引用本文
邱江涛, 刘雷, 刘传金, 王金烁. 2008年仲巴地震形变及其揭示的构造运动[J]. 地震地质, 2019,41(2): 481-498.
QIU Jiang-tao, LIU Lei, LIU Chuan-jin, WANG Jin-shuo. THE DEFORMATION OF THE 2008 ZHONGBA EARTHQUAKES AND THE TECTONIC MOVEMENT REVEALED[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(2): 481-498.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.02.014
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2008年仲巴地震形变及其揭示的构造运动
邱江涛, 刘雷, 刘传金, 王金烁
中国地震局第二监测中心, 西安 710054

〔作者简介〕 邱江涛, 男, 1988年生, 2018年于中国地震局地震研究所获大地测量与测量工程专业硕士学位, 助理研究员, 现主要研究方向为InSAR地壳形变监测与分析, E-mail: jiangtao_q@sina.com。

收稿日期: 2018-12-27
基金项目: 国家自然科学基金(41604015)和中国地震局震情跟踪定向工作任务(2019010222)共同资助
摘要

2008年8月25日拉萨块体中部的仲巴县发生了 MW6.7地震, 之后发生了 MW6.0余震。然而, 针对此次地震, 不同机构给出的震源位置和发震断层参数存在一定差异, 同时对其所揭示的构造意义也需要更深刻的认识。文中利用不同波长、 不同入射倾角的升降轨ENVISAT ASAR和ALOS PALSAR卫星数据, 基于InSAR技术获取了该地震的8幅同震形变场图像, 得到此次地震引起的地表形变长约50km, 且分为南、 北2瓣。为了更好地反演主震的破裂滑动分布, 在数据降采样过程中, 设置近场区域的采样间隔远小于远场区域, 以保证主要形变区域的观测数据特征和采样密度, 并且扣除了余震形变的影响。基于Okada均匀弹性半空间位错模型和SDM方法反演的结果表明, 此次地震的发震断层为E倾的帕龙错断裂, 破裂滑动主要为正断倾滑兼部分左旋走滑性质, 南段最大滑动量为1.15m, 北段最大滑动量为0.52m。为了进一步理解此次地震的构造背景, 文中利用SBAS-InSAR技术获得了震后仲巴地区2008—2010年的形变时间序列, 发现形变主要是由剥蚀导致的沉降区堆积所引起的, 而在断裂两侧并不明显。结合1991—2015年的GPS数据分析, 认为拉萨块体内部EW向的伸展作用是明显且不均匀的, 地堑附近伸展量逐渐减小。正断型地震在高原隆升过程中可能起着重要的调节作用。

关键词: 2008年仲巴地震; InSAR; 地震形变; 震源机制; 震后形变
中图分类号:P931.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)02-0481-18
THE DEFORMATION OF THE 2008 ZHONGBA EARTHQUAKES AND THE TECTONIC MOVEMENT REVEALED
QIU Jiang-tao, LIU Lei, LIU Chuan-jin, WANG Jin-shuo
The Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi' an 710054, China
Abstract

On August 25, 2008, an MW6.7 earthquake struck Zhongba County, central Lhasa block. Subsequently, an aftershock of MW6.0 occurred on September 25. The rupture caused by this earthquake is rather complicated. There are some differences in focal positions and fault parameters given by different institutions. In addition, a deeper understanding of the tectonic significance of this earthquake is also needed.

Firstly, we use interferometric synthetic aperture radar data collected by the environmental satellite(ENVISAT)of European Space Agency and the advanced land observing satellite(ALOS)of Japan Aerospace Exploration Agency to obtain eight coseismic deformation fields covering the whole epicenter region based on InSAR technology. Because the terrain in the earthquake area fluctuates greatly and there are many objects with low coherence(eg. lake), we choose 30-resolution SRTM DEM data as reference DEM, the more robust Goldstein as filtering method, and Delaunay Minimum Cost Flow as phase unwrapping method. The interferograms show that the surface deformation caused by this earthquake is about 50km long and is divided into two lobes, north and south. The shape of the deformation in the north is similar to that of Palung Co Lake, and the maximum signal is hidden by the lake. The deformation in the south has two centers, located at two ridges respectively. The aftershock also caused two minor deformations at the east and north of Palung Co Lake.

