积石山M6.2级地震InSAR同震形变场及发震断层探讨
InSAR-derived coseismic deformation field and seismogenic fault of the M6.2 Jishishan earthquake
通讯作者: 李 圣(1988-),男,硕士研究生,工程师,主要从事构造地貌和地震地质研究。Email:969667112@qq.com。
责任编辑: 李瑜
收稿日期: 2024-05-30 修回日期: 2025-03-10
| 基金资助: |
|
Received: 2024-05-30 Revised: 2025-03-10
作者简介 About authors
徐雨帆(1996-),女,硕士研究生,助理工程师,主要从事遥感及地震地质研究。Email:
2023年12月18日,中国甘肃省积石山保安族东乡族撒拉族自治县发生了M6.2级地震,地震最大地震烈度达Ⅷ度,对自然环境造成了严重破坏。为了确定发震断层基本参数,分析发震断层的运动性质,该研究利用地震前后的Sentinel-1A卫星升降轨数据和数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,基于二轨法合成孔径雷达干涉测量技术(differential interferometric synthetic aperture Radar,DInSAR)技术,获得此次地震的同震形变场;并基于均匀弹性半空间位错理论,建立了同震形变和断层运动之间的映射模型,由同震形变场拟合发震断层的运动,进而反演发震断层基本参数,模拟断层滑动分布。研究结果显示:升轨结果最大形变量约为6.65 cm,降轨结果最大形变量约为7.12 cm;发震断层走向308.14°,断层倾角61.57°,断层滑动角71.42°;断层最大滑动量约0.29 m,最大滑动大致位于地下8 m处,矩震级为Mw6.17级,发震断层以逆冲运动为主,兼少量左旋走滑运动。结合区域地质构造背景,推测发震断层为拉脊山南缘断裂,且地震造成了地表破裂。
关键词:
On December 18,2023,a M6.2 earthquake struck Jishishan Bonan,Dongxiang,and Salar Autonomous County,Gansu Province,China,with a maximum seismic intensity of VIII,causing severe environmental damage. This study aims to determine the basic parameters of the seismogenic fault and analyze its movement. To this end,this study,based on the two-pass differential interferometric synthetic aperture radar (D-InSAR) technique,obtained the coseismic deformation field of this earthquake using ascending and descending orbit from the Sentinel-1A satellite,as well as digital elevation model (DEM) data before and after the earthquake. Based on the dislocation theory in a homogeneous elastic half-space (the Okada dislocation model),a mapping model was established to link coseismic deformation and fault movement. The coseismic deformation field was used to fit the seismogenic fault,followed by the inversion for basic parameters of the seismogenic fault and the simulation of fault slip distribution. The results show that the maximum deformation from the ascending orbit data was about 6.65 cm,while that from the descending orbit data was about 7.12 cm. The seismogenic fault exhibited a strike of 308.14°,a dip angle of 61.57°,and a slip angle of 71.42°. Moreover,the fault presented a maximum slip of approximately 0.29 m located approximately 8 m below the surface and a moment magnitude of Mw6.17. The fault is characterized by thrust movement,with a minor left-lateral strike-slip movement. Based on the regional geological structure,the seismogenic fault is speculated to be the southern margin fault of Laji Mountain,with surface rupture caused by the earthquake.
Keywords:
本文引用格式
徐雨帆, 李圣, 曹彦波, 胡瑞峰.
XU Yufan, LI Sheng, CAO Yanbo, HU Ruifeng.
