Sentinel-1影像約束下的東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段現(xiàn)今地殼變形特征

溫?fù)P茂, 方志斌, 賀克鋒, 楊九元, 熊露雲(yún), 許才軍

1 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院, 武漢 430079 2 地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079 3 自然資源部地球物理大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079

0 引言

東昆侖斷裂帶是位于青藏高原北部的一條大型左旋走滑斷裂,平均走向270°～290°,呈略向NE凸出的弧形,全長(zhǎng)約2000 km(圖1a).作為巴顏喀拉塊體的北邊界和青藏塊體向東擠出的重要通道,東昆侖斷裂帶調(diào)節(jié)著青藏高原東北緣的東向擠出和東北向縮短,是青藏高原活動(dòng)性最強(qiáng)的斷裂之一(Avouac and Tapponnier, 1993; Tapponnier et al., 2001).東昆侖斷裂帶中段具有均勻穩(wěn)定的10～12 mm·a-1的滑動(dòng)速率(Van Der Woerd et al., 2002),東段滑動(dòng)速率則自西向東遞減,從～10 mm·a-1逐漸降至瑪曲縣以東的2～9 mm·a-1(Kirby et al., 2007; Harkins et al., 2010; Li et al., 2011; Diao et al., 2019; Zhao et al., 2022),但是對(duì)東段滑動(dòng)速率是在98°E以西緩慢向東遞減,還是在距離斷裂帶最東端150 km以內(nèi)快速向東遞減存在一定爭(zhēng)議.此外,東昆侖斷裂帶中西段歷史上發(fā)生過多次地震,如1937年托索湖MS7.5地震、1963年阿拉克湖MS7.1地震、1973年瑪尼MS7.3地震、1997年瑪尼MW7.6地震(圖1a).在2001年可可西里MW7.8地震(圖1a)發(fā)生后,東昆侖斷裂帶東段的瑪沁—瑪曲段成為歷史地震破裂空段(聞學(xué)澤等, 2009).古地震研究表明(李春峰等, 2005; 李陳俠, 2009),瑪沁段的古地震復(fù)發(fā)周期為600±100 a,最近一次地震事件的離逝時(shí)間為～400 a,距最小古地震復(fù)發(fā)周期只有100 a;瑪曲段最近三次古地震的復(fù)發(fā)間隔為～1000 a,最近一次地震事件的離逝時(shí)間為1055～1524 a(Li et al., 2011),已超過最新三次地震的復(fù)發(fā)間隔,表明瑪沁—瑪曲段存在發(fā)生大地震的可能性.

圖1 瑪沁—瑪曲段構(gòu)造背景(a) 中黑線為青藏高原主要斷裂帶,紅線為東昆侖斷裂帶,綠線代表瑪沁—瑪曲段,灰線代表其余活動(dòng)斷裂(鄧起東等, 2003);藍(lán)色圓形代表東昆侖斷裂帶1900年至今發(fā)生的M≥7的地震(來自USGS,https:∥www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/earthquakes).(b)中黑色粗線代表東昆侖斷裂帶,灰色細(xì)線代表次級(jí)斷裂(Taylor and Yin, 2009);藍(lán)色箭頭為GPS水平速度場(chǎng)(Wang and Shen, 2020),誤差橢圓表示68%置信區(qū)間;粉色和綠色虛線框分別代表本文所用升、降軌影像覆蓋范圍;紅色三角代表阿尼 瑪卿山.背景地形數(shù)據(jù)來自美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)( Farr et al., 2007).Fig.1 Tectonic map of the Maqên-Maqu segment(a) Black lines represent the main faults in Tibetan Plateau, red lines represent the East Kunlun Fault zone (EKF), green line represents the Maqên-Maqu segment (MMS), gray lines represent the other faults (Deng et al., 2003); Blue circles denote M≥7 earthquakes since 1900 in the EKF from USGS (https:∥www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/earthquakes). (b) Thick black lines represent the EKF, fine gray lines represent secondary faults (Taylor and Yin, 2009); Blue arrows indicate the horizontal GPS velocity field (Wang and Shen, 2020) and error ellipses indicate the 68% confidence interval; Pink and green rectangles show the coverage of the InSAR ascending and descending tracks used in this study, respectively; Red triangle represents the Anyemaqen Mountain. The background topography is from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) (Farr et al., 2007).

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)為研究地殼變形特征和斷裂帶活動(dòng)性提供了有效的觀測(cè)資料(Wright et al., 2004; Liang et al., 2013).其中,GNSS可以提供毫米級(jí)水平形變和亞厘米級(jí)垂直形變,但中國(guó)大陸的GNSS測(cè)站分布稀疏,觀測(cè)空間分辨率較低,難以捕捉到空間短波長(zhǎng)的地殼變形;而InSAR可以提供高空間分辨率、大范圍、毫米級(jí)的一維視線(Line of Sight,LOS)向地表形變.兩種觀測(cè)的結(jié)合,可獲得地表高精度、高空間分辨的三維形變圖(Weiss et al., 2020; Watson et al., 2022; Zhao et al., 2022).

