《Geodesy and Geodynamics》：Coseismic deformation and hierarchical rupture processes of the 2024 Wushi earthquake revealed by Sentinel-1 InSAR and gradient techniques
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2024年1月23日，中国新疆乌什县发生MW7.0地震，震中位于天山造山带与塔里木盆地交界附近。为解析震源几何参数与地表破裂特征，研究人员利用升降轨Sentinel-1（S1）数据开展了差分合成孔径雷达干涉测量（Differential
2024年1月23日，中国新疆乌什县发生MW7.0地震，震中位于天山造山带与塔里木盆地交界附近。为解析震源几何参数与地表破裂特征，研究人员利用升降轨Sentinel-1（S1）数据开展了差分合成孔径雷达干涉测量（Differential Interferometric SAR, DInSAR）分析。同震形变场反演结果表明，破裂发生于一条向西北倾斜的逆冲断层，走向225.6°，倾角67.3°。为增强浅表破裂的探测能力，研究人员采用了相位梯度堆叠（phase gradient stacking）技术，成功识别出包括若干近场非主断层特征在内的弥散性地表破裂，这些破裂在传统解缠干涉图中无法识别。这些线性异常具有变化的走向和丛集模式，暗示近地表复杂的应变分配特征。此外，基于反演滑动分布的库仑应力（Coulomb stress）模拟表明，沿迈丹—沙依拉木断层（Maidan–Shayilamu Fault）东北段存在超过+5 MPa的应力加载，暗示震后灾害风险增加，而西南侧则出现应力影区（stress shadow）。该研究展示了将InSAR变形分析、相位梯度增强与应力传递模拟相结合，在表征斜冲断层破裂及近场地面响应方面的有效性。研究结果为走滑挤压构造环境下的破裂行为提供了新的约束，并有助于南天山陆内活动造山带的地震灾害评估。
《Geodesy and Geodynamics》发表的该研究聚焦于2024年新疆乌什M
W7.0地震的同震变形特征与分级破裂机制，研究背景源于南天山地区作为中国西部地震活动性最强、构造最复杂的区域之一，其变形机制与灾害风险评估长期受到地学界的关注。该区域不同于中国东部相对简单的板块边界系统，而是由盆地边缘低角度逆冲断层与造山带内部高角度逆冲及走滑断层共同构成耦合的地壳变形系统，承担着显著的陆内缩短与地壳增厚。已有的地震观测与遥感技术研究表明，该区域不仅存在长期的应力积累，还具备突然释放高震级破坏性地震的潜能。乌什地区正处于这一地震构造转换带的核心位置，自1900年以来，200 km范围内已记录17次M
W6以上地震，而2024年乌什地震是近年来天山地震带破坏性最强的地震事件之一，初步判定发震断层为第四纪以来持续活动的迈丹—沙依拉木逆冲断层。然而，尽管多个国际机构发布了该事件的震源机制解，关于断层面产状、破裂深度及倾角等参数仍存在显著分歧，传统基于稀疏地面约束的点源反演方法存在明显不确定性。与此同时，传统地震监测技术如地基全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）观测、震源机制解及野外调查虽在震后信息获取中发挥重要作用，但其空间覆盖有限且数据获取滞后，难以捕捉震中区的精细变形特征。相对而言，合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）凭借高空间分辨率、广域覆盖和快速重访能力，已成为同震及震后变形监测的重要遥感工具。然而，常规差分合成孔径雷达干涉测量主要捕获大尺度地表变形，对于小尺度地表破裂或近断层位移梯度往往力有不逮，尤其在山区因相位失相干和 steep incidence angle 限制相干性的情况下。为此，本研究整合升降轨Sentinel-1A数据，通过自适应滤波与相位解缠技术抑制大气相位伪影，基于Okada弹性半空间位错模型在贝叶斯框架下联合反演断层几何与滑动分布，并首次将相位梯度堆叠技术应用于南天山逆冲型地震事件，以解析传统解缠干涉图中无法识别的精细地表破裂及微弱滑动特征，最终通过库仑破裂应力变化（ΔCFS）计算分析主震对周边断层的应力扰动，探讨迈丹—沙依拉木断层与邻接构造的潜在触发关系。
