2022年青海门源M_%28W%296.6地震InSAR同震形变场与震源特征.pdf
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1、书书书第 卷 第期 年月地球物理学报 ,郑瑞,王琪,邹蓉等 年青海门源犕 地震 同震形变场与震源特征地球物理学报,():,:,犕 犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊(),():,:年青海门源犕犠 地震犐 狀 犛 犃 犚同震形变场与震源特征郑瑞,王琪,邹蓉,王峻祥中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,武汉 地球内部多尺度成像湖北省重点实验室,武汉 摘要本文利用合成孔径雷达差分干涉(,)技术处理哨兵卫星升降轨影像,获取了 年青海门源犕 地震的同震变形场,变形结果显示此次地震导致冷龙岭断裂西段两侧约 范围明显变形,卫星视线向最大同震位移达 基于有限断层模型,本文构造断层滑动
2、分布模型,反演同震变形场数据模型显示,冷龙岭断裂的破裂以左旋走滑为主,破裂长度约 ,主要分布在 以上深度,整体形态表现为不规则椭圆盘,其中约 的最大破裂位于 深度的椭圆中心基于反演模型估算的地震平均应力降约 ,地震标量矩为 ,对应矩震级为犕 本文计算了 年古浪地震、年及 年门源地震对本次地震破裂面的同震静态库仑应力扰动,结果表明冷龙岭断裂西段受到历次地震的库仑应力加载作用,库仑应力增加累积达 ,对本次发震断层的破裂有促进作用,其中以 年古浪地震的应力加载最为显著本次地震导致周边托莱山断裂应力变化,形成一段长约 超过发震阈值的库仑应力增加区,未来托莱山东段断层发生破裂的风险较高关键词 年门源地震
3、;同震形变;滑动分布;库仑应力加载 :中图分类号 ,收稿日期 ,收修定稿基金项目国家自然科学基金()资助第一作者简介郑瑞,男,年生,硕士研究生,主要从事大地测量方向的研究 :通讯作者王琪,男,年生,教授,主要从事大地测量与构造物理方面的研究 :犐 狀 犛 犃 犚犮 狅 狊 犲 犻 狊 犿 犻 犮犱 犲 犳 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀犿 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵犪 狀 犱狊 狅 狌 狉 犮 犲 犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳 狋 犺 犲 犙 犻 狀 犵 犺 犪 犻犕 犲 狀 狔 狌 犪 狀犕犠 犲 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲 ,犐 狀 狊
4、狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊犪 狀 犱犌 犲 狅 犿 犪 狋 犻 犮 狊,犆 犺 犻 狀 犪犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犌 犲 狅 狊 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊,犠 狌 犺 犪 狀 ,犆 犺 犻 狀 犪犎 狌 犫 犲 犻 犛 狌 犫 狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲犕 狌 犾 狋 犻 狊 犮 犪 犾 犲犐 犿 犪 犵 犻 狀 犵犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔,犠 狌 犺 犪 狀 ,犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 (),犕 ,期郑瑞等:年青海门源犕 地震 同震形变场与震源特征 ,犕 ,犓 犲 狔 狑 狅 狉
