Wang H，Wright T J，Biggs J

学术论文

用InSAR数据得到的鲜水河断裂西北段地震间滑动速率＊

Wang H，Wright T J，Biggs J

鲜水河断裂是青藏高原东部边缘附近的高活动性走滑断层系统。我们使用多干涉图方法由ERS-1／2和欧洲环境卫星所获得的十年SAR数据来构建由于鲜水河西北段地震间应变积累而产生的视距形变速率图。该速率图显示了与断层有关的清晰的形变梯度，但是从地表断层迹线看稍向东偏移。通过使用蒙特-卡洛方法对InSAR速率图和GPS数据的共同反演，当锁定深度为3～6km时，以90%置信水平估算出滑动速率为9～12mm／a。此滑动速率与全新世断层滑动速率及历史地震相吻合。我们的结果也揭示不存在显著的跨断层拉伸。将来，上升和下降轨道得出的InSAR数据可能会进一步约束此断层的3D断层滑动速率。

引言

位于西藏东部、约350km长、左旋滑动的鲜水河断层是印度-亚洲碰撞带上的主要大陆内断层系统（图1），自公元1700年以来，在该断层上发生过的M＞6.5地震超过20次。理解它现在的滑动速率将会更好地约束地球动力学模型，并有助于评估其潜在的地震危险性。

Allen等（1991）使用野外地质资料估算出全新世左旋滑动速率从西北（NW）端的15 ±5mm／a减少到东南（SE）的5mm／a。徐等（2003）重新估算了一些位点，提出西北和东南的滑动速率分别为14±2m／a和9.6± 1.7mm／a。Wang等（1998）估算出在2～4 Ma内位移约60km，显示平均长期滑动速率为15～30mm／a。近期GPS数据显示沿整个断层长度的滑动速率为～10mm／a。

在一些研究中，干涉合成孔径雷达（In-SAR）已被用来测量青藏高原西部或北部地震间形变。然而，在东部边缘浓密的植被覆盖造成了抗相关问题，使常规的InSAR叠加方法面临挑战。Biggs等（2007）提出了一种多干涉图方法，用于InSAR地震间形变分析。此方法的主要优点是：①通过使用一种对逐个初相进行网络调节的方法，可以更有效地校正轨道误差；②使用逐个像素叠加策略，相干点数量会大大增加。Elliott等（2008）还通过校正与地形相关的大气延迟误差的干涉图改进了这一方法。在本研究中，我们使用这一方法来确定鲜水河断层西北部的地震间滑动。

1 InSAR数据分析

我们使用从ERS-1／2和欧洲环境卫星得出的23幅雷达图像，它们是在1996至2008年间从下降轨迹376上获得的（图1）。使用JPL／Caltech ROI＿PAC软件得出干涉图（Rosen等，2004）。使用往返雷达地形学任务3-弧秒DEM（Farr和Kobrick，2000）来去掉地形学相位。干涉图相干性是高度易变的，并有点不可预测。总体来说，但不是一直如此，我们发现垂直基线小于100m的干涉图，以及那些据同一季节中获得的图像形成的干涉图是相干性最高的。依照Jónsson（2008），通过多视处理进一步提高了相干性，扫视区间通常达到16个，但是偶尔达到32或64个。一些干涉图不得不通过设置孤立相干斑点间的连接来手工展开。我们检验这些连接，并使用相位封闭技术更正相位展开误差。成功地展开总共33幅干涉图（18幅来自ERS，15幅来自欧洲环境卫星）；其中19幅给出最佳相干性的图被选出（辅助材料①辅助材料可从网页HTML上获得，doi：10.1029／2008GL036560。的图S1），并用于360m间距的二次抽样。干涉图覆盖了～25年的累积时间区间。

图1 鲜水河西北地区地形和构造图（插图为青藏高原）。粗黑线为鲜水河断裂，细线为其他活动的或不活动的断层。黑色矩形为雷达数据范围。矩形上面的两个箭头分别代表雷达视线（LOS）和方位角（AZ）。彩色箭头是相对华南板块的GPS速度（Shen等，2005），绿色箭头会在图2中使用。小空心方块代表1700年以来的历史地震（M＞6.5）。请在《国际地震动态》网站或中国知网上查询该图的彩色版，图2、图3同