在技术方法层面，研究人员采用的主要关键技术包括：第一，基于欧洲空间局（European Space Agency, ESA）Sentinel-1A卫星升降轨干涉宽（Interferometric Wide, IW）模式合成孔径雷达影像的双轨DInSAR处理，涉及影像配准、干涉图生成、平地处理、自适应滤波、最小费用流（Minimum Cost Flow, MCF）算法相位解缠、轨道精化及Range-Doppler地形校正；第二，相位梯度堆叠技术，从多景复数干涉图中提取实部与虚部，计算空间相位梯度并进行堆叠增强，配合高通滤波与阈值提取识别线性破裂特征；第三，基于Okada弹性半空间位错模型的断层参数非线性反演，采用莱文贝格—马夸尔特（Levenberg–Marquardt, LM）最小二乘优化算法获取最优几何参数，并通过蒙特卡洛采样估计参数后验变异性；第四，分布式滑动模型线性反演，采用最速下降法（Steepest Descent Method, SDM）在拉普拉斯平滑约束下求解子断层滑动分布，通过L-曲线确定最优平滑因子；第五，基于反演滑动分布的库仑应力变化建模，有效摩擦系数取0.4，并开展敏感性测试验证结果稳健性。
研究结果部分，关于同震变形场分析，通过融合升降轨双轨DInSAR数据获取了2024年乌什M
W7.0地震的同震形变场。干涉对在整个变形区表现出高相干性，反映出干旱、稀疏植被区的有利成像条件。形变模式呈不对称近椭圆结构，以震中为中心，被一条北东—南西向形变梯度分为两个不同块体，与推断的迈丹—沙依拉木断层地表迹线一致。降轨结果揭示东盘最大视线向（Line-of-Sight, LOS）位移约+51 cm、西盘约?14 cm；升轨数据显示变形区约72 km×37 km，东、西盘峰值LOS位移分别为+80 cm和?8 cm。两轨变形场的一致不对称模式，结合西盘在升轨中向雷达运动而降轨中远离雷达、东盘反之的几何特征，表明破裂以右旋走滑为主、兼具垂向抬升分量。两轨均显示断层迹线处无锐利相位不连续，暗示破裂发生于深部、地表破裂有限，与逆冲型地震常见的盲破裂特征一致。综合判断，乌什地震破裂了一条隐伏的、向西北倾斜的斜滑断层，以走滑为主、逆冲为辅，调节塔里木盆地北缘的走滑挤压缩短。
关于相位梯度制图与高频地表破裂特征，研究人员利用Xu等人（2020）提出的相位梯度堆叠方法构建了相位梯度图。该方法通过增强局部位移的高频同震变形信号，有效压制了标准干涉图中长波趋势与噪声的掩盖效应。结果显示，相位梯度图清晰揭示出震中区附近北东东向延伸的一系列线性高梯度异常，与主震反演的滑动分布空间高度吻合。特别在78.3°E至78.5°E震中附近，经堆叠滤波后可见宽约1–2 km的连续梯度带，虽在原始梯度场中仅微弱显现，但该 elongated structure 具有锐利边界和突变梯度过渡特征，暗示主震期间由断层面传播至地表的发震构造伴生地表变形。与原始干涉相位影像相比，经高通滤波和梯度堆叠增强的相位梯度图空间分辨率和边缘清晰度显著提升，有效抑制了背景低频趋势同时放大了毫米级地表扰动信号。高梯度纹理与数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）中突变地形转换之间存在强空间相关性，尤其北部山前断层带中识别的若干破裂迹线与山麓、谷地边缘地貌薄弱点对齐，进一步佐证其构造孤寂属性。与同一数据对的解缠干涉图对比，常规DInSAR结果虽揭示了大尺度变形场，但未能清晰刻画相位梯度堆叠方法检测到的窄高梯度带和小尺度不连续，特别是若干近场破裂迹线在堆叠、滤波和阈值处理后变得更加可识别，而在原始干涉图中仍属微弱。通过独立子集干涉图堆叠的内部一致性检验、与LOS形变场中断点或曲率变化的空间对应性分析，以及梯度衍生破裂走向与分布式滑动反演中断层分段边界的一致性验证，确认了堆叠梯度特征的可重复性和物理意义。
