2023年摩洛哥Mw 6.8地震诱发的Oulad Berhil远场地面沉降异常机制：应力触发与人为活动的耦合效应

《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》：Anomalous far field ground subsidence induced by the 2023 Mw 6.8 Morocco earthquake

本研究针对2023年摩洛哥Mw 6.8地震在50公里外Oulad Berhil地区引发的异常远场沉降现象，通过InSAR时序分析、断层滑动建模和库仑应力变化(ΔCFS)计算，揭示了地震应力加载(达0.5 bar)触发浅层断层慢滑移(最大滑移量0.345 m，等效Mw 5.6事件)与重建期间地下水抽取加剧的共同作用机制，为地震多灾害风险评估提供了关键科学依据。

　　

2023年9月8日，摩洛哥高阿特拉斯山脉发生Mw 6.8地震，不仅造成近场的严重破坏，还在距震中约50公里的Oulad Berhil地区引发了异常的远场地面沉降现象，这对传统强调近场响应地震影响模型提出了挑战。这一异常变形事件背后隐藏着怎样的机制？地震如何影响远场区域的地质稳定性？这些问题对于理解地震的多灾害效应至关重要。

长期以来，地震灾害评估主要关注震中附近的直接破坏，如建筑物倒塌、基础设施损毁以及滑坡液化等次生灾害。然而，越来越多的证据表明，地震的影響能够延伸到远场区域，特别是那些原本就存在地质或人为脆弱性的地区。例如，2023年土耳其-叙利亚地震双震、2020年土耳其Mw 6.8 Elaz??地震、2017年墨西哥Mw 7.1 Puebla地震以及2015年尼泊尔Mw 7.8 Gorkha地震均显示出远场变形和应力扰动的现象。尽管如此，由于大地测量监测稀疏、机制研究有限以及地震与非地震过程的复杂相互作用，远场效应的机制仍知之甚少。这使得传统灾害评估可能系统性地低估地震的影响。

2023年摩洛哥地震为研究中强地震的远场效应提供了一个独特的机会。该地震源于非洲和欧亚板块的持续汇聚，震源深度18.5公里，以逆冲断层机制为主，兼有少量走滑分量。令人惊讶的是，震中区历史上地震活动性较低，过去一个世纪没有记录到超过Mw 6.0的地震，但此次地震却成为自1960年阿加迪尔地震以来摩洛哥破坏性最强的事件。除了近场影响，地震还在Oulad Berhil引发了显著的地表变形，沉降速率峰值达19.4厘米/年，是震前水平的3-5倍，这与该地区的地面震动和峰值地面加速度观测形成鲜明对比，表明存在受区域地质或人为条件控制的远场地震效应。

Oulad Berhil是摩洛哥Souss-Massa盆地的一个半干旱农业中心，人口约85万，依赖地下水灌溉。该区域以非承压浅层含水层为特征，通常下伏一个或多个承压子含水层，由砂砾、泥灰岩、砂岩、沙丘、粘土、钙质沉积物和砾岩等上第四纪沉积物组成。数十年的不可持续地下水开采已导致震前显著的沉降（约4厘米/年），可能使地质条件在震前已处于不稳定状态。地震加剧了这一 precondition，改变了沉降模式，并引发持续数月的异常变形，带来含水层压实、基础设施风险和水质退化等多重威胁。该地区976例地震相关 fatalities 凸显了构造应力与人为资源开采在放大灾害脆弱性方面的相互作用。

为探究这些异常变形的驱动机制，研究人员开展了综合研究，结合卫星雷达时序分析、断层滑动建模和库仑应力变化(ΔCFS)计算，旨在揭示2023年摩洛哥Mw 6.8地震引发的远场地面沉降异常的时空演变和驱动机制。研究利用C波段Sentinel-1升轨和降轨卫星雷达影像，通过差分干涉处理获取了同震地表位移场，并采用小基线子集(SBAS-InSAR)时序技术量化了震后变形动态。此外，通过整合断层滑动模型和库仑应力转移分析，探索了观测到的异常变形的潜在机制。

研究采用了多项关键技术方法：首先，利用InSAR技术获取高分辨率同震形变场，使用GAMMA软件进行两轨差分干涉处理，采用30米分辨率的Copernicus数字高程模型(DEM)，并应用Goldstein自适应滤波和最小成本流(MCF)算法进行相位解缠；其次，通过SBAS-InSAR时序分析处理了2017年至2024年的216景降轨和208景升轨影像，结合大气校正服务(GACOS)数据减少大气效应，重建了地表位移时间序列；第三，采用异常变形检测方法，通过建立线性与季节性组合模型估算背景沉降，并计算均方根异常变形(RMSAD)来量化震前震后偏差；第四，基于多峰值粒子群优化算法(MPSO)的反演软件PSOKINV，优化断层几何和滑动分布，并通过蒙特卡洛模拟和棋盘格测试评估模型可靠性和分辨率；最后，利用Coulomb 3.3软件计算库仑应力变化(ΔCFS)，分析地震对远场区域的应力加载效应。