多干涉图方法使用了一种四步交互算法：轨道误差的更正，大气延迟误差的更正，滑动速率图的构建，以及断层滑动速率的估计。此研究中最适轨道误差的斜率均值为0且标准差为0.31（东）和0.11（北）mm／km，证实它是具有这些参数的粗略正态分布。使用指数衰减构成协方差函数，据此函数对大气噪音建模，产生的平均电子折叠波长为10km，方差为20mm2。波长非常符合大气噪音此前的估计值，但方差小于阿拉斯加的方差，这是平均高程～4km情况下的期望值。使用进一步网格校正来评估和消除地形学相关的大气延迟误差，作为一阶近似，假设延迟随高度线性变化。系数的估计值产生的平均值为0，标准差为6mm／km，比从Altyn Tagh断层获得的值小。使用带有全时间协方差矩阵的迭代最小二乘算法来估计每个像素的速度，由此作滑动速率图。在此算法中，带有最大残差的数据点被迭代除去，直到最大残差小于估计大气噪音的n（例如3）倍。特别是，此算法有效地除去了由于相位展开误差造成的异常值，这样就得到更平滑的滑动速率图。在低分辨率条件下（～3.6km）使用此滑动速率图及它的全空间协方差矩阵，我们也使用旋扭位错模型（Savage和Burford，1973），以及平面轨道参数和线性大气校正以覆盖前两步的残差，由此求出最终滑动速率。图2显示除去最终轨道校正及大气校正的LOS速率图和剖面BB′。GPS数据也被投影到当地InSAR LOS方向，且多数与InSAR观察值一致，显示出跨越断层的20～30km宽地带的相位变化。东部应变带比西部应变带宽（图S2），揭示那里存在更深的锁定深度。

图2 （a）除去轨道和大气延迟误差后的19幅干涉图叠加得出的LOS速率图。彩色圆圈显示投射到当地LOS方向的GPS速度。GPS值还按所有GPS速度的平均值进行了转换，以匹配In-SAR率图。正值显示离开卫星的运动。4 km的锁定深度被用于产生率图的迭代过程。（b）沿纵剖面BB′（图2a）的LOS InSAR（绿色），GPS（红色）和模型（蓝色）速度，以及地形（灰色）。使用沿剖面1 km宽度范围内所有像素的速率和它们的协方差矩阵来计算每一InSAR数据点的LOS速度。横线表示点测量的2σ误差。在产生剖面前，模型结果和GPS数据都投射到当地InSAR LOS中

2 滑动速率反演

为了探究滑动速率和锁定深度的不确定性以及它们间的协方差，我们使用了大气延迟误差的蒙特-卡洛模拟，这些大气延迟误差是使用从真实数据中获得的统计量进行人工合成的，其中包括空间协方差。我们使用一种旋扭位错模型以GPS和InSAR数据来估计滑动速率及锁定深度。我们发现，据蒙特-卡洛分析得出的估计值并不依赖构建初始滑动速率图中所使用的锁定深度。参数不确定性是非正态分布的（图3c和图3d），所以我们使用置信限来描述它们。图3a显示，仅有14个GPS台站（除去H042）的水平速度不足以确定锁定深度，锁定深度的范围是0到50km（我们的上限）。但是对于同一锁定深度，GPS数据得出的滑动速率比In-SAR数据得出的滑动速率略小。在90%置信水平，InSAR数据得出的估计值是10～16mm／a，锁定深度是4～10km。此差异可能因为接近断层的GPS台站稀少，或者因为InSAR只测量了位错场的单一分量。我们将通过直接使用上升和下降InSAR数据来确定水平和垂直运动，以此验证这一点，但是当前能获得的都是不充分的上升阶段图像。GPS和InSAR数据的联合反演显示出锁定深度和滑动速率的更佳估算。在90%置信水平，滑动速率估计值是9～12mm／a，锁定深度估计值是3～6km，最佳拟合值是11mm／a和4km。像别处发现的那样，在滑动速率和锁定深度间存在强的相互折衷，但对于联合反演，这种相互折衷显著减小。

图3 使用蒙特-卡洛方法，据1 000个数据集合得到的地震间形变模型的断层参数。（a）使用GPS（绿色），InSAR（蓝色）和联合数据（红色）得出旋扭位错模型，圆圈代表此模型的最适滑动速率和锁定深度。（b）用于联合反演的滑动速率和锁定深度的频度等值线。通过数出规则网格（1 km×1 mm）上解的个数计算频度。这些经平滑后用彩图显示。红色等值线揭示频度为2%，这近似包括所有解中的90%。（c和d）据蒙特-卡洛模拟得出的滑动速率和锁定深度的频度。东北断层偏移分别取0和4 km，两种情况下分别据位错模型得出蓝色和灰色柱状图。（e和f）取锁定深度为4 km，不对称位错模型，跨断层刚度对比和断层偏移的频度

