2020斯坦利地震同震形變及斷層滑動分佈反演

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2020斯坦利地震同震形變及斷層滑動分佈反演

姜 鑫^1,2,3,王世傑^1,2,3,李 偉^1,2,3, 楊臻康⁴

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，蘭州 730070；

2.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心，蘭州 730070；

3.甘肅省地理國情監測工程實驗室，蘭州 730070；

4.青海省地理空間和自然資源大數據中心，西寧 810000)

摘要：針對2020年3月31日斯坦利地震造成同震形變場及斷層運動特徵的研究，該文基於D-InSAR技術獲取了斯坦利地震同震形變信息。基於兩步反演法，獲取了發震斷層分佈式滑動分佈，該方法通過非線性反演獲取了斯坦利地震斷層幾何參數，通過線性反演得到斷層面上的精細滑動分佈。同震形變結果表明：斯坦利地震升軌隆升形變量24.2 cm，沉降量12.5 cm，降軌隆升形變量22.3 cm，沉降量14.1 cm。滑動分佈結果顯示：斷層破裂未延伸至地表，斷層滑動以左旋走滑為主，主要集中在地下10~12 km，最大滑動量約為0.9 m，出現在地下12 km處。

0 引言

2020年3月31日7時52分，美國斯坦利（Stanley）發生6.6級地震，中國地震台網測定，震中位於44.46º N，115.13º W，震源深度10 km（http://www.cenc.ac.cn/）。震中距離Stanley市30 km，距離博伊西市120 km。截至4月15日24時，共記錄餘震總數392次，其中，4.0～4.9級地震5次，3.0～3.9級地震133次，最大餘震為4月1日12時27分發生的4.8級地震。根據美國地質勘探局（United States Geological Survey，USGS）對震區地震烈度調查結果顯示，此次強震在震區造成的最大地震烈度為VIII度。

2020Stanley地震發生在鋸齒斷裂（sawtooth fault）北邊界處。Stanley地震發生後，文獻[1]根據地質及地球物理數據發現鋸齒斷裂邊界在向北延伸的過程中，由於受到跨查利斯（Challis）斷層遺迹的擠壓作用，使得該地區的地震活動在未來幾年比較活躍。文獻[2]基於升降軌InSAR形變場反演了此次地震斷層滑動分佈主要集中在地下10~15 km深處，並發現存在複雜的震後余滑現象，但得到的InSAR視線向（line of sight，LOS）模擬形變與觀測到形變之間沒有很好的相關性。並利用GPS數據計算了Stanley地震的水平形變，並對震源位置進行反演。本文研究使用歐空局哨兵-1（Sentinel-1A）衛星的升降軌SAR影像（https://www.asf.alaska.edu/），獲取了Stanley地震引起的同震形變，基於彈性半空間位錯理論，利用計算得到的LOS形變，建立了Stanley地震同震滑動分佈模型。對觸發的靜態庫侖應力(coulomb failure stress，CFS)進行了評價，結合餘震空間分佈，分析區域性地震活動的影響，探討了研究區潛在的地震危害及其意義，以彌補該區域地質構造研究的不足。

1 地質構造

美國愛達荷州（Idaho）處於盆地擴展邊界和山脈擠壓作用的地緣交匯處，盆地與山脈自中新世以來沿東西方向伸展形成了正斷層邊界，盆地內隱伏斷層大致沿南北走向發育[3]。Idaho中部盆地和山脈交界處沿西北走向的斷層，誘發了1959年赫布根湖（Hebgen Lake）Ms7.3級地震，導致了明顯的地表破裂，並形成斷層崖，1983年博勒峰（Borah Peak） Ms6.9級地震，可能導致震中區域以東正斷層的形成^[4]。Stanley地震發生在盆地與山脈相互作用的邊界處，一些學者研究認為是盆地和山脈伸展擠壓導致，並表明現存較老的沉寂斷層，在不同的構造作用下，被重新激活，沿山脈擴張形成新的正斷層，又在不同方向力的擠壓作用下，成為走滑斷層^[4]，橫貫-查利斯斷裂帶（trans-Challis fault zones）中斷層大多發育為正斷層，控制着區域的地形構造。

