2016年阿克陶MW6.6地震的同震斷層滑動分布及庫倫應(yīng)力變化

解 柳,吳紹宇,康明哲,曾慶偉,朱毅誠

(1.西安科技大學(xué),陜西 西安 710054;2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000;3.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710068)

0 引言

北京時(shí)間2016年11月25日22時(shí)24分,在新疆維吾爾自治區(qū)阿克陶縣境內(nèi)發(fā)生了MW6.6地震。此次地震震中位于阿克陶縣木吉鄉(xiāng)和庫斯拉甫鄉(xiāng)之間的高寒山區(qū),發(fā)震斷層為NWW走向的右旋走滑斷裂,破裂長度超過77 km[1]。不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者對此次地震斷層運(yùn)動進(jìn)行了研究,美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)發(fā)布的破裂起始點(diǎn)坐標(biāo)為(39.273°N,73.978°E),震源深度為17 km,認(rèn)為它是具有拉張分量的右旋走滑事件。中國地震臺網(wǎng)(http://www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/464/515/20161125231007712890916/index.Html)測定的地震震中位置為(39.27°N,74.04°E),震源深度10 km,為右旋走滑兼正斷層性質(zhì)(表1)。張勇(http://www.ceaigp.ac.cn/tpxw/275080.html)研究的震源破裂結(jié)果表明該地震為單側(cè)破裂,從震中開始向東傳播。由于該地區(qū)地質(zhì)、地形也相對復(fù)雜,有學(xué)者認(rèn)為該地震為單一破裂。利用雷達(dá)數(shù)據(jù)提取LOS向形變圖,參考各機(jī)構(gòu)的震源機(jī)制解的參數(shù),進(jìn)行同震的滑動分布反演[2]。也有學(xué)者認(rèn)為該地震為雙斷層破裂[3],并利用升降軌數(shù)據(jù)獲取該地震的LOS向形變,以中國地震臺網(wǎng)確定的震源機(jī)制解的參數(shù)進(jìn)行滑動分布反演,發(fā)現(xiàn)其破裂分別位于震中以東約7 km、約33 km處,主要的滑動量集中在地下深度0～20 km處,最大滑動量為0.84m,并基于彈性半空間形變模型采用兩段非均勻斷層滑動模型進(jìn)行精細(xì)滑動分布反演,結(jié)果顯示斷層西段的第一次事件以右旋走滑為主,走向103°,傾角76°,斷層?xùn)|段的第二次事件為右旋走滑兼具正斷作用,走向109°,傾角略緩約55°[4]。

表1 不同機(jī)構(gòu)給出的阿克陶地震震源機(jī)制解Table 1 The focal mechanism solutions ofAketao earthquake given by different organizations

本文在采用貝葉斯算法獲取斷層幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上,反演了單一斷層的滑動分布;采用粒子群算法獲取雙斷層的最優(yōu)傾角值,并進(jìn)行精細(xì)滑動分布反演,并以滑動分布反演結(jié)果對該地震的庫倫應(yīng)力變化進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 構(gòu)造背景

2016年發(fā)生的阿克陶MW6.6地震位于印度板塊沿北東向與歐亞板塊碰撞的西觸角地區(qū)[5],該區(qū)域處于南天山西段和帕米爾高原交會地區(qū)、木吉斷陷盆地西端地區(qū)附近(圖1)。不同機(jī)構(gòu)給出的震源機(jī)制解如下表1。

從2000年以來距震中100 km范圍內(nèi)共發(fā)生了2次6級地震、13次5級地震[6]。自阿克陶主震發(fā)生后,截止到2016年11月27日24時(shí),記錄到5.0～5.9級余震 1次、4.0～4.9級余震5次,最大余震震級為 5.0級[1]。

