臨汾盆地及其邊界斷裂現今變形特征*

劉瑞春 季靈運

1)山西省地震局，太原 030021

2)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030021

3)中國地震局第二監測中心，西安710054

1 引言

地殼形變是地震的一種直接表現形式，現今地殼形變監測對于研究地震的形成過程與演化規律具有特別重要的意義，而地殼形變在空間分布上是不均勻的，目前仍無法精細地研究區域形變的整體特性［1］。D-InSAR 技術的出現在一定程度上彌補了這方面的不足，它為地表形變研究提供了連續的空間覆蓋，已在地殼形變、同震形變研究中得到廣泛應用［2－6］。

臨汾盆地是山西斷陷帶內強震活動最為頻繁、唯一發生過8級地震的地區，對這一地區開展現今地殼形變背景特征研究將為地震危險性評估提供依據。臨汾盆地已有的跨斷層水準觀測數據顯示，斷裂垂直變形速率為1 ～2 mm/a，利用常規的D-In-SAR 數據處理方法難以獲取如此緩慢的變形信息，為削弱各種噪聲，提取緩慢變形信號，本文采用干涉圖堆疊技術［7－10］，通過對覆蓋臨汾盆地的多個干涉圖進行加權平均，以每幅干涉圖的時間間隔為權重，實現削弱每個干涉對所含的大氣延遲相位以及軌道殘余誤差，達到了提高最終形變結果可靠性的目的。

2 資料的選用與方法的選取

2.1 資料的選用

研究采用由歐洲空間局Category-1 計劃項目提供的ENVISAT ASAR 影像，共計23 景(表1)，影像航跡號2347，均為降軌，時間跨度為2003—2010年，影像覆蓋了臨汾盆地的主要區域(圖1)。

2.2 InSAR 數據處理方法

根據干涉圖堆疊技術［11］，在數據處理過程中，對所有SAR影像給定空間基線小于400 m，時間基線長于6 個月的限制，然后進行自由組合干涉，共得到94 個可用的干涉對，利用其中20 個質量較好的干涉對進行后續計算，其基線組合如圖2 所示。

表1 研究過程中使用的影像數據Tab.1 Image data used in the study

圖1 臨汾盆地地震分布及SAR 影像覆蓋范圍Fig.1 Earthquake distribution and SAR image coverage of Linfen Basin

圖2 InSAR 干涉對的時間、空間基線關系Fig.2 Relationship of temporal and spatial baselines

對每個符合時間、空間基線限制條件的干涉對均利用兩軌法D-InSAR 技術處理，處理平臺為GAMMA 軟件。處理步驟主要包括:原始SAR 信號成像、圖像配準與干涉、外部DEM 模擬、基線估計與精化、相干系數計算、干涉圖自適應濾波、相位解纏。外部地形數據使用SRTM DEM，分辨率約為90 m。

為了削弱噪聲，增加相干性，對干涉圖進行了多視處理，多視因子為4∶20，即每個像元約為80 ×80 m2;干涉圖濾波方法采用基于局部條紋頻譜的自適應濾波方法，濾波窗口為64 像素×64 像素;相位解纏采用最小費用網絡流算法，以臨汾市區附近為解纏起始區域，僅對相干系數大于0.6 的像元進行解纏;對含有基線誤差的干涉對，在數據處理過程中基于已有的DEM 和觀測解纏相位，采用非線性最小二乘平差方法對基線誤差進行了去除;基于DEM 進行大氣相位延遲改正。

3 臨汾盆地及其邊界斷裂InSAR 形變場特征分析

3.1 整體變形特征分析

圖3(P1、P2 為剖面的位置)是利用InSAR 干涉圖堆疊技術得到的臨汾盆地及其邊界斷裂2003—2010年雷達視線方向上的平均形變速率。從整體上看，臨汾盆地內部和邊緣具有差異性形變特征，表現為盆地內部下沉，兩側山區相對隆升的繼承性變形特征。其西邊界的羅云山斷裂兩盤存在較為明顯的差異運動，相對于較為穩定的斷裂下盤，其最大變形速率超過6 mm/a(這在一定程度上可能受城市發展過程中大量抽取地下水的影響);從局部來看，盆地內部各構造單元又具有不同的形變速率，且自北向南有逐步增大的趨勢，洪洞-臨汾凹陷的北部具有0 ～4 mm/a 的變形速率，南部有一個4 ～8 mm/a 的變形區域，襄汾凸起較為穩定，變形速率在零值附近波動，南部的侯馬凹陷形變速率進一步加大，其東北部區域的平均形變速率約4 ～8 mm/a，西部的最大形變速率達8 ～12 mm/a。