Secondly, we use uniform sampling method to downsample 8 interferograms, and set the sampling interval of near-field data to be much smaller than that of far-field region, to ensure the observation data characteristic and sampling density of the main deformation region. In order to better invert the rupture slip distribution of the main shock, we subtract the influence of aftershock deformation. Finally, 6 data sets for the main shock deformation are obtained. Smoothness of sliding distribution is applied to restrict the sliding amount of adjacent fault slices. The best-fit solution shows that at least two ruptures in the south and north are caused by the earthquake, mainly of normal dip-slip and partial sinistral strike-slip by Okada uniform elastic half-space dislocation model and SDM method. The northern rupture is related to the Palung Co Fault with NE strike, with the maximum deformation of -13.0cm and the maximum slip of 0.52m in the depth of~12km, and the southern rupture deformation is obviously strongly related to topography, with the maximum deformation of -38.7cm and the maximum slip of 1.15m in the depth of~14km. The maximum slip is located at(30.81°N, 83.45°E), between the positions determined by GCMT and NEIC. The results also show that normal fault earthquakes may play an important role in the uplift of Tibet Plateau.

Thirdly, we use 15 images obtained between 2008 and 2010 from ENVISAT to obtain the post-earthquake time series deformation to further understand the tectonic background of the earthquake using SBAS-InSAR technology. 54 pairs of good interferences are screened out for processing, of which 30 pairs were unwrapped by Delaunay MCF method. The velocity accuracy threshold is set to 2mm/a to ensure reliable estimation of deformation velocity value. After two step SBAS inversions, the time series of deformation after the earthquake is obtained, thereby revealing that the post-earthquake deformation is not obvious on both sides of the fault but in the denudation and deposition area. This shows that no obvious common phenomena such as afterslip or creep are found after the earthquake. From the three cumulative deformation profiles, it can be seen that the regional deformation is mainly denudation and subsidence related to topography and geomorphology, and the deformations of adjacent subsidence and uplift regions are basically the same. The result shows that the graben structure in Lhasa block is mainly vertical deformation caused by terrain difference. In order to explain this result, we processed GPS data from 1991 to 2015 and obtained the principal strain rate in the western region of Lhasa block. The result shows that the east-west extension in Lhasa block is obvious but uneven. The strain is mainly stretching or squeezing perpendicular to deep and large faults, and the strain decreases near the grabens. The tensile strain near the Palung Co fault graben is ~2.4×108/a. This also shows that estimates of the tectonic activity based on geomorphology may be underestimated on some normal faults that have not been mapped or have no clear large-scale surface expression in the Tibet Plateau.

This study combines multi-orbit InSAR data to constrain the focal mechanism solution of the Zhongba earthquake, proving that abundant interferometric results can complement each other, which is helpful to analyze the deformation distribution caused by the earthquake more clearly and completely, especially in the absence of surface rupture.

Keyword: 2008 Zhongba earthquake; InSAR; earthquake deformation; focal mechanism; post-earthquake deformation
0 引言

北京时间2008年8月25日21时22分, 青藏高原内拉萨块体中部的仲巴县(31.0° N, 83.6° E)发生了MW6.7地震。主震发生后, 5级左右的余震沿帕龙错断裂呈SN向展布, 其中最大余震震级为MW6.0, 发生于9月25日9时47分。地震发生后, 不同机构给出的震源机制解均显示此次地震是1次以正断为主、 兼具走滑性质的破裂事件, 但所发布的震源位置和发震断层参数存在一定差异(表1)。

表1 不同机构提供的2008年仲巴地震震源机制解 Table1 Source parameter of the 2008 Zhongba earthquakes from different institutions

仲巴地区属于冈底斯山脉的高原地区。该区域曾于2004年7月12日和2005年4月8日分别发生了MW6.3地震和MW6.2地震(巴桑次仁等, 2009; 杜志彪等, 2010), 震中不远处在1994年发生过昂拉仁错MS6.75双震事件。现代GPS观测显示, 由于受到印度板块的持续推挤作用, 青藏高原中南部广泛分布的正断层和拉张性地堑表现出极强的近EW向拉张应变, 并且出现持续的面膨胀(姜卫平等, 2008; 肖根如等; 2010; 王家庆等, 2016; 王伟等, 2017)。此次地震可能进一步佐证了青藏高原板块内部在重力作用下呈EW向扩张的事实。因此, 研究2008年仲巴地震并理解此次地震的构造意义, 对进一步认识青藏高原内部正断型地震的诱发机理和区域构造活动具有重要意义。

