2022年1月8日青海门源MS6.9地震GNSS同震形变场及其断层滑动分布

许双安

摘要：

2022年1月8日在青海省海北州门源县发生MS6.9地震，本次地震是继2016年门源MS6.4地震后冷龙岭断裂周边发生的又一次强震。确定本次地震的破裂分布对分析该地区震害风险具有重要意义。通过收集震中及周边12个GNSS连续站点和震后加密观测的17个流动站点观测资料，获取了震中100 km范围内29个测站的GNSS静态同震形变场，并以此为约束反演了本次地震同震滑动分布。结果显示，近场GNSS观测到的最大形变量可达1.3 m。反演的最优破裂模型显示该地震主破裂区深度位于0～10 km，滑动破裂出露地表，最大滑动量为4.07 m，地震矩释放能量约1.1×1019 N·m，对应矩震级MW6.7。门源地震破裂至地表是造成该地区基础设施破坏的直接原因。

关键词：

门源地震; GNSS; 同震形变; 滑动分布

中图分类号： P319      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0401-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220824002

Co-seismic deformation filed and fault-slip distribution of the Menyuan MS6.9

earthquake on January 8， 2022， constrained by GNSS observations

XU Shuang'an1，2

（1. China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， Shaanxi， China;

2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization （FSDI）， Xi'an 710043， Shaanxi， China）

Abstract：

On January 8， 2022， an MS6.9 earthquake occurred in Menyuan County， Qinghai Province. It is another strong earthquake occurred in this region after the 2016 Menyuan MS6.4 earthquake， and determining the rupture distribution of this earthquake has great significance for analyzing the seismic damage risk in this area. Based on the observation data from 12 continuous global navigation satellite system （GNSS） stations and 17 mobile stations in the epicenter and its surrounding areas， the GNSS static co-seismic deformation field of 29 stations within 100 km of the epicenter was obtained and the co-seismic slip distribution of the MS6.9 earthquake was inverted. Results show that the maximum deformation observed by near-field GNSS reaches 1.3 m. The optimal rupture model shows that the main rupture zone of the earthquake is concentrated at the depth of 0-10 km; the sliding rupture is exposed to the surface， and the maximum slip is up to 4.07 m; the inverted seismic moment is about 1.1×1019 N·m， corresponding to MW6.7. The earthquake rupture to the surface is the direct cause of the destruction of infrastructure in this region.

Keywords：

Menyuan earthquake; GNSS; co-seismic deformation; slip distribution

0 引言

据中国地震台网中心测定，2022年1月8日1时45分，青海省海北州门源县（37.77°N，101.26°E）发生6.9级地震，震源深度10 km（https：//news.ceic.ac.cn）。这是继1986年8月26日和2016年1月21日2次门源6.4级地震之后该地区发生的又一次中强震事件［1］。据应急管理部公布的青海门源地震烈度分布图显示，此次地震最高烈度为Ⅸ度，Ⅵ度區及以上面积约2.4万 km2，其中青海省Ⅵ度区及以上面积约13.7万 km2，甘肃省Ⅵ度区及以上面积约9 694 km2，等震线长轴呈北西西走向，长轴约200 km，短轴约153 km（www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5646200/index.html）。此次地震影响区域涉及青海省3个市州6个区县32个乡镇，甘肃省3个市6个区县29个乡镇以及中牧山丹马场、大黄山林场。其中在最高烈度区域内，交通基础设施桥梁和隧道出现偏移、输水隧洞局部垮塌，道路路面出现多处裂缝、局部错断等现象，对国家和人民财产造成了巨大损失［2］。

中国地震局地球物理研究所快速产出的余震精定位结果显示，此次门源6.9级地震发生在青藏高原东北缘冷龙岭断裂、托莱山断裂和肃南—祁连断裂的阶区部位，属于海源断裂带西段，其晚第四纪左旋走滑速率约为4～6 mm/a［3-5］，如图1所示。现今青藏高原北部形变场形成是通过不同活动断裂差异性相对运动、区域内部逆冲挤压和块体旋转共同作用的结果，构造较为复杂［6］。青藏高原东北缘历史上发生过多次7级以上地震，其中1920年以来发生过3次7.5级以上大地震，包括1920年海原8.5级地震、1927年古浪8.0级地震和1932年昌马7.6级地震，上述大地震导致海原断裂、冷龙岭断裂和昌马断裂发生显著的地表破裂，并造成重大人员伤亡［7-12］。

