用InSAR數(shù)據(jù)得到的鮮水河斷裂西北段地震間滑動(dòng)速率＊

Wang H，Wright T J，Biggs J

學(xué)術(shù)論文

用InSAR數(shù)據(jù)得到的鮮水河斷裂西北段地震間滑動(dòng)速率＊

Wang H，Wright T J，Biggs J

鮮水河斷裂是青藏高原東部邊緣附近的高活動(dòng)性走滑斷層系統(tǒng)。我們使用多干涉圖方法由ERS-1／2和歐洲環(huán)境衛(wèi)星所獲得的十年SAR數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建由于鮮水河西北段地震間應(yīng)變積累而產(chǎn)生的視距形變速率圖。該速率圖顯示了與斷層有關(guān)的清晰的形變梯度，但是從地表斷層跡線看稍向東偏移。通過(guò)使用蒙特-卡洛方法對(duì)InSAR速率圖和GPS數(shù)據(jù)的共同反演，當(dāng)鎖定深度為3～6km時(shí)，以90%置信水平估算出滑動(dòng)速率為9～12mm／a。此滑動(dòng)速率與全新世斷層滑動(dòng)速率及歷史地震相吻合。我們的結(jié)果也揭示不存在顯著的跨斷層拉伸。將來(lái)，上升和下降軌道得出的InSAR數(shù)據(jù)可能會(huì)進(jìn)一步約束此斷層的3D斷層滑動(dòng)速率。

引言

位于西藏東部、約350km長(zhǎng)、左旋滑動(dòng)的鮮水河斷層是印度-亞洲碰撞帶上的主要大陸內(nèi)斷層系統(tǒng)（圖1），自公元1700年以來(lái)，在該斷層上發(fā)生過(guò)的M＞6.5地震超過(guò)20次。理解它現(xiàn)在的滑動(dòng)速率將會(huì)更好地約束地球動(dòng)力學(xué)模型，并有助于評(píng)估其潛在的地震危險(xiǎn)性。

Allen等（1991）使用野外地質(zhì)資料估算出全新世左旋滑動(dòng)速率從西北（NW）端的15 ±5mm／a減少到東南（SE）的5mm／a。徐等（2003）重新估算了一些位點(diǎn)，提出西北和東南的滑動(dòng)速率分別為14±2m／a和9.6± 1.7mm／a。Wang等（1998）估算出在2～4 Ma內(nèi)位移約60km，顯示平均長(zhǎng)期滑動(dòng)速率為15～30mm／a。近期GPS數(shù)據(jù)顯示沿整個(gè)斷層長(zhǎng)度的滑動(dòng)速率為～10mm／a。

在一些研究中，干涉合成孔徑雷達(dá)（In-SAR）已被用來(lái)測(cè)量青藏高原西部或北部地震間形變。然而，在東部邊緣濃密的植被覆蓋造成了抗相關(guān)問(wèn)題，使常規(guī)的InSAR疊加方法面臨挑戰(zhàn)。Biggs等（2007）提出了一種多干涉圖方法，用于InSAR地震間形變分析。此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：①通過(guò)使用一種對(duì)逐個(gè)初相進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的方法，可以更有效地校正軌道誤差；②使用逐個(gè)像素疊加策略，相干點(diǎn)數(shù)量會(huì)大大增加。Elliott等（2008）還通過(guò)校正與地形相關(guān)的大氣延遲誤差的干涉圖改進(jìn)了這一方法。在本研究中，我們使用這一方法來(lái)確定鮮水河斷層西北部的地震間滑動(dòng)。