此外, 由于拉萨块体内GPS测站稀少、 地球物理资料匮乏, 本文利用具有高形变敏感度、 高空间分辨率、 几乎不受云雨天气制约等优势的InSAR(合成孔径雷达干涉)技术, 联合利用L波段ALOS PALSAR卫星和C波段ENVISAT ASAR卫星的升、 降轨数据, 分别获取了2008年仲巴地震MW6.7主震和MW6.0余震的同震形变场, 基于非线性反演方法和Okada弹性位错模型估算断层的几何参数, 利用分布式滑动模型反演了断层面上的精细滑动分布。为了进一步确定此次地震的震后形变和构造背景, 对15期ENVISAT ASAR数据(2008— 2010年)进行SBAS-InSAR处理, 分析了震后形变场, 结合震源机制解和区域地壳形变趋势, 探讨了拉萨块体内地震分布集中的裂谷构造的形变运动特征。

1 区域地质构造背景

由于印度板块对欧亚板块持续向N的推挤俯冲, 青藏高原至今仍然是大陆范围内地质构造活动和地震活动最强烈的地区(艾印双等, 1997; 陈立军, 2013; 邓起东等, 2014)。研究表明, 青藏高原内部大部分地震的震源机制为走滑型和正断型, 南部地区地震活动较北部地区频度高、 强度大且分布集中, 震中分布与湖泊分布相吻合, 震源深度多在35km以内(崔作舟等, 1990; 郑斯华, 1995)。整体而言, 不同强度地震的主压力轴方向基本一致, 说明高原内部整个岩石圈受印度板块俯冲推挤的统一控制, 高原的隆升是该地区地震活动性的主要背景(曾融生等, 1992; 滕吉文等, 1997; 李德威等, 2014)。

现代GPS观测结果揭示, 青藏高原中南部地区整体以EW向拉张运动为主, 中部以SN向压缩变形为主, 然后向两侧分异逃离(张培震等, 2004; 刘志广等, 2013)。区域内普遍发育着高角度的正断层以及近SN向的裂谷地堑构造, 该区域已成为高原内现代地震集中分布的地带(杨德明等, 2001; 李亚林等, 2005)。

拉萨块体内发育着7条SN向正断裂及其控制的地堑构造(李永华等, 2006)。2008年仲巴地震即发生在雅鲁藏布江缝合线以北的隆格尔裂谷、 帕龙错活动地堑构造带内, EW向的嘉黎-然乌断裂带和近SN向的帕龙错-仓木错断裂带的交会部位(图1)。帕龙错地堑切割了EW走向的冈底斯山脉, 由中部的断陷盆地、 两侧的正断层和断隆带构成。西侧正断层表现为高倾角的特点, 走向15° ~30° , 断面自山脉向盆地倾斜, 倾角70° ~80° , 东侧正断层发育程度较低, 总体表现为半地堑构造; 东、 西2支断层组成了仓木错-帕龙错断裂带, 具有强烈的左旋张性正断特征(Elliot et al., 2010; Styron et al., 2010)。

图 1 2008年仲巴地震构造背景图及余震分布
红色五角星为NEIC确定的主震位置(地形图来自GMRT(Global Multi-Resolution Topography Data Synthesis), 余震分布来自IRIS(Incorporated Research Institutions for Seismology), 断层数据来自Central Asia Fault Database和邓起东等, 2002)Fig. 1 Geological map and aftershock distribution of the 2008 Zhongba earthquake.

2 SAR数据处理与分析
2.1 同震InSAR处理

为了降低误差, 本文使用了来自欧洲太空局(European Space Agency, ESA)的C波段ENVISAT ASAR和日本宇航研发局(JAXA)的 L波段ALOS PALSAR升降轨数据。ASAR数据的波长为5.6cm, 对形变的敏感度较高, 距离向分辨率为20m, 方位向分辨率为12m, 极化方式为VV。PALSAR数据的波长为23.6cm, 距离向分辨率为15m, 方位向分辨率为13m, 极化方式为HH。设置ENVISAT ASAR数据的垂直基线≤ 400m、 ALOS PALSAR数据的垂直基线≤ 900m, 具体配对信息见表1。

考虑到震区的盆-湖-山构造地貌, 采用美国宇航局(NASA)最新发布的30m分辨率SRTM DEM数据去除地形起伏的严重影响。为了尽可能避免影像畸变导致的失相干, 处理ASAR影像数据的过程中, 采用荷兰Delft大学发布的精密星历(ENVISAT Precise Orbit)来修正轨道误差。基于高级雷达图像处理软件ENVI/SARscape5.4(试用版)进行两轨法差分干涉测量(Massonnet et al., 1995)。处理流程如图2所示。

图 2 InSAR处理流程Fig. 2 InSAR processing flow.

