引用本文
徐小波, 单新建, 屈春燕, 张国宏, 马超, 宋小刚, 张桂芳, 温少妍. 2008、 2009年柴达木盆地地震群InSAR分析及同震形变场反演[J]. 地震地质, 2017,39(3): 485-496.
XU Xiao-bo, SHAN Xin-jian, QU Chun-yan, ZHANG Guo-hong, MA Chao, SONG Xiao-gang, ZHANG Gui-fang, WEN Shao-yan. THE 2008 AND 2009 QAIDAM, CHINA EARTHQUAKES:INSAR ANALYSIS FOR COSEISMIC DISPLACEMENTS AND INVERSION FOR FAULT MODELS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(3): 485-496.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.03.004
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2008、 2009年柴达木盆地地震群InSAR分析及同震形变场反演
徐小波1,2, 单新建1,*, 屈春燕1, 张国宏1, 马超3, 宋小刚1, 张桂芳1, 温少妍1
1 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
2 苏州科技大学, 环境科学与工程学院, 苏州 215009
3 河南理工大学, 测绘与国土信息工程学院, 焦作 454000
*通讯作者: 单新建, 男, 研究员, E-mail: xjshan@163.com。

〔作者简介〕 徐小波, 男, 1988年生, 2015年于中国地震局地质研究所获固体地球物理学博士学位, 主要从事InSAR干涉形变场分析及形变场反演等研究, E-mail: Tim-xxb@163.com。

收稿日期: 2015-06-24
基金项目: 地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2013A02, LED2015A03)、 国家自然科学基金(41140386, 41374105)与中国地震局地质研究所基本科研业务专项(DFIGCEA201217)共同资助
摘要

对发生在青藏高原东北缘——柴达木盆地北缘的4个中等震级地震分别做了研究, 其中1个地震发生在2008年, 另外3个发生在2009年。利用D-InSAR技术采用Envisat ASAR降轨数据获得了这4个地震的同震形变场。结果显示, 2008年地震形变场只有1个形变中心, 而2009年地震有3个形变中心。2008、 2009年地震引起的卫星视线向最大形变分别为0.097m和 0.41m。基于弹性半空间模型和InSAR获得的地表形变场, 反演了断层面滑动分布。对于2008年地震, 采用了一分段断层模型, 反演结果得出最大滑动为0.47m, 发生在地下19km处。对于2009年发生的3个地震, 结合分析InSAR同震形变场后分别采用了一分段断层、 两分段断层和三分段断层模型反演, 结果得出三分段断层模型模拟的形变场最符合观测到的InSAR地表形变场且残差最小, 认为三分段断层模型最可靠。

关键词: 柴达木盆地; InSAR形变; 滑动反演
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)03-0485-12
THE 2008 AND 2009 QAIDAM, CHINA EARTHQUAKES:INSAR ANALYSIS FOR COSEISMIC DISPLACEMENTS AND INVERSION FOR FAULT MODELS
XU Xiao-bo1,2, SHAN Xin-jian1, QU Chun-yan1, ZHANG Guo-hong1, MA Chao3, SONG Xiao-gang1, ZHANG Gui-fang1, WEN Shao-yan1
1 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2 School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China
3 School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
Abstract

This study focuses on four moderate-sized earthquakes in the northern margin of the Qaidam Basin, northeastern Tibet Plateau, China, of which one occurred in 2008, and three in 2009, respectively. We obtain coseismic displacement fields of these four events using Envisat descending ASAR data and D-InSAR technology. The results show that the 2008 earthquake has only one deformation center and the 2009 earthquakes have three deformation centers in their fields. The maximum displacement of 2008 and 2009 earthquakes are 0.097m and 0.41m in the LOS(line of sight), respectively. We invert ground displacements of these earthquakes based on elastic dislocation models to estimate slip distribution on fault planes. For the 2008 event, using a one-segment fault model, the inversion reveals peak slip of about 0.47m occurring at a depth of 19km. For the 2009 earthquakes, the ground displacement pattern observed by InSAR can be fitted by a three-segment fault model with smallest RMS of residuals. The three sectional fault model is considered the most reliable.

