聚焦青海地震 |李振洪等：InSAR数据约束下的2016年和2022年青海门源地震震源参数及其滑动分布|武汉大学学报·信息科学版

李振洪1,2,3韩炳权1,2刘振江1,2张苗苗1,2余琛1,2,4*陈博1,2刘海辉1,2杜静1,2张双成1,2,3朱武1,2,3张勤1,3彭建兵1, 3

1 长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安，710054

2 长安大学地学与卫星大数据研究中心，陕西 西安，710054

3 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西 西安，710054

4 英国纽卡斯尔大学工程学院，英国 纽卡斯尔，NE1 7RU

李振洪

博士，教授，主要研究方向包括影像大地测量、地质灾害、人工大型建筑物稳定性和精准农业。[e-mail]

余琛

博士。[e-mail]

摘要 

中国青海省门源县于2016年和2022年分别发生了Mw 5.9级和Mw 6.7级地震，相距不足40 km。利用欧洲空间局Sentinel-1A升降轨雷达影像，采用合成孔径雷达干涉技术 (interferometric synthetic aperture radar, InSAR) 分别获取两个门源地震的同震地表形变场，进而利用弹性半空间的位错模型确定上述事件的震源参数，基于分布式滑动模型反演确定两次地震断层面上的滑动分布，并探讨2016年门源地震对2022年门源地震的发震影响及触发机制。

结果表明，2016年门源地震为逆冲型地震，并未破裂到地表，升、降轨同震形变场沿视线向的最大形变量分别为6.7 cm和7.0 cm，断层的最大滑动量为0.53 m，主要集中在地下4~12 km区域滑动。2022年门源地震的同震形变场沿NWW-SEE向破裂，降轨影像最大视线向地表形变量为78 cm，本次门源地震发震断层的最大滑动值达到3.5 m，处于地下4 km左右，断层滑动分布模型揭示本次地震为左旋走滑型地震；结合冷龙岭断裂的运动性质和几何特征，可初步判定发震断层主要为冷龙岭断裂的西段、且破裂到了其西北端西侧的托莱山断裂。静态库仑应力触发关系显示，2016年门源地震对2022年门源地震的发生有一定的促进作用。

引用 

李振洪，韩炳权，刘振江，等. InSAR数据约束下的2016年和2022年青海门源地震震源参数及其滑动分布[J].武汉大学学报·信息科学版，2022，DOI：10.13203/j.whugis20220037

据中国地震台网发布，2022-01-08 01：45 (北京时间)，中国青海省海北州门源地区发生了 Mw 6.7 级地震，震源深度约为10 km (见图1(a))；不同机构测定的断层几何及震源机制由于采用数据不同而存在差异，详细信息见表1。本次地震震中 (101.26° E ，37.77° N) 距离皇城蒙古族乡16 km，距离门源县城54 km，距离西宁市136 km，距离2016-01-26门源Mw 5.9级地震的震中不足40 km。

2022年门源地震的孕震背景为青藏高原东北缘的昌马堡-古浪-海原构造带，历史地震资料显示该区域地质构造背景复杂且强烈，曾发生过2次8级以上以及多次7级以上大地震，如1920年8.5级海原大地震、1927年8.0级古浪大地震(见图1(b))。该构造带内部断裂纵横，其中冷龙岭断裂带由一组几乎平行的北西西向分布的左旋逆走滑性质的断裂组成，长约120 km，本次地震位于冷龙岭断裂带西北端与托莱山断裂的阶区。自21世纪以来，本次地震震中100 km范围内发生了13次5级及以上的中强震 (https://earthquake.usgs.gov/)。

距离2022年地震最近的一次地震是震源机制与其完全不同的2016年Mw 5.9级门源逆冲型地震，震中处于冷龙岭断裂中部以北。2016年地震北侧是民乐-大马营断裂，以挤压逆冲为主、略带左旋走滑性质（见图1(c)）。