为了尽可能保持较好的相位信息, 滤波方法选用较为稳健的Goldstein法, 以确保干涉条纹的清晰度, 并减少由空间基线和时间基线引起的相位斑点噪声(Goldstein et al., 1998); 由于震区存在大量低相干性地物(湖水)及地形起伏较大的区域, 选用Delaunay MCF(Minimum Cost Flow)进行相位解缠, 对于相干性高的像元, 基于Delaunay三角格网进行解缠可以减少低相干像元和相位突变的影响(Ghiglia et al., 1994; Qiu et al., 2017)。选取地形平缓区域、 远离震中且相干性均> 0.8的地面控制点(GCPs)进行轨道精炼和相位偏移计算, 消除可能存在的斜坡相位, 对卫星轨道和相位偏移进行纠正。最终获得形变信息较完整的干涉纹图(图3)。由于9月25日发生的余震震级达到了MW6.0, 可能会引起地表变形, 为了最小化余震变形对主震信号的扰动, 选择主、 余震事件之间的轨道391(2008-09-01)和轨道119(2008-09-17)的2景ENVISAT ASAR数据, 分别与主震前2期、 余震后2期数据进行干涉处理, 得到了条纹清晰的主震形变图和余震形变图各2幅(图4), 为精确厘定此次地震引起的地表形变和反演发震断层提供了可靠保障。

图 3 2008年仲巴地震形变干涉图
红色实线为选取的2处同震位移剖面。
“ ALOS: T161” 指ALOS卫星的161轨道, “ 080505-090323” 为干涉前后2期影像的日期, 其他标注文字的意义与之相同Fig. 3 Deformation interferograms of the 2008 Zhongba earthquakes.

图 4 2008年仲巴地震主震形变干涉图(上)、 余震形变干涉图(中)及区域1、 2对应的遥感影像
红色虚线为地形分割线, 白色数字为概略海拔值(单位: m)。 “ ENVISAT: T391” 指ENVISAT卫星的391轨道, “ 070430-080901” 为干涉前后2期影像的日期, 其他标注文字的方式与之相同Fig. 4 Deformation interferogram of the main shock(upper)and aftershock(middle)of the 2008 Zhongba earthquake, and the remote sensing images corresponding to area 1 and area 2.

由于此次地震位于冈底斯山脉中段地堑盆地内, 高山积雪的消融和配对影像时间间隔过长均对干涉图像的相干性产生了影响, 因此在地势最高的冰川和积雪覆盖地区, 形变信号严重丢失。

表2 同震SAR影像配对信息 Table2 Information for pairing co-seismic SAR images

丰富的干涉图有助于更加清晰地厘定地震引起的变形分布。从图 3中可以看出, 此次地震引起的地表形变长约50km, 大部分区域内的干涉条纹光滑清晰。其中, ENVISAT卫星384和391轨道的结果完整覆盖此次地震的整个震中区域。由于ALOS雷达数据波长较长, 对一些较小的形变不如ENVISAT卫星敏感。同时, ENVISAT卫星的结果比ALOS雷达更明显地指示出发震断层为帕龙错断裂。由于雷达影像叠影、 前缩的影响, 对于帕龙错湖西侧的形变, 升轨干涉图明显比降轨干涉图所包含的信息更丰富。