5、犱 狊 ;引言据中国地震台网中心测定,北京时间 年月日时 分,青海省门源地区发生犕 地震,美国地质调查局(,)给出的地震矩震级为犕,略小于 犕 的结果(:)地震造成数人受伤,大量房屋倒塌,部分道路桥梁受损,中国地震局发布的震区极震烈度达度,等震线长轴整体走向为北西西,震区长度约 ,造成地表破裂长度约 (李智敏等,)此次地震是继 年门源犕 地震和 年门源犕 地震之后,冷龙岭地区发生的又一次中强地震 年门源地震的孕震构造为青藏高原东北缘祁连海原断裂,该断裂位于青藏高原北东向扩展最 前 缘,是 青藏高原 东 北 部的 地 形、地 貌 边界(,;,)自印度欧亚板块碰撞以来,青藏高原东北部早期以挤压构造
6、为主,晚期转为逆冲兼走滑活动的压扭构造(王伟涛等,),测定现今地壳运动速率相对欧亚板块在 左右,以北东向变形为主作为区域内最重要的构造单元,祁连海原断裂结构复杂,具有多个走向相近的分支断裂,兼具走滑和逆冲运动特征,目前处于活跃状态(,),滑移速率在 之间,跨 断 层 速 率 存 在 明 显 的 南 北 向 衰 减(,)依据余震定位结果(,),本次地震发生在近东西走向的冷龙岭断裂上(图),全球地震矩张量解(,)震中(,)处于托莱山断裂、肃南祁连断裂和冷龙岭断裂的交会处冷龙岭断裂是北祁连活动断裂的一部分,其东段与古浪断裂及毛毛山断裂相连,西段与托莱山断裂相接冷龙岭断裂总体走向约 ,构造活动以左旋走
7、滑为主(,),其西段有少量逆冲滑移分量(,)冷龙岭断裂滑动速率约(,),为祁连海原断裂上的最高速率周边区域地震活动频发,历史地震资料显示,祁连海原断裂发生过两次级以上和多次级 以 上的 大 地 震(,;,),如 年 级海原地震,年 级古浪地震在本次发震区域附近,年和 年发生两次逆冲型地震(徐纪人等,;郭鹏等,),与冷龙岭断裂第四纪以来以走滑为主的断裂活动特征并不吻合,而朱爽等()同震 结果揭示的此次门源地震左旋走滑的同震破裂特征与冷龙岭断裂构造活动相对应 等()利用余震信息和 变形场模拟此次地震的破裂方向以及同震滑移模型,但未详细分析其构造意义;李振洪等()采用 同震变形场反演滑移模型,分析
8、年门源地震对本次地震的应力触发关系,提出 年门源地震对本次地震具有促进作用,但并未包括该区域其他历史 地震,尤其是 年古浪大震本文使用哨兵卫地 球 物 理 学 报()卷图 年门源地震周边构造背景蓝色和黄色矩形区域为降轨和升轨卫星影像覆盖区域;黑色实线为断层;红色沙滩球为 给出的 年门源地震震源机制,其余黑色沙滩球为犕的 年间的历史地震,其震源机制解来自,黑色圆为 古浪地震(,),蓝色箭头为区域 变形场(,),白色虚线框为 速度剖面范围;右下方小图为余震分布(,),圆圈大小代表余震震级 ;,犕 ,(,),(,),(,),星数据,获取 年门源地震的同震变形场并反演同震滑移分布,结合 速度场和近期地
9、震等资料探讨此次地震破裂成因和震源特征,同时模拟此次地震受 年古浪地震、年及 年门源地震同震库仑应力作用,讨论其后续对周边断层地震危险性的影响 数据处理与同震变形场 犐 狀 犛 犃 犚数据处理哨兵卫星升降轨影像完整覆盖了同震区域(表),本文采用 软件处理地震前后相隔最近的两幅重轨影像(,),获得同震变形场的干涉图像数据处理采用美国宇航局表 犐 狀 犛 犃 犚影像数据信息犜 犪 犫 犾 犲 犐 狀 犛 犃 犚犻 犿 犪 犵 犲犱 犪 狋 犪 犻 狀 犳 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀轨道飞行方向主影像()辅影像()空间基线()时间基线()降轨 升轨 发 布 的 空 间 分 辨 率 ()数字高程模