胡朝忠等利用高分遥感影像与震前高分影像推测2016年地震的发震断层为冷龙岭北断裂，而梁姗姗等通过对省级固定地震台站及部分流动地震台站记录到的波形资料进行联合精定位，推测该地震为北西向冷龙岭断裂与北西向民乐-大马营断裂之间的一条盲断层。利用合成孔径雷达干涉（InSAR）技术，Wang等精确反演了发震断层的几何参数及滑移分布，并指出冷龙岭断裂复杂的集合形态导致了该地震断层滑移集中在较小区域，因此造成了较高水平的应力降，加剧了局部应力积累，增加了区域地震灾害风险。

图1  2016年和2022年门源地震的区域构造背景 (图中断层数据参考文献[6-7])

2016年和2022年两次相继发生的门源地震为研究青藏高原东北缘的断层系统提供了机会。亟需解决的关键问题一是2022年地震震源机制的快速解算，二是判断2022年地震是否由2016年地震触发。

门源地区位于河西走廊，是“一带一路”的重要纽带，也是诸多重大国家工程的必经之路，如西气东输等工程。因此对2022年门源地震的发震机理进行研究，理清该区域的断层构造活动特征，亦可为国家重大工程的建设与运维作出贡献。

本着快速响应与精确解算的原则，且考虑到发震区域地处高原山区，常规的大地测量手段难以获取连续、全覆盖的地表形变场，本文采用了InSAR技术分别获取两个门源地震的同震地表形变场，该技术具有全天时、覆盖范围广等显著优点，经过过去30余年的探索和发展，已经成为研究同震形变和反演震源参数必不可少的大地测量技术。然后利用弹性半空间的位错模型确定了两次事件的断层几何参数，并基于分布式滑动模型反演确定了两次地震断层面上的滑动分布。最后解算了区域库仑应力场，由此探讨了2016年门源地震对2022年门源地震的触发关系。

表1  2016和2022 年门源地震震源参数

注：a: https://www.globalcmt.org/; b: https://earthquake.usgs.gov/；c: 均匀滑动分布；d: 分布式滑动分布；e: AB、BC两段断层矩张量之和对应的矩震级

1  InSAR数据处理与同震形变场

1.1

InSAR数据处理

本研究获取了覆盖2016年和2022年两次门源地震区域的Sentinel-1A（波长为5.6 cm）升降轨影像数据（见图1、表2）。Sentinel-1 SAR影像处理采用GAMMA软件，利用二轨法的InSAR 技术获取地震同震地表形变场。干涉处理过程中采用美国宇航局发布的30 m空间分辨率的SRTM (shuttle radar topography mission) 消除地形相位和进行地理编码。

为了提升信噪比 (signal-to-noise ratio，SNR)，采用了10∶2 (距离向：方位向) 的多视以及滤波处理，然后采用最小费用流 (minimum cost flow，MCF) 算法进行相位解缠，进而获取视线向的地表形变量。利用通用型卫星雷达大气改正系统（generic atmospheric correction online service for InSAR, GACOS）来降低大气噪声对形变场精度的影响，最终分别获取2016年、2022年两次门源地震的同震地表形变场（见图2）。

表2  用于InSAR分析的SAR影像

1.2

同震形变场

图2为本研究获取的2016和2022年门源地震同震形变场。针对2016年门源地震，众多学者也利用InSAR技术进行了研究。Wang 等利用InSAR技术获取的升降轨最大视线向的形变为5.8 cm和6.8 cm；并通过反演认为本次地震可能发生在海原断裂的一个次级断裂上，且该断层在地下10 km处和海原断裂相连。Li 等利用升降轨Sentinel-1数据获取了同震地表形变场，最大视线向形变均为7.0 cm；同时综合利用余震信息，确定了发震断层参数，认为发震断层呈铲状。

本文得到的形变场与后者类似，图2(a)和2(b)分别为2016年门源地震同震升、降轨视线向形变场。升降轨同震形变场的形变信息连续，基本完整，表明2016年门源地震的活动断层并未破裂到地表，升、降轨影像同震形变场视线向最大隆升值为6.7 cm和7.0 cm。此外，两个轨道的同震形变场结构较为单一均匀，方向较为一致，均显示地表靠近SAR卫星，符合逆断层型地震的运动特征。

