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Remote Sensing for Natural Resources >

2025 , Vol. 37 >Issue 5: 216 - 223

DOI: https://doi.org/10.6046/zrzyyg.2024314

InSAR-derived coseismic deformation field and seismogenic fault of the M6.2 Jishishan earthquake

  • XU Yufan , 1 ,
  • LI Sheng , 1 ,
  • CAO Yanbo 1 ,
  • HU Ruifeng 2
Expand
  • 1. Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650051，China
  • 2. Yunnan Geological Survey，Kunming 650051，China

Received date: 2024-05-30

  Revised date: 2025-03-10

  Online published: 2026-06-03

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Abstract

On December 18，2023，a M6.2 earthquake struck Jishishan Bonan，Dongxiang，and Salar Autonomous County，Gansu Province，China，with a maximum seismic intensity of VIII，causing severe environmental damage. This study aims to determine the basic parameters of the seismogenic fault and analyze its movement. To this end，this study，based on the two-pass differential interferometric synthetic aperture radar （D-InSAR） technique，obtained the coseismic deformation field of this earthquake using ascending and descending orbit from the Sentinel-1A satellite，as well as digital elevation model （DEM） data before and after the earthquake. Based on the dislocation theory in a homogeneous elastic half-space （the Okada dislocation model），a mapping model was established to link coseismic deformation and fault movement. The coseismic deformation field was used to fit the seismogenic fault，followed by the inversion for basic parameters of the seismogenic fault and the simulation of fault slip distribution. The results show that the maximum deformation from the ascending orbit data was about 6.65 cm，while that from the descending orbit data was about 7.12 cm. The seismogenic fault exhibited a strike of 308.14°，a dip angle of 61.57°，and a slip angle of 71.42°. Moreover，the fault presented a maximum slip of approximately 0.29 m located approximately 8 m below the surface and a moment magnitude of Mw6.17. The fault is characterized by thrust movement，with a minor left-lateral strike-slip movement. Based on the regional geological structure，the seismogenic fault is speculated to be the southern margin fault of Laji Mountain，with surface rupture caused by the earthquake.

Key words： Jishishan earthquake; coseismic deformation; interferometric synthetic aperture radar （InSAR）; seismogenic fault

Cite this article

XU Yufan , LI Sheng , CAO Yanbo , HU Ruifeng . InSAR-derived coseismic deformation field and seismogenic fault of the M6.2 Jishishan earthquake[J]. Remote Sensing for Natural Resources, 2025 , 37(5) : 216 -223 . DOI: 10.6046/zrzyyg.2024314

0 引言

2023年12月18日23时59分，甘肃省积石山保安族东乡族撒拉族自治县发生了6.2级地震，震源深度10 km，震中位于（35.7°N，102.79°E），震中地震烈度达Ⅷ度。截至2023年12月20日8时00分，该地震发生余震423次，其中3.0级及以上余震10次，地震引发了滑坡和沙涌等多种次生灾害，严重危害了当地人民的生命财产安全。
地震发生后，对发震断层的研究和探讨成为研究热点。陆诗铭等结合区域地震构造及应力、地质、震源机制、地震烈度和余震重定位等资料，综合分析认为发震断层为拉脊山北缘逆冲断裂带东支[1-3]。杨彦明等通过宽频带数字波形资料反演了此次地震的震源机制，并判断发震断层可能为积石山东缘断裂[4-5]。还有部分学者基于干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperture Radar，InSAR）测量技术获取了同震形变场，并结合地震地质资料分析了发震断层，其中方楠等认为发震断层可能为拉脊山南缘断裂或其隐伏分支断裂[6-7]，张文婷等[8]认为主控断层为拉脊山北缘断裂的南段。关于发震断层是否破裂至地表也存有争论，李雨森等[9]在InSAR技术获取的同震形变基础上，判断地震破裂可能未到达地表；张军龙等[10]基于中强地震地表破裂的识别方法，认为积石山地震产生了地表破裂。
当地震震级较大且震源比较浅的情况下，通常会导致地表形变的发生[11-13]，基于地表形变又可以进一步推测出地震的震源参数和断层的滑动特征，这是研究地震发震断层破裂和滑移机制的一个重要手段。针对同震形变场的研究，目前应用最广的方法是InSAR方法。InSAR技术起源于20世纪90年代，其通过主动雷达卫星数据，可以获取高精度的地表形变数据[14-17]。Massonnet等[14]利用2幅ERS-1 SAR影像，并联合外部数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据进行了二轨法差分干涉测量，首次获得了同震形变场。之后有不少学者使用InSAR技术观测同震形变场[18-22]。本研究将使用合成孔径雷达差分干涉测量技术（differential InSAR，DInSAR）获取2023年甘肃积石山地震的同震形变场；然后基于弹性半空间位错模型（Okada）反演震源参数和断层滑动分布，确定发震断层运动特征；最后结合区域地质构造背景探讨发震断层，可以为发震断层的研究提供参考，同时对灾后重建也有一定的现实意义。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

