,准垂直向位移范围为-27.9～24.2 cm.从二维位移剖面中可以看出沿CD剖线30 km至50 km处存在明显的地表抬升变形（图4d），正好对应于冷龙岭断裂南侧大梁山山体，表明冷龙岭断裂面略微向南倾，不仅以左旋走滑为主，还存在一定挤压缩短分量，与高分7号影像中显示的冷龙岭断裂西段南侧有垂直隆升现象相吻合（图2b）.

图2 高分7号遥感影像解译的地表破裂结果图红色线段表示解译获得的地表破裂迹线，淡蓝色实线表示河流.蓝色线段表示本文利用InSAR观测确定的断层模型地表迹线.红色五角星表示2022年青海门源地震震中位置.（a、b、c、d、e、f）分别对应主图中绿色矩形框选中区域内解译、红色箭头标出的地表破裂位置.Fig.2 Surface rupture interpreted by Gaofen-7 imageThe red lines represent coseismic surface rupture detected from the image,and the light blue lines denote rivers.Blue line represents fault trace determined by InSAR data.Red star shows the epicenter of the 2022 Menyuan （Qinghai） earthquake.（a,b,c,d,e and f） present the selected area in green rectangle boxes in main figure,where the red arrows indicate the locations of surface rupture.

表1 本文使用的哨兵1号影像干涉对Table 1 Sentinel-1 interferometric pairs used in this paper

图3 InSAR同震形变场和均一断层模型反演结果（a）、（d）和（g）分别为升轨26、降轨33和升轨128的InSAR观测值；（b）、（e）和（h）为均一断层滑动模型预测值；（c）、（f）和（i）为模型拟合残差值.黑色实线为该区域的构造断裂（徐锡伟等，2016）；LLL:冷龙岭断裂，TLS:托莱山断裂，SN-QL：肃南—祁连断裂，MD：民乐—大马营断裂，HC-ST：皇城—双塔断裂，MY：门源断裂.红色虚线段表示高分7号影像解译得到的地表破裂；（a）、（d）、（g）中黑色矩形框为均一断层模型的地表投影.图中的形变值以间隔12 cm进行了重缠绕.Fig.3 InSAR coseismic deformation field and inversion results of uniform slip model（a）,（d） and （g） are observed line-of-sight （LOS） displacement map from ascending track 26,descending track 33 and ascending track 128,respectively.（b）,（e） and （h） are model prediction of uniform slip model.（c）,（f） and （i） are residual values of model fitting.Black lines denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.Abbreviation of LLL,TLS,SN-QL,MD,HC-ST,MY represent Lenglongling fault,Tuolaishan fault,Sunan-Qilian fault,Minle-Damaying fault,Huangcheng-Shuangta fault and Menyuan fault,respectively.Red dotted line denotes surface rupture extracted from Gaofen-7 image.Black rectangular box in （a）,（d）,（g） is the surface projection of the uniform slip model.The deformation map was rewrapped with an interval of 12 cm.

图4 同震形变场.（a） 准东西向位移场；（b） 准垂直向位移场；（c）、（d） 分别为沿着（a）和（b）中剖线AB和CD的二维位移向量（a）和（b）中黑色线段表示该区域构造断裂（徐锡伟等，2016）.Fig.4 Surface displacement of quasi-eastward （a） and quasi-vertical （b） components.（c） and （d） are two-dimensional displacement vectors along section lines AB and CD in （a） and （b）,respectivelyBlack lines in （a） and （b） denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.

2.3 单断层建模

准确的发震断层参数将有利于进一步理解区域构造之间的关联性.我们首先采用单断层模型进行建模，利用两步法联合反演InSAR升降轨数据；第一步，利用非线性反演约束断层位置和几何形态；第二步，利用线性反演获取断层面滑动分布特征（Wright et al.,1999;Funning et al.,2007）.数据建模采用弹性均匀半空间下的矩形位错模型（Okada,1985）.为了提高反演效率，利用基于分辨率的采样方法对干涉影像进行降采样（Lohman and Simons,2005），获取到降采样的InSAR观测值个数分别为304个（升轨26）、554个（降轨33）和632个（升轨128）.利用1-D协方差函数对降采样数据进行定权（Parsons et al.,2006）.