使用地块状模型，两个最近的研究揭示，在鲜水河断层上存在大延伸率给出的值是～8mm／a，Meade（2007）给出的值是15mm／a），但是对于此断层，两个模型都有大残差。我们使用联合GPS和InSAR的数据，使用掩埋拉伸位错来估算延伸率以及走滑速率及锁定深度。我们的结果给出的延伸率是-0.5±0.6mm／a，说明不存在显著正断层运动（图S3），这与单独用GPS数据所做的研究是一致的。我们假设在随后的分析中不存在延伸。

3 讨论

最近的研究报道了根据对Altyn Tagh和圣安德烈断层所做的InSAR测量得到的不对称地震间形变。他们引用了剪切模量的跨断层对比（刚度对比，K＝μ2／（μ1＋μ2）），和／或表面断层痕迹与深部剪切带或位错间的水平（断层偏移，Δ）。我们把K和Δ纳入2D旋扭位错模型以描述不对称表面速度，并使用蒙特-卡洛方法（同上）以发现最适参数。这两个参数间存在强相互折衷。如果据绘图迹（图3e）固定断层位置，那就可以得到最佳因子K＝0.6，说明西南侧主岩硬度（μ2）大约是东北侧主岩硬度（μ1）的1.5倍。另一种做法是，通过向东北移动深断层～1km（图3f），观察值可以同样很好地拟合。这意味着，如果假定地图上已定位的断层迹线正确的话，那么该断层面呈北～75°倾斜。我们还发现断层向北偏移给出的锁定深度和滑动速率更大。如果断层偏移为4km，对应的锁定深度和滑动速率分别为8km和12mm／a（图3c和3d）。只有使用未来地震中的同震位错或断层的微震活动性研究，才可能鉴别这些模型。

据地震或测地学数据不可得出鲜水河断层锁定深度的独立估计值，因为1981年以后没有发生过大地震，而此前的研究经常通过固定深度来分析地震数据。Jackson等（2008）的更新地震目录表明，根据对于西藏的走滑地震，由体波建模得到的矩心深度为6～12km。1997年Manyi地震和2001年可可西里地震的测地学建模揭示，锁定深度大约为10km。现在几乎没有西藏地震间形变的锁定深度的可靠估计值。此研究的联合反演提出了比地震观察值浅的锁定深度。这可能反映了地震间时段和同震时段间的行为差异，或者反映了围绕鲜水河断层的当地地质情况。

我们的结果与全新世滑动速率的下限是一致的。公元1700年以后，在45km长的道孚段发生过3次大地震（1792 M64，1904 M7，和1981 M6.9），并有两次地震发生在90km长的炉霍段（1816 M7.5和1973 M7.6）（图1）。现已提出，这些段上的地震复发间隔为～75和150年。假设地表位移与破裂深度之间遵从标准的地震的标度关系，那发生在1981年和1973年的地震的滑动就分别为～1m和～2m。我们得出的滑动速率为9～12mm／a，由此推出在道孚和炉霍片段上的地震复发间隔应该为83～110年和166～220年，这与历史地震数据是一致的。对于1981年道孚地震，经验滑动值为1m，正符合地震学结果。对于1973年炉霍地震，Zhou等得到固定深度为15km的平均滑动为4m，但是2m的经验值与我们的滑动速率更加一致。在我们的断层线的东南端，62km长的乾宁段上发生过两次地震，一次发生在1793年（M6.7），另一次发生在1893年（M7.3）。假设此段上的滑动速率也是9～12mm／a，表明地震的复发间隔为117～155年。所以此段上的发震概率非常高，且因为2008年四川地震而增加。

致谢

皇家学会通过皇家学会大学研究奖金对TJW的支持，以及国际收入奖金对HW的支持支持了此工作。HW也受到广东自然科学奖金（080094）支持。在Catl-3392和AOE-621项目下提供的ERS和欧洲环境卫星SAR数据版权属于ESA。使用GMT软件作出所有的图。我们感谢Barry Parsons，Alex Copley和Carolina Pagli，因为他们提供了有意义的讨论，也感谢Fabio Florindo，Roland Bürgmann以及两位未俱名评审者，因为他们的评论改进了原稿。

（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。

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

（周平博 译）

（译者电子信箱，周平博：cmendal＠163.com）