1 InSAR數(shù)據(jù)分析

我們使用從ERS-1／2和歐洲環(huán)境衛(wèi)星得出的23幅雷達(dá)圖像，它們是在1996至2008年間從下降軌跡376上獲得的（圖1）。使用JPL／Caltech ROI＿PAC軟件得出干涉圖（Rosen等，2004）。使用往返雷達(dá)地形學(xué)任務(wù)3-弧秒DEM（Farr和Kobrick，2000）來(lái)去掉地形學(xué)相位。干涉圖相干性是高度易變的，并有點(diǎn)不可預(yù)測(cè)?？傮w來(lái)說(shuō)，但不是一直如此，我們發(fā)現(xiàn)垂直基線小于100m的干涉圖，以及那些據(jù)同一季節(jié)中獲得的圖像形成的干涉圖是相干性最高的。依照J(rèn)ónsson（2008），通過(guò)多視處理進(jìn)一步提高了相干性，掃視區(qū)間通常達(dá)到16個(gè)，但是偶爾達(dá)到32或64個(gè)。一些干涉圖不得不通過(guò)設(shè)置孤立相干斑點(diǎn)間的連接來(lái)手工展開(kāi)。我們檢驗(yàn)這些連接，并使用相位封閉技術(shù)更正相位展開(kāi)誤差。成功地展開(kāi)總共33幅干涉圖（18幅來(lái)自ERS，15幅來(lái)自歐洲環(huán)境衛(wèi)星）；其中19幅給出最佳相干性的圖被選出（輔助材料①輔助材料可從網(wǎng)頁(yè)HTML上獲得，doi：10.1029／2008GL036560。的圖S1），并用于360m間距的二次抽樣。干涉圖覆蓋了～25年的累積時(shí)間區(qū)間。

圖1 鮮水河西北地區(qū)地形和構(gòu)造圖（插圖為青藏高原）。粗黑線為鮮水河斷裂，細(xì)線為其他活動(dòng)的或不活動(dòng)的斷層。黑色矩形為雷達(dá)數(shù)據(jù)范圍。矩形上面的兩個(gè)箭頭分別代表雷達(dá)視線（LOS）和方位角（AZ）。彩色箭頭是相對(duì)華南板塊的GPS速度（Shen等，2005），綠色箭頭會(huì)在圖2中使用。小空心方塊代表1700年以來(lái)的歷史地震（M＞6.5）。請(qǐng)?jiān)凇秶?guó)際地震動(dòng)態(tài)》網(wǎng)站或中國(guó)知網(wǎng)上查詢?cè)搱D的彩色版，圖2、圖3同

多干涉圖方法使用了一種四步交互算法：軌道誤差的更正，大氣延遲誤差的更正，滑動(dòng)速率圖的構(gòu)建，以及斷層滑動(dòng)速率的估計(jì)。此研究中最適軌道誤差的斜率均值為0且標(biāo)準(zhǔn)差為0.31（東）和0.11（北）mm／km，證實(shí)它是具有這些參數(shù)的粗略正態(tài)分布。使用指數(shù)衰減構(gòu)成協(xié)方差函數(shù)，據(jù)此函數(shù)對(duì)大氣噪音建模，產(chǎn)生的平均電子折疊波長(zhǎng)為10km，方差為20mm2。波長(zhǎng)非常符合大氣噪音此前的估計(jì)值，但方差小于阿拉斯加的方差，這是平均高程～4km情況下的期望值。使用進(jìn)一步網(wǎng)格校正來(lái)評(píng)估和消除地形學(xué)相關(guān)的大氣延遲誤差，作為一階近似，假設(shè)延遲隨高度線性變化。系數(shù)的估計(jì)值產(chǎn)生的平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為6mm／km，比從Altyn Tagh斷層獲得的值小。使用帶有全時(shí)間協(xié)方差矩陣的迭代最小二乘算法來(lái)估計(jì)每個(gè)像素的速度，由此作滑動(dòng)速率圖。在此算法中，帶有最大殘差的數(shù)據(jù)點(diǎn)被迭代除去，直到最大殘差小于估計(jì)大氣噪音的n（例如3）倍。特別是，此算法有效地除去了由于相位展開(kāi)誤差造成的異常值，這樣就得到更平滑的滑動(dòng)速率圖。在低分辨率條件下（～3.6km）使用此滑動(dòng)速率圖及它的全空間協(xié)方差矩陣，我們也使用旋扭位錯(cuò)模型（Savage和Burford，1973），以及平面軌道參數(shù)和線性大氣校正以覆蓋前兩步的殘差，由此求出最終滑動(dòng)速率。圖2顯示除去最終軌道校正及大氣校正的LOS速率圖和剖面BB′。GPS數(shù)據(jù)也被投影到當(dāng)?shù)豂nSAR LOS方向，且多數(shù)與InSAR觀察值一致，顯示出跨越斷層的20～30km寬地帶的相位變化。東部應(yīng)變帶比西部應(yīng)變帶寬（圖S2），揭示那里存在更深的鎖定深度。

