利用InSAR技術研究滇西南鎮康—永德地區現今地殼形變特征*

季靈運，劉立煒，郝 明

0 引言

云南省位于南北地震帶南段，從構造的角度，位于歐亞板塊和印度板塊會聚、消減、相互作用的邊緣地帶。因此該地區地震頻度高、強度大、震源淺、分布廣，是我國大陸內部地震活動最強烈的場所之一 (趙洪聲等，2001)。其中的滇西南地區被中國地震局“中國大陸7～8級地震中長期危險性預測”項目 (M7項目)確定為我國大陸地區未來十年及稍長時間7級以上地震危險性值得注意地區 (M7專項工作組，2012)。虢順民等(1999)研究表明，滇西南地區的龍陵—瀾滄斷裂現今活動比較顯著，是一條正在發展中的新生破裂帶，結構上還沒有完全連通，斷裂南段發生了多次強震，如1988年的瀾滄—耿馬7.6、7.2級地震;斷裂北段則缺乏歷史強震，是未來強震易發地區。研究地震危險區內地殼形變特征及其隨時間的演化對認識大陸內部變形、確定地震復發周期和理解地震孕育過程具有重要意義。因此，跟蹤研究滇西南地區的現今地殼形變特征對區域強震危險性分析以及震情跟蹤工作具有重要的指導意義。已有研究表明滇西南鎮康—永德一帶存在地殼垂直形變隆升異常，筆者在這一研究背景下，利用合成孔徑雷達干涉測量 (Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡稱InSAR)技術獲取研究區域2007～2010年的形變演化時間序列，并結合GPS和水準測量結果，確定水準垂直形變異常隆升的空間展布范圍和精細特征，研究形變異常的誘發原因和斷裂的活動特征，落實2011年以來研究區域水準巨幅波動的地震前兆指示意義的可靠性，為滇西南10年尺度7級以上強震值得注意地區的強震危險性分析和震情跟蹤提供重要依據。

1 區域現今地殼垂直形變特征

滇西南地區自20世紀70年代至2013年已開展了多期一等精密水準測量，郝明 (2012)通過計算20世紀70年代至2011年的多期水準測量資料，發現該區域的地殼形變速率相對于昌寧，鎮康—永德一帶以2～3 mm/a的速率大幅隆升 (圖1)，表明在數十年時間尺度下該地區存在顯著的地殼垂直形變異常，具備中強以上地震發震背景。在此背景下，中國地震局自2011年以來對該條水準線路進行了3次復測，其中2011年由中國地震局第一監測中心觀測 (使用電子水準儀)，2012和2013年由中國地震局第二監測中心觀測 (使用光學水準儀)，結果表明近年來該地區垂直形變變化幅度較大，波動明顯，最大相對變化達到120 mm(圖2)。有專家認為水準巨幅波動是由電子水準儀和光學水準儀之間的系統誤差引起的，但是2012和2013年均使用光學水準儀觀測，一年間垂直形變最大也超過了30 mm，可能反映了區域近年來正在發生著強烈的構造運動。然而，水準測量的時間、空間分辨率均較低，較難捕捉區域垂直形變隨時間的演化，也不容易判定異常的空間展布范圍。區域形變隨時間演化的特征以及形變異常的空間覆蓋范圍對區域強震危險性分析以及震情跟蹤工作具有重要的指導意義。

2 InSAR技術簡介及數據處理

2.1 InSAR技術簡介

InSAR是近20年發展起來的一項空間對地觀測技術，由于具有大范圍、高精度提取地殼形變的優勢，已經在地學研究的多個領域取得了廣泛應用 (季靈運等，2013;劉智榮等，2013;Marshall et al.，2013)。特別是近年來發展起來的干涉圖堆疊 (stacking)技術、短基線集 (Small Baseline Subsets，簡稱SBAS)技術等，削弱了常規In-SAR測量中的軌道誤差、外部DEM誤差、大氣相位延遲誤差等，拓展了InSAR技術的應用領域。干涉圖堆疊技術將覆蓋同一地區的多幅干涉圖加權平均，達到削弱各種誤差和噪聲、提取微量變形信號的目的 (Zebker et al.，1997;Wright et al.，2001;Emardson etal.， 2003;Biggsetal.，2007)。一般來說，堆疊N幅干涉圖，可以削弱N1/2的大氣相位延遲誤差 (Biggs et al.，2007)。短基線集技術 (Berardino et al.，2002;Jung et al.，2008)僅選取空間垂直基線較短的干涉圖進行時間序列形變求解，削弱了空間失相干的影響，同時大大降低了外部DEM引入的誤差和大氣相位延遲。本文借助于干涉圖堆疊和短基線集兩種InSAR前沿技術提取云南鎮康—永德地區的地殼形變并研究其隨時間演化的特征。