图2(c)和2(d)为2022年门源地震同震升降轨视线向形变场，由于T26升轨SAR影像的覆盖限制，图2(c)只覆盖了本次地震西部区域，其最大形变为67 cm。完整的降轨视线向同震形变场显示，本次地震造成的地表形变范围达30×20 km，其最大形变为78 cm。形变场中间分割区大致呈NWW-SEE方向，这与美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）、全球矩心矩张量项目(global centroid moment tensor，GCMT)等机构发布的震源参数的走向基本一致，且该方向与冷龙岭断裂基本平行。

图2  2016和2022年门源地震同震地表形变场（(a)和(b)分别为2016年门源地震升降轨同震视线向地表形变场，(c)和(d)分别为2022年门源地震升降轨同震视线向地表形变场）

2022年地震升降轨同震形变场的上下两盘表现出了相反的形变态势，同时同一轨道的形变场上下两盘也表现出了相反的运动状态，这种现象表明本次地震引起的地表形变以水平移动为主，符合走滑断层型地震的运动特征。同震视线向形变场的断层附近出现了较为严重失相干现象，主要原因为发震断层破裂到了地表，形变梯度较大，且引起了形变相位的不连续，这一现象与光学地表解译结果相吻合。

高分七号地表破裂解译结果显示本次地震造成了大于20 km的地表破裂 (见图3)，其中发震区域的西部地形平缓，地表破裂较连续，出现了较明显的拉张裂隙、挤压鼓包等地表破裂现象(图3(a)―3(c))；而发震区域的东部因穿过高山、且受山上冰雪覆盖等因素影响，地表破裂呈现零散分布(图3(d)―3(h))。另外通过光学影像解译获得的地表破裂为后续2022年地震的反演，特别是其走向参数提供了重要参考。

图3  由2022-01-08采集的高分七号影像探测得到的2022年门源地震地表破裂带(3(b)~3(i)为3(a)中相应白色框的扩大图)

2  断层几何参数及滑动分布反演

利用Okada弹性半空间位错理论，联合升降轨同震形变场数据，分别反演了2016年和2022年两次门源地震的断层信息。为了抑制噪声和提高反演的效率，反演前对同震形变场进行了四叉树降采样。反演借助PSOKINV软件包进行了两步法反演策略：（1）假设矩形断层面上为均匀滑动，采用非线性搜索算法获取断层的几何参数（如发震断层的位置，断层走向、断层倾角等）；（2）将发震断层面离散为一定尺寸的子断层执行分布式滑动反演，获取子断层各自的运动参数。

2.1

2016年门源地震反演

2016年门源地震在进行第一步均匀滑动反演时，根据整理的资料信息将断层的长度变化设置为3~10 km、宽度变化设置为3~10 km，倾角变化设置为30°~ 60°。均匀反演得到的断层参数如表1所示。

为了获取断层面上的精细滑动分布，将发震断层沿着走向扩展为16 km，沿着倾向扩展为16 km，并将延长后的发震断层面离散为1 km × 1 km的子断层进行分布式滑动反演。最终获得2016年门源地震的滑动分布结果如图4(a) 所示，其中发震断层的最大滑动量为0.53 m、位于地下9 km深度处，滑动分布主要集中在地下4 ~ 12 km区域，表明地震活动并未破裂到地表。子断层的滑移方向表明发震断层是一个具有少量左旋走滑分量的逆断层。设置本地区的剪切模量为 30 GPa，则反演得出的矩震级为 Mw 5.9。

本研究的反演结果与文献等公布的数据吻合较好。图5中间列为均匀反演和分布式滑动分布反演结果模拟的同震形变场，最右列为拟合残差，由于2016年地震的地表形变较小，故成图时采用了解缠后的结果。可以发现，InSAR观测的升降轨形变场与相应的拟合结果基本一致，验证了本次地震断层反演的可靠性。