本文處理了覆蓋東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段(～99°E—104°E)2014—2021年間Sentinel-1的升、

降軌衛(wèi)星影像,獲得了該段的LOS向形變速率.在此基礎(chǔ)上,聯(lián)合GPS速度場(chǎng)解算該區(qū)域高空間分辨率的三維形變速率場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng).最后,根據(jù)形變速率和應(yīng)變率的結(jié)果,對(duì)東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段的地殼運(yùn)動(dòng)特征、應(yīng)變率積累特征以及斷裂帶滑動(dòng)速率等進(jìn)行分析與討論.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 InSAR數(shù)據(jù)處理

研究使用了覆蓋東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段的Sentinel-1衛(wèi)星升軌T026A、T128A和降軌T033D、T135D共四個(gè)軌道的SAR影像(影像數(shù)量分別為115、136、146、135),時(shí)間跨度為2014—2021年瑪多MW7.4地震發(fā)生之前,影像覆蓋范圍如圖1b所示.數(shù)據(jù)處理過程中,首先對(duì)四個(gè)軌道的原始SLC影像選取時(shí)間基線大于2 a、垂直基線小于30 m的像對(duì)使用GAMMA軟件(Wegnüller et al., 2016)來進(jìn)行差分處理,包括利用30 m分辨率的SRTM DEM(Farr et al., 2007)去除地形相位,使用自適應(yīng)濾波(Goldstein and Werner, 1998)提高干涉圖信噪比,使用SNAPHU方法(Chen and Zebker, 2002)進(jìn)行干涉圖解纏,并將干涉圖地理編碼到WGS84坐標(biāo)框架.然后,根據(jù)干涉圖的誤差水平剔除了其中大氣干擾嚴(yán)重的干涉圖,最終軌道T026A、T128A、T033D、T135D分別使用了551、561、587、428個(gè)差分干涉對(duì).在此基礎(chǔ)上,基于SBAS(Small Baseline Subset)原理(Berardino et al., 2002),利用MintPy軟件(Zhang et al., 2019)對(duì)這些干涉對(duì)進(jìn)行時(shí)序組網(wǎng)來獲取研究區(qū)域LOS向形變速率場(chǎng),解算時(shí)采用橋接(Bridging)和相位閉合技術(shù)對(duì)干涉相位的解纏誤差進(jìn)行探測(cè)和改正,選取時(shí)間相干性>0.7的干涉對(duì)基于最小生成樹(Minimum Spanning Tree, MST)算法來組網(wǎng),大氣誤差通過GACOS模型(Yu et al., 2018)來進(jìn)行改正,地形誤差通過函數(shù)模型來進(jìn)行估計(jì)以及固體潮效應(yīng)通過固體潮模型(Milbert, 2018)來進(jìn)行改正.

由于每幅干涉圖中形變是相對(duì)的,導(dǎo)致解算得到的形變結(jié)果之間存在系統(tǒng)性差異,且未以歐亞大陸為參考基準(zhǔn),因此利用GPS數(shù)據(jù)對(duì)LOS向形變速率進(jìn)行校正(胡俊, 2013; Weiss et al., 2020).考慮到該區(qū)域的垂向變形很小(Liang et al., 2013; Hao et al., 2014),因此忽略垂向位移的影響,首先將GPS水平位移投影到LOS向,利用該投影速率值與實(shí)測(cè)LOS向速率值之間的差值對(duì)每個(gè)軌道估計(jì)一個(gè)二次曲面,然后把該二次曲面從LOS向形變速率場(chǎng)中扣除,即得到以歐亞大陸為基準(zhǔn),長(zhǎng)波長(zhǎng)形變特征與GPS一致,同時(shí)保留短波長(zhǎng)形變特征的瑪沁—瑪曲段LOS向形變速率場(chǎng).校正過程中所使用的GPS速度場(chǎng)來自Wang和Shen(2020),該速度場(chǎng)的觀測(cè)時(shí)段為1999—2016年,其平均中誤差小于0.5 mm·a-1.

1.2 三維形變速率場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)解算

聯(lián)合GPS觀測(cè)和InSAR觀測(cè)來解算三維形變速率場(chǎng)的觀測(cè)方程如下:

(1)

其中,V是GPS觀測(cè)形變速度,S是InSAR觀測(cè)LOS向形變速率,I為單位陣,P為L(zhǎng)OS向的投影系數(shù),U為待求解的三維形變速率,εv和εs為GPS和InSAR的觀測(cè)誤差.

在求解過程中,采用插值GPS與InSAR聯(lián)合解算的方法(Shen and Liu, 2020),即首先在研究區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格,將GPS水平速度場(chǎng)插值到每個(gè)網(wǎng)格上,然后對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的升降軌LOS向形變速率取平均,最后以其各自的觀測(cè)精度為權(quán)重,在每個(gè)網(wǎng)格上解算方程(1).