2022年门源地震发生后，中国地震局牵头组织相关科研机构开展地震应急科考，通过实地调查发现本次地震序列在地表产生了多条破裂带，其中地表破裂迹线规模较大的一条位于冷龙岭断裂西段，长度约22 km，观测到的最大位错量约为3.1 m，变形强度具有由西向东衰减趋势。调查分析认为地表破裂带规模无论是宽度、长度还是位错量级，与主震震级都不相匹配（www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html）。部分学者基于InSAR观测资料对本次地震同震滑动分布进行了反演，认为本次地震自NWW向SEE破裂，发震断层最大滑动量达3.5 m，主要滑动分布在东部［13］，这与地质考察的结果存在一定差异。由于本次地震破裂出露地表，通过InSAR观测资料干涉处理得到的震中近场区域失相干效应明显，InSAR观测数据不能获取本次地震近场视线向位移（LOS），或得到的LOS观测误差较大。因此，仅利用InSAR观测资料反演滑动分布和地震震级会使反演结果存在较大的不确定性。GNSS具有更高的观测精度和时间分辨率，是地壳形变监测中的一种重要观测手段。震中近场区域分布的GNSS加密观测，可以作为InSAR近场失相干区域的有效补充。

为了更深入研究2022年门源地震同震形变分布特征和发震机理，本文利用震中及周边布设的GNSS连续测站和震后应急观测的流动测站观测资料，获取了本次地震同震形变场;同时根据发震断层地表迹线和余震精定位结果构建了发震断层几何参数初始模型;通过采用GNSS同震形变场为约束，反演同震滑动破裂分布。相关研究结果可以为进一步计算断层面库仑应力变化，以及区域未来地震危险性评估提供重要参考。

1 GNSS观测资料及数据处理

1.1 GNSS观测资料

2022年1月8日MS6.9门源地震发生后，青海省地方政府会同相关企事业单位开展了震后抢险复旧工作，并组织测绘力量对受地震影响的测量基准进行了快速恢复。为了研究分析并总结本次地震震害特征，对震中附近既有的工程测量控制网前期布设的17个控制点进行了复测，另外还收集有震中周边分布的GNSS连续观测站资料，包括青海省 6个CORS站和中国大陆构造环境监测网络（简称：陆态网络）6个GNSS连续站，如图2所示。

1.2 GNSS数据处理

采用GAMIT/GLOBK10.7软件对收集的GNSS原始观测数据进行高精密数据处理［14］。为保证数据结果的一致性和可靠性，数据处理过程中采用统一的处理模型和处理策略［15］。首先，对固体潮、极潮、海潮进行模型改正，并用GPT2全球气压温度模型进行对流层延迟改正［16］，通过计算估计得到包括测站坐标、卫星轨道和天顶对流层延迟等参数在内的单日松弛解。然后，利用GLOBK将区域松弛解与SOPAC（Scripps Orbital and Permanent Array Center）产出的全球IGS站的单日松弛解合并，得到一个包含全球IGS站和本文GNSS站的单日松弛解。最后，在全球范围内选择用于实现参考框架转换的参考站，以全球单日松弛解做为准观测值，利用GLOBK通过7参数（3个平移、3个旋转、1个旋转）相似变换得到ITRF2014参考框架下的单日坐标解［17］。

