联合InSAR和高频GNSS位移波形反演2022年青海门源M 6.9地震同震破裂过程

吕明哲，陈克杰*，柴海山，耿江辉，张生鹏，房立华

1 南方科技大学地球与空间科学系，深圳 518055 2 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079 3 青海师范大学地理科学学院，西宁 810016 4 青海省基础测绘院，西宁 810101 5 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

据中国地震台网中心（https:∥news.ceic.ac.cn）测定，北京时间2022年1月8日凌晨1时45分左右，青海省海北州门源县发生M6.9地震，震源位置为101.26°E，37.77°N，深度10 km.此次地震震中海拔高且人烟稀少，有少量人员受伤，对当地部分高铁线路和桥梁等造成了严重损坏（Yang et al.,2022）.野外现场考察结果显示（潘家伟等,2022），门源地震形成了总长约27 km同震地表破裂带，错动方式为左旋走滑，与全球质心矩张量（Global Centroid Moment Tensor,GCMT）给出的震源机制解一致（图1c），发震断层初步确定为冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段（李智敏等,2022）.

冷龙岭断裂和托莱山断裂位于海原断裂带西段.海原断裂带是一条长约1000 km的左旋走滑断裂带，具有部分由南向北的逆冲分量，是柴达木—祁连地块北部边界（图1b），在调节印度板块和欧亚板块碰撞持续变形方面发挥着重要作用（袁道阳等,2004;Jolivet et al.,2012）.海原断裂带在20世纪发生了两次大地震：1920年海原M8.7地震（Deng et al.,1986）和1927年古浪M8.0地震（Gaudemer et al.,1995）.在上述两次强震之间存在一条260 km长的未破裂段，被称为天祝地震空区（图1c）.该段断层在过去几个世纪没有记录到7级以上地震，具有孕育大型地震的潜力（Gaudemer et al.,1995）.

2022年门源地震使天祝地震空区最西端冷龙岭段和托莱山断裂东端发生破裂（图1c），其中冷龙岭断裂周边区域在过去100年间发生过两次较大地震：1986年门源MW6.0地震和2016年门源MW5.9地震（徐纪人等,1986;陈兵等,2003;Zhang et al.,2020），表明该区域有较强地震活动性.深入研究本次门源地震的破裂过程对于理解天祝地震空区西端冷龙岭段发震特征和评估该区域未来地震危险性具有重要意义.

门源地震发生后，国内学者利用InSAR和GNSS观测资料研究了同震地表静态形变和震源机制（李振洪等,2022;Yang et al.,2022;颜丙囤等,2022;冯万鹏等,2022），但尚未对地震破裂时空演化过程进行分析.本文首先采用差分干涉合成孔径雷达（Differential InSAR,DInSAR）和像素偏移追踪（Pixel Offset Tracking,POT）处理Sentinel-1数据获取了同震地表形变场和地表破裂迹线，然后利用单历元精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）获取了震中附近16个GNSS测站（图1）的1 Hz同震位移波形.最后，联合上述观测资料反演了本次地震同震滑动分布和时空过程，并对该区域静态库仑应力扰动进行分析.

1 同震形变获取

1.1 InSAR同震形变

门源地震发生在海拔3500～4200 m的祁连山区，该区域几乎没有植被覆盖（潘家伟等,2022），这使得欧空局（European Space Agency,ESA）C波段（波长5.54 cm）SAR卫星Sentinel-1在该地区干涉效果较好.本研究选取覆盖研究区域的4幅基于渐进式扫描地形观测（Terrain Observation with Progressive Scans,TOPS）升降轨Sentinel-1A干涉宽幅模式（Interferometric Wide,IW）SAR影像（T128A和T33D），利用开源软件ISCE2进行InSAR数据处理（Rosen et al.,2012）.SAR数据基本信息如表1所示，升降轨干涉影像标准差是从远离形变区域的像素估计得到（温扬茂等,2014）.