10、型消除地形相位,精密轨道数据(:)的使用有效降低了卫星轨道误差为压制噪声,距离向和方位向按照 进行多视处 理,并 采 用 加 权 功 率 谱 法(,)对干涉图滤波以提高信噪比相位解缠采用 算法(,)采用期郑瑞等:年青海门源犕 地震 同震形变场与震源特征 ()(,)对流层延迟模型扣除干涉图中对流层延迟,获得校正后的地表同震变形场(图)图门源地震同震干涉图()降轨同震干涉条纹图;()升轨同震干涉条纹图图中红色实线为反演使用的断层迹线,黑色实线为断层,白色五角星为 震中 ();(),同震变形场哨兵卫星升降轨影像完整,整体相干性较好,清晰地展示了同震变形场特征升降轨干涉条纹以冷龙岭断裂西段为界,整体呈
11、南北对称的蝴蝶状分布(图),具有纯走滑错动的典型特征,表明此次地震导致冷龙岭断裂西段左旋大幅度错动,与 公布的地震机制解相符变形图像中干涉条纹连续光滑,但靠近发震断层处干涉条纹出现不连续的分布,表明变形梯度增大,导致部分失相干,与现场勘查发现的地表破裂大体相符(李智敏等,)本文对干涉图进行掩模处理,消除失相干区域数据降轨数据最大同震视线向(,)变形量约 ,升轨数据最大同震 向变形量约 (图、),地表变形范围达 ,包含了冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段 同震滑动分布反演 断层参数反演本文对误差校正后的 同震变形场使用四叉树方法(,)进行降采样,减小数据量,保留同震变形场的主要变形特征,最终得到降轨
12、数据为 点,升轨数据为 点断层几何参数采用非线性蒙特卡洛方法反演搜索,包括断层走向、倾向、长度、顶部埋深、底部埋深、断层位置(经度、纬度)以及两个运动学参数滑动角和滑移量参考 的结果(:)以及余震空间分布(图),设定断层的走向在 之间,倾角设定在 之间,根据同震变形范围(图),设定断层长度在 ,由于此次地震破裂已到达地表(李智敏等,),故将断层上边界设为,下边界设为 ,以此作为断层初始模型,使用升降轨降采样数据进行蒙特卡洛反演搜索,以模型参数的最大后验解作为最优参数最终得到断层走向为 、倾角为 、滑动角为、顶部埋深为、底部埋深为 、断层长度为 (图),该结果与 给出的结果相一致 断层滑动分布反
13、演基于以上搜索的断层几何参数,为避免反演中可能出现的边界效应,本文将断层长度向两边延长,向下延伸为面积 、倾角 的矩形平面并按 网格将其划分为总共 个子断层为估算子断层上的滑移量,建立如下观测方程:犱犌犿,()式中犌为格林函数,基于弹性半空间位错理论计算(,),犱为已知地表位移 观测量,犿为未知的子断层滑移量为避免物理上不合理的反演结果,额外引入滑移量光滑函数约束条件,解算目标函数具体为:犌犿犱犎 犿 ,()地 球 物 理 学 报()卷图反演参数曲线()蒙特卡洛参数搜索结果;()位错模型粗糙度与数据吻合程度的折衷曲线 ();()式中第一项为观测数据的拟合度,为平滑因子,犎 犿为滑动粗糙度,犎为
14、拉普拉斯算子本文试算中尝试过不同的平滑参数,例如,依据粗糙度和拟合度的折衷曲线变化(图)确定平滑因子当选取模型粗糙度和数据拟合度相等时的平滑因子 (图),推算的地表破裂最大值仅为,小于地表观测 的最大破裂(李智敏等,;,),为此本文适度降低平滑因子以逼近地表破裂值,以此作为选取最佳平滑因子()的准则模型显示断层滑动分布基本均匀(图),沿走向破裂长度约 ,深度在 以上,最大滑移量 ,位于地下 处,平均位错量为 ,整个破裂面以最大滑动值为中心呈超长轴椭圆形态地表破裂以走滑为主,平均滑动角为 ,由滑动分布导出的矩震量为 ,相应的矩震级为犕,与 结果(,犕)相近,更接近 的解算结果本文基于圆盘理论计算