得到三維形變速率場(chǎng)后,可以根據(jù)其中的水平分量來計(jì)算應(yīng)變率場(chǎng),即地表位移由塊體剛性運(yùn)動(dòng)和塊體內(nèi)部應(yīng)變兩部分組成:

(2)

其中,Vxi和Vyi是測(cè)站i的水平位移分量,Δxi和Δyi是ΔRi=ri-R的兩個(gè)分量,ri和R分別表示測(cè)站i和待插值點(diǎn)的位置,Ux和Uy為x和y方向的平移速率分量,ω為旋轉(zhuǎn)速率,τxx、τxy、τyy為水平應(yīng)變率分量,ε為觀測(cè)誤差.

解算方程(2)需要同時(shí)顧及測(cè)站距待計(jì)算點(diǎn)的距離以及測(cè)站的空間分布來確定測(cè)站間的相對(duì)權(quán)重.考慮到三維形變的高空間分辨率,本文選擇了高斯函數(shù)作為距離權(quán)函數(shù)(Shen et al., 2015),該函數(shù)一般情況下較二次函數(shù)更適用于數(shù)據(jù)覆蓋密集的情況,能夠給出應(yīng)變變化更多的空間細(xì)節(jié).在得到τxx、τxy、τyy等應(yīng)變率分量后,可以計(jì)算區(qū)域第二應(yīng)變率不變量2ndinv、剪應(yīng)變率shr和面膨脹率dilat:

(3)

(4)

dilat=τxx+τyy.

(5)

2 結(jié)果

2.1 LOS向形變速率場(chǎng)

MintPy給出的東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段LOS向形變速率場(chǎng)如圖2所示,可以看到四個(gè)軌道的LOS向形變速率場(chǎng)都存在顯著的軌道誤差斜面,其斜面兩端的速率差值為～20 mm·a-1;此外,還可以看到形變速率在東昆侖斷裂帶兩側(cè)存在一定的梯度.該LOS向形變速率場(chǎng)的內(nèi)符合精度如圖3所示,其中,兩個(gè)升軌T026A和T128A的標(biāo)準(zhǔn)差均值為～0.6 mm·a-1,圖幅右下角標(biāo)準(zhǔn)差最大值不超過1.3 mm·a-1;兩個(gè)降軌T033D和T135D的精度相對(duì)較高,標(biāo)準(zhǔn)差均值為～0.4 mm·a-1.

經(jīng)GPS速度場(chǎng)校正后的東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段2014—2021年間的LOS向形變速率場(chǎng)如圖4所示.結(jié)果顯示,該區(qū)域存在整體向東的運(yùn)動(dòng)特征,LOS向形變速率沿東昆侖斷裂帶存在明顯的梯度,且速率值沿?cái)嗔褞ё晕飨驏|逐漸遞增/遞減.其中,升軌結(jié)果(圖4a)中,斷裂帶北側(cè)的速率值自西向東從～-9.0 mm·a-1升高至～-6.0 mm·a-1,南側(cè)從～-12.0 mm·a-1升高至～-6.0 mm·a-1;降軌結(jié)果(圖4b)中,斷裂北側(cè)速率值自西向東從～8.0 mm·a-1遞減至～4.0 mm·a-1,南側(cè)從～12.0 mm·a-1遞減至～6.0 mm·a-1.

圖4 經(jīng)GPS速度場(chǎng)校正后的瑪沁—瑪曲段LOS向形變速率場(chǎng)(a)和(b)分別代表升、降軌LOS向形變速率場(chǎng);黑色箭頭代表衛(wèi)星飛行方向,紅色箭頭代表LOS視線向的水平投影;速率正、負(fù)值分別代表朝向衛(wèi)星和背離衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng).AA′,BB′為(c—f)的剖面位置.(c,d)和(e,f)分別為升、降軌LOS向形變速率與GPS水平形變速率的比較; 紅線代表東昆侖斷裂帶的位置,黑色點(diǎn)云表示距離剖面40 km以內(nèi)的InSAR LOS向形變速率,藍(lán)綠色方塊代表距離剖面 40 km以內(nèi)的GPS數(shù)據(jù),誤差棒代表68%置信區(qū)間,灰色底圖代表剖面的地形.Fig.4 The LOS deformation velocity fields along the MMS after GPS velocity field correction(a) Ascending LOS deformation velocity field, and (b) descending LOS deformation velocity field; Black arrows indicate the satellite′s flight direction, red arrows show the horizontal projection of the LOS vectors; positive and negative velocity values indicate motion toward and away from the satellite; AA′ and BB′ in (a) and (b) indicate profile locations for (c—f).(c, d) and (e,f) are comparisons between the LOS deformation velocities and the GPS horizontal deformation velocities for ascending and descending tracks, respectively; Red lines show the location of the EKF, black point clouds show the InSAR LOS velocities within 40 km along the profiles, cyan squares with error bars representing the 68% confidence interval are GPS velocities within 40 km from the profiles, gray base maps show the elevation of the profiles.

