魏云杰,王 婷,楊成生*,呂 森

(1. 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081; 2. 長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

北京時間2021年5月21日21時48分，云南漾濞地區(qū)附近發(fā)生了6.4級地震。此次地震震中經(jīng)緯度為(99.87°E，25.67°N)，震源深度為8 km。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)(CENC)測定，在主震發(fā)生前，該地區(qū)發(fā)生了多次3～4級前震。6.4級主震發(fā)生后，該地區(qū)的地殼活動性并未停止。截至2021年5月23日，漾濞地區(qū)附近發(fā)生余震33次，震級在2.5到5.2范圍內(nèi)，說明此次地震屬于前震→主震→余震地震序列。由于距離震中20 km范圍內(nèi)人口數(shù)約6.2萬，50 km范圍內(nèi)約216萬，而且本次地震位于活動構(gòu)造的研究空白區(qū)域，所以研究此次地震的發(fā)震構(gòu)造及斷層活動趨勢是非常必要的。

自Massonnet在1993年最早利用合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)提取了1992年Landers地震的同震形變場后，InSAR技術(shù)被引入地震監(jiān)測，并引起了地學界的轟動。之后，該技術(shù)以全天時、全天候、大范圍、高精度地表形變監(jiān)測的特點，在地震的震間、同震和震后形變監(jiān)測以及震源機制研究中得到了廣泛的應(yīng)用。以InSAR同震形變場為約束反演地震運動學參數(shù)成為研究地震發(fā)震機理和破裂過程的重要手段之一，如1997年西藏瑪尼7.5級地震、2001年青海昆侖地震、2008年四川汶川地震、2017年四川九寨溝7.1級地震以及2020年新疆伽師地震等。

云南漾濞6.4級地震引起了許多學者的廣泛關(guān)注。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、全球矩心矩張量(GCMT)計劃和中國地震臺網(wǎng)均給出了此次地震的震源機制解(表1)。王紹俊等以SAR影像為數(shù)據(jù)源，獲取了此次地震的同震形變場；同時以SAR形變場和GNSS數(shù)據(jù)為約束，設(shè)置了兩個不同傾向的斷層模型，反演了不同傾向模型的滑動分布，并進行了對比分析。李大虎等采用地震體波層析成像(TOMO3D)方法反演獲得川滇區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)特征，對云南漾濞6.4級地震震區(qū)及周邊的三維P波速度結(jié)構(gòu)進行了剖析；然后獲得震區(qū)殼內(nèi)視密度的橫向變化特征，最后綜合分析漾濞6.4級地震震區(qū)地殼結(jié)構(gòu)特征與地震活動關(guān)系。楊九元等利用Sentinel-1A/B衛(wèi)星影像和InSAR技術(shù)，得到了同震形變和斷層的滑動分布，并計算了同震的庫倫應(yīng)力變化。但是，上述研究關(guān)于地震發(fā)震斷層的詳細幾何參數(shù)并沒有給出。由于發(fā)震斷層幾何參數(shù)對深入掌握云南漾濞地區(qū)及其鄰近區(qū)域的孕震及發(fā)震機理和構(gòu)造活動特征具有十分重要的科學意義，本文利用InSAR技術(shù)獲取了云南漾濞6.4級地震的同震形變場，并對同震的震源參數(shù)以及發(fā)震斷層的滑動分布進行了反演與分析討論，以期為了解此次地震發(fā)震機理及區(qū)域構(gòu)造活動特征提供參考。

表1 不同機構(gòu)給出的震源機制解Table 1 Focal Mechanism Solution from Different Institutes

1 區(qū)域構(gòu)造背景

云南地處印度板塊與歐亞板塊擠壓碰撞帶的東北邊界。這兩大板塊長期相對運動，使得區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運動十分強烈，活動斷裂帶縱橫交錯。漾濞彝族自治縣位于云南省中西部偏西北，屬橫斷山系滇西縱谷區(qū)，云嶺山脈南段，地質(zhì)構(gòu)造復雜，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱。近年來，在極端氣候現(xiàn)象和地震活動頻繁等因素的影響下，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生呈上升態(tài)勢，地質(zhì)災(zāi)害類型較為豐富，主要有地震、泥石流、滑坡、崩塌、火山噴發(fā)、地裂縫等。