Keyword: Qaidam Basin; InSAR deformation; slip inversion
0 引言

近期在青藏高原东北缘— — 柴达木盆地北缘发生了4个地震, 并且这4个地震在时间、 空间上都很相近, 分别为2008年11月10日MW6.3地震、 2009年8月28日MW6.3地震、 2009年8月28日MW5.0地震和2009年8月31日MW5.8地震。从地质构造背景来看, 这些地震都发生在大柴旦-宗务隆山断裂带上, 这条断裂是1条走向NWW-SEE的逆冲断层, 是柴达木盆地北缘褶皱逆冲带的一部分(Xia et al., 2001; Deng et al., 2004; Sun et al., 2005; Fang et al., 2007; 李智敏等, 2010) (图1)。Gan等(2007)的GPS测量结果表明, 由于印度板块挤压亚洲板块, 导致柴达木盆地北缘地区沿NE-SW方向以10mm/a 的速度运动。Elliott等学者(2011)于2011年对柴达木盆地地震群进行了InSAR形变场分析、 反演等研究, 但由于有限的观测条件, 构造背景和数据处理方式等不同, 在Elliott等(2011)文章中忽略了对2009年8月31日MW5.8地震的分析。

图1 柴达木盆地北缘构造图
黑色虚线框为SAR影像覆盖范围; 红线表示断裂; 背景为SRTM DEM; 震源机制解来自Harvard CMTFig. 1 Map of the northern Qaidam Basin.

本文利用InSAR技术详细地分析了上述4个地震。首先, 利用D-InSAR技术获得了2008、 2009年地震群的同震形变场。尤其是对断裂带位置的确定, 做了仔细的分析定位。断层位置的确定通过在InSAR同震形变场中沿断层走向做一系列垂直于断层南北2盘的剖线(如图2b中的黑线), 通过搜寻剖线上的零值形变点, 认为零值形变点(如图2b中的黑点)即为断层位置所在, 将这些零值形变点连接起来即为断层的位置。在精确确定了断层位置后, 基于均匀介质弹性半空间模型(okada模型), 利用InSAR地表形变场反演断层面上的滑动分布。

图2 2008年(a)和2009年(b)地震群InSAR同震形变场
从蓝色到红色为1个色周表示远离卫星方向运动, 1个色周为卫星视线向4cm形变; b中的黑线为沿着断层走向做的一系列垂直于断层南、 北盘的剖线, 黑点表示剖线上零值形变点即为断层位置所在, 黑点构成的点线即为断层位置Fig. 2 InSAR observed interferograms for the 2008(a)and 2009(b)earthquakes.

1 InSAR形变场分析

研究区内有4景ENVISAT ASAR降轨影像覆盖2008、 2009年地震群发生区域, 利用这4景影像选取最小的空间垂直基线和时间基线形成了2个干涉对(表1)。数据处理采用专业干涉软件GAMMA, 干涉对在距离向、 方位向做1:5多视处理。外部地形数据采用来自NASA的3弧秒90m分辨率的SRTM DEM数据。差分干涉相位采用最小费用流方法进行相位解缠, 获得同震形变场。由于较好的地表观测条件(无植被覆盖、 干燥气候等), 2个干涉像对有很好的相干性, 所以2个InSAR同震形变场条纹清晰、 完整(图2)。从图2可看到2008、 2009年地震同震形变场在断层2盘呈不对称分布, 绝大部分形变发生在断层的南盘。如图2b所示, 2008年地震造成的地表形变最大达0.097m。2009年地震群在断层南盘有3个形变中心, 其中最大的1个形变中心形变量达到了0.41m, 另外2个形变中心形变量分别为0.16m和0.26m。

表1 SAR影像数据及相关基线 Table1 SAR images used in this study and the corresponding parameters
2 断层滑动反演

InSAR同震形变场有几百万个形变点表示地表形变, 为反演提供地表观测数据, 基于干涉像对相干性对InSAR同震形变场利用四叉树方法进行了下采样。四叉树采样能在形变梯度大的地方采样到更多的形变数据点(Lohman et al., 2005; Funning et al., 2007; Feng et al., 2010)。这种下采样方式能在形变梯度大的断裂带附近采样到高密度的地表形变数据, 同时也能保证在远处也采样到一小部分形变点。这样的采样结果有助于认识断裂带附近的地表破裂情况。最终在2个干涉形变场中分别获得了178、 1, 293个地表形变数据点作为反演输入, 这些数据点覆盖了整个形变场。

