基于InSAR和远场地震波联合反演2008年MW6.3大柴旦地震震源破裂过程
0 引言
震源破裂过程研究工作始于1980年初,随着空间对地观测技术的发展,震源破裂过程研究的数据种类由单一数据源反演逐渐发展到多源数据的联合反演,从偏重地震波数据的反演到强调其他类观测数据在反演中的作用(周仕勇和Irikura,2005; 周仕勇和陈小非,2006;张勇等,2008,2009;张国宏等,2010;屈春燕等,2017).Wald和Heaton(1994)最早利用GPS形变数据与地震波数据联合反演Landers地震震源破裂过程并考虑相关权比的问题,成功证实联合反演的可行性与可靠性.随后国内外学者陆续展开了多源数据联合反演震源破裂过程的工作,如Yagi和Kiduchi(2000)利用远场地震波和近场强震动数据联合反演发震断层的破裂历史;还有一些学者(Delouis et al.,2002;Pritchardet al.,2003,2007;Zhanget al.,2013,2015,2016)利用InSAR、GPS、地震波数据联合反演同震或震后滑动分布.前人的研究结果验证了多源数据在震源破裂过程研究工作中的有效性,实现了各类数据之间的优势互补,即大地测量数据和地震波数据的联合反演可以提高断层滑动分布时空解的稳健性,且具有更高的时空分辨率,对于更好地认识地震的发震机理和断层的构造特征起到了促进作用.
2008年11月10日在青藏高原东北缘—柴达木盆地北缘大柴旦地区发生MW6.3地震,从震源机制来看,发震断层具有以逆冲为主兼少量走滑性质(图1).大柴旦地区地处祁连地块与柴达木—共和地块的挤压逆冲边界带,发震断裂为大柴旦—宗务隆山断裂附近,该断裂由多条次级断裂组成,是夹持在西侧NE走向阿尔金左旋走滑断裂与东侧NNW向鄂拉山右旋走滑断裂之间的构造转换过渡断裂(马玉虎等,2012).国内外学者针对该地震的研究工作主要集中在同震形变场的获取、静态滑动分布、发震断层参数获取等方面(Elliot et al.,2011;温扬茂等,2012;王乐洋等,2013),但未涉及到震源破裂随时间变化过程方面的研究.从目前研究结果来看,大柴旦地震的发震断层问题仍存在争议,一些学者(李智敏等,2010;Elliot et al.,2011;温少妍等,2016)认为该地震发生在西南倾的大柴旦—宗务隆山断裂带,而Chen等(2013)认为发震断裂为东北倾的锡铁山断裂.因此,本文利用升、降轨InSAR形变场数据与地震波数据联合反演大柴旦地震震源破裂过程,并试图利用多源数据对断层模型进行约束,从而获得随时间变化、细节更丰富的滑动破裂过程,最终结合区域构造特征分析了震源破裂过程.
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1 数据和方法
1.1 InSAR同震形变场
选取震前和震后的Envisat ASAR升、降轨影像进行差分干涉处理,得到完整覆盖震中区的InSAR同震地表位移分布.ASAR数据采用波长为5.6 cm的C波段,对形变获取的敏感度很好.SAR数据主、从影像对的垂直空间基线都小于300 m,远远小于1000多米的临界基线值.同时,时间间隔都在10个月以内.理想时、空基线的选取有效降低了时空失相关对形变场获取结果的影响.基于GAMMA平台利用外部SRTM DEM加ASAR影像对干涉测量处理算法,获得了2008年大柴旦地震的卫星升、降轨视线向同震形变场(图2).从升、降干涉图的条纹分布格局可以看出,大柴旦地震整个干涉图条纹光滑清晰,显示出3个呈椭圆形状分布的周期性条纹;断裂带南、北两盘呈不对称分布,南盘干涉条纹光滑清晰,北盘未形成明显条纹.升轨、降轨条带模式下视线向的最大形变量分别约为13 cm、10 cm.InSAR获取的一维位移信息存在视线向模糊问题,在定量解释地表形变全貌、震源参数反演等方面存在一定的局限性,而基于多视向约束下可得到较为可靠的同震形变场和震源参数等信息.