主震引起的干涉条纹明显分为南、 北2瓣。北部的变形波瓣受到东、 西两侧断裂的规则约束, 形状与NNE走向的帕龙错湖相似, 最大信号被湖掩盖, 升、 降轨LOS向(卫星视线方向)沉降量区间分别约-5.4~-19.8cm和-7.6~-18.9cm; 南部的变形波瓣受地形限制呈 “ 8” 字形分布, 2个变形中心分别是2处山峰(脊), 升、 降轨LOS向沉降量区间分别约-10.5~-41.7cm和-8.2~-26.2cm。此次地震引起的隆升量不明显(≤ 2.0cm), 且在沉降区东、 西两侧均有分布。这种地震引起的上盘下沉量比下盘隆起量大得多, 属于典型的正断型地震, 且升、 降轨LOS向沉降量在南、 北部有明显的差异, 由此推断此次地震至少引起了2段破裂。

9月25日余震的2幅干涉图(ENVISAT卫星391轨道: 2008年9月1日— 2008年10月6日; 119轨道: 2008年9月17日— 2008年12月13日), 形变区域主要为帕龙错湖东畔中部的1个突出部位(图 4区域2)和北东畔(图 4区域1), 从区域1、 2的Google Earth影像中可以明显看出, 形变与地形呈强相关。LOS向形变约-4.2~-0.18cm。

2.2 同震位错模型反演

根据获得的InSAR干涉结果(图3, 4), 设置地表破裂模型总长度约60km, 包含南、 北2段。为了提高反演速率, 利用均匀采样法对8幅干涉图进行降采样, 设置震中形变区采样间距为500m, 形变区以外区域采样间距为2i000m, 以保证主要的形变区域的观测数据特征和采样密度。最终得到513、 161、 384、 241轨道的同震形变数据, 数量分别为2i028、 1i764、 3i276和2i052个(图3), 391和119轨道主震形变数据分别为3i102和2i149个, 余震形变数据分别为3i192和2i242个(图4)。为了更精确地反演主震的发震断层和滑动分布, 从图 3的4组数据中减去图 4的2组余震形变的平均值。

表3 Okada位错模型反演获得的2段发震断层几何参数 Table3 Geometric parameters of two seismogenic faults from Okada model

根据6个主震形变观测值集的中误差T513:T161:T384:T241:T391:T119=2.2:2.2:0.7:0.7:0.6:0.50(Parsons et al., 2006), 并考虑干涉结果的时空基线长短, 设定联合反演中的权重比为T513:T161:T384:T241:T391:T119=1:1:1:4:3:4(Jó nsson et al., 2002)。由于无法判断9月25日的余震是否有形变被帕龙错湖掩盖, 故不对该余震进行同震位错反演。

首先采用Okada均匀弹性半空间位错模型, 以哈佛大学GCMT及NEIC发布的震源机制解为初始参考值, 非线性反演断层的几何参数(经度、 纬度、 走向、 倾向、 滑动角、 深度以及断层的长度、 宽度), 方程式为

dInSAR=G(m)+ε(1)

式中, dInSAR为地表观测值, G(m)为与断层参数(长度、 宽度、 位置、 走向、 倾角和滑移量)有关的格林函数, ε 为观测误差。采用Levemberg-Marquardt最小二乘优化算法迭代, 对8个断层的几何参数进行求解。

确定发震断层的几何参数后, 断层面的滑动分布与地表形变呈线性关系(Ji et al., 2017)。与非线性反演一致, 采用Okada均匀弹性半空间位错模型来模拟形变场。为获取分辨率较高的结果, 本文将断层面长度、 宽度沿走向、 下倾方向拓展至34km、 34km, 并将其划分为2km× 2km的矩形单元。此外, 为了避免滑动分布解的振荡, 模拟值和InSAR观测值必须满足以下条件:

min[‖G(m)s-dInSAR‖2+α2‖HS‖2]→0(2)

式中, ‖ ‖ 2为欧几里得范数, H为制约断层平滑程度的拉普拉斯算子, s为地下断层面的滑动量, α 为控制断层平滑程度及断层位错量符合程度的因子, (G(m)s-dInSAR)为残差。采用Wang等(2006)开发的地震位错反演程序SDM, 联合6组InSAR结果, 反演地震破裂过程中精细的滑动分布。反演中根据CRUST1.0模型确定区域地壳分层结构, 对于相邻断层片的滑动量, 施加滑动分布平滑约束, 结果如图 5和图 6所示。由图中可知, 北段形变与NE向帕龙错断裂相关, 最大形变量为-13.0cm, 南段形变与地形明显强相关, 最大形变量为-38.7cm。根据震级的计算公式得到该地震的矩震级为MW6.62~6.75。

从整体上看, 2处主要的形变特征能够得到最佳拟合。但也发现在形变区, 尤其是南部存在过度拟合现象(图5b), 这可能是由于干涉图在这一区域包含严重的因积雪影响等产生的噪声, 造成拟合残差偏大。

图 5 基于Okada均匀位错模型均匀拟合得到的2008年仲巴地震主震的干涉图(a)和残差图(b)
黑色实线为拟合的发震断层在地表的迹线Fig. 5 Interferogram(a)and residual(b)of the main shock of the 2008 Zhongba earthquake by Okada uniform dislocation model.