注:黑白色沙灘球表示不同機(jī)構(gòu)發(fā)布的震源機(jī)制結(jié)果,紅色與綠色圓點(diǎn)為余震分布圖1 阿克陶地震震中區(qū)域及鄰區(qū)地形、斷層、余震Fig.1 Topography,faults,and aftershocks in the epicenter area and adjacent areas of the Aketao earthquake

1.2 數(shù)據(jù)說明

1.2.1 數(shù)據(jù)介紹

本文采用歐空局(European Space Agency,ESA)哥白尼計(jì)劃中的地球觀測衛(wèi)星分別于2014年4月和2016年6月發(fā)布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)Sentinel-lA升軌單視復(fù)數(shù)影像和Sentinel-1B降軌單視復(fù)數(shù)影像。其具體信息見表2。

表2 InSAR數(shù)據(jù)信息Table 2 InSAR data information

1.2.2 同震形變解算

利用SLC影像數(shù)據(jù)生成強(qiáng)度圖并結(jié)合DEM影像進(jìn)行地理編碼、差分干涉處理,生成差分干涉影像。為提高干涉圖的質(zhì)量,對干涉圖進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理、相位解纏、地理編碼,最終提取LOS向形變信息(圖2)。在圖2中,(a)為降軌的LOS向形變場分布,地震斷層南側(cè)是木吉盆地,其干涉條紋明顯,其西部形變值約為14 cm,東部形變值約為23 cm。而北部山區(qū)地形起伏,影像失相干,故干涉條紋模糊,但不影響獲取形變范圍。(b)為升軌的LOS向形變場分布,東西兩部分形變量值相當(dāng),約為12 cm。相對于西部條紋分布而言,東部條紋分布范圍比較小,條紋緊密。

圖2 D-InSAR LOS向形變場Fig.2 Deformation field in LOS direction from D-InSAR

1.2.3 剖面分析

為更清晰地了解升降軌LOS向形變場信息,以兩個(gè)子破裂為中心取同一經(jīng)度的剖面,對其數(shù)據(jù)進(jìn)行四次多項(xiàng)式擬合(圖3)。淺藍(lán)色為A1-A2剖面的形變值,最大沉降值約為25 cm,淺藍(lán)色為A1-A2剖面的形變值,最大抬升值約16 cm,東部子破裂區(qū)的沉降量明顯大于西部[圖3(a)]。由剖面C1-C2,D1-D2可看出升軌的形變主要以抬升為主,最大抬升值約為13 cm,而最大沉降值僅約6 cm[圖3(b)]。對比圖3,由于升降軌的觀測模式不同,造成升降軌LOS向形變場的沉降、抬升趨勢相反,升軌的形變量值相對降軌的要小一些,但剖面圖的形變趨勢與整體形變趨勢一致。

圖3(a)表示降軌的剖面圖,淺藍(lán)色表示以東南部破裂為中心,經(jīng)度為74.399°,緯度為39.05°至39.39°之間的取值(降軌解纏圖白線A1-A2),黑色為其擬合曲線;深藍(lán)色表示以西南部破裂為中心,經(jīng)度為74.197°,緯度為39.05°至39.39°之間的取值(降軌解纏圖白線B1-B2),紅色為其擬合曲線;圖3(b)表示升軌的剖面圖,淺藍(lán)色表示以東南部破裂為中心,經(jīng)度為74.302°,緯度為39°至39.47°之間的取值(升軌解纏圖白線C1-C2),黑色為其擬合曲線;深藍(lán)色以西南部破裂為中心,經(jīng)度為74°,緯度為39°至39.47°之間的取值(升軌解纏圖白線D1-D2),紅色為其擬合曲線圖3 同震差分剖面圖Fig.3 Co-seismic difference section

2 斷層幾何與滑動分布

本文依據(jù)升降軌提取的形變場估計(jì)斷層的幾何參數(shù)并反演斷層的滑動分布。假設(shè)為均勻滑動模型,輸入相應(yīng)的斷層幾何參數(shù)。將斷層面劃分成若干子斷層片,使用線性反演方法來估計(jì)斷層面的滑動分布。