在确定发震断层位置和几何形态过程中，采用基于贝叶斯理论的大地测量反演软件（Geodetic Bayesian Inversion software,GBIS）进行非线性反演（Bagnardi and Hooper,2018）.GBIS软件采用马尔科夫链蒙特卡洛和Metropolis-Hasting算法计算每个未知参数的后验概率分布:

（1）

其中，d表示观测数据，m表示模型参数，p（m|d）表示后验概率，p（d|m）表示似然函数，p（m）表示模型先验信息，p（d）表示一个与参数m不相关的标准化常数.

在联合升降轨InSAR数据进行均一断层模型反演时，我们依据美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）给出的震源机制解，设定断层参数反演的初值和区间.由于USGS给出了两个可能的断层节面解，需要对这两个候选断层节面进行初步判断.通过观察InSAR同震形变场，断层破裂走向近东西向，可以排除震源机制解中第二个节面的结果（走向14°）.均一断层反演结果显示门源地震的发震断层走向为106.5°，倾向为80.4°，滑动角3.7°.均一断层模型得到的升降轨观测数据的均方根误差分别为4.9 cm、3.7 cm和4.5 cm（图3）.利用InSAR观测确定的地震矩震级为MW6.6，该结果与地震机构给出的结果基本一致（表2）.

表2 2022年青海门源地震震源参数Table 2 Source parameters of the 2022 Menyuan （Qinghai） earthquake

为了得到发震断层面更为具体的滑动分布特征，我们对断层面进行扩展和剖分，并进一步反演断层面滑动分布.首先将非线性反演中得到的断层位置、走向和倾向进行固定，然后沿断层面走向将断层长度扩展至30 km，沿断层面倾向将断层宽度扩展至20 km，并进一步将断层面剖分成1 km×1 km的小矩形片.构建同震滑动分布反演观测方程（Feng et al.,2018,2020;Wen et al.,2021）：

（2）

同震滑动分布反演结果显示，断层滑动主要分布在深度0～7.9 km范围内，最大滑动量达到3.6 m，位于2.5 km深度（图5）.分布式滑动模型显示断层破裂主要以走滑为主兼少量逆冲分量，矩震级为MW6.6.升降轨观测数据拟合的均方根误差分别为3.8 cm（升轨26）、4.1cm（降轨33）和2.7 cm（升轨128）（图6）.

2.4 沿断层走向变化模型

从图3和图6中可以看出，单断层模型对InSAR数据的拟合残差主要位于断层沿走向的两端.通过比较分布式断层模型地表投影迹线与高分7号影像解译的地表破裂（图5d），显示分布式断层模型中段（约10 km长）与地表破裂走向较为一致，断层模型西段则是在地表破裂的基础上向西延伸了8 km左右，断层模型东段与地表破裂存在约17°夹角.地表破裂在断层模型东段位置存在沿走向变化特征，该位置也是模型拟合残差最为突出之处，同时单断层模型未考虑分支破裂的影响.

野外考察资料和高分7号卫星遥感影像均发现震中区域存在地表破裂，表明门源地震破裂达到地表.为了进一步改进模型在断层两端和地表投影迹线附近的拟合情况，根据分布式断层模型拟合残差，辅以高分7号影像解译的地表破裂，勾勒出断层东段沿走向变化特征，并以此建立新的模型，同时野外考察显示在托莱山断裂东端亦发现了地表破裂（图7d、e），应考虑将托莱山断裂东端加入建模.在建立新模型的过程中，我们希望解决以下关键问题：（1）断层模型东段沿走向变化特征是否可以通过InSAR观测进行确定；（2）断层模型西段可以沿冷龙岭断裂向西扩展至何处；（3）门源地震破裂期间托莱山断裂与冷龙岭断裂是否贯通连接起来.

图7 三个不同断层模型场景（a） 断层模型场景1；（b） 断层模型场景2；（c） 断层模型场景3.（d）、（e）为托莱山断裂东端野外考察发现的地表破裂.Fig.7 Three scenarios of fault model（a）,（b） and （c） denote scenario 1,2,3 of fault model,respectively.（d） and （e） show the surface rupture observed in east end of Tuolaishan fault.