反演得到的滑动分布(图6)显示, 地震只导致0825N段出现少许地表破裂, 虽然0825S段的滑动分布范围到达地表, 但从分布特征分析, 主要为剥蚀层的滑落。此次地震造成的破裂滑动主要在4~28km断层倾向深度范围内, 主要为倾滑, 兼具部分左旋分量。存在2个局部滑动最大值, 1个在0825N段约12km深处, 滑动量为0.52m, 明显低于Ryder等(2012)得到的1.02m; 另1个在南段约14km深处, 滑动量为1.15m, 也小于Ryder等(2012)得到的1.34m。同时, 2处最大滑动量均比Ryder等(2012)和Elliott等(2010)的结果深2~6km。最大滑动量所在的地表位置为30.81° N, 83.45° E。

图 6 基于Okada均匀位错模型均匀反演得到的2008年仲巴地震主震滑动分布Fig. 6 Slip distribution of the main shock of Zhongba earthquake by Okada uniform dislocation model.

地震引起破裂的北段明显沿着陡峭的悬臂崖以约40° 的倾角向NE下沉, 兼具少许走滑分量, 南段形变比北段大。破裂引起的滑动实际上是切入了更高的地形, 而不是沿着山前断裂发生错动。可见, 地震活动与地形的联系是多种多样的。

2.3 震后时序InSAR数据的处理

为了进一步确定此次地震的震后形变和构造背景, 我们收集了2008年仲巴地震震后的15期ENVISAT ASAR数据(2008— 2010年)进行时序InSAR处理, 为避免出现失相干和噪声过大的情况, 干涉配对给定时间基线范围为90~500d; 为避免完全空间失相关, 将空间基线百分比限制为基线最大阈值的45%进行自由干涉组合, 以移除低相干性像对。最终筛选出54对可用干涉图像。可用干涉对的时间基线和空间基线关系如图7所示。

图 7 2008年仲巴地震震后54对干涉对基线组合(a)和其中30对Delaunay 3D解缠干涉对(b)
黄点(序号2:2009-02-23)为选定的超级主影像Fig. 7 Space-time baseline combination of 54 post-seismic interference pairs(a), of which 30 pairs can be Delaunay 3D unwrapped(b).

对54个差分干涉对的解缠相位按照小基线集(Small Baseline Subset, SBAS)技术标准进行处理(Hu et al., 2014)。针对研究区域的地形情况, 为较好地处理2个相对孤立的相干性高的区域, 选用Delaunay MCF方法进行相位解缠。 解缠分解等级设置为1, 可减少解缠错误, 提高解缠质量及处理效率。在没有残余地形和相位跃变的区域选择52个相干性> 0.75的GCPs对所有数据对进行重去平。采用基于网络法的2次多项式模型进行轨道误差校正, 以消除干涉图中的长波长相位误差。考虑到青藏高原内部存在季节性冻土和复杂地貌, 为减弱大气相位的影响, 设置时间滤波窗口为1a, 空间域滤波窗口为1.0km, 速率精度阈值为2mm/a, 以保证估算的形变速度结果的可靠性。经过2次SBAS反演得到研究区域的时间序列累积形变相位, 并转换为LOS向地表形变速率, 结果如图8所示。

图 8 利用SBAS-InSAR技术获得2008年仲巴地震震后2008年11月— 2010年6月时序形变图(a)及残差图(b)Fig. 8 Post-seismic time series deformation(a)and residual(b)during the period from November 2008 to June 2010.