此次地震发生在青藏高原东北边缘，是我国地势第一级阶梯和第二级阶梯的过渡地带，属高原山地地貌，平均海拔超2 000 m。从区域构造上看，震中位于西宁—兰州断块西南部，是青藏块体向NE挤压扩展的前缘地区，构造活动较为强烈。断块内部有第四纪和晚第四纪活动断裂带发育，主要有海原断裂、日月山断裂、西秦岭北缘断裂、拉脊山断裂、庄浪河断裂和倒淌河—临夏断裂等（图1）[1]。其中，拉脊山断裂带为此次地震的发震断裂带[2,4 -5]。该断裂带形成于加里东期，经历过多期强烈的构造变动，晚新生代以来再度复活，形成再生造山带，性质以挤压逆冲为主，局部兼具左旋走滑，是一个反映多阶段构造抬升的构造窗[23]。拉脊山断裂带属于祁连山造山带的中祁连地块南缘构造带，是调节日月山右旋走滑断裂带与西秦岭北缘左旋走滑断裂带之间应力应变关系的构造转换带，其沿拉脊山两侧山前发育，整体呈NW—NNW向弧形展布，是北侧西宁—民和盆地和南侧循化—化隆盆地的重要分界线，主要由拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂2条NE向凸出的弧形分支断裂带组成[1,24 -25]。
图1 青藏高原及积石山地震区域活动构造背景图

Fig.1 Background map of active tectonic activity in the Qinghai-Xizang Plateau and Jishishan earthquake region

1.2 数据源

本研究使用的合成孔径雷达（synthetic aperture Radar，SAR）数据是Sentinel-1A卫星渐进地形扫描的干涉宽幅（IW）数据，包括震前震后的升轨和降轨数据。数据信息见表1，影像覆盖范围见图1。
表1 影像采集时间表

Tab.1 Image acquisition schedule

飞行方向 数据采集时间 时间基
线/d		 空间基
线/m
震前 震后
升轨 2023-10-27 2023-12-26 60 65
降轨 2023-12-14 2023-12-26 12 -118
为了消除地形相位的影响，本研究引入30 m空间分辨率的ALOS World DEM数据。不精确的轨道信息会进一步造成基线误差，影响图像配准和最终形变图像的生成，为了减小轨道不精确带来的误差，本研究使用了Sentinel-1卫星精确的星历轨道数据来优化轨道参数。数据源的详细情况见表2。
表2 数据情况介绍

Tab.2 Data introduction

数据类型 数据来源
SAR影像 欧洲航天局Sentinel-1A
Sentinel-1精轨数据 欧洲航天局
DEM数据 ALOS World DEM
活动断层数据 中国地震灾害防御中心地震活动断层探查数据中心