2021年5月發(fā)生在云南漾濞地區(qū)的又一次6.1級強震，位于川滇塊體西南邊界。新生代早期以來，青藏高原東緣向東擠出，形成了最強也是最具代表性的川滇菱形塊體，該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻繁，是研究災(zāi)害預報預警的重點關(guān)注區(qū)域。該區(qū)域發(fā)育的斷裂復雜，有安定河斷裂、紅河斷裂、安寧河—則木河斷裂、瀾滄江斷裂等，斷裂較為活躍，地震活動劇烈。例如，2018年玉溪通海地區(qū)的兩次5.0級地震，位于川滇菱形地塊東端；2019年6月24日的楚雄4.7級地震，位于南華—楚雄斷裂附近；2020年5月18日的昭通巧家5.0級地震，位于安寧河—則木河斷裂等。

從圖1可以看出，漾濞6.4級地震的震中區(qū)域主要有兩條斷裂，分別是維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂。其中，維西—喬后—巍山斷裂與震中的距離最為接近，大約為10 km。段夢喬等認為此次地震序列的發(fā)震斷層以SE向高傾角右旋走滑兼正斷層為主，兼有多條NE向左旋走滑兼正斷層的高傾角次級斷層。楊九元等通過一系列研究認為，此次地震可能破裂在維西—喬后—巍山斷裂的隱伏分支斷層或一個獨立的未知隱伏主斷層上，需著重注意維西—喬后—巍山斷裂的巍山盆地北端。龍鋒等計算的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場顯示，發(fā)震構(gòu)造受NNW—SSE向近水平主壓應(yīng)力作用發(fā)生右旋走滑運動，揭示主發(fā)震斷層產(chǎn)狀和錯動類型與維西—喬后—巍山斷裂基本一致。根據(jù)已有的研究得知，維西—喬后—巍山斷裂具有明顯的右旋走滑特征，沿線山脊和河流表現(xiàn)為同步右旋位錯。維西—喬后—巍山斷裂與紅河斷裂、金沙江斷裂以及德欽—中甸—大具斷裂等一起，共同構(gòu)成了川滇活動塊體的西部邊界。因此，相關(guān)研究認為其發(fā)震構(gòu)造為維西—喬后—巍山斷裂的平行伴生斷裂，這一構(gòu)造的形成可能與川滇塊體SE向滑移和滇西南塊體的順時針旋轉(zhuǎn)有關(guān)。

圖1 云南漾濞地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景Fig.1 Regional Geological Background of Yangbi Area in Yunnan

2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

為了獲取漾濞6.4級地震的同震形變場，本次研究調(diào)查并選取了地震發(fā)生前后時間間隔最短的兩景歐洲航天局Sentinel-1A SAR衛(wèi)星影像(圖1)，影像參數(shù)如表2所示。數(shù)據(jù)處理采用瑞士GAMMA遙感公司開發(fā)的專門用于干涉雷達數(shù)據(jù)處理的全功能平臺GAMMA軟件。采用差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，引入美國航空航天局(NASA)發(fā)布的30 m空間分辨率SRTM數(shù)字高程模型來消除InSAR干涉圖中的地形起伏誤差?；诩訖?quán)功率譜算法的自適應(yīng)濾波算法被用于干涉圖的濾波處理，消除干涉圖中的噪聲相位。利用二次多項式擬合去除干涉圖中殘余的軌道誤差，相位解纏采用最小費用流算法。為得到精確的形變場，基于大氣延遲相位與地形間的相關(guān)關(guān)系對差分干涉圖進行了去除大氣影響處理，最后得到了雷達視線方向(Line of Sight,LOS)同震形變場，再進行地理編碼便獲取了地理坐標系下高精度的同震形變場。

表2 Sentinel-1A SAR衛(wèi)星影像參數(shù)Table 2 Parameters of Sentinel-1A SAR Satellite Image