為了驗(yàn)證LOS向形變速率的外符合精度,將InSAR覆蓋范圍內(nèi)的GPS水平速度資料(Wang and Shen,2020)投影到LOS視線向,然后與InSAR形變速率結(jié)果進(jìn)行比較(圖5).升軌數(shù)據(jù)中GPS投影速率值與LOS向速率值的相關(guān)系數(shù)為0.92,二者差值的標(biāo)準(zhǔn)差為～0.6 mm·a-1;降軌中兩速率值相關(guān)系數(shù)為0.96,差值標(biāo)準(zhǔn)差為～0.4 mm·a-1,表明得到的InSAR時(shí)序觀測(cè)具有較高的精度,并且與GPS觀測(cè)具有良好的一致性.

圖5 LOS向形變速率與GPS投影到LOS向形變速率的比較(a) 升軌; (b) 降軌.橫向和縱向誤差棒分別表示InSAR和投影后GPS速率的68%置信區(qū)間.紅色實(shí)線斜率為1,紫色虛線代表兩倍標(biāo)準(zhǔn)差.Fig.5 Comparisons between the LOS deformation velocities and the GPS deformation velocities projected onto the LOS direction(a) Ascending and (b) descending tracks. Horizontal and vertical error bars show the 68% confidence interval of the InSAR and projected GPS velocities. Red solid lines are with the slope of one. Dashed purple lines represent double standard deviations.

2.2 區(qū)域三維形變場(chǎng)

基于校準(zhǔn)后LOS向形變速率,聯(lián)合GPS水平速度場(chǎng)(Wang and Shen, 2020),解算得到了東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段0.02°×0.02°的三維形變速率場(chǎng)(圖6).水平向結(jié)果(圖6b和6c)表明該區(qū)域存在顯著的東向運(yùn)動(dòng),速率在東昆侖斷裂帶兩側(cè)差異且沿?cái)嗔褞ё晕飨驏|逐漸減小.在斷裂帶以北,東向運(yùn)動(dòng)自西向東從～12.0 mm·a-1遞減至～10.0 mm·a-1,北向運(yùn)動(dòng)從～5.0 mm·a-1遞減至～0.0 mm·a-1,在斷裂帶以南,東向運(yùn)動(dòng)自西向東從～16.0 mm·a-1遞減至～12.0 mm·a-1,北向運(yùn)動(dòng)從～4.0 mm·a-1遞減至～-1.0 mm·a-1,這與東昆侖斷裂帶的左旋走滑以及滑動(dòng)速率遞減的特征相符(Harkins et al., 2010).解算得到的垂向形變速率場(chǎng)是以區(qū)域平均垂向形變速率為基準(zhǔn),它反映的是區(qū)域相對(duì)垂向運(yùn)動(dòng).結(jié)果(圖6a)顯示大部分區(qū)域的垂向形變速率為-1～1 mm·a-1,表明區(qū)域內(nèi)無顯著的相對(duì)垂向形變.

圖6 瑪沁—瑪曲段三維形變速率場(chǎng)(a) 中彩色代表垂向形變,藍(lán)色箭頭代表降采樣后的水平形變速率,誤差橢圓代表68%置信區(qū)間.(b)和(c)分別為東西向和南北向形變速率.Fig.6 The 3-D deformation velocity fields of the MMS In (a), color shows the vertical deformation, blue arrows represent the down-sampling horizontal deformation velocities with 68% confidence interval. (b) and (c) are the deformation velocity fields in the E-W and N-S directions, respectively.

三維形變速率場(chǎng)的精度如圖7所示,東西向形變速率和垂向形變速率在解算時(shí)主要由升、降軌LOS向形變速率結(jié)果提供約束,因此SAR影像重疊越多的區(qū)域精度越高,其中,東西向形變速率標(biāo)準(zhǔn)差均值為～0.6 mm·a-1,最大值不超過1.0 mm·a-1,垂向形變速率標(biāo)準(zhǔn)差均值為～0.5 mm·a-1,最大值不超過0.8 mm·a-1;南北向形變速率主要由GPS南北向速率場(chǎng)插值結(jié)果來進(jìn)行約束,因此精度在空間上呈現(xiàn)與GPS測(cè)站分布相關(guān)的空間短波長(zhǎng)特征,其標(biāo)準(zhǔn)差均值為～0.9 mm·a-1,最大值不超過1.5 mm·a-1.

圖7 瑪沁—瑪曲段三維形變速率場(chǎng)精度(a) 東西向; (b) 南北向; (c) 垂向.Fig.7 The precision of the 3-D deformation velocity fields along the MMS(a) E-W; (b) N-S; (c) Vertical.