建立了1个均匀介质的弹性半空间模型(okada模型)(Okada, 1985, 1992), 断层采用平面断层模型, 以采样后的InSAR观测地表形变数据点作为输入, 应用敏感性迭代算法进行断层面滑动参数反演(Wang et al., 2008; Feng et al., 2009; Shan et al., 2011)。断层位置和断层的分段情况通过InSAR同震形变场的干涉条纹形态来确定(张桂芳等, 2011)。为了精确确定断层的位置, 在InSAR同震形变场中沿着断层走向做了一系列垂直于断层南北两盘的剖线, 搜寻剖线上的零值形变点, 认为该零值点即为断裂带位置所在。沿着断层走向确定了这一系列的零值点后, 将这些零值点连成线, 即为实际断裂带地表位置。构建的断层模型地表行迹为1条曲线, 更符合实际断层地表展布。断层参数有8个, 分别为断层的左上角起始点经纬度、 断层长度(沿走向)、 断层宽度(沿倾向)、 走向、 倾角、 滑动角和滑动量, 通过不断迭代分析可以得到这些断层参数(Lin et al., 2004; Taylor et al., 2009)。在具体反演过程中, 通过调整断层的起始点经纬度、 断层长度、 宽度、 倾向等断层几何空间位置信息, 基于okada模型反演断层面上的滑动量、 滑动角等断层位错信息。

2.1 基于一分段断层模型的2008年地震反演(2008年地震反演模型)

由于2008年地震只有1个形变中心(图3a), 建立了1个沿走向50km长、 倾向30km宽的一分段断层模型, 断层平面被分割成1km× 1km的小块(Funning et al., 2005; Zhang et al., 2011), 断层走向约为99.85° , 倾角为57° , 其他断层参数依据InSAR观测形变场和Harvard Global CMT的震源机制解设定。基于该模型模拟的同震形变场和反演的断层滑动分布, 分别如图3c、 4a所示。对比图3a、 3c可以看到, 模拟的同震形变场和观测到的InSAR同震形变场很相似, 并且残差中误差低至0.004, 3m, 说明构建的模型、 反演的结果准确。断层平面上每个小块内的箭头表示其滑动角, 该断层模型所有小块的平均滑动角为108.32° , 说明是1个高角度逆冲断层, 最大滑动0.45m位于地下20km处。

图3 基于不同模型模拟得到的形变场与模拟形变场和InSAR形变场的残差
从蓝色到红色表示远离卫星方向的1个色周, 1个色周为卫星视线向4cm的形变; c, e, g, i中的黑线表示断层位置; a和b分别为2008、 2009年地震InSAR观测形变场; c和d为模拟的2008年地震形变场和残差; e和f为基于2009年地震反演模型a模拟得到的形变场和残差; g和h对应2009年地震反演模型b的模拟形变场和残差; i和j对应2009年地震反演模型c的模拟形变场和残差Fig. 3 InSAR observed displacement and simulated displacement and residual between observed and simulated displacement of 2008 and 2009 earthquakes.

2.2 基于一分段断层模型的2009年地震反演(2009年地震反演模型a)

2009年3个地震发生在大约50km× 30km的地表范围内。首先, 考虑3个地震发生在1条近E-W走向的高角度逆冲断层上, 如图3e中的黑线。断裂带的位置通过InSAR同震形变场搜寻零值形变点确定, 建立1条走向130° ~100° 之间的高角度逆冲断层。断层走向50km长, 倾向30km宽, 断层面分割成1km× 1km的小块。为了反演解算相应的断层参数, 将断层位置和走向固定, 根据USGS和Harvard Global CMT的震源机制解将倾角限定在40° ~87° 之间, 滑动角限定在45° ~135° 之间, 通过搜寻准确的倾角、 滑动角来获得最好的反演结果。反演结果表明当倾角55° 、 滑动角处于 60° ~120° 之间时, 模拟的同震形变场和InSAR同震形变场较为一致, 然而残差中误差相对较高达0.016, 2m, 最大残差达0.107m。图3e为模拟的同震形变场, 从中可看到模拟的同震形变场只有2个形变中心, 而观测到的InSAR同震形变场有3个形变中心。