图4 2016和2022年门源地震同震滑动分布（（a）2016年地震滑移分布；（b）和（c）2022年地震滑移分布；注：（a）和（b）中黑色实线为滑移量等值线）

图5 2016年门源地震同震地表形变场((a) 升轨影像同震形变场; (b) 基于均匀反演模拟的同震形变场; (c) 图（a）与图（b）之间的残差图; (d) 基于分布式反演模拟的同震形变场; (e)图（a）与图（d）之间的残差; (f)-(j)分别对应降轨影像。注：黑色矩形为投影到地面的断层面，而蓝色实线为断层面延长与地面的交线)

2.2

2022年门源地震反演

虽然T26升轨影像只提供了部分2022年门源的地震的地表形变场，但是升降轨SAR影像对走滑断层破裂的地表形变成像具有互补的特点，因此，本研究联合了升、降轨地表形变场进行反演。在反演时，由于InSAR解译的形变场已经破裂到地表，故将断层的上边界设置为0 m。光学解译的地表破裂结果 (图3) 描绘出一条NWW-SEE向的断层迹线，结合此迹线走向和InSAR同震形变场的分布将反演模型设置为AB和BC两个断层，其中AB段的走向固定为104°、BC段的走向固定为109°。长度变化设置为8~40 km、宽度变化设置为6~20 km，断层倾角变化设置为78°～90°。均匀反演得到的断层参数如表1所示。

在获得发震断层的几何参数后，将AB段发震断层沿着走向延长至10 km，沿着倾向延伸至16 km，将BC段发震断层沿着走向延长至20 km，沿着倾向延伸至16 km，并将延长后的发震断层离散成1 km × 1 km的子断层进行分布式滑动反演。

图4(b)和4(c)为分布式反演得到的断层滑动分布，子断层的运动方向表明该断层主要受左旋滑动控制，属于高倾角走滑型地震。子断层最大滑动量为3.5 m、出现在地下约4 km处，滑动主要集中在地下2-7 km的区域。反演获得矩震级为Mw 6.7，与USGS、GCMT等机构公布的发震断层数据吻合较好。图6的中间列为均匀反演和分布式滑动反演结果模拟的同震形变场，可以发现InSAR观测的升降轨形变场与相应的拟合结果基本一致。值得指出的是，最右列残差在断层的近场两侧较为明显，主要原因有：（1）近场大梯度形变引起的低相干乃至失相干；（2）低相干引起的解缠误差；（3）活动断层几何结构的简化。

综合研究结果，可以初步判定2022年门源地震的发震断层主体为冷龙岭西段西北端，且本次地震活动向西破裂到了其西侧的托莱山断裂。理由如下：

（1）基于InSAR同震地表形变场反演确定的震源机制与冷龙岭断裂的运动性质吻合；

（2）光学解译结果 (图1(c)) 显示，本次地震引起的地表破裂在冷龙岭断裂西端稍向南偏转，延伸至托莱山断裂（AB段），而且通过滑移分布建模显示该断层表现为左旋走滑类型，与托莱山断裂的运动性质吻合；

（3）中国地震台网中心初步的余震序列精定位结果显示余震展布呈NWW-SEE向，延展至托莱山断裂，与本文InSAR反演结果一致。

图6  2022年门源地震同震地表形变场 ((a) 升轨影像同震形变场; (b) 基于均匀反演模拟的同震形变场; (c) 图(a)与图(b)之间的残差图; (d) 基于分布式反演模拟的同震形变场; (e) 图(a)与图(d)之间的残差; (f)-(j)分别对应降轨影像)

3  区域库仑应力变化对2022地震诱发关系探讨

强震发生后，发震区域的应力状态将会发生改变，进而延缓或者促进邻近区域活动断层上地震的发生，大量的地震触发关系研究表明地震之间存在相互作用。本研究运用Coulomb 3.3软件包进行库仑应力分析，在处理过程中泊松比设置为0.25，摩擦系数设置为0.4。以2016年门源地震断层滑动分布作为源断层，本研究反演得到的2022年门源地震的断层几何作为接收断层，分别采用5 km和10 km的深度计算2016门源地震引起的库仑应力变化对2022门源地震地震的影响。