关于均匀滑动模型反演，为反演同震滑动分布，首先基于均匀滑动模型界定发震断层的函数形式，采用非线性映射建立观测地表变形与未知模型参数之间的物理—数学关系。以Okada弹性半空间位错模型为理论基础，将断层简化为嵌入均匀各向同性弹性介质中的矩形位错，建立断层参数与地表位移之间的非线性函数关系。基于多机构震源机制解约束，应用LM最小二乘优化算法估计最优断层参数，结果表明发震断层长约35.23 km、宽约11.21 km、深约11 km，走向225.58°、倾角67.30°、滑动角58.29°、最大滑动量约2.5 m，最优走向和倾角分别为225.6°±3.4°和67.3°±4.1°，与向西北倾斜的高角度逆冲断层、兼具少量左旋走滑分量的特征一致。
关于分布式滑动模型，在获取均匀滑动模型断层几何后，进一步开展分布式滑动模型框架下的线性反演以刻画断层面上滑动幅度的空间变化。将断层面沿预定义分段规则离散为多个子断层，采用SDM最小二乘优化结合拉普拉斯平滑约束求解各子断层滑动量。计算断层平面设定为走向78 km、倾向27 km，大于非线性均匀滑动反演的最优几何，以充分覆盖可能的滑动区、捕获深浅部滑动并避免边界截断效应。通过评估模型粗糙度与数据拟合残差的L-曲线权衡，确定最优平滑权重α=0.07。反演结果显示发震断层以逆冲机制为主导、伴中等左旋走滑分量，滑动角约58°，指示北西—南东挤压体制下的斜向断层作用。同震滑动主要集中在走向17–61 km、倾向5–25 km范围，最大滑动量2.73 m位于约13 km深度、走向39 km处。估计地震矩约3.19×10
19 N·m，对应矩震级M
W7.0，与美国地质调查局（U.S. Geological Survey, USGS）等独立研究结果一致。
讨论部分，该研究较前期关于2024年乌什地震的研究提供了三方面新认识：第一，首次将多轨InSAR与相位梯度堆叠技术应用于南天山高角度逆冲事件，检测到此前未被识别的近场破裂段；第二，精细破裂图揭示了浅表破裂与深部滑动极值区之间联系的层级变形模式，提供了前期仅反演研究未能捕获的多尺度视角；第三，库仑应力建模基于精细化分布式滑动模型，量化了迈丹—沙依拉木断层沿线的非对称应力重分布，增进了对潜在震后灾害的理解。
关于库仑应力变化，研究人员利用InSAR反演的均匀滑动断层模型计算了周边断层的库仑破裂函数（CFF）变化。CFF变化代表地震后地壳内的应力重分布，是邻近断层触发潜能的关键指标。正CFF值指示应力增加、可能促进未来断层滑动或地震发生，负CFF值对应应力松弛、建议区域相对稳定。计算假设接收断层与建模发震结构具有相同走向、倾角和滑动角，有效摩擦系数μ′=0.4。敏感性测试表明，μ′在0.2至0.6范围变化时，绝对ΔCFF值虽有±20%变化，但整体空间格局稳定。CFF空间分布显示震源区及其北东沿迈丹—沙依拉木断层北东东走向存在显著应力增加，正ΔCFF值超过+5 MPa的宽广区域主要集中在破裂面中部和北东段，沿走向和倾向扩展形成带状格局，影响迈丹—沙依拉木断层中部和北东段，暗示该断层再破裂可能性升高，与震后地震ity迁移一致。相反，西南段和断层下盘存在显著负CFS异常（最低达?6 MPa），表明这些区域应力在主震期间基本释放。这种非对称应力重分布与断层陡倾（约67°）和斜向逆冲滑动运动学一致，反映了构造汇聚区应力各向异性。