2. InSAR位移时序分析

通过Sentinel-1卫星雷达影像的差分干涉处理，研究获取了同震地表在雷达视线(LOS)方向的位移场。结果显示，Oulad Berhil在震前已存在显著变形，速率约-4.0厘米/年，且具有明显的季节性成分。七年内最大累积沉降超过52厘米，少数局部区域出现抬升，最大抬升速率约1.0厘米/年。地震后，变形模式显著中断，大部分区域变形速率加速，RMSAD从震前的小于4.0厘米增加到震后的16.6厘米，表明地震显著改变了该地区的变形动力学。空间上，震后异常变形优先发生在农田区域，范围明显超过震前变形模式，意味着地震通过孔隙弹性应力转移、水文扰动或断层再活化等机制引发了广泛的 subsurface 条件改变。

3. 同震建模

研究收集了USGS、GFZ、GCMT等国际地震机构发布的地震源参数，基于InSAR同震形变场反演了断层滑动分布。通过四叉树下采样处理减少数据量，采用MPSO算法优化断层几何，确定最优倾角为64°，平滑因子为3。反演结果显示，地震以逆冲断层为主，兼有少量左旋分量，滑动分布显示20公里深度处最大位移达3.25米，多数滑动集中在15-25公里深度。总地震矩释放为2.89×10¹⁹ Nm (Mw 6.94)，与已有研究一致。库仑应力变化(ΔCFS)计算表明，地震在Oulad Berhil区域主要产生正ΔCFS，浅部断层面上的ΔCFS最高达0.5 bar，这为观测到的异常变形提供了力学解释。

4. 震后异常地面变形

时序分析显示，Oulad Berhil在震前已存在持续沉降(～4厘米/年)，归因于长期地下水超采。地震后，变形速率显著加快，表明区域 pre-existing 沉降体制受到重大扰动。九个监测点的时间序列表明，震前A和B点呈现抬升，震后转为沉降；C至I点震前稳定沉降，震后沉降速率显著增加(3-6倍)，且季节性模式被破坏。空间上，变形异常区与农田分布重合，而首府Taroudant虽具有类似震前沉降率却未显示显著震后变化，这可能源于其距活动构造较远且应力转移效应较弱。

5. 异常变形机制讨论

5.1. 触发的浅层断层慢滑移

研究假设异常变形由断层再活化引起。跨断层剖面分析显示，震后位移时间序列出现 abrupt transition，变形特征与埋藏逆断层理论模型相似。库仑应力分析表明，同震应力转移优先影响浅部地壳层次。通过固定断层几何参数，反演得到最优走向75°、倾角42°，滑动集中在2-7公里深度，最大滑动0.345米，总矩释放相当于Mw 5.6地震。模型拟合优度达98.3%(升轨)和99.5%(降轨)，表明无震断层滑动为观测到的变形异常提供了 robust 力学解释。

5.2. 地下水抽取

研究认为震后地下水抽取（可能与重建活动相关）也可能贡献了变形异常。短波红外(SWIR)和归一化植被指数(NDVI)分析显示，SWIR信号未受地震影响，但NDVI出现显著下降，表明植被水分胁迫，支持地下水抽取加剧的假设。通过垂直变形差分速率分析，发现两个对称区域变化最显著，与农业用地空间重合，可能是地下水抽取热点。震后一年内累积土壤体积变化达3.98×10⁶ m³，指出 substantial 地质灾害风险。

研究最终确定断层再活化和地下水抽取是主要机制，而孔隙弹性贡献可忽略。未来需建立综合监测网络以区分竞争性机制。

6. 结论

2023年摩洛哥Mw 6.8地震在Oulad Berhil地区诱发了显著的远场震后变形，加速了该区域 pre-existing 沉降趋势。InSAR时序分析显示平均RMSAD从0.63厘米增加到1.89厘米。这种增强变形可能源于机制组合：(i)应力转移加载下伏断层(ΔCFS达0.5 bar)，触发2-7公里深度的慢滑移(模拟滑动～0.345 m，等效Mw 5.6事件)；(ii)人为地下水抽取，可能在重建期间加剧。两种过程均与观测一致，且代表重要、可能相互作用的影響。这些发现强调中强地震能够产生 substantial 远场变形异常，尤其在脆弱区域。对于Oulad Berhil，加速沉降威胁基础设施、水资源和农业，需要整合断层活动和地下水管理的监测。方法论上，研究凸显了结合InSAR时序分析与应力建模以调查地震和人为变形驱动因素的价值。结果强调需要将远场地震影响纳入城市规划和灾害韧性策略，特别是在自然和人为灾害相交的区域。未来研究应聚焦于应力敏感断层和含水层系统的实时监测，以更好预测和缓解震后变形风险。