圖2 （a）除去軌道和大氣延遲誤差后的19幅干涉圖疊加得出的LOS速率圖。彩色圓圈顯示投射到當(dāng)?shù)豅OS方向的GPS速度。GPS值還按所有GPS速度的平均值進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，以匹配In-SAR率圖。正值顯示離開(kāi)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。4 km的鎖定深度被用于產(chǎn)生率圖的迭代過(guò)程。（b）沿縱剖面BB′（圖2a）的LOS InSAR（綠色），GPS（紅色）和模型（藍(lán)色）速度，以及地形（灰色）。使用沿剖面1 km寬度范圍內(nèi)所有像素的速率和它們的協(xié)方差矩陣來(lái)計(jì)算每一InSAR數(shù)據(jù)點(diǎn)的LOS速度。橫線表示點(diǎn)測(cè)量的2σ誤差。在產(chǎn)生剖面前，模型結(jié)果和GPS數(shù)據(jù)都投射到當(dāng)?shù)豂nSAR LOS中

2 滑動(dòng)速率反演

為了探究滑動(dòng)速率和鎖定深度的不確定性以及它們間的協(xié)方差，我們使用了大氣延遲誤差的蒙特-卡洛模擬，這些大氣延遲誤差是使用從真實(shí)數(shù)據(jù)中獲得的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行人工合成的，其中包括空間協(xié)方差。我們使用一種旋扭位錯(cuò)模型以GPS和InSAR數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)滑動(dòng)速率及鎖定深度。我們發(fā)現(xiàn)，據(jù)蒙特-卡洛分析得出的估計(jì)值并不依賴構(gòu)建初始滑動(dòng)速率圖中所使用的鎖定深度。參數(shù)不確定性是非正態(tài)分布的（圖3c和圖3d），所以我們使用置信限來(lái)描述它們。圖3a顯示，僅有14個(gè)GPS臺(tái)站（除去H042）的水平速度不足以確定鎖定深度，鎖定深度的范圍是0到50km（我們的上限）。但是對(duì)于同一鎖定深度，GPS數(shù)據(jù)得出的滑動(dòng)速率比In-SAR數(shù)據(jù)得出的滑動(dòng)速率略小。在90%置信水平，InSAR數(shù)據(jù)得出的估計(jì)值是10～16mm／a，鎖定深度是4～10km。此差異可能因?yàn)榻咏鼣鄬拥腉PS臺(tái)站稀少，或者因?yàn)镮nSAR只測(cè)量了位錯(cuò)場(chǎng)的單一分量。我們將通過(guò)直接使用上升和下降InSAR數(shù)據(jù)來(lái)確定水平和垂直運(yùn)動(dòng)，以此驗(yàn)證這一點(diǎn)，但是當(dāng)前能獲得的都是不充分的上升階段圖像。GPS和InSAR數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演顯示出鎖定深度和滑動(dòng)速率的更佳估算。在90%置信水平，滑動(dòng)速率估計(jì)值是9～12mm／a，鎖定深度估計(jì)值是3～6km，最佳擬合值是11mm／a和4km。像別處發(fā)現(xiàn)的那樣，在滑動(dòng)速率和鎖定深度間存在強(qiáng)的相互折衷，但對(duì)于聯(lián)合反演，這種相互折衷顯著減小。