本次地震发生在2016年门源地震震后的第6年，且两次地震震中距离不足40 km。从图7中的同震库仑应力变化场可以得出，2016年地震断层滑移在5 km和10 km的深度对2022年发震断层面上均产生了正库仑应力变化，且2022年地震发震断层整体处于库仑应力变化的增强区，这说明2016年地震对2022年地震的发生具有一定的促进作用。类似的库仑应力触发地震事件在巴颜喀拉块体东端的地震序列、2017 年Iran地震、2020年Mexico 地震等震例中均有研究。另外学者郭鹏在研究中表明，发生在冷龙岭断裂北部的2016年门源地震的逆冲运动为冷龙岭断裂上地震活动腾出了空间。

因为2022年门源地震所处的构造背景中分布着较多左旋走滑性质的断裂，因此本次计算的库仑应力结果对分析发震区域整体的应力分布也具有参考意义。从图7分析得出，2016年门源地震引起的库仑应力的增强区主要分布在其西北部的A、B区域和东南部的C区域，其中，冷龙岭北断裂、肃南-祁连断裂，皇城-双塔断裂西端，民乐-大马营断裂东南端，托莱山断裂，冷龙岭断裂东端以及门源断裂东端均存在较为明显的库仑应力增强（大于0.1 bar），地震发生风险增高，灾害风险加大，因此有必要对这些地区开展持续监测和详细的风险评估。

图7  2016年门源地震引起邻近区域静态库仑应力变化（(a)和(b)的深度分别为5km和10km）

4  结  语

本研究对2022年门源地震做了快速响应，利用Sentinel-1A卫星升、降轨影像数据分别获取了2016年和2022年两次门源地震高精度同震地表形变场，经反演确定了两次门源地震发震断层的几何参数和滑动分布模型，最后探讨了2016年地震事件对2022年门源地震的影响，得出以下结论：

1）2016年门源地震升、降轨最大视线向隆升值分别为6.7 cm和7.0 cm，且同震地表形变场方向较为一致，符合逆断层型地震的运动特征。2022年门源地震同震地表形变场显示，地表破裂沿NWW-SEE方向延伸，地震造成的地表形变范围达30×20 km，其最大形变为78 cm。

2）2016年门源地震的滑动分布显示，发震断层的最大滑动量为0.53 m，断层滑动主要集中在地下4-12 km的区间。根据2022年门源地震的滑动分布，子断层最大滑动量为3.5 m，出现在地下约4 km处。初步判定2022年地震发震断层主要为冷龙岭断裂的西段、且破裂到了其西北端西侧的托莱山断裂。

3）以2022年门源地震的发震断层为接收断层，计算了2016年门源地震造成的库仑应力变化。结果显示2016年门源地震在2022年地震断层面上产生了明显的正库仑应力变化，在一定程度上触发了2022年地震的发生。同时，2016年门源地震引起了冷龙岭北断裂，肃南-祁连断裂，皇城-双塔断裂西端，民乐-大马营断裂东南端，托莱山断裂，冷龙岭断裂东端以及门源断裂东端的库仑应力增加，这些断裂的地震危险性在今后需要得到持续关注。

本文利用近实时数据对2022年地震进行快速响应，对发震断层进行了初步建模，为救灾救援，灾害评估，应急响应提供第一手的数据支撑。后期将收集更全面的数据，利用多种技术进行处理，尤其是利用光学/SAR像素偏移量跟踪法获取近场大形变数据，对断层几何模型，滑移分布及震源机制作出更精细的建模和分析，评估研究区域的中长期地震灾害风险。

致谢：感谢欧空局为本研究提供Sentinel-1A雷达数据，本文所使用的图形文件均采用GMT绘制[38]；感谢徐锡伟教授和许强教授的有意义的讨论，感谢审稿人提出的宝贵修改意见，使本文得以完善。

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