图1 2022年门源M 6.9地震测站分布及构造背景（a） GNSS台站分布（红色三角形）和InSAR影像覆盖区域（蓝色矩形框）.蓝色五角星为本次地震震中位置，黄色圆点为余震分布（Fan et al.,2022），黑色震源球表示GCMT提供的1976年到2022年MW>5.0地震震源机制解；（b） 研究区构造背景，红色矩形框为图（a）所处区域；（c） 天祝地震空区在海原断裂带上所处位置（红色断层），绿色断层表示1920年海原地震破裂带，红色、黑色震源球分别表示2022年门源M 6.9地震（GCMT提供）和1920年海原M 8.2地震（Ou et al.,2020）和1927年古浪M 8.0地震（Hou et al.,1999）震源机制解.Fig.1 Station distribution and tectonic background of the 2022 Menyuan M 6.9 earthquake（a） GNSS station distribution （red triangles） and InSAR coverage （blue rectangles）.The blue star denotes the epicenter,the yellow dots represent the distribution of aftershocks （Fan et al.,2022）,and the black beachball represents the focal mechanism solution of historical earthquakes with MW>5.0 provided by GCMT from 1976 to 2022;（b） Tectonic background of the study area,and red rectangle outlines area of figure （a）;（c） The location of the Tianzhu earthquake gap on the Haiyuan fault zone （red faults）,and the green faults are the rupture fault of the 1920 Haiyuan earthquake.Red and black beachballs show the focal mechanism solutions of the 2022 Menyuan M 6.9 earthquake provided by GCMT,the 1920 Haiyuan M 8.2 earthquake （Ou et al.,2020） and the 1927 Gulang M 8.0 earthquake （Hou et al.,1999）,respectively.

表1 InSAR观测信息Table 1 InSAR data information

本文首先采用两轨法对升降轨SAR数据进行差分干涉处理，并使用ESA提供的精密轨道数据（https:∥s1qc.asf.alaska.edu）来调整SAR卫星影像轨道参数，以实现SAR主辅影像精确配准，然后采用美国宇航局发布的30 m分辨率SRTM DEM数据（Farr et al.,2007） 去除地形相位.为了抑制相位噪声和提高信噪比，使用功率谱滤波器对干涉图进行滤波（Goldstein and Werner,1998），并进行8×2（距离向×方位向）多视处理（Vaka et al.,2020）.使用SNAPHU软件对滤波后的干涉图进行相位解缠（Chen and Zebker,2000）.最后，使用WGS84坐标系对解缠后的干涉图进行地理编码以获取门源地震同震视线向（Line of Sight,LOS）地表形变场（图2）.

SAR影像包含相干（干涉相位）和非相干信息（幅度特征）（Jiang et al.,2017）.在地震破裂近场区域，由于地表遭受剧烈破坏导致该区域位移梯度较高，可使SAR卫星干涉相位失相干（Schmidt and Bürgmann,2006）.DInSAR在这些失相干区域无法进行可靠相位解缠，因此LOS向形变场在该区域形变信息丢失.而近场形变信息在同震研究中能提取精确地表破裂迹线，从而有效约束断层长度和走向等几何信息.为了获取本次地震地表破裂迹线，使用POT计算距离向像素偏移.

图2 2022年门源M 6.9地震InSAR同震形变场Sentinel-1升轨和降轨经DInSAR处理得到的LOS向形变场（a、c）和经POT处理得到的距离向位移场（b、d）.蓝色五角星表示震中，绿线为手动绘制的地表破裂迹线.Fig.2 Coseismic InSAR deformation field of the 2022 Menyuan M 6.9 earthquake（a），（c） are the LOS deformation field obtained by DInSAR and （b），（d） are the range displacement field obtained by POT of Sentinel-1 ascending and descending tracks,respectively.The blue star indicates the epicenter,and the green line is the manually drawn surface rupture trace.