Stanley地震發生在蛇河（Snake River）平原北構造帶上，蛇河平原以一定的速率向東和東北向遷移，在黃石地區形成新的構造帶，是現代構造運動和地震活動頻繁的區域。現有研究發現，構造帶上存在的正斷裂局部發育為走滑斷層^[5]，分佈有大量的斷層分支和陡坎，地表破裂大多被限制在斷層的某一段，使得斷層運動多以正傾滑動佔優，同時兼具少許左旋分量^[6]。此次地震位於鋸齒斷裂北約16 km處，鋸齒斷裂活躍於12 000年前，是一條沿東北傾斜長約60 km的正斷層，受山脈擠壓和盆地伸展作用，鋸齒斷裂在44º N附近沿西北向發生較大角度偏折，影響着構造帶上褶皺和隱伏斷裂的發生^[7]。在沿東西向分佈斷裂的影響下，鋸齒斷裂西段構造活動存在走滑分量，而沿南北向分佈的斷裂控制着平原邊界的擴張。圖1為利用美國地質調查局(United States Geological Survey，USGS）數據繪製的Stanley地震餘震和震中區域斷層分佈，可以看出，餘震在震中附近沿南北向分佈，與平原邊界擴展方向平行。在過去的30 a中，震中區域強震活動稀少，現有活動構造顯示震中區域未存在其他明顯斷層，因而對此次地震發震構造無明確的解釋。Stanley地震是自1983年Borah Peak earthquake Ms6.9級地震以來發生在Idaho的最大地震，並被認定是一次左旋走滑事件。

2 InSAR同震形變觀測

2014年4月3日發射的Sentinel-1A回訪周期短，數據獲取便捷，已被廣泛應用於獲取地震、山體滑坡和人類活動引起的地表變形。Sentinel-1A C波段數據（5.6 cm），幅寬可達250 km，單幅影像即可完成對Stanley地震造成的形變區域全覆蓋，精密軌道數據和寬幅（IW）方位向高分辨率數據（表1）來自歐洲航天局（Europe Space Agency，ESA），使用美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發佈90 m分辨率的穿梭機雷達地形測繪（shuttle radar topography mission，SRTM）DEM消除地形起伏影響，干涉相位噪聲通過自適應濾波方法降低。相位解纏採用最小費用流^[8]（minimum cost flow，MCF）算法，根據地形與大氣相位的相關性擬合去除了與地形相關的大氣相位^[9]，基於以上數據處理方法削弱部分誤差，得到差分干涉位移。最後，經地理編碼得到地理坐標下InSAR同震形變場。

本研究使用的InSAR圖像覆蓋了Stanley地震引起的整個變形場，除積雪與植被覆蓋區域外，其他區域具有較好的相干性。如圖2(a)所示，升軌觀測得到的LOS向形變顯示北形變中心隆升量達到24.2 cm，形變分佈密集且範圍較大，南形變中心沉降量達到12.5 cm，分佈範圍小且稀疏。如圖2（b）所示，降軌觀測得到的LOS向形變顯示最大隆升量為22.3 cm，震中區域觀測到14.1 cm不規則沉降分佈，可能與餘震集中形變有關。這些特徵表明，震中附近地區的地震可能沿斷層傾角破裂的深度更深。遠離震源中心，LOS向形變量逐漸減小，與地震活動的物理機制保持一致^[10]。

3 斷層滑動分佈

為深入了解此次地震震源機制，進一步探究斷層運動，在獲取InSAR同震形變後，為提高反演的效率和精度，採用四叉樹法^[11]（quadtree method）對LOS向形變場進行降採樣，即對形變梯度大的近場區域設置較小閾值，採樣相對密集，對形變梯度小的遠場區域設置較大閾值，採樣間隔相對稀疏，最大限度上保留形變場的空間相關特徵。降採樣後，用於反演的升降軌道採樣點分別有264、360個。基於一維協方差函數的經驗誤差，將採樣後的升軌數據和降軌數據的相對權重比值均設為1:0.86^[11],採用兩步反演法^[12]，反演此次地震的震源參數，獲取斷層的滑動分佈。