3 結(jié)果分析

經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理，獲取了漾濞6.4級地震的干涉解纏圖和形變場(圖2)。結(jié)果顯示：此次地震造成斷裂東北側(cè)的最大隆升超過10 cm，西南側(cè)的最大下沉約為10 cm以下(雷達視線方向)；兩個不同方向水平位錯的過渡帶為發(fā)震斷層所在的位置。兩個形變區(qū)域間并沒有由于地表破裂造成大面積的失相干，說明此次同震形變并未造成嚴重的地表破裂。另外，升、降軌影像的形變場上、下盤的地表運動表現(xiàn)為相反的運動趨勢，說明同震引起的形變以水平向為主。同震形變監(jiān)測結(jié)果與王紹俊等的研究結(jié)果較為一致。

圖2 漾濞Mw 6.4級地震升、降軌的同震形變場Fig.2 Ascending and Descending Co-seismic Deformation Fields of Yangbi Mw 6.4 Earthquake

3.1 GBIS均勻滑動反演

基于InSAR同震形變場開展發(fā)震斷層的幾何參數(shù)和運動學參數(shù)反演是認識發(fā)震機理的關(guān)鍵。為此，采用GBIS開源軟件(http:∥comet.nerc.ac.uk/gbis)對本次地震同震形變場進行非線性反演，獲取發(fā)震斷層的幾何參數(shù)(斷層長度、寬度、深度、走向角、傾角等)。GBIS開源軟件是通過斷層幾何參數(shù)的后驗概率密度函數(shù)和觀測值的先驗知識確定斷層的最優(yōu)參數(shù)。目前，該方法在地震、火山等形變反演中得到了廣泛應(yīng)用。首先，根據(jù)InSAR形變監(jiān)測的先驗結(jié)果選擇Okada矩形彈性位錯模型，通過設(shè)置斷層的幾何參數(shù)(斷層長度、寬度、深度、傾角、走向角)和運動學參數(shù)(滑動量)，并設(shè)置一定的搜索范圍，對模型參數(shù)進行約束反演，迭代次數(shù)設(shè)置為3×10。由于InSAR監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，為提高反演計算效率，需要對形變結(jié)果進行降采樣處理，即在保證形變特征的同時，減少數(shù)據(jù)點的數(shù)量。本文采用四叉樹降采樣方法，最終升、降軌的形變場分別保留了2 326、2 655個數(shù)據(jù)點。在迭代結(jié)束后，去掉前3×10次迭代的老化周期，最后便得到了斷層的最優(yōu)模擬結(jié)果。最優(yōu)震源參數(shù)見表3，搜索結(jié)果范圍如圖3所示，模型模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 均勻滑動反演結(jié)果對比Fig.4 Comparisons of Uniform Slip Inversion Results

由斷層的后驗概率密度函數(shù)分別獲取了2.5%和97.5%的最大后驗概率解。反演結(jié)果(圖3和表3)表明：地表同震形變是由一條長度約為12.2 km、寬度為5.0 km、深度為7.5 km、傾角為83°、走向角為132°的斷層滑動引起的。由表3可知：發(fā)震斷層以走滑為主，震中位置深度為7.48 km，明顯大于寬度(約為5.00 km)，說明此次地震沒有破裂至地表；漾濞6.4級地震走滑分量為-0.68 m，傾滑分量為-0.09 m，表明同震斷層活動以走滑為主；其走向角為132°，近似為NWW—SEE向，可見斷層走向與美國地質(zhì)調(diào)查局給出的節(jié)面1震源機制解基本一致，且同震形變觀測結(jié)果和均勻滑動反演結(jié)果存在很好的相關(guān)性。

圖3 均勻滑動反演斷層參數(shù)直方圖Fig.3 Histograms of Fault Parameters of Uniform Slip Inversion