2 研究方法

2.1 DInSAR理论模型

二轨法DInSAR技术是在InSAR技术的基础上，利用雷达回波信号的相位信息，并结合DEM数据来消除干涉相位中地形干涉相位的影响，由此检测出地表的微小形变。SAR在不同的时间对同一地物发射微波信号，由于2次发射的微波信号存在相位差，因此回波信号就会产生干涉。该干涉相位ϕ包括了5个分量，分别是平地干涉相位ϕflat、地形干涉相位ϕtop、形变干涉相位ϕdef、大气干涉相位ϕatm和噪声干涉相位ϕnoi。一般假设大气干涉相位足够小，且可通过滤波去除噪声干涉相位的影响，则形变干涉相位计算公式为：
ϕdef=ϕ-ϕflat-ϕtop 。
微波传输示意图见图2。如图2（a）所示，A1和A2为2次发射微波的SAR卫星位置；B为2个卫星基线；α为基线B与水平方向的夹角；θ为卫星A1的入射角。如图2（b）所示，以卫星A1为圆心，A1至P点的连线ρ为半径画圆与参考椭球面相交于点P0，P0点的干涉相位就为P点的平地干涉相位。平地干涉相位可用式（2）表示，P点的地形干涉相位可用式（3）表示：
ϕflat=- $\frac{4\pi }{\lambda }$Bsin（θ0-α） ，
ϕtop=- $\frac{4\pi }{\lambda }\frac{Bcos（{\theta }_{0}-\alpha ）}{\rho sin{\theta }_{0}}$h ，
D= $\frac{\lambda }{4\pi }$ϕdef ，
式中：λ为微波波长；h为地物高程，可由引入的DEM数据得到；D为视线向（line of sight，LOS）形变量。式（1）中干涉相位ϕ由地震前后的SAR数据直接生成，因此形变干涉相位即可通过式（1）、式（2）和式（3）联合求解，进而可根据形变干涉相位与视线向形变量的关系（式（4））计算出LOS向形变量D。
图2 微波传输示意图

Fig.2 Schematic diagram of microwave transmission

2.2 技术流程

本研究数据处理分为生成同震形变场和断层滑动分布反演2个部分。具体技术流程见图3。
图3 技术流程图

Fig.3 Technical flowchart

二轨法DInSAR技术具体步骤包括图像配准、基线计算、干涉图生成、相干性计算、相位解缠、轨道精炼和重去平、相位转形变、地理编码等。为了降低干涉图噪声，本文使用窗口大小为128像素的Goldstein滤波器对干涉图进行滤波操作。相位解缠方法使用的是最小费用流法。
断层参数和断层滑动分布反演基于均匀弹性半空间位错模型（Okada模型），在同震形变场数据的基础上经过降采样、非线性反演和线性反演得到。Okada弹性半空间位错模型是地表形变信息与发震断层运动参数之间相互映射的一组函数关系，基于这组函数关系，能够由地表形变量解算发震断层基本参数（走向、倾角、滑动角等），同样也能够由发震断层参数模拟地表形变。其函数关系如下：
d=S（x）·G+ε ，
S（x）=[Lon，Lat，L，W，H，U，dip，strike，rake] ，
式中：d为地表形变；S（x）为断层参数；G为格林函数矩阵；ε为误差项；Lon为经度；Lat为纬度；L为断层长度；W为断层宽度；H为断层深度；U为滑动量；dip为倾角；strike为走向；rake为滑动角。
为了降低远场噪声对反演结果的影响，首先对同震形变数据进行降采样操作，降采样方法使用的是均匀降采样法；之后由非线性反演解算发震断层的基本参数；最后由线性反演模拟断层面上的精细滑动分布。线性反演是先将断层划分为若干个子滑块，然后分别计算每个子滑块的滑动，从而获取断层精细的滑动分布，以此来模拟断层的运动情况。