1.3 静态同震形变场获取

GNSS坐标时间序列中包含了多种信号，既有构造运动信号，如测站长期线性运动速率、地震同震形变及震后弛豫形变，也包含部分非构造运动信息，如季节性周期形变，仪器更换引起的坐标时间序列跳变，以及测站观测环境突变引起的阶跃等［15，18-19］。我们分析了QHME（青海门源）坐标时间序列，发现2016年门源地震影响范围较小，未产生明显的震后形变，故忽略2016年地震的震后形变影响。2022年门源地震发生后，次日即对周边GNSS流动站进行了快速复测，所以在同震形变的获取时，该地震自身引起的震后影响也可忽略不计。GNSS坐标时间序列通用拟合公式如下：

y（ti）=a+bti+csin（2πti）+dcos（2πti）+esin（4πti）+fcos（4πti）+

∑ngj=1gjH（ti-Tgj）+∑nhj=1hjH（ti-Thj）ti（1）

式中：a为截距；b为线性速率;ti为观测时间;c-f是周年、半周年变化振幅;gi和hi是ti时刻的阶跃值;Tgj为地震发生时刻;Thj为阶跃发生时刻;H表示Heaviside阶梯函数;n为阶跃个数。

对于GNSS连续站，本文首先对解算的坐标时间序列进行粗差剔除［20］，然后對不明原因的阶跃进行探测，并与同震形变一起进行估计;对于GNSS流动测站，采用基于贝叶斯后验概率密度统计方法来估计同震位移。陆态网络连续站和青海CORS站已连续观测多年，拥有丰富的震前观测资料，可以根据震前、震后数据直接提取同震形变。本文流动观测站点只有一期震前观测资料，为了获取2022年门源地震同震形变结果，我们首先基于Wang等［19］2020发布的中国大陆长期形变速度场，利用克里金插值算法对长期形变速率未知的站点进行空间插值，估计其震前长期运动速率。然后，将插值得到的测站长期速率代入式（1）中计算提取流动站同震形变。

2 GNSS同震位移场

2022年门源地震水平向同震形变场如图3所示，有29个GNSS站点记录到了明显的同震位移，其中距离震中最近的TB01测站东西向位移为1.29 m，南北向位移为0.2 m。除此之外，近场站点IZQ6、P112、P200均记录到了0.4 m以上的同震位移。由圖3可以看出，该地震同震形变场呈四象限分布，发震断裂以北方向测站有NW向运动趋势，断裂以南方向测站有向SE方向运动趋势。由此可以看出，本次地震是以左旋走滑型为主，这与青藏高原东北缘前缘部分的地壳缩短和左旋剪切的背景场一致［21-22］。部分GNSS站点同震形变数值结果列于表1。

该地震的同震破裂区域位于祁连山南部，断层以北区域缺乏近场GNSS观测点位。为了增加滑动分布反演时的观测量和远场观测数据的约束，本文在滑动分布反演时还加入了部分远场GNSS观测资料。虽然远场GNSS站点测量的同震形变信噪比较低，但计算结果显示同震位移方向仍然符合该地震左旋走滑特性，所以认为该站记录到的同震位移能够准确反映该地区的同震位移特征。

3 断层滑动分布反演

地震发生后，国内外多个研究机构给出了该地震的震源机制和同震破裂过程（美国地质调查局、中国地震局地质研究所、中国地震局地球物理研究所等）。其中，美国地质调查局在震后早期发布了W震相震源机制解反演的地震破裂过程，持续时间约10 s，破裂长度30 km，倾角为88°。为了构建发震断层模型，我们收集发震区地质构造背景、余震精定位结果、地表破裂迹线和InSAR干涉影像结果，发现门源地震地表破裂西段与精定位余震位置并不完全重合（图1c），可能是断层倾角发生变化导致，也可能是余震精定位结果存在一定偏差。根据发震区及周边地震孕震背景以及国内外多家科研机构公开的震源机制解可知，发震断层为高倾角断层［13，23］。为此，我们依据InSAR结果识别的破裂迹线构建了非线性的曲面断层面。由于断层倾角的少许变化不会改变GNSS资料反演滑动分布的基本特征，本文假设断层倾角为90°，长度为42 km，宽度为20 km，将弯曲的断层面离散化为1 km×1 km的840个矩形位错单元。基于GNSS观测资料反演同震破裂模型，应满足观测数据拟合度和滑动分布粗糙度最小，即：