为了解决以上三个问题，我们构建了三个不同的断层模型场景：（1）在分布式断层模型中段基础上，将断层模型东段走向进行调整，依据分布式断层模型对InSAR观测值的拟合残差图，将固定断层走向改为沿走向变化，将断层模型西段调整为从断层中段西端连接至托莱山断裂的分支破裂处（图7a）；（2）在分布式断层模型中段基础上，将断层模型东段固定走向调整为沿走向变化，将断层模型西段沿分布式断层模型中段走向向西扩展至地表破裂末端（图7b）；（3）将断层模型场景2中的断层向西扩展2 km，同时将断层模型中段与托莱山断裂处的分支破裂连接起来并向西扩展1 km（图7c）.根据新构建的断层地表投影迹线，分别沿断层迹线走向和沿垂直于该迹线的平均走向角方向进行断层面拓展，断层倾角采用上文非线性反演确定的断层倾角值，将得到的非平面断层进一步剖分成近似1 km×1 km的小矩形片.采用线性反演方法得到沿走向变化断层模型的滑动分布特征.反演结果显示，断层模型东段沿走向变化特征的加入能够进一步消除单断层模型中该区域的拟合残差（图8、10、12）.通过比较断层模型场景1、2、3的反演结果，可以得出断层模型西段沿冷龙岭断裂向西扩展是必要的，且至少向西扩展12 km（图11、13）.图9、13显示断层面上存在两个主要滑动区域，两个滑动区域形成连接的位置正位于冷龙岭断裂转向托莱山断裂的位置，可以推测托莱山断裂东端与冷龙岭断裂西段很可能在门源地震破裂中形成了深部贯连.从断层模型场景3的反演结果可以看出（图12），将断层沿冷龙岭断裂向西扩展，并将托莱山断裂加入断层建模能进一步消除以上其他模型在托莱山断裂附近的拟合残差，该模型进一步拟合了观测数据，升降轨观测数据的均方根误差分别为0.8 cm（升轨26）、0.8 cm（降轨33）和1.9 cm（升轨128），极大改进了对升降轨观测数据的拟合度.主断层存在两个主要滑动区域，分界点位于断层东段出现沿走向变化处，最大滑动量3.8 m，位于1.5 km深度；分支断层同样存在两处明显滑动区域（图13e），左侧浅部滑动与高分7号解译的分支破裂位置一致，右侧深部滑动与冷龙岭断裂西段滑动形成贯通式连接.

图8 断层模型场景1反演结果（a）、（d）和（g）分别为升轨26、降轨33和升轨128的InSAR观测值；（b）、（e）和（h）为断层模型预测值；（c）、（f）和（i）为模型拟合残差值.黑色实线为该区域的构造断裂（徐锡伟等，2016）；红色虚线段表示高分7号影像解译得到的地表破裂；（a）、（d）、（g）中黑色虚线矩形框为断层模型的地表投影，蓝色实线为断层地表投影迹线.图中的形变值以间隔12 cm进行了重缠绕.Fig.8 Inversion results of scenario 1 of fault model（a）,（d） and （g） are observed LOS displacement map from ascending track 26,descending track 33 and ascending track 128,respectively.（b）,（e） and （h） are fault model prediction.（c）,（f） and （i） are residual values of model fitting.Black lines denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.Red dotted line denotes surface rupture extracted from Gaofen-7 image.Black rectangular box with dotted line in （a）,（d）,（g） is the surface projection of the fault model,and blue line is the surface projection of the fault trace.The deformation map was rewrapped with an interval of 12 cm.

图9 断层模型场景1同震滑动分布结果（a），其中白色线为间隔1 m的断层滑动量等值线，灰色箭头为断层滑动方向；（b）和（c）分别为地震矩沿断层走向和深度方向的分布；（d）为断层模型展布，其中蓝色线段为断层地表投影迹线，黑色实线为该区域的构造断裂（徐锡伟等，2016），红色虚线段表示高分7号影像解译得到的地表破裂Fig.9 Coseismic slip distribution of scenario 1 of fault model （a）.The white contours represent coseismic slip at intervals of 1 m,and the gray arrows indicate the rake of the coseismic slip.（b） and （c） are the geodetic moment distribution along strike and depth,respectively.（d） denotes the layout of the fault model.Blue line is the surface projection of the fault trace.Black lines denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.Red dotted line denotes surface rupture extracted from Gaofen-7 image