2.3 基于两分段断层模型的2009年地震反演(2009年地震反演模型b)

由于一分段断层模型反演结果与地表实际形变不太符合。构建了两分段断层模型, 断层的位置与2009年一分段断层模型一致, 将一分段断层分成了2段, 如图3g中的2条黑线所示。两分段断层模型走向(长)分别为124.9° (12km)、 101.2° (38km), 倾向宽30km。断层倾角都设定在45° ~87° 之间, 滑动角限定在 60° ~135° , 通过搜寻最佳倾角、 滑动角来解算滑动分布, 直到模型残差回归到最小。基于两分段断层模型模拟的同震形变场(图3g)和InSAR同震形变场很相近, 残差中误差相对小降为0.008, 5m, 并且断裂带南盘出现了3个形变中心, 与InSAR形变场南盘有3个形变中心一致。反演得到的断层面滑动分布如图4e所示, 最大滑动位于地下7km处。但仔细对比分析模拟的形变场和实际InSAR同震形变场, 会看到在断层北盘还有1个很小的形变中心没有在模拟的形变场中体现出来, 如图3b和图3g中红色椭圆所围区域。

图4 不同断层模型反演得到的断层面滑动分布
a和b分别为2008年地震反演得到的断层面滑动分布与3维显示; c和d为基于2009年地震反演模型a反演得到的断层面滑动分布与3维显示; e和f对应2009年地震反演模型b的反演结果; j和h对应2009年地震反演模型c的反演结果; 如图b, d, f, h断层面被分割成1km× 1km网格; 不同的滑动分布模型有不同的色标比例尺Fig. 4 Fault slip distribution inverted by different fault model.

2.4 基于三分段断层模型的2009年地震反演(2009年地震反演模型c)

由于两分段断层模型反演结果还不够完善, 所以建立了三分段断层模型来反演2009年的这3个地震, 断层位置如图3i中的3条黑线所示。基于三分段断层模型, 采用与上述同样的方式通过控制断层位置, 限定断层倾角、 滑动角在一定范围内, 搜索最佳倾角、 滑动角来反演断层滑动分布, 以获得最好的反演结果。

结果如图3i、 4j、 4h所示, 对比模拟的形变场(图3i)与InSAR观测到的形变场(图3b)可看到二者几乎一致, 断裂带南盘都有3个形变中心, 并且在模拟的形变场(图3i)中断裂带北盘出现了1个微小的形变中心, 这与InSAR观测到的北盘微小形变场中心一致, 如图3i、 3b中的红色椭圆所圈位置。反演结果表明断层南盘抬升、 北盘下降, 是1个逆冲断层。模拟的形变场有3个形变中心, 3个形变中心中的最大形变中心位置与InSAR最大形变中心位置稍有差异, 模拟得到的最大形变中心靠InSAR最大形变中心左边一点, 并且从残差图(图3j)中可看到模拟的最大形变中心形变量稍微比InSAR的最大形变中心小一点。

2.5 2009年地震群反演总结

采用非均匀滑动分布模型, 分别建立一分段、 两分段和三分段断层模型反演2009年发生的3个地震, 解算断层面上的滑动分布。反演结果如图4所示, 断层面滑动分布从地表延伸到地下25km, 但大部分滑动分布主要集中在地下5~10km处, 认为2009发生的3个地震为浅源地震。通过对比分析3种不同断层模型模拟的形变场与InSAR形变场、 残差以及反演得到的断层滑动分布, 认为三分段断层模型最符合实际断层展布情况。从三分段断层模型反演得到的滑动分布(图4j, h)来看, 断层面上有3个滑移中心对应InSAR形变场中的3个形变中心, 最大滑移达2.1m, 位于地下7.5km处。断层面上地下8km以上区域滑动角处于75° ~115° 之间, 表明滑移主要以逆冲为主。具体滑动反演参数请见表2。