圖3 使用蒙特-卡洛方法，據(jù)1 000個(gè)數(shù)據(jù)集合得到的地震間形變模型的斷層參數(shù)。（a）使用GPS（綠色），InSAR（藍(lán)色）和聯(lián)合數(shù)據(jù)（紅色）得出旋扭位錯(cuò)模型，圓圈代表此模型的最適滑動(dòng)速率和鎖定深度。（b）用于聯(lián)合反演的滑動(dòng)速率和鎖定深度的頻度等值線。通過(guò)數(shù)出規(guī)則網(wǎng)格（1 km×1 mm）上解的個(gè)數(shù)計(jì)算頻度。這些經(jīng)平滑后用彩圖顯示。紅色等值線揭示頻度為2%，這近似包括所有解中的90%。（c和d）據(jù)蒙特-卡洛模擬得出的滑動(dòng)速率和鎖定深度的頻度。東北斷層偏移分別取0和4 km，兩種情況下分別據(jù)位錯(cuò)模型得出藍(lán)色和灰色柱狀圖。（e和f）取鎖定深度為4 km，不對(duì)稱位錯(cuò)模型，跨斷層剛度對(duì)比和斷層偏移的頻度

使用地塊狀模型，兩個(gè)最近的研究揭示，在鮮水河斷層上存在大延伸率給出的值是～8mm／a，Meade（2007）給出的值是15mm／a），但是對(duì)于此斷層，兩個(gè)模型都有大殘差。我們使用聯(lián)合GPS和InSAR的數(shù)據(jù)，使用掩埋拉伸位錯(cuò)來(lái)估算延伸率以及走滑速率及鎖定深度。我們的結(jié)果給出的延伸率是-0.5±0.6mm／a，說(shuō)明不存在顯著正斷層運(yùn)動(dòng)（圖S3），這與單獨(dú)用GPS數(shù)據(jù)所做的研究是一致的。我們假設(shè)在隨后的分析中不存在延伸。

3 討論

最近的研究報(bào)道了根據(jù)對(duì)Altyn Tagh和圣安德烈斷層所做的InSAR測(cè)量得到的不對(duì)稱地震間形變。他們引用了剪切模量的跨斷層對(duì)比（剛度對(duì)比，K＝μ2／（μ1＋μ2）），和／或表面斷層痕跡與深部剪切帶或位錯(cuò)間的水平（斷層偏移，Δ）。我們把K和Δ納入2D旋扭位錯(cuò)模型以描述不對(duì)稱表面速度，并使用蒙特-卡洛方法（同上）以發(fā)現(xiàn)最適參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)間存在強(qiáng)相互折衷。如果據(jù)繪圖跡（圖3e）固定斷層位置，那就可以得到最佳因子K＝0.6，說(shuō)明西南側(cè)主巖硬度（μ2）大約是東北側(cè)主巖硬度（μ1）的1.5倍。另一種做法是，通過(guò)向東北移動(dòng)深斷層～1km（圖3f），觀察值可以同樣很好地?cái)M合。這意味著，如果假定地圖上已定位的斷層跡線正確的話，那么該斷層面呈北～75°傾斜。我們還發(fā)現(xiàn)斷層向北偏移給出的鎖定深度和滑動(dòng)速率更大。如果斷層偏移為4km，對(duì)應(yīng)的鎖定深度和滑動(dòng)速率分別為8km和12mm／a（圖3c和3d）。只有使用未來(lái)地震中的同震位錯(cuò)或斷層的微震活動(dòng)性研究，才可能鑒別這些模型。