图13 断层模型场景3同震滑动分布结果（a）主断层滑动分布；（b）和（c）分别为地震矩沿断层走向和深度方向的分布；（d）为断层模型展布，其中蓝色线段为断层地表投影迹线，黑色实线为该区域的构造断裂（徐锡伟等，2016），红色虚线段表示高分7号影像解译得到的地表破裂；（e）分支断层滑动分布，其中白色线为间隔1 m的断层滑动量等值线，灰色箭头为断层滑动方向.Fig.13 Coseismic slip distribution of scenario 3 of fault model（a） Slip distribution of main fault;（b） and （c） are the geodetic moment distribution along strike and depth,respectively;（d） denotes the layout of the fault model.Black lines denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.Blue line is the surface projection of the fault trace.Red dotted line denotes surface rupture extracted from Gaofen-7 image；（e） Slip distribution of secondary fault.The white contours represent coseismic slip at intervals of 1 m,and the gray arrows indicate the rake of the coseismic slip.

图14 （a） 无人机野外调查获取的地震地表破裂迹线（绿色线段）;（b）为断层模型场景3（蓝色线段）和高分7号影像解译得到的地表破裂（红色线段）以及无人机野外调查获取的地震地表破裂迹线（绿色线段）的相对位置；（c）为依据无人机野外调查获取的地震地表破裂迹线构建的断层模型（蓝色线段）Fig.14 （a） Surface rupture obtained by unmanned aerial vehicle （UAV） field survey （green line）;（b） shows the relative locations of fault model of scenario 3 （blue line）,surface rupture interpreted from Gaofen-7 image （red line） and UAV field survey （green line）;（c） shows fault model （blue line） constructed based on UAV field survey

为进一步探究精细的地表破裂观测对InSAR建模的影响，我们利用无人机野外调查获取的地震地表破裂迹线（图14a）来约束断层模型地表迹线，构建沿走向变化断层模型，反演同震滑动分布.从图14b可以看出，无人机野外调查与高分7号观测确定的地表迹线较为一致，无人机观测获取的地表迹线在沿冷龙岭断裂方向较为连续，且勾勒出两处拉张结构；两者确定的分支破裂也较为一致，近东西走向的分支破裂距离冷龙岭断裂西段约10 km.无人机观测确定的分支破裂长度约为3.5 km，分支破裂沿托莱山断裂向东扩展可与位于冷龙岭断裂西段的主破裂相连接.反演结果表明，主断层存在三个明显的滑动区域（图15），最大滑动量3.7 m，位于5.4 km深度，西部和中部滑动区域的连接处位于地表迹线勾勒出的西侧拉张结构处，中部和东部滑动区域的连接处位于地表迹线勾勒出的东侧拉张结构处，推测这两处局部拉张结构阻碍了地震的连续破裂.沿托莱山断裂的分支断层上呈现一狭长的条带状滑动分布，主要滑动位于2～4 km深度，断层东侧滑动可能与主断层滑动在深部贯通.该模型能较好拟合观测数据（图16），升降轨观测数据的均方根误差分别为2 cm（升轨26）、0.8 cm（降轨33）和2.1 cm（升轨128）.

综合分析以上模型，冷龙岭断裂西段需要在原来地质解译的断层数据基础上至少向西扩展12 km，断层模型东段加入沿走向变化特征能够更好拟合观测数据，地质解译的冷龙岭断裂在该处的走向需要根据断层模型进行调整；托莱山断裂在门源地震中发生了破裂，断裂东端与冷龙岭断裂西段在深部贯通.通过InSAR反演确定的最优模型（断层模型场景3）与利用无人机观测约束的断层模型相比，两者整体较为一致，仅断层西段存在一个侧向的偏移，这种差异性带来了不同的断层滑动特征，数据拟合度方面InSAR反演确定的最优模型占优，推测实际的断层位置可能与地表破裂迹线在某些位置并不完全一致.不同断层模型反演结果的差异性也在一定程度上体现了大地测量观测在门源地震破裂中的约束能力.

