2020斯坦利地震同震形变及断层滑动分布反演

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2020斯坦利地震同震形变及断层滑动分布反演

姜 鑫^1,2,3,王世杰^1,2,3,李 伟^1,2,3, 杨臻康⁴

(1.兰州交通大学 测绘与地理信息学院，兰州 730070；

2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，兰州 730070；

3.甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州 730070；

4.青海省地理空间和自然资源大数据中心，西宁 810000)

摘要：针对2020年3月31日斯坦利地震造成同震形变场及断层运动特征的研究，该文基于D-InSAR技术获取了斯坦利地震同震形变信息。基于两步反演法，获取了发震断层分布式滑动分布，该方法通过非线性反演获取了斯坦利地震断层几何参数，通过线性反演得到断层面上的精细滑动分布。同震形变结果表明：斯坦利地震升轨隆升形变量24.2 cm，沉降量12.5 cm，降轨隆升形变量22.3 cm，沉降量14.1 cm。滑动分布结果显示：断层破裂未延伸至地表，断层滑动以左旋走滑为主，主要集中在地下10~12 km，最大滑动量约为0.9 m，出现在地下12 km处。

0 引言

2020年3月31日7时52分，美国斯坦利（Stanley）发生6.6级地震，中国地震台网测定，震中位于44.46º N，115.13º W，震源深度10 km（http://www.cenc.ac.cn/）。震中距离Stanley市30 km，距离博伊西市120 km。截至4月15日24时，共记录余震总数392次，其中，4.0～4.9级地震5次，3.0～3.9级地震133次，最大余震为4月1日12时27分发生的4.8级地震。根据美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）对震区地震烈度调查结果显示，此次强震在震区造成的最大地震烈度为VIII度。

2020Stanley地震发生在锯齿断裂（sawtooth fault）北边界处。Stanley地震发生后，文献[1]根据地质及地球物理数据发现锯齿断裂边界在向北延伸的过程中，由于受到跨查利斯（Challis）断层遗迹的挤压作用，使得该地区的地震活动在未来几年比较活跃。文献[2]基于升降轨InSAR形变场反演了此次地震断层滑动分布主要集中在地下10~15 km深处，并发现存在复杂的震后余滑现象，但得到的InSAR视线向（line of sight，LOS）模拟形变与观测到形变之间没有很好的相关性。并利用GPS数据计算了Stanley地震的水平形变，并对震源位置进行反演。本文研究使用欧空局哨兵-1（Sentinel-1A）卫星的升降轨SAR影像（https://www.asf.alaska.edu/），获取了Stanley地震引起的同震形变，基于弹性半空间位错理论，利用计算得到的LOS形变，建立了Stanley地震同震滑动分布模型。对触发的静态库仑应力(coulomb failure stress，CFS)进行了评价，结合余震空间分布，分析区域性地震活动的影响，探讨了研究区潜在的地震危害及其意义，以弥补该区域地质构造研究的不足。

1 地质构造

美国爱达荷州（Idaho）处于盆地扩展边界和山脉挤压作用的地缘交汇处，盆地与山脉自中新世以来沿东西方向伸展形成了正断层边界，盆地内隐伏断层大致沿南北走向发育[3]。Idaho中部盆地和山脉交界处沿西北走向的断层，诱发了1959年赫布根湖（Hebgen Lake）Ms7.3级地震，导致了明显的地表破裂，并形成断层崖，1983年博勒峰（Borah Peak） Ms6.9级地震，可能导致震中区域以东正断层的形成^[4]。Stanley地震发生在盆地与山脉相互作用的边界处，一些学者研究认为是盆地和山脉伸展挤压导致，并表明现存较老的沉寂断层，在不同的构造作用下，被重新激活，沿山脉扩张形成新的正断层，又在不同方向力的挤压作用下，成为走滑断层^[4]，横贯-查利斯断裂带（trans-Challis fault zones）中断层大多发育为正断层，控制着区域的地形构造。

Stanley地震发生在蛇河（Snake River）平原北构造带上，蛇河平原以一定的速率向东和东北向迁移，在黄石地区形成新的构造带，是现代构造运动和地震活动频繁的区域。现有研究发现，构造带上存在的正断裂局部发育为走滑断层^[5]，分布有大量的断层分支和陡坎，地表破裂大多被限制在断层的某一段，使得断层运动多以正倾滑动占优，同时兼具少许左旋分量^[6]。此次地震位于锯齿断裂北约16 km处，锯齿断裂活跃于12 000年前，是一条沿东北倾斜长约60 km的正断层，受山脉挤压和盆地伸展作用，锯齿断裂在44º N附近沿西北向发生较大角度偏折，影响着构造带上褶皱和隐伏断裂的发生^[7]。在沿东西向分布断裂的影响下，锯齿断裂西段构造活动存在走滑分量，而沿南北向分布的断裂控制着平原边界的扩张。图1为利用美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS）数据绘制的Stanley地震余震和震中区域断层分布，可以看出，余震在震中附近沿南北向分布，与平原边界扩展方向平行。在过去的30 a中，震中区域强震活动稀少，现有活动构造显示震中区域未存在其他明显断层，因而对此次地震发震构造无明确的解释。Stanley地震是自1983年Borah Peak earthquake Ms6.9级地震以来发生在Idaho的最大地震，并被认定是一次左旋走滑事件。