2.3 區(qū)域應(yīng)變率場(chǎng)

計(jì)算得到的第二應(yīng)變率不變量(圖8a)表明,應(yīng)變率主要沿東昆侖斷裂帶分布,在阿尼瑪卿山和西貢周斷層交匯區(qū)附近存在應(yīng)變率高值區(qū),最大值分別為～65 nstrain·a-1和～70 nstrain·a-1;在瑪曲以東,應(yīng)變率在光蓋山—迭山斷裂與東昆侖斷裂帶之間彌散分布,為30～40 nstrain·a-1.此外,在東昆侖斷裂帶以南的瑪多—甘德斷裂和甘德南緣斷裂上,應(yīng)變率積累為～35 nstrain·a-1;在阿萬倉(cāng)斷裂上,應(yīng)變率積累沿?cái)嗔褟奈髫曋軘鄬咏粎R區(qū)的～65 nstrain·a-1逐漸降至斷裂尾端的～30 nstrain·a-1.最大剪應(yīng)變率(圖8b)顯示,高應(yīng)變率沿東昆侖斷裂帶表現(xiàn)為近NE-SW的擠壓和近NW-SE的拉張,符合東昆侖斷裂帶的左旋走滑運(yùn)動(dòng),其25～40 nstrain·a-1的擠壓速率略大于20～30 nstrain·a-1的拉張速率,說明東昆侖斷裂帶在左旋走滑的同時(shí)可能兼具一定的逆沖分量.此外,在東昆侖斷裂帶以南的瑪多—甘德斷裂和龍日壩斷裂之間,主應(yīng)變率主要表現(xiàn)為近東西向的擠壓,為～15 nstrain·a-1.

圖8 東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段應(yīng)變率場(chǎng)(a) 第二應(yīng)變率不變量,藍(lán)色橢圓為西貢周斷層交匯區(qū),藍(lán)色三角代表阿尼瑪卿山; (b) 最大剪應(yīng)變率; (c) 面膨脹率; (d) 剛性旋轉(zhuǎn)速率,正值代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn),負(fù)值代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),黑色扇形代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn)速率.Fig.8 Strain rate fields of the MMS of the EKF(a) Second invariant of the strain rate tensor, blue ellipse denotes the Xigongzhou fault intersection zone, blue triangle denotes the Anyemaqen Mountain; (b) Maximum shear strain rate; (c) Areal dilatation rate; (d) Rigid rotation rate, positive and negative values indicate clockwise and counter-clockwise rotation, black fan shapes denote clockwise rotation rate.

面膨脹率(圖8c)顯示,在阿尼瑪卿山和西貢周斷層交匯區(qū)附近,面壓縮率為～40 nstrain·a-1;在阿萬倉(cāng)斷裂和龍日壩斷裂之間,面壓縮率為～20 nstrain·a-1.剛性旋轉(zhuǎn)速率(圖8d)顯示沿東昆侖斷裂帶存在～30 nrad·a-1的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),這與東昆侖斷裂帶的左旋走滑運(yùn)動(dòng)相匹配;區(qū)域內(nèi)一些次級(jí)塊體表現(xiàn)出一定的順時(shí)針旋轉(zhuǎn),如達(dá)日斷裂與甘德南緣斷裂之間的塊體、瑪多—甘德斷裂與東昆侖斷裂帶之間的塊體,為～15 nrad·a-1;甘德南緣斷裂與瑪多—甘德斷裂之間的塊體、光蓋山—迭山斷裂與臨潭—宕昌斷裂之間的塊體,為～10 nrad·a-1.

上述結(jié)果說明應(yīng)變率積累不僅集中在東昆侖斷裂帶上,在斷裂帶周邊區(qū)域同樣存在不小的量級(jí),這意味著區(qū)域內(nèi)發(fā)生的形變不僅由東昆侖斷裂帶的左旋走滑承擔(dān),其附近次級(jí)斷裂的作用也不容忽視.

2.4 瑪沁—瑪曲段長(zhǎng)期滑動(dòng)速率

將2.2節(jié)得到的水平形變速率投影到瑪沁—瑪曲段的平均走向,結(jié)果如圖9a所示.在瑪沁—瑪曲段近似等間隔選取四條與斷裂走向垂直的剖面(圖9a),選擇距離剖面20 km以內(nèi),距離斷裂帶100 km以內(nèi)的水平形變速率值,并將其投影到與剖面垂直的方向(斷裂帶的局部走向),利用螺旋位錯(cuò)模型(Savage and Burford, 1973)估計(jì)斷裂的滑動(dòng)速率,即:

圖9 螺旋位錯(cuò)反演結(jié)果(a)平行于斷裂帶的形變速率場(chǎng),黑色虛線AA′—DD′分別為(b—e)中剖面的位置;(b—e)中粉色點(diǎn)云代表形變速率,黑色點(diǎn)表示沿剖面線4 km窗口數(shù)據(jù)的平均值,誤差棒為該窗口范圍數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差,紅色虛線代表東昆侖斷裂帶的位置,綠色實(shí)線代表螺旋位錯(cuò)擬合結(jié)果, 青色方塊表示剖面兩側(cè)20 km范圍的GPS數(shù)據(jù),誤差棒為其1倍中誤差.Fig.9 Inversion results from the screw dislocation model(a) Fault-parallel deformation velocity field. Black dash lines (AA′—DD′) indicate locations for (b—e). Pink point clouds in (b—e) show deformation velocities. Red dash line indicates the location of the EKF. Black points represent the mean value of data with a 4 km window along the profile line, error bars represent the standard deviation of data within this window, and green lines are simulations of the screw dislocation model. Cyan squares with 1-sigma error bars are GPS velocities within 20 km from the profiles.