3 讨论

3.1 与已有断层模型结果比较

目前已有一些2022年门源地震的发震断层模型发表（李振洪等，2022；Yang et al.,2022;冯万鹏等,2022;Li et al.,2022）.比较和分析发现，这些模型在断层地表迹线（图17）、最大滑动量以及滑动分布特征等方面均存在差异.李振洪等（2022）以光学解译的地表破裂结果作为参照，结合InSAR同震形变场将发震断层模型设置为两个断层，并固定断层走向为104°和109°，反演确定了两个断层的长度、宽度和倾角，结果显示子断层最大滑动量为3.5 m，位于深度4 km处；Yang 等（2022）根据SAR偏移量跟踪结果确定了发震断层地表迹线，假设断层倾角为82°、断层最大深度为20 km建立断层模型，反演确定了断层滑动分布，结果显示最大滑动量为～3.5 m；冯万鹏等（2022）基于SAR强度数据的亚像素偏移结果手动确定了两条主要断层分支的地表迹线，采用余震重定位结果约束两个断层的倾角为70°和88°，构建断层模型，反演确定了断层滑动分布，最大滑动量约3 m，位于深度4 km处；Li 等（2022）根据SAR偏移量跟踪结果初步确定模型采用两个断层，通过设置走向搜索区间（105°～120°）和倾角搜索区间（80°～100°），反演确定了两个断层的位置、几何参数和分布式滑动模型，显示最大滑动量为3.5 m，位于深度4 km处.

在InSAR数据使用方面，李振洪等（2022）和Yang等（2022）仅采用了升轨26和降轨33观测，其中升轨26仅覆盖了部分同震破裂区域；冯万鹏等（2022）、Li等（2022）和本文中加入了升轨128观测，该观测完整记录了同震形变；在发震断层地表迹线确定方面，李振洪等（2022）参考了光学和InSAR观测，Yang等（2022）和冯万鹏等（2022）参考了SAR偏移量结果，Li 等（2022）通过InSAR数据反演确定；本文首先通过数据反演确定单断层模型，进一步参考单断层模型拟合残差、高分7号观测的地表破裂和地质解译的断层数据确定最终的发震断层模型，并进一步利用无人机野外观测数据约束断层位置，获取更为真实的发震断层模型；尽管已发表模型和本文结果均显示断层最大滑动量在3.5 m左右，但在深度上存在一定差异，这主要是由于不同模型中断层迹线的差异性造成的.由于使用的InSAR数据、断层模型、平滑参数、权比因子等不同，致使不同模型给出的滑动分布和数据拟合结果存在差异.

本文提供的断层模型不仅利用了已有区域地震构造图资料，还充分利用高分卫星影像和震区无人机拍摄影像，发震断层模型更为真实、客观，据此获得的断层滑动分布更加准确、可靠，可得到兰新铁路大梁隧道及其邻近地段的变形测量的证实.大梁隧道在硫磺沟南山坡地带以50°角度穿越冷龙岭断裂西段门源地震地表破裂带，实测同震左旋错动量约1.8 m，垂直（逆）错动量约0.31 m，与反演结果完全一致（图15）.因此，可利用这一断层模型和断层滑移分布对震区附近的地震危险性做进一步讨论.

图15 依据无人机野外调查观测构建的断层模型同震滑动分布结果（a）主断层滑动分布，白色线为间隔1 m的断层滑动量等值线，灰色箭头为断层滑动方向；（b）和（c）分别为地震矩沿断层走向和深度方向的分布；（d）为断层模型展布，其中黑色点为大梁隧道错动点位置，蓝色线段为断层地表投影迹线，黑色实线为该区域的构造断裂（徐锡伟等，2016），绿色线段表示无人机野外调查解译得到的地表破裂；（e） 分支断层滑动分布.Fig.15 Coseismic slip distribution of fault model which is constructed based on UAV field survey（a） Slip distribution of main fault.The white contours represent coseismic slip at intervals of 1 m,and the gray arrows indicate the rake of the coseismic slip.（b） and （c） are the geodetic moment distribution along strike and depth,respectively.（d） denotes the layout of the fault model.Black dot is the deformation position of the Daliang tunnel.Black lines denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.Blue line is the surface projection of the fault trace.Green line denotes surface rupture extracted from UAV field survey.（e） Slip distribution of secondary fault.

图16 依据无人机野外调查观测构建的断层模型反演结果（a）、（d）和（g）分别为升轨26、降轨33和升轨128的InSAR观测值；（b）、（e）和（h）为断层模型预测值；（c）、（f）和（i）为模型拟合残差值.黑色实线为该区域的构造断裂（徐锡伟等，2016）；红色虚线段表示高分7号影像解译得到的地表破裂；（a）、（d）、（g）中黑色虚线矩形框为断层模型的地表投影，蓝色实线为断层地表投影迹线.图中的形变值以间隔12 cm进行了重缠绕.Fig.16 Inversion results of fault model which is constructed based on UAV field survey（a）,（d） and （g） are observed LOS displacement map from ascending track 26,descending track 33 and ascending track 128,respectively.（b）,（e） and （h） are fault model prediction.（c）,（f） and （i） are residual values of model fitting.Black lines denote active faults in this region （Xu et al.，2016）.Red dotted line denotes surface rupture extracted from Gaofen-7 image.Black rectangular box with dotted line in （a）,（d）,（g） is the surface projection of the fault model,and blue line is the surface projection of the fault trace.The deformation map was rewrapped with an interval of 12 cm.