2 InSAR同震形变观测

2014年4月3日发射的Sentinel-1A回访周期短，数据获取便捷，已被广泛应用于获取地震、山体滑坡和人类活动引起的地表变形。Sentinel-1A C波段数据（5.6 cm），幅宽可达250 km，单幅影像即可完成对Stanley地震造成的形变区域全覆盖，精密轨道数据和宽幅（IW）方位向高分辨率数据（表1）来自欧洲航天局（Europe Space Agency，ESA），使用美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发布90 m分辨率的航天飞机雷达地形测绘（shuttle radar topography mission，SRTM）DEM消除地形起伏影响，干涉相位噪声通过自适应滤波方法降低。相位解缠采用最小费用流^[8]（minimum cost flow，MCF）算法，根据地形与大气相位的相关性拟合去除了与地形相关的大气相位^[9]，基于以上数据处理方法削弱部分误差，得到差分干涉位移。最后，经地理编码得到地理坐标下InSAR同震形变场。

本研究使用的InSAR图像覆盖了Stanley地震引起的整个变形场，除积雪与植被覆盖区域外，其他区域具有较好的相干性。如图2(a)所示，升轨观测得到的LOS向形变显示北形变中心隆升量达到24.2 cm，形变分布密集且范围较大，南形变中心沉降量达到12.5 cm，分布范围小且稀疏。如图2（b）所示，降轨观测得到的LOS向形变显示最大隆升量为22.3 cm，震中区域观测到14.1 cm不规则沉降分布，可能与余震集中形变有关。这些特征表明，震中附近地区的地震可能沿断层倾角破裂的深度更深。远离震源中心，LOS向形变量逐渐减小，与地震活动的物理机制保持一致^[10]。

3 断层滑动分布

为深入了解此次地震震源机制，进一步探究断层运动，在获取InSAR同震形变后，为提高反演的效率和精度，采用四叉树法^[11]（quadtree method）对LOS向形变场进行降采样，即对形变梯度大的近场区域设置较小阈值，采样相对密集，对形变梯度小的远场区域设置较大阈值，采样间隔相对稀疏，最大限度上保留形变场的空间相关特征。降采样后，用于反演的升降轨道采样点分别有264、360个。基于一维协方差函数的经验误差，将采样后的升轨数据和降轨数据的相对权重比值均设为1:0.86^[11],采用两步反演法^[12]，反演此次地震的震源参数，获取断层的滑动分布。

3.1 断层几何参数

基于Okada弹性半空间位错理论^[13]忽略地质分层影响，假设断层上的滑动量为常数，结合断层参数与地表形变间的非线性关系，如式（1）所示。

式中：d_InSAR代表同震形变场观测值；m代表断层几何参数（包括震中位置、震源深度、断层长度、宽度、走向角、倾角、滑动角等）；G为格林函数；ε表示观测误差。使用单纯形算法[14-15]在多变量函数中循环迭代以搜索此次地震发震断层参数的最优解（表2），蒙特卡洛算法[16]（Monte Carlo bootstrap Simulation Technique）用来估计参数的权重和不确定度，图3中基于一维协方差函数的统计特性噪声干扰下的100个模拟模型被用来估计其分布的标准偏差。

表2 2020斯坦利M_W6.6地震震源参数

注：Results:反演得到的断层参数；SD:标准差；GCMT: Global Centroid Moment Tenso。

3.2有限断层模型

通过线性反演来确定断层面上的精细滑动分布，将断层长度和宽度分别沿走向延伸至50 km和沿下倾方向延伸至30 km，假设发震断层为光滑矩形平面，将断层平面均匀剖分为600个离散2 km × 2 km的单段、走向可变的简单断层模型，以InSAR同震形变观测值为约束，断层边界约束的最小二乘算法反演每个子断层的滑动量，加入拉普拉斯平滑约束[17]，避免滑动分布解的发散，待求解方程如式（2）所示。

式中：d_{ＩｎＳＡＲ}为地表形变观测值；m^２为断层几何参数；G为联系断层参数与地表形变值之间的格林函数；κ²代表平滑因子；h代表拉普拉斯平滑算子；ε表示观测误差。得到的滑动分布如图4所示。