POT利用SAR影像中非相干信息（幅度特征）来提取位移信息，将震前震后两幅SAR影像中M（通常为几十）个像素进行互相关，从而获取亚像素精度的距离向（相当于DInSAR中的LOS向）和方位向像素偏移（Simons and Rosen,2007）.这种方法不需要进行相位解缠（Wang et al.,2015;He et al.,2019），因此不受SAR影像中相位相干性限制，可以获取近场地表形变.但由于POT是基于像素集合实现，故空间分辨率相较于DInSAR显著降低（Simons and Rosen,2007）.其中方位向偏移信噪比更低（Jin and Fialko,2021），因此本研究只采用距离向偏移.

图2为分别利用DInSAR和POT获取的门源地震同震形变场，升、降轨SAR影像均完整覆盖了震中区域.具体而言，利用干涉相位获取的升降轨同震形变（图2a，2c）分布范围为60～80 km，最大视线向形变为0.61 m，发震断层附近部分失相干区域形变被掩膜.降轨干涉形变图在断层南北两侧形变大致呈对称分布，由于升降轨SAR卫星影像存在成像几何差异，升轨LOS向形变场南侧下沉区偏西，北侧抬升区偏东，并大致以震中为中心呈对称分布.而升轨和降轨LOS向形变图上发震断层两侧位移相反，进一步证实了本事件因走滑断层而造成的水平向运动.

利用POT获取的升降轨距离向偏移（图2c，2d）显示地表破裂最大距离向偏移为0.79 m，由于其在发震断层附近也连续覆盖，故大于在近断层附近失相干的最大LOS向形变（0.61 m）.同时，距离向偏移表明发震断层走向自西向东在～101.2°E处发生显著变化，西段断层走向角略小于90°，东段断层走向角增大～30°，总地表破裂迹线长度为～30 km.由于POT利用SAR影像中的幅度特征信息而不是高精度干涉相位，所以距离向偏移图较DInSAR的LOS向形变图存在更多斑点噪声（Hu et al.,2012;He et al.,2019）.

InSAR原始同震形变场数据量达百万级，并且大部分低相位梯度区域的相邻观测数据之间空间相关性较高，考虑到反演效率，使用四叉树降采样法（Jónsson et al.,2002） 对原始观测数据进行降采样，该降采样方法可以在发震断层附近高相位梯度区域更加频繁地采样，从而可以保留原始数据中主要形变特征，降采样后的升、降轨LOS向形变场数据点为1305.

1.2 GNSS数据处理

本文获取了震中附近来自陆态网络和青海省连续运行跟踪站（Continuously Operating Reference Stations,CORS）共计16个GNSS台站（分布见图1a）的1 Hz GPS/GLONASS双系统2022年1月7日（UTC）当天观测数据，其中来自陆态网络测站接收机型号为Trimble Net R9，天线型号为TRM59800.00或TRM59900.00，青海省CORS站所用接收机型号为中海达VNet8U-I，天线类型为AT-2300，上述测站均装备扼流圈以削弱多路径效应.本文采用成熟的GPS+GLONASS双系统组合方式（An et al.,2020），GPS和GLONASS两系统定权设置为2∶1（Shi et al.,2013），系统间偏差在计算过程中估计，通过PRIDE PPP-AR软件完成动态PPP解算（Zumberge et al.,1997;Geng et al.,2018,2019），使用卡尔曼滤波逐历元求解并反向滤波，每个历元的三维坐标和接收机钟差作为白噪声随机参数估计，以全天平均坐标做站心转换，得到东西、南北和垂向三个时间序列，具体处理策略如表2所示.