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为了认识所用数据的空间分辨率,在真实数据反演之前,首先进行分辨率测试反演.图5所示为合成数据反演结果,分析发现,InSAR的空间分辨率在近地表非常高,随着深度的增加急剧下降,对震源深度附近的滑动分辨率差,然而地震波数据在近地表和震源深度附近较好,联合反演的空间分辨率有了明显的提高,不仅在近地表和震源深度附近恢复了输入的滑动模型,在更深的深度也有一定程度的恢复.合成数据的反演结果表明多源数据的使用可以获取更多滑动分布的细节信息,其中升、降轨形变数据对浅部的滑动分布提供更好的约束,地震波数据对震源区附近的滑动分辨率较高.
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图1 大柴旦地区构造背景图 蓝色三角形为GCMT的震中位置;红色三角形为USGS的震中位置;蓝色沙滩球为GCMT震源机制解; 红色沙滩球为USGS震源机制解;黑线表示断层;红色虚线表示InSAR数据范围. Fig.1 The tectonic setting map of Da Qaidam region The blue triangle shows the epicenter from GCMT;the red triangle shows the epicenter from USGS;the blue beachball shows the focal mechanism solution from GCMT,the red beachball shows the focal mechanism solution from USGS;the black lines show the faults; the red dashed rectangles show the range of InSAR data.
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图2 InSAR升、降轨同震形变场干涉图 (a) 降轨模式; (b) 升轨模式. Fig.2 The interferograms of Da Qaidam earthquake along the Line-of-Sight (a) Shows the descending mode; (b) Shows the ascending mode.
1.2 远场地震波数据
地震波数据来源于IRIS和GEOSCOPE国际观测台网.选取震中距为30°~90°范围内的数据.综合考虑数据信噪比高和台站在震中方位的均匀分布因素后,选取了其中20个台站P波数据和13个台站的S波数据,台站分布情况如图4所示.具体处理流程:(1)对原始记录波形进行去卷积处理,获得位移随时间的变化过程;(2)将数据归一化处理,使之具有相同的倍率和一致的震中距;(3)对数据进行低通滤波处理.我们模拟地震波的低频波段信息,选取P波0.01~0.8 Hz的前35 s和SH波0.01~0.4 Hz的前68 s.
从升、降干涉条纹的分布格局(图2)可以看出,大柴旦地震的发震构造结构比较简单,因此文中采用单一断层模型进行破裂过程的联合反演.经过一系列的初步反演试算,最终确定的断层模型参数为:断层走向103°,倾角60°,断层长45 km,宽35 km;断层模型离散为沿断层走向5 km×5 km的子单元,子断层单元总数为63个.
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图3 四叉树采样后的形变量及断层模型的地表投影 (a) 采样后的降轨形变场; (b) 采样后的升轨形变场. Fig.3 Deformation from Quadtree sampling and the surface projection of fault model (a) Shows the deformation field of descending from sampling; (b) Shows the deformation field of ascending from sampling.
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图4 地震波数据台站分布图 红色三角形为P波台站,绿色三角形为P波和S波台站,蓝色三角形为S波台站. Fig.4 Stations distribution of teleseismic waves The red triangles show the stations of P wave, the green triangles show the stations of P wave and S wave, the blue triangles show the stations of S wave.