據(jù)地震或測(cè)地學(xué)數(shù)據(jù)不可得出鮮水河斷層鎖定深度的獨(dú)立估計(jì)值，因?yàn)?981年以后沒(méi)有發(fā)生過(guò)大地震，而此前的研究經(jīng)常通過(guò)固定深度來(lái)分析地震數(shù)據(jù)。Jackson等（2008）的更新地震目錄表明，根據(jù)對(duì)于西藏的走滑地震，由體波建模得到的矩心深度為6～12km。1997年Manyi地震和2001年可可西里地震的測(cè)地學(xué)建模揭示，鎖定深度大約為10km?，F(xiàn)在幾乎沒(méi)有西藏地震間形變的鎖定深度的可靠估計(jì)值。此研究的聯(lián)合反演提出了比地震觀察值淺的鎖定深度。這可能反映了地震間時(shí)段和同震時(shí)段間的行為差異，或者反映了圍繞鮮水河斷層的當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況。

我們的結(jié)果與全新世滑動(dòng)速率的下限是一致的。公元1700年以后，在45km長(zhǎng)的道孚段發(fā)生過(guò)3次大地震（1792 M64，1904 M7，和1981 M6.9），并有兩次地震發(fā)生在90km長(zhǎng)的爐霍段（1816 M7.5和1973 M7.6）（圖1）?，F(xiàn)已提出，這些段上的地震復(fù)發(fā)間隔為～75和150年。假設(shè)地表位移與破裂深度之間遵從標(biāo)準(zhǔn)的地震的標(biāo)度關(guān)系，那發(fā)生在1981年和1973年的地震的滑動(dòng)就分別為～1m和～2m。我們得出的滑動(dòng)速率為9～12mm／a，由此推出在道孚和爐霍片段上的地震復(fù)發(fā)間隔應(yīng)該為83～110年和166～220年，這與歷史地震數(shù)據(jù)是一致的。對(duì)于1981年道孚地震，經(jīng)驗(yàn)滑動(dòng)值為1m，正符合地震學(xué)結(jié)果。對(duì)于1973年?duì)t霍地震，Zhou等得到固定深度為15km的平均滑動(dòng)為4m，但是2m的經(jīng)驗(yàn)值與我們的滑動(dòng)速率更加一致。在我們的斷層線的東南端，62km長(zhǎng)的乾寧段上發(fā)生過(guò)兩次地震，一次發(fā)生在1793年（M6.7），另一次發(fā)生在1893年（M7.3）。假設(shè)此段上的滑動(dòng)速率也是9～12mm／a，表明地震的復(fù)發(fā)間隔為117～155年。所以此段上的發(fā)震概率非常高，且因?yàn)?008年四川地震而增加。

致謝

皇家學(xué)會(huì)通過(guò)皇家學(xué)會(huì)大學(xué)研究獎(jiǎng)金對(duì)TJW的支持，以及國(guó)際收入獎(jiǎng)金對(duì)HW的支持支持了此工作。HW也受到廣東自然科學(xué)獎(jiǎng)金（080094）支持。在Catl-3392和AOE-621項(xiàng)目下提供的ERS和歐洲環(huán)境衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)版權(quán)屬于ESA。使用GMT軟件作出所有的圖。我們感謝Barry Parsons，Alex Copley和Carolina Pagli，因?yàn)樗麄兲峁┝擞幸饬x的討論，也感謝Fabio Florindo，Roland Bürgmann以及兩位未俱名評(píng)審者，因?yàn)樗麄兊脑u(píng)論改進(jìn)了原稿。

（略）

P315.2；

A； doi：10.3969／j.issn.0235-4975.2013.03.006

：Geophysical Research Letters，Vol.36，Lo3302，

10.102912008GL036560，2009

2010-05-17。

原題：Interseismic slip rate of the northwatern Xianshuihe fault from InSAR data

（周平博 譯）

（譯者電子信箱，周平博：cmendal＠163.com）