15、断层平均静态应力降(,):珔狌 犪,()其中,为剪切模量(),珔狌为反演断层滑移量大于 区域的平均滑移量,犪为断层破裂面积期郑瑞等:年青海门源犕 地震 同震形变场与震源特征等效半径最终计算结果为 破裂模型清晰地显示 的地表破裂,其中模型中 的最大地表破裂(,)与李智敏等()和 等()实测的 的最大地表位移较为接近,两者间 的距离差可能源于模型分辨率的不足以及复杂的地表过程精定位的余震主要分布在 深度范围内,主要滑移区域少有余震分布,表明断层应力释放较为充分图为升降轨数据拟合结果,升轨数据拟合均方根误差为 ,降轨为 断层附近区域受地表破裂影响较大,升降轨数据失相干严重,加上建模中采用简化断层,导
16、致靠近断层的部图 年门源地震同震滑动分布()走滑分量;()倾滑分量;()总滑移量,图中灰色圆圈为余震分布,圆圈大小代表余震大小(,),红色五角星为 矩震中 ();();(),(,),图 同震变形场与模拟变形场()、()分别为升轨和降轨观测值;()、()为升降轨模拟值;()、()为拟合残差()、()中黑色实线为模拟的发震断层位置 ()(),;()();()()()()地 球 物 理 学 报()卷分样点有较大的拟合残差不过从观测值与模拟值的相关系 数 判断,分 布模 型 具有 很 高的 可靠性 讨论地震是断层应力积累与释放的集中体现,一个约束精细的破裂模型客观反映了断层应变能的释放特征,对认识发震
17、断层几何、运动与力学性质具有指示意义 年门源地震是继 年古浪地震以来,近一个世纪间祁连海原断裂上发生的最大震级地震,图像显示本次地震的发震断层为祁连海原断裂中段的冷龙岭断层西段,其破裂分布模型揭示出同震破裂不同寻常的特点,本文结合区域构造和现今变形特征,对此给予重点分析 浅层破裂与均匀分布最近 年基于 观测约束的破裂模型显示,大陆地区中强地震(犕 )的破裂形态大多比较简单,表现为单一断层面上 尺度的集中破裂,且滑动分布基本均匀,破裂深度 以上、最大错动幅度低于(王琪等,);震级稍大些强震(犕)破裂相对复杂,例如 年丽江、年伊朗 、年木吉和 年九寨沟四次犕 地震涉及两条断层破裂(,;,;,)或一
18、条断层的两个区段,具有两个分离的破裂区(,;,;,),此等地震中,走滑断层的破裂面大多可以穿透地表,但地表破裂有限(),即使 年日本神户犕 地震和 年玉树犕 地震,破裂长度达 ,地表破裂幅度也不高于(,;陈立春等,)这类强震是否、或以多大幅度撕裂地表取决于震源深度和破裂机制,诸如 年芦山犕 和 年美国加州 犕 等逆冲型地震,因倾角较缓,多为盲震(,;,),陡立但震源相对较深的走滑型地震,例如 年于田犕 地震,地表破裂不到(李海兵等,),更有 年加州 犕 地震破裂分布在 深度,无任何地表破裂(,)本次地震矩震级与丽江、九寨沟、木吉三次地震相当,但地表破裂长达 ,其最大破裂幅度(潘家伟等,;李智敏
19、等,),近期地震中只有 年缅甸犕 走滑型地震与之类比(周辉等,)这两次地震的破裂均限制在 深度以上的地壳浅部,形成 长的鹅蛋形破裂面浅层破裂原因可能是:此前发震断层深部()曾发生过类似于 年加州 这样的盲地震(,),本次地震破裂面是前次地震留下的空区另一种可能是,年古浪地震破裂面向西延伸到本次地震下部,年汶川地震破裂模型显示,映秀北川断裂青川段至少有 长的破裂发生在地下 处(,),但这一推测受限于古浪地震尚缺少相关观测证据(,),有待证实因此本文认为更有可能是:发震断层仅浅部闭锁、深部蠕滑,这一推测与本文利用区域 速度场估算的断层闭锁深度 相符(图),不过目前跨发震断层的 测站密度有限,闭锁深
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- 2022 年青 海门 M_ 28 296.6 地震 InSAR 形变 震源 特征
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