InSAR数据约束的2021年西藏比如MW5.8地震同震滑动分布及库仑应力变化

于书媛 张国宏 张迎峰 丁 娟 张建龙 范晓冉 王绍俊

1)安徽省地震局，合肥 230031 2)安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，蒙城 233527 3)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029 4)西藏自治区地震局，拉萨 850002 5)云南大学地球科学学院，地球物理系，昆明 650500

0 引言

据中国地震台网中心(CENC)测定，2021年3月19日在西藏比如县境内发生MW5.8 地震，震中位于(92.74°N，31.94°E)(图1)。此次地震造成西藏比如县、 聂荣县、 巴青县、 那曲市色尼区、 索县5个区县受灾，由于震中位于人口稀少的牧区，震后无人员伤亡的报道。截至2021年5月17日，一系列余震(3≤MS≤4.7)随之发生，其中最大余震的震级为MS4.7。震后，美国地质调查局和全球矩心矩张量发布了此次地震的震源机制解(表1)。可以看出，差别较大的参数是断层走向、 滑动角。本次地震的震中位于青藏高原腹地的羌中南-左贡板块上的班公湖-怒江断裂带西段(图1a)，该区附近多发育EW向的逆冲断层(李承涛等，2021)。GPS揭示青藏高原拉萨地块中部的EW向拉张速率可能达到(21.28±1.5)mm/a，优势运动方向为 N30°～47°E(张培震等，2002)。羌塘盆地的南、 北边界由班公湖-怒江缝合带与金沙江缝合带组成，本次地震附近区域的构造较为复杂，断裂众多，主要断裂为班公湖-怒江断裂和聂荣北断裂(图1b)，震中西边是测多山峰，属海拔较高的山峰。该地区200m范围内自1970年以来(截至2021年7月22日)共发生MW≥5地震27次，多为正断破裂，说明拉张应力在该地区内占主导作用，最大地震为1972年发生在崩错断裂附近的MW5.9 那曲地震(图1b)。本次地震为该地区少有的中强震，研究其发震构造对于认识该地区正断破裂地震的地质构造、 断层运动特征和地震破裂属性等具有参考意义。

图1 比如地震的区域构造背景图

表1 不同机构给出的比如 MW5.8 地震的震源参数

当前，InSAR技术在地震及地壳形变监测领域的应用已较为成熟，且已被广泛地应用于相关研究中(单新建等，2002； 冯万鹏等，2009； 张国宏，2011； 王晓航，2019)。本文利用Sentinal-1A SAR数据和D-InSAR技术获取比如地震的同震形变场，利用Okada模型和SDM软件获取发震断层面的精细滑动分布特征(Okada，1985，1992； Wangetal.，2013)，并以此为约束使用Column软件计算震中区域的库仑应力，据此进一步探讨本次地震的地震危险性。

1 同震形变场的重建与分析

1.1 研究数据

本文使用的Sentinel-1A影像参数如表2 所示，利用D-InSAR技术(Massonnetetal.，1993)重建比如地震的同震形变场，在计算时约定目标靠近卫星方向则形变量为正，远离卫星方向则形变量为负，最终获取的升、 降轨同震形变场如图2 所示。

表2 升、 降轨差分干涉影像参数

1.2 2021年比如地震的同震形变

综合分析在升、 降轨IW模式下获取的2021年比如地震的视线向干涉条纹和同震形变场(图2)可知，干涉图条纹清晰，形变场整体呈椭圆形分布(长轴大体呈NE-SW向)。升轨形变场的长轴约为22km、 短轴约为12km，LOS向形变场整体表现为远离视线方向，最大形变量为5cm，如图2b 所示； 降轨形变场的长轴约为14km，短轴约为9km，EW长约11km，最大形变量为6cm，如图2d 所示。分析认为，LOS向形变场的观测符号相同，初步判定发震断层为一条走向NE-SW的正断层。图3 表示升、 降轨的剖面线形变特征，同震形变集中在25km半径范围内，2个形变场之间的位移连续，表明本次地震的发震断层未破裂至地表。

图2 同震形变场和同震位移场(靠近卫星视线向为正)