3.1 斷層幾何參數

基於Okada彈性半空間位錯理論^[13]忽略地質分層影響，假設斷層上的滑動量為常數，結合斷層參數與地表形變間的非線性關係，如式（1）所示。

式中：d_InSAR代表同震形變場觀測值；m代表斷層幾何參數（包括震中位置、震源深度、斷層長度、寬度、走向角、傾角、滑動角等）；G為格林函數；ε表示觀測誤差。使用單純形算法[14-15]在多變量函數中循環迭代以搜索此次地震發震斷層參數的最優解（表2），蒙特卡洛算法[16]（Monte Carlo bootstrap Simulation Technique）用來估計參數的權重和不確定度，圖3中基於一維協方差函數的統計特性噪聲干擾下的100個模擬模型被用來估計其分佈的標準偏差。

表2 2020斯坦利M_W6.6地震震源參數

註：Results:反演得到的斷層參數；SD:標準差；GCMT: Global Centroid Moment Tenso。

3.2有限斷層模型

通過線性反演來確定斷層面上的精細滑動分佈，將斷層長度和寬度分別沿走向延伸至50 km和沿下傾方向延伸至30 km，假設發震斷層為光滑矩形平面，將斷層平面均勻剖分為600個離散2 km × 2 km的單段、走向可變的簡單斷層模型，以InSAR同震形變觀測值為約束，斷層邊界約束的最小二乘算法反演每個子斷層的滑動量，加入拉普拉斯平滑約束[17]，避免滑動分佈解的發散，待求解方程如式（2）所示。

式中：d_{ＩｎＳＡＲ}為地表形變觀測值；m^２為斷層幾何參數；G為聯繫斷層參數與地表形變值之間的格林函數；κ²代表平滑因子；h代表拉普拉斯平滑算子；ε表示觀測誤差。得到的滑動分佈如圖4所示。

InSAR觀測反演得到的最佳斷層模型顯示，此次地震的破裂過程主要由左旋走滑運動主導，斷層破裂並未到達地表。沿斷層走向40 km和下傾28 km存在顯著滑移區域，在地下12 km處，斷層最大滑動量可達0.9 m，平均滑動角—38º。釋放的地震矩8.72×10¹⁸ N·m，矩震級M_W6.56。InSAR形變場確定的發震斷層走向及餘震走向線均與鋸齒斷裂北走向相近，判斷此次地震的發震斷層可能是鋸齒斷裂在東北向上存在的隱伏斷裂。反演得到的斷層傾角和走向角與USGS、GCMT給出的結果存在差異，與文獻[2]給出的節面參數接近，分析認為近場大地測量數據相比遠場地震波數據對斷層幾何的約束更加敏感，而本文反演結果依附於InSAR同震形變場約束，存在的差異可能源於反演數據類型與方法不同。根據最優斷層模型，基於Okada彈性半空間位錯理論，正演擬合形變場，圖5分別模擬、計算了升降軌觀測形變和殘差，整體來看，模擬LOS位移的殘差大部分小於3 cm，經統計計算可得出升降軌對應的標準差分別為1.39 cm和2.18 cm，說明該斷層模型可以較好地解釋此次地震造成的地表形變，而形變近場區域存在的殘差可能與大氣相位、餘震集中形變、重力對斷層影響有關[18-19]。

圖5 斷層滑動分佈反演擬合

4 靜態庫侖應力

斷層上的同震滑動可能通過應力轉移影響鄰近斷層以及周圍區域的狀態和地震活動頻率^[20-22]。斷層及周圍區域的應力狀態是未來發震概率評估的關鍵指標。庫侖應力增加會促進斷層破裂活動，而庫侖應力減小則會抑制斷層破裂^[16]。雖然震後的庫侖應力相比地震所需的構造應力較小，但國內外大量研究結果表明^[23-25]，0.01 Mpa的低庫侖應力就足以觸發一次地震。