(6)

其中,v是與斷裂帶平行的速率,x是距離斷裂帶的距離,VL和D分別表示斷裂的滑動(dòng)速率和閉鎖深度,o為斷層位置的偏移量,C為形變速率的偏移常數(shù).

對(duì)速率剖面進(jìn)行降采樣,按照4 km的窗口計(jì)算速率均值和標(biāo)準(zhǔn)差,利用最小二乘對(duì)降采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到阿尼瑪卿山與瑪沁之間、瑪沁與西貢周斷層交匯區(qū)之間、西貢周斷層交匯區(qū)與瑪曲之間以及瑪曲以東的滑動(dòng)速率分別為6.0±0.2 mm·a-1、5.6±0.2 mm·a-1、3.9±0.2 mm·a-1和3.5±0.2 mm·a-1,閉鎖深度分別為24.2±2.4 km、21.8±3.0 km、10.8±2.4 km和17.6±3.8 km(圖9b—e).反演結(jié)果顯示瑪沁—瑪曲段滑動(dòng)速率自西向東緩慢單調(diào)遞減,但最優(yōu)閉鎖深度并沒有表現(xiàn)出這種單向遞減模式,顯示各段閉鎖深度可能存在一定的差異.考慮到二維螺旋位錯(cuò)模型雖然不能精確表征斷層的閉鎖/運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征,但至少可以近似表達(dá)其一階狀態(tài),因此推測(cè)各段整體上呈現(xiàn)一個(gè)高閉鎖特征(李琦等, 2019; Zhu et al., 2020; Jian et al., 2022),但不排除在深度上存在小范圍的自由蠕滑或低閉鎖狀態(tài).

3 討論

3.1 與前人應(yīng)變率結(jié)果的比較

由于僅采用GPS觀測(cè)或覆蓋不完全、影像數(shù)量較少的InSAR觀測(cè),已有瑪沁—瑪曲段應(yīng)變率場(chǎng)的研究結(jié)果質(zhì)量較低或未包括斷裂帶最東端等(如,Li et al., 2018; Wang and Shen, 2020; Zhu et al., 2021; Zhao et al., 2022).本文通過大量覆蓋東昆侖斷裂帶東段99°E—103°E的升、降軌SAR影像獲得了瑪沁—瑪曲段～2 km×2 km的高空間分辨率三維形變速率場(chǎng),在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到的高空間分辨率、高精度的應(yīng)變率場(chǎng),結(jié)果顯示:區(qū)域應(yīng)變率積累主要集中在東昆侖斷裂帶上,且在阿尼瑪卿山附近和西貢周斷層交匯區(qū)附近存在應(yīng)變率高值區(qū).其中,沿東昆侖斷裂帶分布的～40 nstrain·a-1的最大剪應(yīng)變率與Wang和Shen(2020)以及Li等(2018)基于GPS觀測(cè)的結(jié)果大小相當(dāng).阿尼瑪卿山附近的高應(yīng)變率積累特征與Zhao等(2022)和Zhu等(2021)等基于InSAR觀測(cè)的研究結(jié)果特征一致,但～65 nstrain·a-1的第二應(yīng)變率不變量略低于Zhao等(2022)的～70 nstrain·a-1和Zhu等(2021)的～80 nstrain·a-1,推測(cè)造成這種差異的原因可能是LOS向形變速率結(jié)果以及三維形變解算策略各不相同(Shen and Liu, 2020).此外,西貢周斷層交匯區(qū)附近的應(yīng)變率積累與Zhu等(2021)的結(jié)果存在一定差異,Zhu等(2021)在該區(qū)域給出的應(yīng)變率高值區(qū)更靠近瑪沁縣,而本文結(jié)果則在瑪沁縣和瑪曲縣中間,兩者相距～100 km,考慮到Zhu等(2021)僅使用降軌觀測(cè)資料且應(yīng)變結(jié)果在應(yīng)變率高值區(qū)的空間分辨率為～15 km左右,我們認(rèn)為本文結(jié)果具有更高的可信度.