1.3 反演算法与断层模型
通过设定不同倾向的断层模型反演震源破裂过程发现,东北倾的断层模型数据拟合度较差,其中地震波拟合的归一化均方根误差为0.53,InSAR拟合的归一化均方根误差0.48,而西南倾的断层模型的拟合结果优于东北倾的断层模型,保持了较高的数据拟合度,反演结果最为可靠.综合分析认为,2008年11月10日大柴旦6.3级地震发震断层倾向为西南倾,震源性质表现为以逆冲为主,兼具微量右旋走滑分量,这与Elliot等的结果一致.从大柴旦地震断层几何特征和破裂过程综合分析认为,大柴旦地震的发震断层为西南倾向的大柴旦—宗务隆山断裂,震源性质与现有的GPS速度场和区域构造地质学研究成果基本一致.
开采地的地质结构、岩层组成以及各岩层硬度、稳定度等地质条件都会影响巷道掘进的效率。开采中的影响因素有工作面煤岩的硬度、涌水量、瓦斯涌出量、层理发育和顶底板稳定情况等地质条件等。一般来说,只有煤矿巷道顶板稳定、支护条件和层理发育良好,煤岩硬度合适才能保证煤矿巷道的有效掘进;而如果这些地质条件恶劣,则会在不同程度上影响煤矿巷道的掘进进度和质量,无法提高掘进机械设备的作业效率。
1.3.2 反演算法
联合反演本质上是在同一参数空间建立InSAR形变数据与地震波数据之间的联系.基于上述获得的断层几何模型,采用均方根最小与标量地震矩最小双重约束下模拟退火算法收敛的策略及多时间窗算法获取反演最优解,其表达式为
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(1)
FminM0=exp(M0-cal/M0-1)·CminM0,
(2)
Fcost为目标函数; FminM0、CminM0则分别为标量地震矩最小约束函数及其权重因子.而M0-cal、M0则分别为本研究反演获得的地震矩和Harvard矩张量反演的地震矩.CminM0的取值范围为0~1; CminM0越大,对M0-cal的约束就越强.
考虑到计算系统的限制和InSAR数据点位之间存在高相关性,没有必要对所有InSAR数据进行最小二乘拟合.因此,选用四叉树算法对形变场进行降采样,该算法是以视线向形变量变化梯度值为目标函数,即待采样区域内形变最大值与最小值之差的绝对值.经过反复测试,选用形变梯度0.05为阈值,也就是说当区域内形变梯度大于0.05时将该区域分割成4小块,继续搜索,直到各区域内的形变变化梯度小于0.05才停止搜索.图3为采样后用于破裂过程反演的形变场数据点.
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图5 合成数据反演测试结果(黑色三角形表示破裂起始点) Fig.5 Synthetic data inversion test results (The black triangle shows the starting point of slip rupture)
2 震源破裂过程
(1) InSAR获取的一维同震形变信息存在视线向模糊问题,在定量反演断层参数方面存在一定的局限性,而利用ENVISAT/ASAR升、降轨同震近场形变数据反演,可有效降低反演结果不唯一性.反演结果显示,大柴旦地震同震形变场以垂直隆升形变为主,形变量约10~13 cm,反应了大柴旦地震逆断层破裂的特征.采用升、降轨数据很好地约束了发震断层几何特征,最终确定的断层模型几何参数为断层走向103°,倾角60°,断层长45 km,宽35 km.
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图6 大柴旦地震震源破裂过程 等值线表示滑动破裂时间,箭头表示滑动方向, 绿色三角形表示滑动破裂起始点. Fig.6 Rupture process of Da Qaidam earthquake from joint inversion The contours show the time of slip rupture,the arrows show the direction of slip,the green triangle shows the starting point of slip rupture.
联合反演得到的矩张量为3.96×1018N·m,矩震级约MW6.37,与Harvard的4.1×1018N·m(MW6.38)、USGS的4.0×1018N·m(MW6.37)和温扬茂等的4.3×1018N·m(MW6.39)(温扬茂等,2012)均较为接近.另外,滑动分布结果显示,此次地震主要以逆冲性质为主,兼有微量的右旋走滑分量,InSAR数据拟合归一化均方根误差为0.35.