2.1 斷層幾何與滑動參數(shù)

本文結(jié)合矩形位錯(cuò)模型[7]采用貝葉斯算法(GBIS)將非線性反演應(yīng)用于斷層幾何[8],對于反演,使用結(jié)合了Metropolis-Hastings算法的馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法(MCMC)估計(jì)最佳參數(shù)及其不確定性[9-10]。為了提高反演效率和計(jì)算速度,使反演結(jié)果得到更好的收斂,采用四叉樹方法對D-InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣[11],設(shè)置降軌的采樣閾值為0.024 m,采樣后數(shù)據(jù)點(diǎn)降為1 266個(gè);升軌的采樣閾值為0.014 m,采樣后數(shù)據(jù)點(diǎn)降為1 382個(gè)。以降軌和升軌數(shù)據(jù)同時(shí)作為約束條件,設(shè)置斷層走向的限制范圍為-180°至180°,傾角的限制范圍設(shè)置為0°至90°,迭代次數(shù)設(shè)置為106次,使得所有模型參數(shù)都根據(jù)其不確定性得到了很好的約束。反演結(jié)果顯示深度最佳值為17.35 km,與USGS發(fā)出的17 km相近,斷層的傾角最佳值為73.8°與USGS發(fā)布的76°相差不大,斷層的走向最佳值為106.9°,與USGS發(fā)布的107°基本吻合。震級與USGS也基本吻合,為MW6.64(表3)。

表3 斷層幾何與滑動參數(shù)Table 3 Fault geometry and sliding parameters

圖4(a)為計(jì)算斷層參數(shù)時(shí),模擬的降軌同震形變場,存在5個(gè)條紋周期,對應(yīng)的形變量值為14 cm,與圖2(b)中西部的形變量值一致,而與圖2(a)中東部的形變量值最大差異為6 cm。圖4(b)顯示出東部的殘差值明顯大于西部,其最大殘差值為～5.6 cm。圖4(c)為計(jì)算斷層參數(shù)時(shí),模擬的升軌同震形變場,也存在5個(gè)條紋周期,對應(yīng)的形變量值為14 cm,圖4(d)顯示出西南部條紋較密集,具有較大殘留信號,殘差值為～14 cm。根據(jù)表3斷層參數(shù)的模擬LOS方向的形變場結(jié)果來看,降軌模式優(yōu)于升軌模式。

圖4為采用表3中的斷層參數(shù)計(jì)算的降、升軌模式的形變場模擬與殘差結(jié)果,長箭頭表示衛(wèi)星飛行方向,短箭頭表示視線方向,每個(gè)條紋周期代表2.8 cm圖4 同震干涉圖的模擬與殘差Fig.4 Simulation and residual of coseismic interferogram

2.2 單一斷層模型的斷層滑動分布反演

根據(jù)表3中的斷層幾何參數(shù)結(jié)果建立單一斷層模型[12],起點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為(39.342°N,73.732°E),沿走向和下傾方向分別將斷層擴(kuò)展到70 km和20 km,將斷層劃分為2 km×2 km的子斷層塊,共計(jì)350個(gè)。SDM反演斷層面上的滑動分布結(jié)果如圖5所示,顯示斷層運(yùn)動以右旋走滑為主,斷層滑動分布主要集中在長度方向上30～70 km 之間,深度方向上5～20 km的區(qū)域。其中斷層面上的兩個(gè)滑動峰值對應(yīng)的滑動量分別為 0.83 m、0.66 m,整個(gè)斷層面的平均滑動量為0.31 m,對應(yīng)的地震矩震級約為MW6.65。

圖5 單一斷層模型的滑動分布Fig.5 Slip distribution of the single fault model

圖6(c)可以看出,單一滑動分布仍有較大的殘差,其殘差最大達(dá)到5.03 cm,說明單一斷層模型并不能很好地解釋觀測數(shù)據(jù),由此判斷發(fā)震斷層可能為兩段斷層共同破裂而成,所以將斷層分為兩段斷層模型再次進(jìn)行精細(xì)滑動分布反演。