3.2 東昆侖斷裂帶東段的現(xiàn)今活動(dòng)特征

目前東昆侖斷裂帶東段的滑動(dòng)速率存在兩種可能的遞減模型(圖10),有學(xué)者認(rèn)為滑動(dòng)速率在距離最東端150 km以內(nèi)快速向東遞減(Kirby et al., 2007; Lin and Guo, 2008),另有學(xué)者認(rèn)為滑動(dòng)速率從98°E以西開始緩慢向東遞減(Harkins et al., 2010; Diao et al., 2019).本文對(duì)瑪沁—瑪曲段滑動(dòng)速率的反演結(jié)果顯示,阿尼瑪卿山和瑪沁之間的滑動(dòng)速率為6.0±0.2 mm·a-1(圖9a剖面AA′,～100°E),明顯低于東昆侖斷裂帶中段的10～12 mm·a-1(Van Der Woerd et al., 2002),表明東昆侖斷裂帶東段的滑動(dòng)速率在距離最東端至少300 km處的阿尼瑪卿山附近就已經(jīng)開始向東緩慢遞減.本文還將閉鎖深度分別固定為10 km、15 km、20 km、25 km和30 km,分別反演了瑪沁—瑪曲段的滑動(dòng)速率,結(jié)果(表1)均顯示滑動(dòng)速率自西向東緩慢遞減的特征,其中,剖面AA′的滑動(dòng)速率最大不超過6.4 mm·a-1,仍明顯低于東昆侖斷裂段中段～10 mm·a-1的滑動(dòng)速率.此外,為了驗(yàn)證不同參考基準(zhǔn)對(duì)結(jié)果的影響,我們還估計(jì)了瑪沁—瑪曲段在無區(qū)域旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)下的震間運(yùn)動(dòng)參數(shù),結(jié)果顯示不同基準(zhǔn)雖然改變了區(qū)域的絕對(duì)形變速率值,但不改變斷層附近的相對(duì)形變速率值,也不對(duì)斷層震間運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生明顯影響.

表1 歐亞基準(zhǔn)下不同閉鎖深度及無區(qū)域旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)下的瑪沁—瑪曲段滑動(dòng)速率Table 1 Slip rates of the MMS with different locking depths in the Eurasian reference frame and in the frame without regional rotation

圖10 與前人研究斷層滑動(dòng)速率結(jié)果的比較淡紫色和淡橙色代表東昆侖斷裂帶東段可能存在的兩種斷層滑動(dòng)模型.估計(jì)結(jié)果誤差棒為68%置信區(qū)間.Fig.10 Fault slip rate comparison between this study and previous studies Light purple and light orange colors represent two possible models of fault slip along the eastern segment of the EKF. Error bars of the estimated values represent the 68% confidence interval.

本文反演得到的滑動(dòng)速率與前人結(jié)果的比較見圖10.圖10顯示,本文結(jié)果略低于Zheng等(2017)和Zhao等(2022)基于大地測(cè)量的研究結(jié)果,與Zhu等(2021)的結(jié)果較為一致,而相較于Harkins和Kirby(2008)以及Harkins等(2010)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果則在不同位置略有差異,但總體上較為接近.其中,與大地測(cè)量研究結(jié)果存在差異的主要原因是使用了不同的觀測(cè)數(shù)據(jù)和建模方式,如Wang和Shen(2020)、Zheng等(2017)的結(jié)果主要基于GPS觀測(cè);Zhu等(2021)的結(jié)果僅使用了升軌數(shù)據(jù),且采用的是彈性半空間負(fù)位錯(cuò)模型;Zhao等(2022)盡管使用了該區(qū)域的Sentinel-1升、降軌影像和二維螺旋位錯(cuò)模型,但Zhao等(2022)在瑪沁—瑪曲段每個(gè)軌道使用～25景SAR影像,而本文使用～130景,推測(cè)由此產(chǎn)生的LOS向形變速率結(jié)果及質(zhì)量的差異是二者滑動(dòng)速率差異的主要原因.與地質(zhì)研究結(jié)果存在差異的原因是地質(zhì)調(diào)查得到的長(zhǎng)期滑動(dòng)速率代表的是百萬年尺度上的斷裂帶活動(dòng)性,而基于大地測(cè)量的結(jié)果則更偏向于斷裂帶的現(xiàn)今活動(dòng)性.區(qū)域內(nèi)的次級(jí)斷裂如阿萬倉(cāng)斷裂、瑪多—甘德斷裂、光蓋山—迭山斷裂等具有一定的晚第四紀(jì)活動(dòng)性(梁明劍等, 2020; 張波等, 2021),且斷裂之間正在發(fā)生構(gòu)造轉(zhuǎn)換(李陳俠等, 2016;任俊杰等, 2017),本文忽略次級(jí)斷裂對(duì)研究區(qū)域形變的影響,僅考慮東昆侖斷裂帶,這將導(dǎo)致估計(jì)得到的滑動(dòng)速率是東昆侖斷裂帶及其附近次級(jí)斷裂滑動(dòng)速率的總和,即可能在一定程度上高估了瑪沁—瑪曲段的滑動(dòng)速率(Li et al., 2018).此外,古地震研究表明瑪沁—瑪曲段可能處于地震周期的末期(李陳俠, 2009),因此更精確的斷層長(zhǎng)期滑動(dòng)速率需要采用地震周期模型來進(jìn)行約束(如Diao et al., 2019).