社区大学承担着社区文化建设和社区公共参与的职能,因此社区大学教师除了具备教学知识与技能外,还需要有整合社区资源的能力。通过地方特色课程认识社区所在地的知识,了解社区资源,重视地方的多元性,形成对地方的认同感,充分挖掘和调动社区当地的各类资源,发动社区的大、中、小学生成为社区大学的课程助教。能够开发具有地方特色的课程,开发适合社区学员的课程、教材,寻找多样化的授课方式,形成社区互帮互助的文化氛围[3]。
1.3.1 断层模型
3 结论与讨论
通过InSAR与地震波联合反演,既考虑了近场形变信息约束断层几何形态和滑动分布,又考虑了远场地震波信息约束破裂方向、破裂速度等,弥补单一数据源反演的不足,实现不同数据类型间的优势互补,可给出更为稳健的震源破裂过程.通过联合反演2008年大柴旦地震,获得如下新认识:
图6所示为InSAR与地震波联合反演得到的地震破裂过程.结果显示,1 s后便在破裂起始点附近形成一个滑动分布集中区,滑动量约0.2 m;其后的7 s内,破裂同时向西北和东南两个方向传播;7~10 s时,破裂主要沿东南方向传播.破裂的传播形式整体表现为沿断层倾向方向向上传播,但破裂并未到达地表,破裂持续时间较短,大约为11 s.同震滑动分布主要分布在10~20 km深度范围内,最大滑动量约为0.71 m,平均滑动角为106.5°,这与温扬茂等(2012)基于InSAR同震数据反演得到的平均滑动角(108.7°)、滑动分布深度范围(10~20 km)和最大滑动量(0.51 m)基本一致.
图7为地震波形数据拟合结果,结果显示,大部分的地震波形记录拟合效果较佳,P波的拟合效果明显优于SH波.拟合相对较差的SH波记录局限于OBN、KEV、LVZ等,但拟合得到的波形形态与观测数据一致性较好.地震波数据拟合的归一化均方根误差为0.49,考虑到反演过程中使用的断层模型和地震波传播速度模型存在一定程度的简化,残差在可以接受的范围.
(2) 利用降轨、升轨InSAR数据和远场地震波数据,联合反演大柴旦地震震源破裂过程,更好地揭示了震源破裂过程的细节特征.结果显示,大柴旦地震破裂持续时间约11 s,破裂形式整体表现为沿断层倾向从深部向地表传播,但破裂并未到达地表,同震滑动主要集中在10~20 km深度范围,最大滑动量约0.71 m,平均滑动角约106.5°,矩震级约MW6.37.
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图7 联合反演的地震波拟合结果 黑色线为观测波形,红色为模拟波形. (A) P波拟合结果; (B) S波拟合结果. Fig.7 Teleseismic waveform fitting fromjoint inversion Observed (black lines) and computed (red lines) waveforms are displayed for the P (A) and the SH waves (B).
(3) 通过大柴旦地震发震断层和破裂机制综合分析,认为2008年11月10日大柴旦6.3级地震发震断层倾向为西南倾,震源性质表现为以逆冲为主,兼具微量右旋走滑分量.从断层走向、倾向,以及现代GPS速度场初步判断发震断层为倾向西南的大柴旦—宗务隆山断裂.
汶川地震后青藏高原东北缘出现中等地震分区、丛集活动的特征,反映出应力应变能的积累—释放过程(张辉等,2013),GPS结果分析认为汶川地震后青藏高原东北缘震后短期地壳运动变化可能是由震后块体运动调整引起的(李强等,2013).以逆冲性质为主的大柴旦地震的发生可能是汶川8.0级地震在青藏高原内部区域应力持续调整的产物,也是青藏高原东北缘仍然处于NE向挤压作用下隆升活动中的继承性构造活动表现.
致谢 文中图件均使用GMT5.0(Generic Mapping Tools)绘制.感谢编辑部老师和审稿专家提出的宝贵意见和建议.
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