从获得的时序形变残差图中可以看出, 由于积雪量变化导致山顶处误差较大(约3.7mm), 盆地、 谷地等平缓地区误差较小(≤ 1.5mm)。形变图中震后形变趋势消失, 主要表现为与地形地貌相关的剥蚀和沉降。LOS向沉降区域主要位于山体顶(脊)部, 隆升区主要位于山体底部缓坡或谷地, 尤其是河道附近。断裂带两侧未见明显形变差异。通过3条累积形变剖面的结果可以看出, 沉降和隆升形变与地形密切相关, 相邻沉降、 隆升区域的形变量值基本一致。由于InSAR对垂直方向的形变最为敏感(≥ 90%), 而几乎监测不到SN向的形变(≤ 10%), 因此, 可以初步认为2008年仲巴地震震后未见明显的余滑或蠕滑等常规现象, 仲巴地区的地表形变主要是由于重力均衡引起的剥蚀、 沉积所致。

3 讨论
3.1 震中及震源机制解

由多源SAR数据获得的InSAR形变场清晰地证实了2008年仲巴地震的发震断层为E倾的NE向帕龙错断裂(图1)。震中位置(30.81° N, 83.45° E)位于GCMT和NEIC给出的位置之间, 分别相距11.6km和23.0km, 与IRIS给出的坐标相距33.7km。这种差异可能与地震学反演得到的震中是起始破裂的位置、 而InSAR反演的结果是滑动量级最大的部位有关。而3所机构给出的定位结果存在差异则是由于使用了不同的远场波动资料和地球分层模型导致的。

从InSAR同震形变图像(图3)和位错反演结果(图6)来看, 此次地震引发了2段破裂, 地表形变以垂直形变为主, 同震破裂长约50km。发震断层南段走向约65° , 倾向约40° , 滑动角为-69° ; 北段走向约25° , 倾向约45° , 滑动角为-36° 。如果统一成一条断层, 则断层参数与GCMT给出的震源机制解中的节面Ⅱ 近似。计算得到该地震的矩震级范围为MW6.62~6.75, 与各机构发布的震级基本一致。断层面上的精细滑动分布结果表明, 地震破裂主要为正断倾滑兼部分左旋走滑, 破裂南段滑动量最大, 破裂北段沿断面由山脉向盆地倾斜。

余震的形变可能是随着主震引起的主正断层上盘的下沉, 在主正断层的上盘形成了释放断层而导致的(Destro et al., 2003; Ryder et al., 2012), 此次地震的释放断层受到地形影响, 垂直于主正断层, 在帕龙错湖东畔中部, 释放断层具有与主断层垂直的正断运动。

3.2 仲巴地区的构造运动关系

现代地震记录表明, 青藏高原南部的地震分布与半地堑构造的湖泊分布相吻合, 2018年仲巴地震即发生在帕龙错活动地堑构造带内, 地震形变范围覆盖了整个帕龙错湖, 地震引起的破裂滑动表现出与帕龙错断裂一致的左旋张性正断特征。然而此次地震引起的形变明显与地形紧密相关, 破裂北段沿着陡峭的悬臂崖分布, 南段形变大于北段, 滑动切入了更高的地形。这种与地形强相关的特征在余震形变中表现得更为明显。

此次地震与2008年7月17日的青海唐古拉山地震的构造性质相同, 都与高原新生代的伸展正断层活动密切相关, 进一步证明了印度板块向N推挤、 在青藏高原四周诱发与逆冲走滑有关的地震活动, 而在高原内部则以伸展作用和正断型地震为主的观点(李勇, 2006)。此次地震的InSAR结果也说明, 对于青藏高原内部一些没有清晰地表迹象的正断裂上基于地貌学估计的构造活动量可能被低估了(Elliott et al., 2010; Wang et al., 2014), 正断层地震在高原隆升过程中可能起着重要的调节作用。

3.3 青藏高原中南部的地堑构造形变

受印度板块持续向N推移和欧亚大陆的阻挡, 青藏高原自形成以来始终受到近SN向的挤压作用, 通过块体边界运动和内部各种方式的构造变形来调节着自身的形态和轮廓, 具体表现为向N推移、 缩短加厚和向E挤出3种形式, 局部伴随着块体的转动(Armijo et al., 1989; Molnar et al., 1989)。2008年仲巴正断型地震为重新审视SN走向正断裂在高原扩张过程中的作用提供了机遇。