CFF分布与迈丹—沙依拉木断层已知几何高度吻合，强化其作为乌什地震发震构造的认定。震后地震ity空间分布与ΔCFF模式强烈相关，余震集中在正ΔCFF区，负ΔCFF区对应地震ity空白，进一步支持主震应力非对称重分布的解释。迈丹—沙依拉木断层作为南天山造山带主要盆山边界断层，承担持续的南北向挤压，表现为逆冲兼少量左旋走滑的运动学特征，与GCMT和USGS公布的震源机制解一致。CFF图揭示的应力变化方向模式反映了区域构造应力场各向异性，凸显了塔里木盆地与天山地体之间斜向汇聚区的应力传递机制。
关于基于相位梯度堆叠的断层破裂识别，传统DInSAR方法虽能有效捕获大尺度变形，但因高噪声或失相干区灵敏度有限，常遗漏小尺度破裂或分布式近场裂缝。相比之下，相位梯度堆叠的应用突出了微弱不连续，这些不连续可能反映近地表破裂，其增强高频应变信号的能力避免了相位解缠误差放大。这些特征在单幅干涉图中不可见，经梯度堆叠和高频增强后显现。基于非变形区域背景值95%分位数定义的梯度幅度阈值提取地表破裂，结果表明除主断层（迈丹—沙依拉木断层）连续线性破裂外，断层两侧若干次级构造带也出现大量线性裂缝，呈西北、近东西等多方向展布，部分偏离区域构造边界走向，可能与浅表破裂、近场地震活动或局部震后应力调整相关。北部活动断层带（约41.2°N附近）及南坡地形与盆地边缘交界处的裂缝呈独特的"丛集—间隙—重复"空间模式，表明地表破裂不限于主断层迹线，还可能受区域应力场重分布影响而产生空间丛集。部分破裂呈弯曲或L型几何，指示地震诱发的地表变形响应具有复杂性。与DInSAR结果的对比分析揭示地表破裂分布的典型不对称性：上盘（西北侧）裂隙更多且走向一致，下盘（东南侧）则更分散杂乱，可能反映断层几何差异。局部Y型、L型或交汇梯度异常可能指示破裂传播受地形坡度、断层分段和地下结构边界等多重因素综合影响，其中Y型和L型异常分别指分支和阶梯状破裂几何，是分段连接或局部应力旋转的标志。这些结果确认相位梯度堆叠技术不仅是辅助可视化工具，更是高噪声或失相干区增强InSAR数据可解释性的有效方法，通过检测常规DInSAR不可见的地表破裂，展示了揭示此前未识别破裂段和近场损伤区的能力，对改进地震灾害评估至关重要，尤其需要快速、广域、高分辨率同震地表效应映射的区域。该技术在2024年乌什地震中的成功应用代表着方法学进步，巩固了其作为复杂构造环境中传统InSAR补充方法的价值。目前该地震尚无野外调查或高分辨率事后光学影像，近场破裂迹线的识别依赖内部InSAR验证，包括独立生成堆叠中梯度异常的可重复性、及其与LOS变形不连续和滑动分段模式的空间对应性。
关于发震断层几何运动学及其构造意义，为评估基于Okada半空间反演的稳健性，研究人员将导出的震源参数与采用不同假设的已发表模型进行了定性比较，包括远震波形反演和区域研究的层状地壳反演。这些独立解在走向（222°–241° vs. 本研究225.6°）和倾角（56°–67° vs. 本研究67.3°）方面与本研究在报道不确定性范围内基本一致，均指示向西北倾斜的高角度逆冲断层机制，表明尽管采用均匀半空间假设，反演结果仍稳健。但空间变化的 crustal rigidity 可能引入系统性偏差，尤其在滑动幅度和应力变化估计方面，有待未来采用层状或有限元模型进一步量化。从区域构造角度，南天山位于印度—欧亚板块长期碰撞带北缘，是中亚造山带（Central Asian Orogenic Belt, CAOB）的组成部分，具有复杂构造历史和近东西向盆山边界断层系，如柯坪—库车断层和迈丹—沙依拉木断层，主要受北北西—南南东挤压应力场控制。迈丹—沙依拉木断层是南天山迈丹—沙依拉木—柯坪断层系中最活动的构造之一，通过震源机制和InSAR滑动建模揭示其兼具逆冲和左旋走滑运动学。同震滑动集中在5–15 km深度，表明破裂主要发生在上中地壳，这是陆内碰撞环境下弹性应变积累最大的区域。