InSAR观测反演得到的最佳断层模型显示，此次地震的破裂过程主要由左旋走滑运动主导，断层破裂并未到达地表。沿断层走向40 km和下倾28 km存在显著滑移区域，在地下12 km处，断层最大滑动量可达0.9 m，平均滑动角—38º。释放的地震矩8.72×10¹⁸ N·m，矩震级M_W6.56。InSAR形变场确定的发震断层走向及余震走向线均与锯齿断裂北走向相近，判断此次地震的发震断层可能是锯齿断裂在东北向上存在的隐伏断裂。反演得到的断层倾角和走向角与USGS、GCMT给出的结果存在差异，与文献[2]给出的节面参数接近，分析认为近场大地测量数据相比远场地震波数据对断层几何的约束更加敏感，而本文反演结果依附于InSAR同震形变场约束，存在的差异可能源于反演数据类型与方法不同。根据最优断层模型，基于Okada弹性半空间位错理论，正演拟合形变场，图5分别模拟、计算了升降轨观测形变和残差，整体来看，模拟LOS位移的残差大部分小于3 cm，经统计计算可得出升降轨对应的标准差分别为1.39 cm和2.18 cm，说明该断层模型可以较好地解释此次地震造成的地表形变，而形变近场区域存在的残差可能与大气相位、余震集中形变、重力对断层影响有关[18-19]。

图5 断层滑动分布反演拟合

4 静态库仑应力

断层上的同震滑动可能通过应力转移影响邻近断层以及周围区域的状态和地震活动频率^[20-22]。断层及周围区域的应力状态是未来发震概率评估的关键指标。库仑应力增加会促进断层破裂活动，而库仑应力减小则会抑制断层破裂^[16]。虽然震后的库仑应力相比地震所需的构造应力较小，但国内外大量研究结果表明^[23-25]，0.01 Mpa的低库仑应力就足以触发一次地震。

CFS^[26]是一种应力状态的定量描述，可用于描述岩层的潜在破坏性，有助于进一步探索相关地震的发生机制，也能为地震预测提供新的着手点。为了评估Stanley地震对周围区域地震活动的影响，本文基于滑动分布结果，计算了此次地震同震位错在3种不同深度处对周围区域库仑应力分布的影响，并分析了主震对余震发生的影响，有效摩擦系数和剪切模量^[27-28]分别设置为0.4和3.32×10¹⁰N/m²。计算结果显示（图6），Stanley地震在发震断层破裂区域产生了明显的CFS减少。在12~20 km范围内，CFS明显增加的区域，历史上没有发生过较大地震，2020年Stanley地震引发的扰动应力可能使其在进一步的构造载荷作用下失稳，引起其他的地震事件。多数余震发生在5~10 km内，由Stanley主震引发，CFS增加的区域余震分布较少，余震分布在10~15 km范围内存在稀疏段，余震稀疏区域位于断层滑动量较大处。分析认为，震前CFS在主震破裂时得到了有效释放，因此余震较少，而断层滑动量较小的区域，分布的余震可能是CFS触发的^[29-30]。分析主震与余震空间分布，观察到在44.3º N处沿东北向余震密集分布，结合文献[1]的精定位余震模型分析，锯齿断裂在该处有发育为倾滑断裂的可能。总体来看，该区域是地震多发地区，地质构造仍然活跃。

5 结束语

2020年Stanley地震在震中区域沿Sentinel-1A卫星升、降轨LOS向分别产生最大形变为24.2 cm隆升和14.1 cm沉降。基于InSAR观测得到的同震变形场模拟了2020年美国Stanley地震同震滑动分布，反演的断层模型显示断层运动由左旋走滑运动主导，存在少量的倾滑分量。断层最大滑动量为0.9 m，释放的总地震矩为8.72×10¹⁸N·m，对应矩震级Mw 6.56。拟合最佳滑动分布的断层走向角156°，倾角58°，滑动角—38°。表明Stanley地震断层滑动发生在一条倾角比较平缓的断层面上，与锯齿断裂陡倾滑动特征存在显著差异[31-32]。如图4（a）、图4（b）所示，断层面浅部(深度0~3 km)和深部(深度>25 km)几乎没有滑动。已有研究^[30]表明，断层面上的摩擦性质通常是不均匀的，即断层上缘摩擦稳定带的滑动与摩擦减弱带的滑动从断层上部向地壳深处交替相互作用。因此，推测2020年Stanley地震发震带周围区域（深度0~3 km，深度>25 km）的摩擦特性表现为增强。这也表明由于断层浅部的摩擦特性增强，此次地震断层运动并没有造成地表破裂。盆地与山脉的挤压作用，导致蛇河平原中部物质北流，极易诱发地震，受地下深层岩基阻挡，Stanley地震余震分布与平原北扩展边界平行。由于余震经常发生在与主震相同的断层上，因此余震可以提供断层构造的信息(如位置、倾角、深度)，结合图2 InSAR同震形变场的空间分布特征、余震沿滑动面下倾分布和断层滑动分布模型，判断Stanley地震的发震断层为沿锯齿断裂东北向发育的隐伏断裂，且该区域在44.3º N处有发育为倾滑断层的可能。其他更精确的结果更依赖于地质调查及其他多元数据融合。CFS计算结果表明，沿锯齿断裂库仑应力至少增加了0.1 Mpa，震中区域构造运动活跃，该地区的地震危险性需持续关注。

作者简介：姜鑫（1996—），男，甘肃会宁人，硕士研究生，主要研究方向为大地测量学。E-mail：[email protected]