3 同震形变特征

积石山地震同震形变的升降轨干涉图如图4所示。由基线计算可知，在干涉图中，一个干涉条纹是一个相位变化的周期，代表约2.8 cm的形变量。升降轨干涉图结果都显示在震中附近，拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂之间，有清晰的椭圆形干涉条纹，指示地震引起了地表的形变，椭圆形变区长轴约25 km，短轴约15 km，长轴方向为NW-SE向。
图4 干涉图

Fig.4 Deformation interferogram

升降轨同震形变图如图5所示，形变结果显示震中区域有明显的LOS向隆升（靠近卫星的方向），升轨形变结果的最大形变量约为6.65 cm，降轨形变结果的最大形变量约为7.12 cm。LOS向沉降（远离卫星方向）区主要位于抬升区西南，升轨数据最大LOS向沉降量为4.35 cm，降轨最大LOS向沉降量为3.16 cm。以A-A'迹线做剖面，剖面线起于倒淌河—临夏断裂附近，自西向东穿过拉脊山南缘断裂和拉脊山北缘断裂，线长约50 km。如剖面图（图6）所示，在剖面线20~30 km区间内可见明显的LOS向隆升，最大隆升量超过了6 cm。距A点约21 km处，降轨形变量阶跃变化特征明显。
图5 形变场

Fig.5 Deformation fiel

图6 形变剖面图

Fig.6 Deformation profile

4 发震断层分析

4.1 断层参数反演结果分析

一般情况下，由于升降轨数据观测角度的不一致，当升降轨数据出现相反的LOS向形变时，则指示发震断层大概率为走滑断层[26]。从同震形变场结果看，升降轨形变场结果的LOS向隆升区和LOS向沉降区位置和范围较为一致，说明此次地震发震断层可能是逆冲断层或者正断层。加之，前人研究认为此次地震的发震断裂带为拉脊山断裂带[2,4 -5]，其性质以挤压逆冲为主，因此本研究初步判断此次地震为逆冲型地震。GCMT和USGS机构发布的震源机制球结果显示此次地震为逆冲型地震，这与本研究的推断相互吻合。
在此基础上，本研究基于Okada模型，以GCMT给出的震源机制解为初始搜索参数，得到2组震源机制解。其中，第一组震源机制解结果显示发震断层走向150.16°，断层倾角26°，断层滑动角114.43°；第二组震源机制解结果显示发震断层走向308.14°，断层倾角61.57°，断层滑动角71.42°。GCMT和USGS给出的本次地震的2组震源机制解，与本文所反演的震源参数较为相近（表3）。
表3 USGS和GCMT的震源机制解

Tab.3 Source mechanism solutions for USGS and GCMT

发生时间 数据来源 震级 震源机制解1 震源机制解2 震源球
走向/（°） 倾角/（°） 滑动角/（°） 走向/（°） 倾角/（°） 滑动角/（°）
2023-12-18
23∶59		 GCMT 6.1 164 46 122 303 52 62
USGS 5.9 156 28 93 333 28 93
根据逆断层上盘隆升下盘沉降的特点，如果第一组震源机制解符合发震断层实际情况，则发震断层是西南倾断层，断层的南盘为上盘，发震断层南侧为抬升区、北侧为沉降区；如果第二组震源机制解符合发震断层实际情况，则断层为东北倾断层，断层的北盘即为上盘，同时发震断层北侧为抬升区、南侧为沉降区。在同震形变场结果中，可以看出抬升区在北侧，沉降区在南侧，因此说明发震断层最可能为东北倾断层，即第二组震源机制解更符合发震断层情况。
为验证第二组震源机制解的合理性，本研究基于该震源机制解模拟了同震形变场，并与实际观测的同震形变场做残差分析，结果如图7所示。模拟形变与观测形变基本一致，且残差较小，说明通过Okada模型得到的第二组震源参数符合发震断层的特征，即发震断层为东北倾断层，走向308.14°，断层倾角61.57°，断层滑动角71.42°。
图7 第二组断层参数拟合结果