利用15期ENVISAT ASAR数据(2008— 2010年)获得的仲巴地区的时序形变结果表明, 在帕龙错活动地堑中, 沉降区域主要位于山体顶(脊)部, 隆升区主要位于山体底部缓坡或谷地, 尤其是河道附近。相邻沉降、 隆升区域的形变量值基本一致, 并且在断裂带两侧未见明显形变。这一发现似乎佐证了拉萨块体内的地堑构造可能并不完全具有在纯粹伸展环境下形成地堑的典型地质、 地球物理场特征(贺日政, 2003)。帕龙错活动地堑可能是由于造山作用形成的, 是拉萨块体西部中— 上地壳沿着壳内某一滑脱面韧性滑动和脆性上地壳部分的高程效应综合作用的结果(贺日政, 2003)。

为了进一步验证这种认识, 我们利用1991— 2015年期间GPS数据(Zheng et al., 2017)计算得到了拉萨块体西部区域的主应变速率场(图9), 结果表明, 拉萨块体边缘应变情况较复杂, 主要为垂直于深大断裂的拉伸或挤压应变, 块体内主要为EW向拉张应变, 在裂谷附近应变逐渐变小, 表明拉萨块体内部的EW向伸展作用是明显且不均匀的。这可能是由于青藏高原内部各地体的物质结构、 构造及其所处的构造应力场不同而导致的。帕龙错地堑附近拉伸应变速率约2.4× 10-8/a。结合InSAR时序结果分析, 认为地堑地区的形变主要是由于地形地貌差异导致的垂直向形变。

图 9 拉萨块体西部区域主应变速率图
GPS数据(1991— 2015年)来自Zheng等(2017)。 黄框为本文研究区Fig. 9 Principal strain rate map of western Lhasa block.

4 结论

研究2008年青藏高原内部仲巴MW6.7地震对理解高原内伸展构造运动有着重要意义。尽管该地区恶劣的自然条件使野外地质考察工作难以顺利开展, 但本文同时利用升、 降轨的ENVISAT ASAR和ALOS PALSAR卫星数据获取了该地震主震和余震的高精度同震形变场, 扣除余震形变后, 基于Okada均匀弹性半空间位错模型反演确定了主震的震源机制解和精细滑动分布。在此基础上, 利用SBAS-InSAR技术获得了震后仲巴地区2008— 2010年的形变时间序列, 分析了青藏高原中南部的裂谷构造形变。本研究得到了以下几点结论:

(1)此次地震发生在帕龙错地堑构造内, 发震断层为E倾的NE向帕龙错断裂。由多源SAR数据获得的InSAR形变场表明, 此次地震至少引发了2段破裂, 地表形变以垂直形变为主, 同震破裂长约50km。破裂北段走向约25° , 倾向约45° , 滑动角为-36° , 与NE向帕龙错断裂相关, 最大形变量为-13.0cm; 南段走向约65° , 倾向约40° , 滑动角为-69° , 形变明显与地形强相关, 最大形变量为-38.7cm。计算得到该地震的矩震级范围为MW6.62~6.75, 与各机构发布的震级基本一致。

(2)此次仲巴地震主震的破裂过程复杂。断层面上的精细滑动分布结果表明, 地震破裂由南向北发展, 主要为正断倾滑兼部分左旋走滑, 有2个局部滑动最大值, 一个在0825N段约12km深处, 滑动量为0.52m; 另一个在南段约14km深处, 滑动量为1.15m。最大滑动量在地面投影的位置(30.81° N, 83.45° E)位于GCMT和NEIC给出的位置之间。

(3)本文联合多轨ENVISAT ASAR和ALOS PALSAR卫星数据来约束仲巴地震的震源机制解, 丰富的影像数据有利于干涉结果之间的互相弥补, 有助于更加清晰完整地分析地震引起的变形分布, 特别是在没有地表破裂的情况下。

(4)获取的仲巴地区震后时间序列形变场表明, 沉降区域主要位于山体顶(脊)部, 隆升区主要位于山体底部缓坡或谷地, 尤其在河道附近。相邻沉降隆升区域的形变量值基本一致, 形变趋势基本保持不变, 并且在断裂带两侧未见明显形变。拉萨块体内的地堑构造主要是由于地形地貌差异导致的垂直向形变。

致谢 ESA和JXAX为本文提供了数据支持; ENVI/SARscape软件试用版由ERSI提供; SDM程序包由汪荣江教授提供; 评审专家提出了中肯有益的修改意见。在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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