3.3 區(qū)域構(gòu)造變形模式

瑪沁—瑪曲段附近次級(jí)斷裂上的應(yīng)變率集中特征揭示出瑪沁—瑪曲段周緣的變形不僅由東昆侖斷裂帶承擔(dān),還由其附近次級(jí)斷裂共同吸收調(diào)節(jié).此外,區(qū)域內(nèi)近似平行分布的次級(jí)塊體的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),東昆侖斷裂帶和光蓋山—迭山斷裂之間以及龍日壩斷裂北段彌散分布的應(yīng)變率積累則意味著東昆侖斷裂帶與其東端區(qū)域存在構(gòu)造轉(zhuǎn)換(李陳俠等, 2016; 胡朝忠等, 2017; 任俊杰等, 2017).研究區(qū)域的變形模式符合被動(dòng)式書斜構(gòu)造模型(Zuza and Yin, 2016; Zhu et al., 2021),在該模型下,瑪沁—瑪曲段周緣受到青藏高原東北緣側(cè)向擠出的NE向推力以及北部和東部塊體的阻擋,產(chǎn)生一系列順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)塊體、次級(jí)塊體間以左旋走滑為主的次級(jí)斷裂以及東昆侖斷裂帶最東端的地殼縮短和山體隆升,而東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段的走滑速率正是在這樣的變形過程中,部分轉(zhuǎn)換到如阿萬倉(cāng)斷裂、光蓋山—迭山斷裂等次級(jí)斷裂的走滑運(yùn)動(dòng)上,部分轉(zhuǎn)換到龍日壩斷裂、岷山斷裂等的逆沖運(yùn)動(dòng)以及岷山的隆起上,表現(xiàn)出自西向東遞減的特征(Kirby and Harkins, 2013).

東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段的高應(yīng)變率積累(圖8b和8c)可能主要源于巴顏喀拉塊體整體的NE-SW向的應(yīng)力加載,導(dǎo)致區(qū)域存在整體的左旋擠壓運(yùn)動(dòng)特征.而受斷層幾何、摩擦屬性和地殼結(jié)構(gòu)差異等因素的影響,區(qū)域存在應(yīng)變率積累差異性特征,表現(xiàn)為應(yīng)變率主要集中于瑪沁—瑪曲段阿尼瑪卿山和西貢周斷層交匯區(qū)附近(圖8a).本文在這兩處利用二維螺旋位錯(cuò)模型反演得到的閉鎖深度為～20 km,達(dá)到區(qū)域孕震層深度下界,雖然該二維模型不能精確表征斷層的閉鎖狀態(tài)特征,但至少可以近似表達(dá)其一階狀態(tài),即該區(qū)域存在一個(gè)高閉鎖的特征;結(jié)合古地震研究成果(李陳俠, 2009; 李春峰等, 2005)以及區(qū)域歷史地震對(duì)瑪沁—瑪曲段庫(kù)侖應(yīng)力總體呈現(xiàn)出的加載作用(Shan et al., 2015; 靳志同等, 2019; He et al., 2022),推測(cè)東昆侖斷裂帶的阿尼瑪卿山附近和西貢周斷層交匯區(qū)附近具有較高的地震危險(xiǎn)性,存在較強(qiáng)發(fā)生大地震的可能性.

4 結(jié)論

本文處理了東昆侖斷裂帶東段瑪沁—瑪曲段2014—2021年間的升、降軌Sentinel-1 SAR影像,獲得了區(qū)域近7年的LOS向形變速率場(chǎng),并聯(lián)合GPS速度場(chǎng)(Wang and Shen, 2020),解算得到了區(qū)域三維形變速率場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng),主要結(jié)論如下:

(1) 區(qū)域存在整體向東的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),形變速率在瑪沁—瑪曲段南北兩側(cè)存在明顯的梯度,且沿?cái)嗔褞ё晕飨驏|逐漸減小;

(2) 瑪沁—瑪曲段上的阿尼瑪卿山和西貢周斷層交匯區(qū)附近存在顯著的應(yīng)變率積累,而這兩處的上次地震離逝時(shí)間已非常接近其地震復(fù)發(fā)間隔,意味著這兩處具有較高的地震危險(xiǎn)性;

(3) 瑪沁—瑪曲段的滑動(dòng)速率自阿尼瑪卿山向東分別為6.0±0.2 mm·a-1、5.6±0.2 mm·a-1、3.9±0.2 mm·a-1和3.5±0.2 mm·a-1,意味著東昆侖斷裂東段的滑動(dòng)速率在距離斷裂帶最東端至少300 km處就已經(jīng)開始緩慢遞減;

(4) 瑪沁—瑪曲段附近的次級(jí)塊體表現(xiàn)出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的剛性運(yùn)動(dòng)特征,符合書斜構(gòu)造模型,即青藏高原的側(cè)向擠出產(chǎn)生的區(qū)域變形由東昆侖斷裂帶和周緣次級(jí)斷裂的左旋走滑及其斷裂帶最東端的地殼縮短共同吸收調(diào)節(jié).

致謝感謝歐洲空間局提供的免費(fèi)Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù),感謝審稿專家提供的寶貴建議和幫助,本文圖件由GMT軟件繪制.