0 引言
2023年12月18日23时59分,甘肃省积石山保安族东乡族撒拉族自治县发生了6.2级地震,震源深度10 km,震中位于(35.7°N,102.79°E),震中地震烈度达Ⅷ度。截至2023年12月20日8时00分,该地震发生余震423次,其中3.0级及以上余震10次,地震引发了滑坡和沙涌等多种次生灾害,严重危害了当地人民的生命财产安全。
地震发生后,对发震断层的研究和探讨成为研究热点。陆诗铭等结合区域地震构造及应力、地质、震源机制、地震烈度和余震重定位等资料,综合分析认为发震断层为拉脊山北缘逆冲断裂带东支[1-
当地震震级较大且震源比较浅的情况下,通常会导致地表形变的发生[11-
1 研究区概况和数据源
1.1 研究区概况
此次地震发生在青藏高原东北边缘,是我国地势第一级阶梯和第二级阶梯的过渡地带,属高原山地地貌,平均海拔超2 000 m。从区域构造上看,震中位于西宁—兰州断块西南部,是青藏块体向NE挤压扩展的前缘地区,构造活动较为强烈。断块内部有第四纪和晚第四纪活动断裂带发育,主要有海原断裂、日月山断裂、西秦岭北缘断裂、拉脊山断裂、庄浪河断裂和倒淌河—临夏断裂等(图1)[1]。其中,拉脊山断裂带为此次地震的发震断裂带[2,4 -5]。该断裂带形成于加里东期,经历过多期强烈的构造变动,晚新生代以来再度复活,形成再生造山带,性质以挤压逆冲为主,局部兼具左旋走滑,是一个反映多阶段构造抬升的构造窗[23]。拉脊山断裂带属于祁连山造山带的中祁连地块南缘构造带,是调节日月山右旋走滑断裂带与西秦岭北缘左旋走滑断裂带之间应力应变关系的构造转换带,其沿拉脊山两侧山前发育,整体呈NW—NNW向弧形展布,是北侧西宁—民和盆地和南侧循化—化隆盆地的重要分界线,主要由拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂2条NE向凸出的弧形分支断裂带组成[1,24 -25]。
图1
图1
青藏高原及积石山地震区域活动构造背景图
Fig.1
Background map of active tectonic activity in the Qinghai-Xizang Plateau and Jishishan earthquake region
1.2 数据源
表1 影像采集时间表
Tab.1
| 飞行方向 | 数据采集时间 | 时间基 线/d | 空间基 线/m | |
|---|---|---|---|---|
| 震前 | 震后 | |||
| 升轨 | 2023-10-27 | 2023-12-26 | 60 | 65 |
| 降轨 | 2023-12-14 | 2023-12-26 | 12 | -118 |
为了消除地形相位的影响,本研究引入30 m空间分辨率的ALOS World DEM数据。不精确的轨道信息会进一步造成基线误差,影响图像配准和最终形变图像的生成,为了减小轨道不精确带来的误差,本研究使用了Sentinel-1卫星精确的星历轨道数据来优化轨道参数。数据源的详细情况见表2。
表2 数据情况介绍
Tab.2
| 数据类型 | 数据来源 |
|---|---|
| SAR影像 | 欧洲航天局Sentinel-1A |
| Sentinel-1精轨数据 | 欧洲航天局 |
| DEM数据 | ALOS World DEM |
| 活动断层数据 | 中国地震灾害防御中心地震活动断层探查数据中心 |
2 研究方法
2.1 DInSAR理论模型
二轨法DInSAR技术是在InSAR技术的基础上,利用雷达回波信号的相位信息,并结合DEM数据来消除干涉相位中地形干涉相位的影响,由此检测出地表的微小形变。SAR在不同的时间对同一地物发射微波信号,由于2次发射的微波信号存在相位差,因此回波信号就会产生干涉。该干涉相位ϕ包括了5个分量,分别是平地干涉相位ϕflat、地形干涉相位ϕtop、形变干涉相位ϕdef、大气干涉相位ϕatm和噪声干涉相位ϕnoi。一般假设大气干涉相位足够小,且可通过滤波去除噪声干涉相位的影响,则形变干涉相位计算公式为:
式中:λ为微波波长;h为地物高程,可由引入的DEM数据得到;D为视线向(line of sight,LOS)形变量。式(1)中干涉相位ϕ由地震前后的SAR数据直接生成,因此形变干涉相位即可通过式(1)、式(2)和式(3)联合求解,进而可根据形变干涉相位与视线向形变量的关系(式(4))计算出LOS向形变量D。
图2
2.2 技术流程
本研究数据处理分为生成同震形变场和断层滑动分布反演2个部分。具体技术流程见图3。
图3
二轨法DInSAR技术具体步骤包括图像配准、基线计算、干涉图生成、相干性计算、相位解缠、轨道精炼和重去平、相位转形变、地理编码等。为了降低干涉图噪声,本文使用窗口大小为128像素的Goldstein滤波器对干涉图进行滤波操作。相位解缠方法使用的是最小费用流法。