精密产品选取德国地学中心（GFZ）提供的30 s精密钟差和15 min精密轨道.对于1 Hz数据解算来说，30 s时长内钟差高频抖动并不明显，使用30 s精密钟差即可满足计算需要（张小红等,2010）.产品日期向前后各延长一天以确保当天开始和结束时轨道内插精度.对每一个连续弧段，设置一个待估模糊度参数.为了减少多路径效应影响，选择基于高度角的观测值定权方式，且设置截止高度角为7°.电离层使用传统L1+L2无电离层组合消除，以减少待估参数总数.以Saastamoinen模型计算对流层延迟，并每两小时估计一次对流层延迟残余，投影函数选择Global Mapping Function（GMF）.

表2 GNSS数据处理策略Table 2 Processing strategies of GNSS data

天线相位中心偏差（Phase Center Offsets）、天线相位中心变化（Phase Center Variations）以及天线相位缠绕均考虑并改正.固体潮、海潮和极潮通过国际地球自转和参考框架服务（International Earth Rotation and Reference System Service）2010模型精确改正.接收机硬件码偏差等会被吸收至接收机钟差内，精密产品估计所使用的是无电离层组合，故卫星硬件码偏差可忽略，相位偏差会被吸收至模糊度，导致其失去整数特性.由于动态PPP解算需要一定收敛过程，为保证结果不受影响，本文计算了地震发生当日全天时间序列，最后截取各测站P波理论到时前10 s和到达后50 s共计60 s同震位移波.经过上述处理，GNSS同震波拾取精度达到了1～2 cm.由于门源地震为左旋走滑运动，垂向位移较小，并且GNSS水平向精度高于垂向精度，这导致垂向波形信噪比较低，本文仅采用水平向GNSS观测波形进行同震反演.

2 滑动分布反演

2.1 断层几何参数

根据POT得到的Sentinel-1升、降轨距离向偏移（图2c，2d）揭示的断层地表破裂迹线，本文使用两个矩形断层Fault 1（靠近托莱山断裂东段）和Fault 2（靠近冷龙岭断裂西段）来拟合发震断层（图3a）.两个矩形断层长度分别设定为10 km和20 km，断层宽度均设定为16 km，走向角分别为82°和112°.高分影像识别的门源地震地表破裂带表明（刘璐等,2022），沿冷龙岭断裂西段破裂带长度为21 km，沿托莱山断裂东段破裂带长度为5 km，说明本文选取的两段断层长度较为合理.根据GCMT震源机制解，门源地震矩形断层倾角变化范围初步设定为70°～90°，两个断层设置为等倾角，然后根据步长为1°搜索确定最佳倾角为80°.此外，InSAR形变揭示的门源地震地表破裂迹线与已知冷龙岭断裂和托莱山断裂所处位置并不完全重合，其中Fault 2东侧与冷龙岭断裂部分重合，Fault 2西侧位于冷龙岭断裂和托莱山断裂交界处，而Fault 1基本平行靠近于托莱山断裂.

震中位置选取对于联合反演中高频GNSS位移波形拟合至关重要，本文根据中国地震台网中心、USGS和Fan等（2022）提供的主震震中位置初步划定格网搜索范围，然后基于数据拟合程度在由地表破裂迹线构建的断层模型上反演搜索最优震中位置.格网搜索结果如图3所示，高频GNSS位移波形拟合相较于InSAR对震中位置更为敏感，故本文基于高频GNSS波形拟合选取最佳震中位置为101.26°E，37.79°N.该震中位于本文选取的矩形断层Fault 2上，在已知断层数据库中位于冷龙岭断裂和托莱山断裂交界处，并更接近于托莱山断裂.

图3 2022年门源M 6.9地震震中位置格网搜索（a） 高频GNSS位移波形拟合方差降；（b） InSAR数据拟合方差降.Fig.3 Epicenter grid search of the 2022 Menyuan M 6.9 earthquake（a） Variance reduction of high-rate GNSS displacement waveforms;（b） Variance reduction of InSAR.