CFS^[26]是一種應力狀態的定量描述，可用於描述岩層的潛在破壞性，有助於進一步探索相關地震的發生機制，也能為地震預測提供新的着手點。為了評估Stanley地震對周圍區域地震活動的影響，本文基於滑動分佈結果，計算了此次地震同震位錯在3種不同深度處對周圍區域庫侖應力分佈的影響，並分析了主震對餘震發生的影響，有效摩擦係數和剪切模量^[27-28]分別設置為0.4和3.32×10¹⁰N/m²。計算結果顯示（圖6），Stanley地震在發震斷層破裂區域產生了明顯的CFS減少。在12~20 km範圍內，CFS明顯增加的區域，歷史上沒有發生過較大地震，2020年Stanley地震引發的擾動應力可能使其在進一步的構造載荷作用下失穩，引起其他的地震事件。多數餘震發生在5~10 km內，由Stanley主震引發，CFS增加的區域餘震分佈較少，餘震分佈在10~15 km範圍內存在稀疏段，餘震稀疏區域位於斷層滑動量較大處。分析認為，震前CFS在主震破裂時得到了有效釋放，因此餘震較少，而斷層滑動量較小的區域，分佈的餘震可能是CFS觸發的^[29-30]。分析主震與餘震空間分佈，觀察到在44.3º N處沿東北向餘震密集分佈，結合文獻[1]的精定位餘震模型分析，鋸齒斷裂在該處有發育為傾滑斷裂的可能。總體來看，該區域是地震多發地區，地質構造仍然活躍。

5 結束語

2020年Stanley地震在震中區域沿Sentinel-1A衛星升、降軌LOS向分別產生最大形變為24.2 cm隆升和14.1 cm沉降。基於InSAR觀測得到的同震變形場模擬了2020年美國Stanley地震同震滑動分佈，反演的斷層模型顯示斷層運動由左旋走滑運動主導，存在少量的傾滑分量。斷層最大滑動量為0.9 m，釋放的總地震矩為8.72×10¹⁸N·m，對應矩震級Mw 6.56。擬合最佳滑動分佈的斷層走向角156°，傾角58°，滑動角—38°。表明Stanley地震斷層滑動發生在一條傾角比較平緩的斷層面上，與鋸齒斷裂陡傾滑動特徵存在顯著差異[31-32]。如圖4（a）、圖4（b）所示，斷層面淺部(深度0~3 km)和深部(深度>25 km)幾乎沒有滑動。已有研究^[30]表明，斷層面上的摩擦性質通常是不均勻的，即斷層上緣摩擦穩定帶的滑動與摩擦減弱帶的滑動從斷層上部向地殼深處交替相互作用。因此，推測2020年Stanley地震發震帶周圍區域（深度0~3 km，深度>25 km）的摩擦特性表現為增強。這也表明由於斷層淺部的摩擦特性增強，此次地震斷層運動並沒有造成地表破裂。盆地與山脈的擠壓作用，導致蛇河平原中部物質北流，極易誘發地震，受地下深層岩基阻擋，Stanley地震餘震分佈與平原北擴展邊界平行。由於餘震經常發生在與主震相同的斷層上，因此餘震可以提供斷層構造的信息(如位置、傾角、深度)，結合圖2 InSAR同震形變場的空間分佈特徵、餘震沿滑動面下傾分佈和斷層滑動分佈模型，判斷Stanley地震的發震斷層為沿鋸齒斷裂東北向發育的隱伏斷裂，且該區域在44.3º N處有發育為傾滑斷層的可能。其他更精確的結果更依賴於地質調查及其他多元數據融合。CFS計算結果表明，沿鋸齒斷裂庫侖應力至少增加了0.1 Mpa，震中區域構造運動活躍，該地區的地震危險性需持續關注。

作者簡介：姜鑫（1996—），男，甘肅會寧人，碩士研究生，主要研究方向為大地測量學。E-mail：[email protected]