Fig.7 The fitting results of the second set of fault parameters

为进一步研究发震断层的滑动特征，本研究在发震断层参数的基础上进行了断层滑动分布线性反演。结果显示断层最大滑动量约0.29 m，大致位于地下8 m处，矩震级为Mw6.17级，发震断层以逆冲运动为主，兼少量左旋走滑运动（图8）。
图8 断层滑动分布结果

Fig.8 Fault slip distribution results

4.2 发震断层探讨

InSAR同震形变场是断层活动在地表的映射，在此基础上反演得到的断层参数和断层滑动分布特征可以作为发震断层研究的重要参考，但对其真实深部构造特征的探究还需结合其他地震地质资料。
据相关地质资料显示[27]，拉脊山断裂带最主要的分支断裂有拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂。拉脊山北缘断裂西段走向为EW向，东段走向为NNW向，断面总体倾向SW，倾角约50°，活动性质以挤压逆冲为主，主要活动时期为晚更新世，之后断层活动有所减弱。据野外调查和遥感解译结果，拉脊山北缘断裂西端局部有山脊断错和水系同步拐弯的现象，表明断裂带西段有左旋走滑特征[27]。拉脊山北缘断裂带东段挤压逆冲特性较强，以垂直升降运动为主，是拉脊山和积石山地区的主要活动断裂[8,24]。拉脊山南缘断裂从西到东其总体走向由近EW向逐渐转为NNW向，总体倾向NE向，断层活动以逆冲运动为主，局部有少量左旋走滑的形迹，主要活动时期为晚更新世，在全新世早期仍有活动痕迹，由多条规模不等的次级断裂组成[27]。
由图5可知，在距A点约21 km处，降轨形变量因形变过大出现了明显的阶跃变化，据此推测地震破裂至地表，张军龙等[10]也在野外调查中发现了地表破裂。结合剖面图和断裂地理位置分析，拉脊山南缘断裂大致位于剖面线22 km处，与推测的地表破裂位置十分相近。另外，拉脊山南缘断裂的倾向为东北倾，符合断层参数反演的结果，且拉脊山南缘断裂以逆冲运动为主，局部有左旋走滑特征，同样也符合断层滑动分布反演的结果，因此初步判断发震断层可能为拉脊山南缘断裂，且在地震发生时，该断裂活动引起了上盘的抬升和下盘的沉降，并导致了地表的破裂。

5 结论

甘肃省积石山保安族东乡族撒拉族自治县发生的M6.2级地震给当地造成了不可估量的伤害，引起了全世界广泛的关注。本研究基于DInSAR技术，使用Sentinel-1A的SAR数据，对本次地震的同震形变场进行了解算。为了探究本次地震的发震断层，本研究在形变场的基础上对发震断层参数和滑动特征进行了反演，并结合地质资料探讨了发震断层。
本次地震导致地表发生了明显的形变，形变区呈椭圆形，长轴长约25 km，短轴长约15 km。形变以LOS向隆升为主，升轨结果中LOS向最大形变量约为6.65 cm，降轨结果中LOS向最大形变量约为7.12 cm。
由同震形变结果反演的发震断层运动以逆冲运动为主，兼少量左旋走滑运动，断层走向308.14°，断层倾角61.57°，断层滑动角71.42°，矩震级为Mw6.17级，断层最大滑动量约0.29 m，大致位于地下8 m处。初步判断此次地震发震断层为拉脊山南缘断裂，断层活动导致了地表的破裂。具体发震断层情况还需结合更多的地质资料和实地调查进行更深入的研究。

感谢欧洲航天局提供Sentinel-1雷达卫星影像数据和精密轨道数据，感谢中国地震灾害防御中心及地震活动断层探察数据中心（https://www.activefault-datacenter.cn）提供活断层数据。

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