2.2 反演方法

在发震断层几何参数确定之后，为了细化断层面滑动分布，将两个断层离散成2 km×2 km共计120个子断层.然后采用非负最小二乘算法（Lawson and Hanson,1995）联合InSAR和高频GNSS位移波反演每个子断层上的同震滑动分布，基本线性观测方程可表示为：

Gm=d，

（1）

式中m表示每个子断层上的滑动参数，G表示断层位错和地壳形变之间的线性响应（格林函数），d表示InSAR和高频GNSS位移波的观测矩阵.每个子断层用5个50%时间重叠窗口进行参数化，每个时间窗口由2 s持续时间的三角形滑移率函数描述.基于门源地区一维地壳速度分层模型（表3）（尹欣欣等,2022），使用频率-波数积分法（Zhu and Rivera,2002）计算InSAR和高频GNSS位移波的格林函数.

表3 震中附近的地壳速度模型Table 3 The crustal velocity model near the epicenter

此外，通过离散化子断层可以将需要反演的无限数量参数减少到有限数量，虽然此时需要反演的参数数量小于观测值数量，但由于在反演过程中位于深部的子断层约束不佳以及部分区域观测值分布稀疏等原因，滑动分布反演问题总是一个不适定问题，因此需要施加正则化约束（Wang et al.,2016）.联合InSAR静态位移和高频GNSS动态位移波形进行运动学反演需要同时对空间和时间施加正则化约束，本研究采用一阶拉普拉斯空间正则化矩阵Ls和时间一阶导数正则化矩阵Lt来对该反演问题进行约束（Melgar Moctezuma,2014），式（1）可以扩展为：

（2）

式中λs和λt分别表示空间和时间正则化的平滑参数，最佳平滑参数由ABIC（Akaike′s Bayesian Information Criterion,Akaike贝叶斯信息准则）方法（Akaike,1980;Fukahata et al.,2004）确定.

本研究尝试利用高频GNSS波形拟合残差来确定地震最佳破裂速度，但由于GNSS台站距离震中较远且该地震破裂尺度较小，高频GNSS位移波形对破裂速度并不敏感，故本次地震破裂速度取经验值（0.8倍S波速度）2.8 km·s-1（Heaton,1990）.确定不同种类数据相对权重比以便每个数据集都能较好拟合对于多源数据联合反演来说至关重要（Chen et al.,2020）.我们根据经验定权法（Feng et al.,2010）将InSAR和高频GNSS权重比设置为1∶1，以确保能对每个数据集都能较好地解释和拟合（Zhang et al.,2009）.

2.3 结果分析

最佳断层滑动分布模型如图3所示.结果表明，门源地震引起的断层破裂长度约为26 km，与野外现场考察结果基本一致（潘家伟等,2022）.两条发震断层Fault 1和Fault 2均以左旋走滑运动为主，其中Fault 2中部兼具少量逆冲成分.门源地震主要滑动沿深度主要分布在震源（5 km）上部，沿走向则主要集中在Fault 2的冷龙岭断裂部分，其中最大滑动也位于Fault 2，最大滑动量为～4 m，所处深度为～4 km.Fault 1存在一个较小的高滑区，最大滑动量为～2 m，对应深度为～4 km.

图4 2022年门源M 6.9地震同震滑动分布模型及其不确定性（a） 滑动分布在地表的投影，子图为震源时间函数；（b） 同震滑动模型，蓝色五角星为震中，蓝色箭头表示滑动方向；（c） Jackknife测试的方差系数.Fig.4 Coseismic slip distribution model of the 2022 Menyuan M 6.9 earthquake and its uncertainty（a） Surface projection of the slip distribution,inset plot shows the source time function;（b） Coseismic slip model,the blue star is the epicenter,and the blue arrows indicate the slip direction; （c） The coefficient of variance from Jackknife test.