断层参数和断层滑动分布反演基于均匀弹性半空间位错模型(Okada模型),在同震形变场数据的基础上经过降采样、非线性反演和线性反演得到。Okada弹性半空间位错模型是地表形变信息与发震断层运动参数之间相互映射的一组函数关系,基于这组函数关系,能够由地表形变量解算发震断层基本参数(走向、倾角、滑动角等),同样也能够由发震断层参数模拟地表形变。其函数关系如下:
式中:d为地表形变;S(x)为断层参数;G为格林函数矩阵;ε为误差项;Lon为经度;Lat为纬度;L为断层长度;W为断层宽度;H为断层深度;U为滑动量;dip为倾角;strike为走向;rake为滑动角。
为了降低远场噪声对反演结果的影响,首先对同震形变数据进行降采样操作,降采样方法使用的是均匀降采样法;之后由非线性反演解算发震断层的基本参数;最后由线性反演模拟断层面上的精细滑动分布。线性反演是先将断层划分为若干个子滑块,然后分别计算每个子滑块的滑动,从而获取断层精细的滑动分布,以此来模拟断层的运动情况。
3 同震形变特征
积石山地震同震形变的升降轨干涉图如图4所示。由基线计算可知,在干涉图中,一个干涉条纹是一个相位变化的周期,代表约2.8 cm的形变量。升降轨干涉图结果都显示在震中附近,拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂之间,有清晰的椭圆形干涉条纹,指示地震引起了地表的形变,椭圆形变区长轴约25 km,短轴约15 km,长轴方向为NW-SE向。
图4
图5
图6
4 发震断层分析
4.1 断层参数反演结果分析
在此基础上,本研究基于Okada模型,以GCMT给出的震源机制解为初始搜索参数,得到2组震源机制解。其中,第一组震源机制解结果显示发震断层走向150.16°,断层倾角26°,断层滑动角114.43°;第二组震源机制解结果显示发震断层走向308.14°,断层倾角61.57°,断层滑动角71.42°。GCMT和USGS给出的本次地震的2组震源机制解,与本文所反演的震源参数较为相近(表3)。
表3 USGS和GCMT的震源机制解
Tab.3
| 发生时间 | 数据来源 | 震级 | 震源机制解1 | 震源机制解2 | 震源球 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 走向/(°) | 倾角/(°) | 滑动角/(°) | 走向/(°) | 倾角/(°) | 滑动角/(°) | ||||
| 2023-12-18 23∶59 | GCMT | 6.1 | 164 | 46 | 122 | 303 | 52 | 62 | ![]() |
| USGS | 5.9 | 156 | 28 | 93 | 333 | 28 | 93 | ![]() | |
根据逆断层上盘隆升下盘沉降的特点,如果第一组震源机制解符合发震断层实际情况,则发震断层是西南倾断层,断层的南盘为上盘,发震断层南侧为抬升区、北侧为沉降区;如果第二组震源机制解符合发震断层实际情况,则断层为东北倾断层,断层的北盘即为上盘,同时发震断层北侧为抬升区、南侧为沉降区。在同震形变场结果中,可以看出抬升区在北侧,沉降区在南侧,因此说明发震断层最可能为东北倾断层,即第二组震源机制解更符合发震断层情况。
为验证第二组震源机制解的合理性,本研究基于该震源机制解模拟了同震形变场,并与实际观测的同震形变场做残差分析,结果如图7所示。模拟形变与观测形变基本一致,且残差较小,说明通过Okada模型得到的第二组震源参数符合发震断层的特征,即发震断层为东北倾断层,走向308.14°,断层倾角61.57°,断层滑动角71.42°。
图7
图7
第二组断层参数拟合结果
Fig.7
The fitting results of the second set of fault parameters
为进一步研究发震断层的滑动特征,本研究在发震断层参数的基础上进行了断层滑动分布线性反演。结果显示断层最大滑动量约0.29 m,大致位于地下8 m处,矩震级为Mw6.17级,发震断层以逆冲运动为主,兼少量左旋走滑运动(图8)。
图8
4.2 发震断层探讨
InSAR同震形变场是断层活动在地表的映射,在此基础上反演得到的断层参数和断层滑动分布特征可以作为发震断层研究的重要参考,但对其真实深部构造特征的探究还需结合其他地震地质资料。
据相关地质资料显示[27],拉脊山断裂带最主要的分支断裂有拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂。拉脊山北缘断裂西段走向为EW向,东段走向为NNW向,断面总体倾向SW,倾角约50°,活动性质以挤压逆冲为主,主要活动时期为晚更新世,之后断层活动有所减弱。据野外调查和遥感解译结果,拉脊山北缘断裂西端局部有山脊断错和水系同步拐弯的现象,表明断裂带西段有左旋走滑特征[27]。拉脊山北缘断裂带东段挤压逆冲特性较强,以垂直升降运动为主,是拉脊山和积石山地区的主要活动断裂[8,24]。拉脊山南缘断裂从西到东其总体走向由近EW向逐渐转为NNW向,总体倾向NE向,断层活动以逆冲运动为主,局部有少量左旋走滑的形迹,主要活动时期为晚更新世,在全新世早期仍有活动痕迹,由多条规模不等的次级断裂组成[27]。