滑动分布与地质填图迹线的强相关性强化了该构造作为2024年乌什地震发震断层的角色。历史上，天山的地壳缩短主要归因于其南缘低角度逆冲如柯坪推覆体系，但本研究发现高地壳内角度的迈丹—沙依拉木等内部造山断层也能发生显著破裂，充当应力释放的重要通道，可能在调节区域变形中发挥比以往认为的更积极的作用。相位梯度堆叠图像揭示的地表破裂分布与区域已知活动断层密切对应，部分裂缝与主断层走向一致并呈带状分布，甚至跨越DEM中急剧高程变化区域，表明在强震加载下主断层破裂不仅驱动了深部滑动还触发了浅表层构造的同震响应，反映了断层系统内多尺度层级耦合。相位梯度增强识别的裂缝与InSAR变形中主滑动带边界的空间对应性进一步支持了破裂范围的构造解释。库仑应力分析、InSAR滑动反演和相位梯度制图的整合凸显了多学科断层系统评估的必要性，尤其在复杂构造应力场区域。除整体几何运动学特征外，补充证据表明破裂并非以单尺度过程发生。深部滑动集中区与近地表裂缝之间的空间相关性指示层级破裂结构，其中深部极值区驱动局部应变积累，在相位梯度图中表现为高梯度异常。梯度衍生破裂的走向与主要滑动块体边界对齐，为破裂分段提供了独立约束，支持层级滑动结构的存在。此外，远离主断层迹线的次级弥散型破裂表明涉及主系统和次级构造的多尺度破裂过程，与斜冲系统中深部滑动非均质性与浅表弥散变形的破裂传播耦合一致。
关于研究局限性与展望，该研究采用Okada弹性半空间模型进行断层几何和滑动反演，因其稳定性和计算效率，但均匀弹性介质假设可能在南天山异质地壳结构中引入滑动幅度估计和库仑应力变化的偏差。未来改进可纳入层状或有限元弹性模型，以及蒙特卡洛或贝叶斯框架，以更好量化参数不确定性并评估应力传递结果的稳健性。此外，本研究记录的层级破裂特征与其他大型陆内逆冲地震（如2015年尼泊尔、2021年玛多地震）的观测一致，强化了深部滑动极值区和弥散型浅表破裂经常在走滑挤压或力学分段的地壳环境中相互作用的认识。
结论部分翻译如下：
"基于升降轨Sentinel-1 InSAR数据，本研究系统分析了2024年M
W7.0乌什地震的同震变形场、断层滑动分布、库仑应力变化和地表裂缝发育模式。主要发现总结如下：（1）发震断层几何与滑动特征：升降轨DInSAR数据联合反演揭示，乌什地震发震断层走向225.6°、向西北倾斜67.3°、滑动角58.3°，为兼具少量左旋走滑的陡倾逆冲断层，与USGS和GCMT震源机制解高度一致，验证了Okada弹性位错模型在该区域的适用性。（2）同震变形空间分布：InSAR观测表明断层两侧雷达视线向（LOS）非对称变形超过80 cm，最大位移集中于断层中部10–15 km深度，反映了中上地壳能量释放特征，为破裂深度提供了定量约束。（3）库仑应力变化：基于反演滑动模型的库仑破裂函数（CFF）结果显示，断层中部和北东段集中显著正应力变化（高达+6 MPa），暗示该区域未来再破裂可能性增加；而西南段和下盘负CFF值指示应力影区。这些发现与推断的断层几何和运动学一致，有助于识别未来地震活动潜在区域。（4）相位梯度堆叠检测微破裂：首次将相位梯度堆叠应用于乌什地震，生成毫米至厘米级高分辨率地表梯度图，有效捕捉主断层两侧及多个次级构造内的细微地表破裂，揭示其多方向和多尺度分布模式。与传统解缠干涉图相比，该方法在检测小尺度破裂方面具有更优能力，且提取的裂缝与区域活动断层迹线对应良好，突显了标准震源机制解未能识别的若干次级破裂区，彰显了该技术在地震诱发地表效应制图中的实用价值。建议未来与光学遥感和震后野外调查结合，建立更全面的灾害识别框架。（5）裂缝与断层滑动的多尺度耦合：相位梯度衍生裂缝、DInSAR位移边界与高CFF区之间的空间相关性，表明深部断层滑动与浅表次级破裂之间存在强耦合。该发现揭示了破裂动态传播中的层级能量传递机制，有助于更好理解复杂断层系统的动态演化。"