圖3 臨汾盆地及其邊界斷裂InSAR 形變圖Fig.3 Average deformation of Linfen Basin and surrounding faults(P1 and P2 indicate the location of profiles)

3.2 剖面變形特征分析

沿羅云山斷裂截取了兩條剖面(圖3 中白色實線表示截取的剖面P1、P2 的位置)，剖面P1 跨越羅云山斷裂的峪里-尉村段，穿過襄汾凸起和侯馬凹陷。地質研究結果表明:該段是中更新世末至晚更新世初斷裂活動最強的地段，下降盤平均沉降速率為0.2 mm/a［12］，2003—2010年InSAR 形 變 剖 面(圖4，黑色實線表示地形，紅色與藍色曲線表示形變速率，灰色矩形表示羅云山斷裂所在位置)顯示:該段的最大差異運動速率約為4 mm/a;襄汾凸起是一個較為穩定的地帶，現今地殼形變速率在零值附近波動;侯馬凹陷變形速率較大，相對于斷裂下盤，最大差異變形速率達8 mm/a。剖面P2 跨越了羅云山斷裂的范家莊-西碨口段，地質研究結果表明:該段第四紀以來斷裂活動仍然很強烈，平均沉降速率約為0.33 mm/a［12］，2003—2010年InSAR 形變剖面顯示:該段差異運動強烈，相對于斷裂下盤，最大差異運動速率達6 mm/a。而兩條剖面同時顯示，在羅云山斷裂范圍內，其變形速率均為約2 mm/a。

圖4 平均形變速率剖面Fig.4 Profile of averaged deformation rate

3.3 結果的可靠性分析

Stacking-InSAR 技術用于地面形變監測的理論精度最大可達毫米級，但在實際的差分干涉數據處理過程中會存在諸多誤差和不確定性。本研究結果主要誤差源為大氣效應以及較多植被覆蓋區域的去相干所引起的相位噪聲，所得到的監測結果顯示出了兩側山地相對隆升，臨汾盆地相對下沉的變形格局，與地質研究結果較為一致;跨羅云山斷裂的水準監測結果顯示，2003—2010年斷裂垂直變形速率約為1.1 mm/a，而同期的兩條InSAR 剖面結果顯示，羅云山斷裂范圍內沿雷達視線向的變形速率均為2 mm/a 左右，轉換為垂直變形速率后與水準觀測結果較為一致，證明利用Stacking-InSAR 技術所得到的監測結果是可靠的。

4 結論

1)利用Stacking-InSAR 技術所獲取的臨汾盆地及其邊界斷裂現今形變場整體變化特征與地質研究結果一致，斷裂剖面變形量與同期跨斷層水準觀測結果較一致，表明研究結果較為可靠。

2)臨汾盆地現今地殼形變場整體上表現為盆地下沉，兩側山體相對隆升的繼承性變形特征，羅云山斷裂為地殼形變速率差異的分界地段;盆地內部不同地質構造單元對變形速率具有一定的影響，表現為地質凸起較為穩定，而地質凹陷變形速率較大。

3)跨羅云山斷裂中段和南段的兩條InSAR 剖面顯示，其在斷裂范圍內的變形速率均約為2 mm/a，與地質研究結果所顯示的活動速率有較大差異，可能是由于斷裂活動在時間上存在多期性，地質研究結果為更長時間尺度的平均，其深層次的原因還有待于進一步研究。

4)臨汾盆地及其邊界斷裂的現今地殼形變是不均勻的，而該方法假定變形速率為線性變化，是多年變形量的平均結果，具有一定的局限性。

致謝感謝歐空局( ESA)Category-1 項目提供Envisat ASAR 影像!

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