5 结论
甘肃省积石山保安族东乡族撒拉族自治县发生的M6.2级地震给当地造成了不可估量的伤害,引起了全世界广泛的关注。本研究基于DInSAR技术,使用Sentinel-1A的SAR数据,对本次地震的同震形变场进行了解算。为了探究本次地震的发震断层,本研究在形变场的基础上对发震断层参数和滑动特征进行了反演,并结合地质资料探讨了发震断层。
本次地震导致地表发生了明显的形变,形变区呈椭圆形,长轴长约25 km,短轴长约15 km。形变以LOS向隆升为主,升轨结果中LOS向最大形变量约为6.65 cm,降轨结果中LOS向最大形变量约为7.12 cm。
由同震形变结果反演的发震断层运动以逆冲运动为主,兼少量左旋走滑运动,断层走向308.14°,断层倾角61.57°,断层滑动角71.42°,矩震级为Mw6.17级,断层最大滑动量约0.29 m,大致位于地下8 m处。初步判断此次地震发震断层为拉脊山南缘断裂,断层活动导致了地表的破裂。具体发震断层情况还需结合更多的地质资料和实地调查进行更深入的研究。
志谢
感谢欧洲航天局提供Sentinel-1雷达卫星影像数据和精密轨道数据,感谢中国地震灾害防御中心及地震活动断层探察数据中心(
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Large magnitude earthquakes produce complex surface deformations, which are typically mapped by field geologists within the months following the mainshock. We present detailed maps of the surface deformation pattern produced by the M. Vettore Fault System during the October 2016 earthquakes in central Italy, derived from ALOS-2 SAR data, via DInSAR technique. On these maps, we trace a set of cross-sections to analyse the coseismic vertical displacement, essential to identify both surface fault ruptures and off-fault deformations. At a local scale, we identify a large number of surface ruptures, in agreement with those observed in the field. At a larger scale, the inferred coseismic deformation shows a typical long-wavelength convex curvature of the subsiding block, not directly recognizable in the field. The detection of deformation patterns from DInSAR technique can furnish important constraints on the activated fault segments, their spatial distribution and interaction soon after the seismic events. Thanks to the large availability of satellite SAR acquisitions, the proposed methodological approach can be potentially applied to worldwide earthquakes (according to the environmental characteristics of the sensed scene) to provide a wider and faster picture of surface ruptures. Thus, the derived information can be crucial for emergency management by civil protection and helpful to drive and support the geological field surveys during an ongoing seismic crisis.© 2022. The Author(s).
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