黑色線為木吉斷裂圖6 單一斷層模型均勻滑動分布模擬的形變場Fig.6 Deformation field simulated by uniform sliding distribution of the single fault model

2.3 雙斷層模型的斷層滑動分布反演

以降軌LOS向形變結(jié)果為約束,參考單斷層反演結(jié)果,將斷層一分為二。斷層面Ⅰ起點(diǎn)設(shè)置為(39.308°N,73.78°E),長度為40 km,寬度為20 km,斷層面II起點(diǎn)設(shè)置為(39.191°N,74.332°E),長度設(shè)置為30 km,寬度為20 km,走向仍為106.9°,傾角采用粒子群算法[13],通過大量的反演實(shí)驗(yàn),確定斷層面Ⅰ最優(yōu)傾角為70.79°,斷層面Ⅱ最優(yōu)傾角為55.33°,圖7為雙斷層滑動量分布的反演結(jié)果,圖7(a)表示斷層面Ⅰ的結(jié)果,斷層面滑動峰值的深度11.61 km,最大值為0.68 m,(b)表示斷層面Ⅱ的結(jié)果,斷層面滑動峰值的深度為7.46 km,最大值為0.77 m,對應(yīng)的地震矩震級約為MW6.62。

圖7 雙斷層模型的滑動分布Fig.7 Slip distribution of the double fault model

對比雙斷層滑動分布的結(jié)果計(jì)算的形變場[圖8(b)]與dLOS觀測值[圖8(a)]發(fā)現(xiàn)兩者整體分布形態(tài)具有一致性,數(shù)量級相同,形變量在斷層?xùn)|部存在一定差異,其最大值為3.09 cm[圖8(c)],相比單一斷層模型圖8(c)而言,殘差值減小了1.94 cm。

2.4 庫侖應(yīng)力

地震的同震位錯(cuò)會使周圍斷裂或者臨近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,從而引起庫倫應(yīng)力的變化[14],并可能影響臨近斷層狀態(tài),從而改變地震發(fā)生的概率[3]。本文在單一、雙斷層模型的基礎(chǔ)上,計(jì)算了震源深度17.35 km處的最優(yōu)破裂面庫倫應(yīng)力變化(圖9)。圖9中的黑色點(diǎn)表示2016年11月26日0點(diǎn)至11月29日24點(diǎn)發(fā)生的余震,可以看出地震的余震基本發(fā)生在斷層的南部,與應(yīng)力的增強(qiáng)區(qū)相對吻合;綠色點(diǎn)表示震后自2017年1月1日到2020年10月28日發(fā)生的地震,圖9(a)、(b)分別表示為單一斷層和雙斷層的庫倫應(yīng)力結(jié)果。對比可以看出,雙斷層在北部和南部的正庫倫應(yīng)力變化增加了,且在雙斷層滑動分布的情況下計(jì)算的庫倫應(yīng)力變化更符合震后地震的分布。

藍(lán)色區(qū)域表示庫倫應(yīng)力的減小區(qū),紅色區(qū)域表示庫倫應(yīng)力的增強(qiáng)區(qū);深藍(lán)色的線表示該區(qū)域附近的斷層,其中F1為帕米爾主斷裂帶,F2為木吉斷裂,F3為公格爾拉張系北段;黑色的點(diǎn)表示為余震的分布區(qū)域,綠色的點(diǎn)表示從2017年至今發(fā)生在該區(qū)域的大于3級的地震圖9 單一斷層、雙斷層最優(yōu)破裂面的庫倫應(yīng)力Fig.9 Coulomb stress of optimal fracture surface for single fault and double fault