图3 不同观测模式下2021年比如地震的视线向形变场剖面图

2 2021年比如地震的滑动模型反演

在反演之前，对升、 降轨形变场进行裁剪和降采样处理； 由表1 可知，USGS给出的发震断层倾向为SE，而GCMT给出的倾向则为NW。为确定发震断层的几何参数，本文综合考虑 InSAR 形变场的特征以及前人对班公湖-怒江断裂带西段的构造特征和动力学机制等的研究成果，决定以GCMT给出的2个节面的倾角作为反演范围进行测试。

本文依据升、 降轨LOS形变场的正、 负值界限确定一条走向NE的发震断层迹线。在设定为NW倾正断破裂(将断层设定为SE倾正断后，拟合度显著降低)的情况下，构建初始发震断层的长度为27.56km(92.78°～93.00°E)，宽度为20km(SDM程序中设置)，倾角为50°～63°，滑动角为-150°～0°，将平滑因子设置为0.08，最大迭代次数是10000。其次，以1°为步长对约定范围内的断层倾角进行测试，确定最优的断层倾角为55°； 在此基础上，基于单一断层模型，将断层面划分为500个1km×1km的子断层构造精细滑动分布模型； 最后，利用SDM反演断层面的同震滑动分布特征。图4 为反演前、 后的升、 降轨拟合的观测值、 模拟值和残差值图像。对于T143升轨，残差RMS=1.0cm； 对于T77降轨，残差RMS=0.4cm。联合升、 降轨的残差范围为-0.016～0.015m，残差RMS=0.3cm。综合分析可知，升、 降轨数据的模型拟合较好，表明反演的滑动分布结果是可靠的。根据所确定的断层最佳参数画出断层的精细滑动分布模型图，如图5 所示。从图中可见，滑动面整体呈现椭圆形集中分布，最大滑动量达0.2m； 反演得到的平均滑动角约为-55.56°，矩震级为MW5.8 ，宏观震中位于(31.94°N，92.85°E)，发震断层为正断兼左旋走滑性质。

图4 InSAR观测值、 模拟值和残差值图(虚线为反演得到的断层走向)

图5 比如地震NW倾同震破裂模型的滑动分布

3 讨论

3.1 同震库仑应力变化及潜在危险性分析

库仑应力与未来地震活动具有一定的相关性，地震的发生会引起断层近场应力场的变化，影响周围断层的活动性。依据本文得到的断层滑动分布结果，设置摩擦系数为0.4，杨氏模量取为3×1010，泊松系数取为0.25。以5km为间隔，运用Coulomb软件计算比如地震在深度5km、 10km、 15km、 20km处产生的静态库仑应力变化(Kingetal.，1994，Linetal.，2004； Todaetal.，2005)。其中ΔCFS>0表示库仑应力增加，用暖色调表示； ΔCFS<0则表示库仑应力减小，用冷色调表示； ΔCFS=0表示库仑应力不变。使用静态库仑应力破裂触发理论分析较小时空尺度范围内强震间的相互作用时，当ΔCFS≥0.01MPa时，就可能发生地震(Zivetal.，2000)。如图6 所示，本次地震产生的库仑应力影响表现为2个方向： 1)NE-SW向，主要表现为库仑应力增加； 2)NW-SE向，表现为库仑应力减少。

本次地震位于羌塘块体内地形起伏较大的区域，在USGS上搜索2021年3月19日—7月15日研究区内的地震，如表3 所示。USGS记录了包含比如地震主震在内共计7次地震，震级均>4.0级，最大余震的震级为MW5.0 ，余震深度10km。从图6a 可以看出，地下5km处的库仑应力图像呈现走滑地震应力变化正、 负交替分布的特征，应力增加最多的区域位于比如地震震中的东北部。如图6b 所示，地下10km处变化较大的区域位于震中东、 西部，应力减小范围较5km深度进一步扩大。如图6c 所示，在15km深度处，震中以北应力进一步减小，震中SW区域应力进一步增加。同时，应力减少区域的范围相对增大，比如地震震中附近大部分区域的应力发生减少。断层在深部的滑动量很小，因此在20km深处应力增大的量级相对缩小，相应的应力减少区域的范围相对增大(图6d)。整体而言，比如地震后续地震事件多发生在深5～15km处，与其对应深度的应力增加区域具有一定的吻合性。同时，震中NW和SE端ΔCFS≥0.01MPa的区域的地震危险性值得关注。