表3 均勻滑動反演斷層參數(shù)Table 3 Fault Parameters of Uniform Slip Inversion

3.2 同震滑動分布反演

基于GBIS開源軟件反演可以獲取地震震源參數(shù)，為進一步分析斷層的運動特征以及地震成因，還需對斷層進行精細化的滑動分布反演。本文利用最速下降法(Steepest Descent Method,SDM)進行滑動分布反演。其主要思想是利用負梯度方向來決定每次迭代的新搜索方向，隨著迭代步數(shù)的增加使待優(yōu)化目標函數(shù)逐步減小。該方法基于Okada矩形彈性位錯模型。實驗中參考GBIS開源軟件計算得到的震源參數(shù)，進行最初的參數(shù)設(shè)置。為更全面地獲取整個斷層的滑動分布結(jié)果，將斷層長度和寬度分別沿走向和傾向進行延長，沿走向延長至40 km，沿傾向延長至20 km，分為2 km×2 km的小塊，共200個小塊。根據(jù)震源機制解和均勻滑動分布結(jié)果可知，漾濞6.4級地震是以走滑為主，故將斷層滑動角區(qū)間設(shè)置為-180°～0°，然后計算每一小塊的滑動情況。為進一步保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性，引入滑動因子(α)進行約束，最優(yōu)滑動因子通過權(quán)衡模型粗糙度和擬合殘差的折中曲線求得，本次反演的最優(yōu)滑動因子為0.025(圖5)。

基于最速下降法反演的結(jié)果如圖6、7所示。斷層模型的反演結(jié)果很好地反映了地震同震形變場，斷層模型擬合度為80%，不能擬合的形變主要是由形變場NE向地形起伏引起的誤差造成。分布式滑動反演得到同震滑動分布結(jié)果如圖7所示。斷層的滑動分布主要集中在沿走向8～24 km和沿傾向2～10 km，平均滑動量為0.19 m，平均滑動角為-153.6°，平均矩震級為6.1(表4)。通過分析滑動分布結(jié)果，再一次判定此次地震是一次典型的走滑斷層破裂事件。

表4 滑動分布結(jié)果Table 4 Sliding Distribution Results

五角星表示最優(yōu)滑動因子圖5 模型粗糙度與擬合殘差的折中曲線Fig.5 Tradeoff Curve of Model Roughness and Fitting Residuals

4 討 論

斜的矩形框表示設(shè)置的斷層模型在地面的投影；震源球表示漾濞Mw 6.4級地震的震源機制解圖6 同震形變觀測結(jié)果與滑動分布結(jié)果對比Fig.6 Comparisons Between Co-seismic Deformation Observations and Sliding Distribution Results

圖中箭頭表示塊體的運動方向圖7 斷層的二維滑動分布結(jié)果Fig.7 Two-dimensional Sliding Distribution Results of Fault

同震的破裂往往會引起周圍應(yīng)力場的變化，從而驅(qū)動或者抑制余震的發(fā)生。為了進一步揭示漾濞6.4級地震對周圍地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的影響，本文分析了同震破裂對區(qū)域應(yīng)力場的變化。以分布式滑動反演的斷層滑動分布結(jié)果為依據(jù)，基于Coulomb3.3軟件，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4，剪切模量設(shè)置為30 GPa，分別計算深度為7.5 km和10.0 km的庫倫應(yīng)力分布；另外，收集了從2021年5月21日至25日的震級大于3的余震結(jié)果進行聯(lián)合分析?；贑oulomb3.3軟件得到的漾濞6.4級地震同震庫倫應(yīng)力變化結(jié)果如圖8所示。將滑動分布結(jié)果、庫倫應(yīng)力結(jié)果以及地質(zhì)構(gòu)造進行聯(lián)合分析可以發(fā)現(xiàn)：余震的分布區(qū)域與斷層模型跡線走向一致；余震分布區(qū)域與斷層主破裂區(qū)地面7.5 km深度以下的庫倫應(yīng)力減小的展布一致；庫倫應(yīng)力為正值的區(qū)域，在地震發(fā)生后容易發(fā)生余震，余震的發(fā)生使得區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力逐漸釋放。漾濞6.4級地震在發(fā)震斷層的主破裂區(qū)處于應(yīng)力調(diào)節(jié)狀態(tài)，在維西—喬后—巍山斷裂附近造成了明顯的應(yīng)力加載，庫倫應(yīng)力在同震滑動分布量最大的區(qū)域處于應(yīng)力加載狀態(tài)。余震大部分分布在發(fā)震斷層周圍，但是遠離主震震中，說明在主震后較短時間內(nèi)，斷層處于應(yīng)力調(diào)節(jié)狀態(tài)。同震形變場、同震滑動分布和庫倫應(yīng)力計算結(jié)果均顯示，震中附近沒有出現(xiàn)明顯的形變特征和較大的滑動量，并且?guī)靷悜?yīng)力狀態(tài)顯示為負值。震中與維西—喬后—巍山斷裂距離較近，因此，附近地區(qū)仍然需要持續(xù)關(guān)注。