破裂演化图和震源时间函数表明，门源地震为双侧不对称破裂事件（图4a，图5）.地震成核后，破裂在Fault 2由震中向两侧传播，并在3.8 s时达到地震矩释放速率峰值.在5～8 s，地震破裂在Fault 2传播终止，但是在8 s后又继续释放，推测是由于地震破裂在震源东南侧遇到了某些阻碍导致破裂在该处几乎中断.西侧Fault 1在5 s后地震矩继续释放，但速率快速下降.门源地震总共在～10 s内释放了8.65×1018Nm的地震矩，对应矩震级为MW6.56.

最优同震滑动模型对应的InSAR形变场、高频GNSS位移波如图6、7所示.从图6可以看出，反演模型预测的InSAR升降轨LOS向形变与观测值吻合较好，总体InSAR拟合方差降（Variance Reductions,VR）为90.2%.从InSAR降轨LOS向拟合残差分布可以看出，在近断层区域仍有一些残差分布，推测是由于简化矩形断层模型并不能反映真实断层几何的小规模细节，以及在最上层地壳中存在沉积层导致出现非弹性响应等多种因素导致（Fialko et al.,2005;Xu et al.,2010）.

从图7可以看出，GNSS水平向预测波形与观测波形整体趋势拟合较好，但部分高频信息拟合较差，这些高频信号可能属于GNSS观测噪声，简化的矩形断层模型也可能导致了部分台站拟合较差.

图5 2022年门源M 6.9地震破裂1s间隔快照蓝色五角星为震源，黑色虚线为破裂速度为2.8 km·s-1的破裂前缘等时线.Fig.5 Snapshot of the 2022 Menyuan M 6.9 earthquake rupture history with 1 s intervalThe blue star is the epicenter,the black dotted line is the isochron of the rupture front with a rupture velocity of 2.8 km·s-1.

图6 InSAR同震形变场的观测、拟合和残差第一行和第二行分别表示升轨和降轨数据，蓝色五角星表示震中.Fig.6 Coseismic InSAR deformation field,synthetics and residualsThe top and bottom rows show data from ascending and descending tracks,respectively.The blue star represents the epicenter.

图7 水平向高频GNSS观测（黑色）和模拟（红色）波形Fig.7 Horizontal high-rate GNSS recorded （black） and predicted （red） waveforms

为了评估同震滑动模型的不确定性，本研究对滑动模型中每个子断层进行了Jackknife测试（Kim and Dreger,2008）.首先随机删除20%反演数据集（InSAR升、降轨联合数据随机删除260个点，高频GNSS位移波数据随机剔除3个台站），然后利用每次删除之后的数据集进行100次重复反演，模型参数保持不变.根据这100次的反演结果，可以计算得到平均滑动模型以及每一个子断层上的滑动标准差，利用平均滑动模型和滑动标准差可以计算方差系数（Coefficient of Variation,CV）.方差系数为滑动标准差和平均滑动的比值，可用来评估每个子断层上滑动量的变化是否稳健，方差系数越小，滑动量反演越可靠.结果如图4c所示，主滑移区方差系数均小于0.2，表明断层面上这部分区域滑动稳定.

3 同震库仑应力变化

地震会改变周围断层剪应力和正应力，使得应力增加区域地震活动率上升，应力下降区域地震活动率下降（Stein,1999）.基于库仑破裂准则（King et al.,1994），库仑应力变化ΔCFS可表示为：

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn，

（3）

式中Δτ和Δσn分别是接收断层面上剪应力和正应力变化，μ′是有效摩擦系数.李振洪等（2022）利用该原理研究了2016年门源地震和2022年门源地震之间的触发关系，其结果表明2016年门源MW5.9地震增加了2022年地震发震断层上的库仑应力变化，对2022年门源地震有一定触发作用.类似地，本文利用库仑破裂准则研究2022年门源地震对余震分布和周围区域库仑应力状态的影响.根据King等（1994）的结果，本文将有效摩擦系数μ′设置为0.4，选择10 km深度为研究对象.

图8 2022年门源M 6.9地震库仑应力变化蓝色五角星表示震中，白色圆点表示余震分布.Fig.8 Coulomb stress change caused by the 2022 Menyuan M 6.9 earthquakeThe blue star is the epicenter,and the white dots indicate aftershocks.