图6 不同深度处发震断层的同震库仑破裂应力变化图

表3 2021年3月19日—7月15日研究区域内的地震

3.2 地震附近断层的库仑应力变化

比如MW5.8 地震的发震断层在空间上与附近发育的聂荣北断裂和班公湖-怒江断裂西段最邻近，震中位于2条断层交会处西侧的35km处，此次地震对上述2条断裂的应力扰动受到了研究者的关注。其中，聂荣北断裂表现为正断兼右旋走滑性质，在聂荣北断裂北段发生过1971年M6.5和2016年M5.1地震。班公湖-怒江断裂带西段的那曲一带在晚更新世—全新世早期发生过重要活动。本文分别以聂荣北断裂、 班公湖-怒江断裂带为接收断层，计算并分析库仑应力变化的分布特征。通过图7 和图8 可知，以上述2条断层作为接收断层计算地震在5～20km深度内产生的库仑应力，结果主要表现为负值； 但是，地震对班公湖-怒江断裂西段和聂荣北断裂带东段产生了较为明显的库仑应力加载效应。综合分析，比如地震对上述2条接收断层都有一定的静态应力加载，且2条断裂在长时间内未发生过强震，需引起关注。

图7 地震在不同深度产生的库仑应力变化(接收断层为班公湖-怒江断裂)

图8 地震在不同深度产生的库仑应力变化(接收断层为聂荣北断裂)

3.3 发震构造分析

青藏高原由多个次级块体组成，板块运动以EW向水平、 垂向隆升为主，沿块体边界发育众多大型活动断裂带。本次地震的震中位于青藏高原中部的羌塘块体内，该区内部发育多条共轭剪切断裂(张培震等，2002； 邓起东等，2014)； 其中，班公湖-怒江断裂带是羌塘盆地南部边界一条规模巨大、 走向近EW的断裂带。遥感图像解译和历史地质资料显示，该区历史上发生的5～6级中强震均位于与NE向断裂交会的部位(李建华，1998)。本次比如MW5.8 地震的震中位于NE向班公湖-怒江断裂带和NW向聂荣北断裂带的交会部位，本文认为该地震的发生与羌塘块体所处的构造环境有关，其发震断层的滑动类型具有羌塘块体内部地震破裂的典型特征。依据升、 降轨形变场连续干涉条纹判定，本次地震的同震破裂没有达到地表。同时，本次地震的同震地表形变集中于已探明的聂荣北断裂与班公湖-怒江断裂带周边，与2条断裂的距离分别为29km和10km，发震断层倾向NW。根据研究区历史研究资料(张培震等，2002； 李才等，2009； 邓起东等，2014)分析，初步认为本次地震的发震断裂是一条位于班公湖-怒江断裂带西段北侧的NE向隐伏次生断裂，断裂的活动方式以正断为主，兼具少量走滑分量，其与主断裂的关系还需进一步依据现场地震地质调查结果进行综合判定。

4 结语

(1)本文利用D-InSAR技术获取了2021年MS6.1 比如地震的升、 降轨同震形变场，并联合约束反演发震断层的滑动分布特征。结果显示，本次地震造成的LOS向形变量最大达6cm； 发震断层为走向NE的正断层； 反演得到的断层滑动分布模型显示存在一个滑动中心，断面倾向NW，倾角为55°，滑动角为-56.42°，走向为50°，最大滑移量为0.2m，震中位于(31.94°N，92.87°E)，震源深度8.0km，矩震级为MW5.8 。

(2)此外，分析了比如地震发生后对周围区域产生的应力改变，并讨论了该地震在不同深度上产生的应力变化。结果显示，地震对邻近区域也造成了一定的影响，表现为班公湖-怒江断裂和聂荣北断裂的部分段落都有一定的静态应力增加现象，ΔCFS≥0.01MPa，且2条断裂在长时间内未发生强震，未来其危险性值得更多关注。

(3)推测发震断层为一条走向NE-SW的隐伏断裂，与班公湖-怒江断裂带之间的归属关系需要开展野外地质调查工作以进一步确认。