3.2 同震库仑应力变化

为探索同震断层破裂引起的震中区域应力变化，利用InSAR确定的同震滑动分布模型作为输入（图13），在均匀弹性半空间中使用边界元方法计算同震库仑应力变化（Lin and Stein,2004;Toda et al.,2011）.计算使用的有效摩擦系数为0.4，接收断层走向与主震方向一致.图18为深度3 km和沿垂直于断层迹线剖面AB的库仑应力计算结果.结果表明，主破裂区近南北和近东西方向库仑应力增大，西北和东南以及东北和西南区域库仑应力减小.截面图显示地震破裂造成断层迹线下0～10 km深度区域库仑应力减小，主震破裂区域下方的库仑应力增加（图18）.门源地震破裂增加了震中区域10 km以下地壳的静态库仑应力载荷.因此，附近民乐—大马营断裂、托莱山断裂和冷龙岭断裂中段或1927年古浪地震未破裂段未来地震危险性值得特别关注.

图17 不同断层模型结果比较（a）、（b）、（c）、（d）中的断层模型分别来自李振洪等（2022）、Yang等（2022）、冯万鹏等（2022）、Li等（2022）.Fig.17 Comparison of different fault modelsFault models in （a）,（b）,（c）,（d） are from Li et al.（2022）,Yang et al.（2022）,Feng et al.（2022）,Li et al.（2022）.

图18 同震库仑应力变化与近期地震危险区黑色虚线矩形框为本文InSAR确定的断层模型的地表投影，红色实线为断层地表投影迹线.左下图为沿剖线AB的库仑应力变化剖面，其中红色实线表示断层.红色原点表示1927年古浪地震震中位置；红色虚线椭圆表示震中附近民乐—大马营断裂、托莱山断裂和冷龙岭断裂中段或1927年古浪地震未破裂段未来地震危险性值得特别关注区域.Fig.18 Coseismic Coulomb stress change and recent earthquake risk regionThe black rectangular box with dotted line denotes the surface projection of the fault model determined by InSAR data,and the red line is the surface projection of fault trace.The Coulomb stress profile along the section line AB is shown in the lower left,where red line represent fault.The red dot indicates the epicenter of the 1927 Gulang earthquake.The red ellipses with dotted line ouline the potential earthquake risk region of Minle-Damaying fault,Tuolaishan fault and central section of Lenglongling fault （i.e.,the unbroken section of Gulang earthquake in 1927） in future.

4 结论

本文利用哨兵1号雷达影像和高分7号遥感数据对2022年青海门源地震的同震形变和发震构造进行了研究.联合InSAR升降轨观测数据反演了发震断层的几何形态和断层滑动分布特征，结果显示门源地震至少有两条断裂发生了破裂，主断层对应地质解译的冷龙岭断裂西段，InSAR确定的断层模型显示主断层东段存在沿走向变化特征，西段则在地质解译断层基础上向西延伸，次断层对应地质解译的托莱山断裂东端，两个断裂组成一个平躺的Y型分布.断层滑动破裂到了地表，与野外考察观测到的地表破裂相吻合.主断层滑动主要集中在0～9 km深度范围，次断层滑动主要集中在0～4 km深度范围，大地测量数据确定的矩震级为MW6.6,与地震机构发布结果相一致.高分7号遥感影像解译结果显示震中区域多处地物位移，与左旋走滑断层破裂造成的地表形变相一致，地物位移点分布轨迹基本与InSAR确定的断层地表迹线位置相一致.同震库仑应力变化计算结果显示民乐—大马营断裂、托莱山断裂和冷龙岭断裂中段未来地震危险性值得关注.

致谢感谢两位审稿专家和责任编委提出的宝贵意见，感谢编辑的支持与帮助.哨兵1号影像由欧空局提供；本文使用的InSAR数据存储在Zenodo，可在线下载（https:∥zenodo.org/record/6970615）.文中大部分图件使用GMT软件绘制.