同震库仑应力变化如图8所示.2022年门源地震对绝大多数余震分布在10 km深度处造成的库仑应力增加均超过了0.01 MPa，这说明主震对余震有一定的触发作用.具体而言，本文根据InSAR地表破裂迹线选取的两个矩形断层与余震序列显示的破裂面总长度（32 km）基本一致（Fan et al.,2022），但东西两个断层分段长度以及空间位置略有差异，推测是由于两条发震断层均为南倾，且主震使断层～4 km处发生破裂，而余震则主要分布在～10 km，故浅部主震的发生可能触发了深部断层几何结构更为复杂的余震.此外，2022年门源地震也使门源断裂西段和民乐—大马营断裂东段部分区域库仑应力增加超过0.01 MPa，使得这些区域未来发生地震概率增大.

4 讨论

4.1 分段破裂特征

位于大陆内部的活动断层通常具有分段特征，断层长度受限于当地地壳厚度，因此每一段活动断层长度通常在10～30 km，而这种固有最大断层尺寸限制了大陆地震震级，每一段活动断层上潜在最大发震震级被限制在MW6～7之间（Pacheco et al.,1992;Scholz,1997;Stock and Smith,2000;Klinger,2010）.超过该震级阈值的大陆地震通常会有多个断层发生破裂，比如2016年新西兰凯库拉M7.8地震至少有12个断层发生破裂（Hamling et al.,2017），2021年青海玛多M7.4地震发震断层被分为了4段（Chen et al.,2022）.2022年门源地震产生了两段断层破裂，其中Fault 1长10 km，Fault 2长20 km，符合一般活动断层分段长度.

地震破裂过程可以用多个具有阻碍或触发地震破裂的障碍体来描述（Aki,1979）.这种地震破裂障碍体一般可分为两类：几何障碍体（geometric barriers）和松弛障碍体（relaxation barriers），几何障碍体与断层方向发生变化的位置相关，而松弛障碍体则是低应力积累区域，震间浅层蠕变或者已有地震发生均会导致活动断层应力降低（King,1986;Lauer et al.,2020）.因此，几何障碍体的出现可以阻碍或触发在另一条断层上的地震破裂，而松弛障碍体则一般会阻碍地震破裂.同震滑动分布模型（图4a,4b）显示在震源西北侧发生明显的断层走向变化，滑动分布在该处也发生明显变化：地震破裂在Fault 2向西北侧传播时破裂深度逐渐变小，但是当破裂传递到Fault 1时，破裂深度有所增大.同时由动态破裂演化（图5）可以看出，地震破裂在5 s之后主要发生在Fault 1上，这表明断层走向改变和分段特征导致了地震在Fault 2上释放完大部分能量之后触发了相邻断层Fault 1的后续破裂，同时也说明Fault 1没有阻碍地震的进一步破裂，因此不是低应力积累松弛障碍体区.因此综合断层几何学和地震破裂运动学，推测该断层走向变化导致的断层分段为几何障碍，它将震中西北侧两个走向不同的断层分开，这使得地震在震源两侧呈非对称破裂特征.

4.2 无震蠕滑与浅层滑动亏损

活动断层中浅层无震蠕滑段的存在限制了该部分断层孕育大地震的潜力（Avouac,2015）.海原断裂带上260 km长的天祝地震空区因其具有孕育大地震风险而一直备受关注（Gaudemer et al.,1995）.该段断层自西向东可以分为4个长度相当的部分（Liu-Zeng et al.,2007）：冷龙岭段、金强河段、毛毛山段和老虎山段.其中利用InSAR观测发现老虎山段存在一条长约35 km的无震浅层蠕滑段（Cavalié et al.,2008;Jolivet et al.,2012;Li et al.,2021），其主要特征是在该段区域断层两侧速度梯度急剧变化，而西部冷龙岭断裂和托莱山断裂的相关研究较少.Huang等（2022）利用Sentinel-1数据绘制的2014—2021年InSAR形变速度图首次覆盖了海原断裂带西部的冷龙岭断裂和托莱山断裂，升降轨LOS向速度场显示这两条断裂两侧速度梯度变化较为平缓，表明在近年来该段没有明显浅层蠕变发生.