3 討論

本次地震發(fā)生在新疆西南緣高寒地區(qū),綜合前人對帕米爾地質(zhì)構(gòu)造研究、InSAR數(shù)據(jù)解算結(jié)果,反演阿克陶地震的滑動分布,在認(rèn)識余震分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行庫倫應(yīng)力變化分析,結(jié)合上述結(jié)果,展開如下討論:

雙斷層能否更好地反演斷層滑動分布？根據(jù)單一斷層反演得到的同震破裂長度為64.2 km,寬度為19 km,走向?yàn)?05°,傾角為73.8°,與USGS第Ⅱ節(jié)面近似,但反演結(jié)果殘差約5 cm。從反演的單一滑動分布結(jié)果來看,兩個(gè)子破裂中間存在一個(gè)較小的滑動,可判斷出該地震存在復(fù)雜震源破裂,可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了兩次破裂。繼而進(jìn)行雙斷層反演,采用粒子群算法反演出西段斷層長度為48.4 km,寬度為19 km,走向?yàn)?05.68°,最優(yōu)傾角為70.79°,深度為5.94～22.94 km,東段破裂長度為14.99 km,寬度為19 km,走向?yàn)?04.08°,最優(yōu)傾角為55.36°,深度范圍為5.82～15.69 km,最大擬合殘差值約3 cm。對比擬合殘差結(jié)果,可見雙斷層的模型能更好地模擬斷層結(jié)構(gòu)。

庫倫應(yīng)力變化的計(jì)算,重點(diǎn)是創(chuàng)建地震的震源模型。本文使用反演的有限元斷層模型進(jìn)行計(jì)算。輸入350個(gè)的小斷層塊的滑動量去計(jì)算庫倫應(yīng)力的變化,后期將余震和后期發(fā)生的地震與之對應(yīng),可以看出,余震發(fā)生在正庫倫應(yīng)力變化區(qū)的概率均相對較高,從2017年至今發(fā)生的地震在基于雙斷層反演結(jié)果計(jì)算的正庫倫應(yīng)力變化區(qū)達(dá)到57%,可見,庫倫應(yīng)力變化為正值時(shí),很有可能會引發(fā)后一次地震事件的發(fā)生。阿克陶地震前后有多次地震,可見該區(qū)域的活動性是相當(dāng)活躍,推斷該地區(qū)未來仍有發(fā)生強(qiáng)震的可能。

4 結(jié)論

本文通過多次對比實(shí)驗(yàn),綜合前人的研究結(jié)果,對滑動分布再一次進(jìn)行了研究,給出了該地震的構(gòu)造模型,得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)采用貝葉斯方法反演了阿克陶地震的單一斷層幾何,得到其最優(yōu)走向?yàn)?06.9°,傾角為73.8°。反演滑動分布結(jié)果顯示存在兩個(gè)滑動峰值,其中西部最大滑動量為0.66 m ,東部最大滑動量為0.83 m,對應(yīng)的矩震級為MW6.65。

(2)采用粒子群算法計(jì)算阿克陶地震同震斷層西段(斷層面Ⅰ)與東段(斷層面Ⅱ)的傾角分別為70.79°、55.33°。反演結(jié)果顯示斷層面Ⅰ為走滑斷層,滑動峰值的深度11.61 km,最大滑動量為0.68 m;斷層面Ⅱ是以走滑為主兼正斷性質(zhì),滑動峰值的深度為7.46 km,最大滑動量為0.77 m;總的矩震級為MW6.62,整體擬合殘差比單一斷層模型的結(jié)果降低了約2 cm。

(3)最優(yōu)破裂面的庫倫應(yīng)力變化,其應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)與余震分布相對吻合。從震后至今該區(qū)域發(fā)生的3級以上地震,其發(fā)生在應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的概率達(dá)到50%。

致謝:感謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供的余震精定位數(shù)據(jù);歐空局提供的Sentinel-1A與Sentinel-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù);德國GFZ的汪榮江老師提供的SDM反演程序。部分圖由GMT繪制。感謝兩位評審專家對本文提出的寶貴意見！