表2 2008、 2009年地震InSAR同震反演断层参数 Table2 The fault parameters of the 2008 and 2009 earthquakes derived from InSAR inversion
3 宏观震中定位

对2008、 2009年柴达木盆地发生的这4个地震, USGS和Harvard CMT都提供了震源机制解, 提供了地震位置。由于USGS和Harvard CMT是通过地震波来计算震中位置的, 通常地震震中与地震台站的距离较远而导致USGS和Harvard CMT给出的震中位置会有误差。在此, 通过InSAR获得精确的同震形变场来确定这些地震的宏观震中位置。在InSAR同震形变场中, 干涉条纹包围的形变中心对应着地震的震中位置, 如图5中的黑色五角星即为InSAR定出的震中位置。从图5b可以看到, 来自USGS的2008年地震震中位置和InSAR确定的震中位置一致。而Harvard CMT给出的2008年地震震中位置和InSAR的震中位置相距10km。同时, USGS和Harvard CMT给出的2009年地震群有与InSAR的震中位置相近的, 如图5a中黑框所围, 也有相距较远的, 距离InSAR确定的震中位置2~9.5km不等。USGS、 Harvard CMT和本文InSAR定位出的震中位置如表3。

图5 USGS、 Harvard CMT和InSAR给出的震中定位结果的对比分析
a为2009年地震群定位结果, b为2008年地震定位结果; 红色实心球为USGS定位结果, 沙滩球为Harvard CMT定位结果, 黑色五角星为InSAR定位结果; 同1种颜色线条所连接符号表示同1个地震给出的不同定位结果Fig. 5 Epicenter locations of the 2008(b)and 2009(a)earthquakes from USGS, Harvard CMT and InSAR.

表3 USGS, Harvard CMT 和本文InSAR给出的震中定位参数 Table3 Epicenter location parameters from USGS, Harvard CMT and InSAR of this study
4 讨论与结论

利用D-InSAR技术获得了2008、 2009年柴达木地震群的同震形变场。结果得出2008年地震只有1个形变中心, 最大形变量约为0.097m。而2009年地震群对应3个形变中心, 形变量分别为0.16m、 0.41m和0.26m。对于2008年地震滑动分布反演, 建立了一分段走向99.857° 、 倾向 57° 的单断层模型, 反演结果表明滑动主要发生在断层的深部, 最大滑移0.45m位于地下19km处, 平均滑移量和平均滑动角分别为0.1m、 108.32° 。对于2009年3个地震的反演, 分别建立了一分段断层、 两分段断层和三分段断层模型进行反演。将3种模型反演结果进行了详细对比分析, 通过对比不同模型的残差中误差、 模拟的形变场与观测的InSAR形变场形变量等分析, 得出的结论是三分段断层模型反演结果最好, 残差中误差最小, 且基于三分段断层模型模拟的同震形变场与观测到的InSAR同震形变场最相似。

同时, 3个模型的反演结果都表明滑动分布主要发生在断层浅部。结合2008、 2009年InSAR同震形变场、 反演结果分析, 表明震源深度较深的地震通常引起相对较小的地表形变, 反之亦然。2年地震发震断层的主动盘都为南盘, 绝大部分同震形变位于南盘。该运动特征与观测到的GPS结果、 该地区的褶皱逆冲带地貌特征一致, 表明柴达木地震发生在高角度逆冲断裂带上。对2008、 2009年柴达木盆地震群宏观震中进行了定位分析, 通过对比USGS、 Harvard CMT和本文InSAR给出的定位结果, 得出由于USGS、 Harvard CMT等是利用远场地震波定位所以会有误差存在, 而InSAR定位结果则根据实际地表形变来定位更为准确; 准确的震中定位结果对于更正、 更新地震目录有重要意义。

致谢 Envisat ASAR数据由欧州空间局(ESA)提供, 断层滑动反演由SDM软件计算, 库伦应力由来自USGS提供的Couloumb 3.0软件计算所得; 感谢中国地震局地质研究所张竹琪博士对Couloumb 3.0软件使用的指导。

The authors have declared that no competing interests exist.

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