在多个地震周期中，断层不同深度处的滑动量（同震、震后和震间滑动的总和）应保持一致（Tse and Rice,1986;Xu et al.,2016）.然而利用同震地表形变数据反演大型（MW～7）走滑地震结果表明，地壳最上部的同震滑动通常系统性地小于发震深度（4～10 km）的同震滑动（如，Simons et al.,2002;Fialko et al.,2005;Dolan and Haravitch,2014），这种现象被称为“浅层滑动亏损”（Shallow Slip Deficit,SSD）.联合滑动分布模型显示门源地震的滑动集中分布在震源上方（5 km以上），计算可得SSD为6.3%，小于之前发生的大多数大型走滑地震（图9）.造成SSD的原因目前仍有较大争议，一种可能的解释是由于浅部断层在震间的无震蠕滑导致（Hussain et al.,2016;Xu et al.,2016）.而冷龙岭断裂和托莱山断裂在近8年来并没有观测到明显的浅层蠕变（Huang et al.,2022）.结合2022年门源地震相对较小的SSD，可以推测这两条断裂浅部断层（0～2 km）应力积累大部分仍以地震的形式释放，在更长震间期内发生浅层蠕变的概率较小.同时由4.1节讨论的地震分段破裂特征可知，西侧与Fault 1相近的托莱山段不属于低应力松弛障碍体区，而是一直处于高应力积累状态，这也表明托莱山断裂在震间期几乎不存在浅层蠕滑.同时在该区域也没有现代地震活动记录，因此推测托莱山断裂未来具有孕育大型地震的潜力，需要对其进行持续的地震危险性跟踪监测.

图9 走滑地震累计同震滑动分布，数据来源：Fialko et al.（2005）,Jin and Fialko （2021）Fig.9 Cumulative coseismic slip distribution of strike-slip earthquakes,data source from Fialko et al.（2005） and Jin and Fialko （2021）

5 结论

本文利用InSAR和高频GNSS位移波形数据研究了2022年1月8日门源M6.9地震的同震形变和运动学破裂过程，主要结论如下：

（1）使用DInSAR和POT从Sentinel-1 SAR卫星影像中提取的形变场显示，最大LOS向（距离向）同震形变达0.79 m，地表破裂迹线揭示了走向角分别为82°和112°的两个发震断层.

（2）门源地震为双侧不对称破裂，主要滑动发生在Fault 2的冷龙岭段，最大滑动量为～4 m，所处深度为～4 km，西北侧Fault 1也存在一个最大滑动量为～2 m的小范围高滑区.震源时间函数表明地震在～10 s内释放了8.65×1018Nm地震矩，对应矩震级为MW6.56.

（3）本次地震也使门源断裂西段和民乐—大马营断裂东段部分区域的库仑应力增加超过了0.01 MPa，应密切关注这些区域未来发生强震的可能性.

（4）门源地震SSD仅6.3%，且冷龙岭断裂和托莱山断裂在近8年没有明显浅层蠕变，推测这两条断裂在震间更长时间尺度范围内发生浅层蠕变概率较小.另外，震源西北侧几何障碍体导致门源地震分段破裂，表明托莱山断裂属于高应力积累区域，未来有孕育中强地震的风险.

致谢感谢欧空局（ESA）提供Sentinel-1 A卫星影像和中国地震局地球物理研究所范莉苹博士提供余震重定位目录.开源软件ISCE2的使用得到了北京大学梁存任教授指导，论文部分图件由GMT绘制.