式中：d为同震形变观测值;W为观测值的权矩阵;G为格林函数;m为子断层滑动矢量;SymbolQC@2拉普拉斯光滑算子［24］;β为光滑因子。本文中格林函数G为利用Okada弹性半无限空间均匀介质模型来计算［25-26］。

受限于GNSS台站密度比较稀疏，在有限断层反演过程中通常需要加入比较强的平滑权重来提升反演结果的稳定性。由式（2）可以看出，断层滑动分布特征除了与GNSS站点分布有关，光滑因子对反演结果的影响也很大。本文利用搜索法，在0～0.5之间对光滑因子进行搜索，通过GNSS数据拟合残差与滑动位移的光滑度之间的L曲线，选取最终的光滑因子为0.15。

基于上述方法，得到了2022年门源地震同震破裂模型，如图5所示。结果显示，同震滑动分布主要集中在0～10 km之间，主破裂面最大滑动量约为4.07 m，破裂出露地表。假设泊松比为 0.25，剪切模量为 30 GPa，利用同震滑动模型计算得到地震矩释放能量为1.1×1019 N·m，对应矩震级MW6.7，与地震波反演结果相当。

如图6所示，2022门源地震同震破裂模型的模拟值与GNSS观测值拟合整体上较一致，说明断层参数的选取相对可靠。与Herring等［13］基于InSAR观测资料反演获取的同震滑动分布相比，震级大小相当，但最大滑动量和最大破裂区域位置存在差异。本文反演的主破裂区域在西段，这可能与GNSS在东部的站点分布较少有关，也可能与选取的断层模型存在差异有关。

4 讨论

为了进一步验证本文GNSS观测资料对滑动分布反演的约束能力和分辨能力，我们制作了棋盘检验。输入断层的几何特征不变，设定每个棋盘网格为7 km×5 km，滑动网格的滑动量为1 m，不滑动的为0 m。首先，我们根据该棋盘模型正演了GNSS观测站的同震位移，然后在该同震位移上加入观测误差，最后利用相同的参数反演该棋盘的滑动分布，如图7所示。结果显示，本文的GNSS站点可以很好的分辨出浅层0～10 km处的滑动。正演和反演的地震矩和震级都相同，说明基于GNSS观测资料反演获取的发震震级也较为可靠。

地震发生后，国内学者分别利用InSAR和GNSS观测资料对2022年门源地震同震破裂滑动分布进行了研究分析［13，27-28］。如李煜航等［28］利用其测量的GNSS数据结果反演的滑动分布主要分布在冷龙岭西段和托莱山东段，最大滑动量约3 m，矩震级MW6.55，而Luo等［27］基于InSAR反演的滑动分布显示该地震的最大滑动量约4 m，矩震级MW6.7，与本文的最大滑动量约4 m，矩震级MW6.7的结果比较一致。反演结果出现这种差异可能是由于计算采用的数据源和构建的模型不同导致。

5 结论

本文通过对震中附近的GNSS站点进行加密观测，获取了2022年门源MS6.9地震近场水平向GNSS同震形变场，直观的揭示了该地震的同震形变分布特征。

（1） 同震形变结果显示，2022年门源地震以左旋走滑为主，同震形变场呈四象限展布，观测到的地表最大同震形变量达1.3 m。过震中沿西北-东南方向，GNSS形变量呈现出距震中距离越远，同震形变位移越小的特征。

（2） 以GNSS观测结果为约束反演得到同震滑动分布模型，结果显示该地震主要滑动量集中在0～10 km深度，最大滑动量为4.07 m，地震矩为1.1×1019 N·m，对应矩震级MW6.7。

（3） 本次地震破裂滑动出露到地表是该地区基础设施受损的重要原因。

致謝：感谢中国地震局地震研究所野外观测小组在GNSS数据采集中提供的帮助，赵斌提供了地震同震滑动分布反演程序，并对程序进行了详细的讲解，王东振在GNSS数据处理方面提供了很大的帮助，青海省基础测绘院赵利江提供的青海CORS站数据。

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