本文基于SAR衛(wèi)星影像開展了對漾濞6.4級地震的研究，并利用Okada矩形彈性位錯模型對地震進行了構(gòu)造反演，主要采用的是GBIS開源軟件和最速下降法反演方法。反演和計算結(jié)果表明，發(fā)震斷層屬于右旋走滑類型，與周圍的維西—喬后—巍山斷裂的運動學性質(zhì)相同。根據(jù)同震破裂的運動特征分析，發(fā)震斷層可能屬于維西—喬后—巍山斷裂的次級斷層，與周邊斷層的運動學關(guān)系還需進一步的探索。本文所采用的GBIS開源軟件反演為非線性反演方法，是通過假定斷層面上的滑動量和滑動角是均勻的，對斷層的幾何參數(shù)進行蒙特卡洛搜索法迭代計算，最后得到幾何參數(shù)的最優(yōu)解。而最速下降法反演屬于線性反演，通過GBIS開源軟件反演獲取的斷層長度、寬度、走向角、傾角等參數(shù)建立斷層模型，將斷層沿走向和傾向進行劃分，然后進行搜索，最后得到地震的滑動角、滑動量以及斷層面上的滑動分布，對地震類型進行判定。根據(jù)GBIS開源軟件反演得到的走向和傾向滑動量，可以對斷層類型進行判斷；同時根據(jù)最速下降法反演計算得到的滑動角和滑動分布，也可以判斷斷層的類型。因此，可以認為GBIS開源軟件和最速下降法兩種反演方法是可以相互進行補充和驗證的。

5 結(jié) 語

(1)2021年5月21日發(fā)生的云南漾濞6.4級地震，其同震形變是由一條長度為12.2 km、寬度為5.0 km、深度為7.5 km、走向角為132°、傾角為83°的斷層引起的。

斜的矩形框表示斷層在平面上的投影；圓點表示從2021年5月21日至25日的震級大于Mw 3的余震圖8 庫倫應(yīng)力變化Fig.8 Changes of Coulomb Stress

(2)發(fā)震斷層的滑動主要分布在沿走向4～28 km和沿傾向2～12 km，平均滑動角為-153.6°，平均滑動量為0.19 m，且此次地震是以右旋走滑為主。

(3)基于滑動分布結(jié)果，利用Coulomb3.3軟件計算了庫倫應(yīng)力分布變化。本次實驗中建立的斷層模型是理想狀態(tài)的矩形模型，與真實的斷層模型還有一些差距；在反演中也假定地殼介質(zhì)在不同深度是均勻分布的，但實際地殼介質(zhì)分布并不是均勻的，一般需采用全球地殼模型Crust1.0對地層介質(zhì)進行分類，從而更好地模擬地震發(fā)生時不同地層介質(zhì)對地震演化的影響。這些工作都將是下一步需要開展的工作。

“六十年激情歲月，我們共同走過；六十年創(chuàng)業(yè)詩篇，我們共同譜寫；六十年喜怒哀樂，我們共同分享；六十年我們手拉手，跨越雄關(guān)漫道！”謹以此文祝賀西安地質(zhì)調(diào)查中心組建六十周年！西安地質(zhì)調(diào)查中心與中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院同為中國地質(zhì)調(diào)查局直屬單位，在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域相互協(xié)作，共同發(fā)展。在西安地質(zhì)調(diào)查中心組建六十年之際，感謝西安地質(zhì)調(diào)查中心同行專家在工作中對本人的長期支持和幫助！