2.2 SAR影像及InSAR數據處理

滇西南鎮康—永德地區緯度較低，植被覆蓋茂盛，本文選用了對植被具有較強穿透能力的日本ALOS PALSAR影像 (波長23.6 cm)，共12景(每景影像包含3幀;2009年12月29日由于大氣湍流影響太大而舍棄，未參與InSAR計算)，獲取時間從2007年6月到2010年11月，選取的影像提供了3.5 a的地表形變觀測資料 (圖3)。

給定垂直基線小于2 000 m，自由組合生成66幅干涉圖。為了提高信噪比，對于每幅干涉圖，多視因子給定 16:76，即每個像元約240×240 m2。同時，對干涉圖濾波兩次。對于含有基線誤差的干涉圖，基于已有DEM，利用最小二乘法進行了基線精化。最終選取17幅相干性好、相位解纏誤差小、大氣相位延遲誤差可忽略的干涉圖進行后續計算與分析 (圖3)。

3 InSAR結果分析與討論

3.1 InSAR形變場分析

雖然ALOS PALSAR影像工作在L波段，允許較長的空間垂直基線，然而數據處理結果表明，由于研究區域地形起伏較大，垂直基線大于1 000 m，則會造成較嚴重的空間失相干。圖3為選取進行干涉圖堆疊計算的17幅干涉圖的時間和空間基線信息，圖中可見所有干涉圖的垂直基線均較短，在800 m以內，保證了后續計算結果的可靠性。圖4為通過干涉圖堆疊技術得到2007～2010年鎮康—永德地區的平均地殼形變速率 (雷達視線方向)，圖中序號 (1)～(6)為選取的指定區域，用于提取形變時間序列 (圖5)。由圖4可知:(1)干涉圖整體相干性較好，僅在部分地勢陡峭的山區失相干;(2)形變異常位于區域中間部位的南汀河斷裂帶附近，為北東—南西方向的近橢圓形異常下沉區域，最大下沉形變速率近2 cm/a;(3)區域內分布的斷層大多形變不明顯，僅區域北部的畹町—安定斷裂兩側存在差異性運動，斷層運動性質為左旋，差異運動速率約為5 mm/a(雷達視線方向)。地震地質研究結果表明，畹町—安定斷裂第四紀以來活動性較強，其水平左旋滑動速率約為2～3 mm/a(常祖峰等，2012;吳中海等，2012)，與本文InSAR技術得到的結果比較吻合，并且該斷裂參與了龍陵、瑞麗一帶的地震活動 (常祖峰等，2012)，未來的強震危險性仍不能忽視 (吳中海等，2012)。

為了揭示滇西南鎮康—永德地區地殼形變隨時間的演化特征，本文利用短基線集技術計算了2007～2010年滇西南鎮康—永德地區形變時間序列。圖5是選取的研究區域不同位置的形變時間序列曲線，2007～2010年間幾處區域均表現出不同程度的形變波動特性，其中，(2)、(5)、(6)三處波動幅度較小，表明這3個區域相對比較穩定;(1)、(3)、(4)三處波動幅度較大，最大達9 cm，表明這3個區域可能存在不同程度的構造活動。

3.2 InSAR形變場可靠性分析

首先，在獲取地殼形變場的技術方法選取上，本文采用干涉圖堆疊和短基線集兩種技術，較多研究實例表明，這兩種技術可以以較高的精度提取區域的微小地殼形變，被證明是可靠的(Emardson et al.，2003;Biggs et al.，2007);其次，InSAR監測結果顯示，2007～2010年滇西南的鎮康—永德一帶地殼形變波動較大 (圖5)，該區域2011～2013年的水準監測結果也表現出較強的波動特征。雖然兩者的監測時間不一致，無法直接進行定量比較，但是從運動趨勢來看，兩者均顯示相似的波動特征，表明InSAR監測結果是可信的。

3.3 結果對比分析與討論

為了探討和分析滇西南鎮康—永德一帶的區域地殼運動狀態和地震危險性，本文收集了2009～2013年研究區域的GPS水平速度場，如圖6所示。為了便于分析比較，圖6同時疊加了20世紀70年代至2011年的長期地殼垂直運動速率 (郝明，2012)以及本文干涉圖堆疊技術獲得的2007～2010年研究區的平均地殼形變速率。GPS水平速度場表明，相對于歐亞板塊，鎮康—永德一帶整體向南運動，量級約5～6 mm/a，2011～2013年相對于2009～2011年有整體向西旋轉運動的趨勢，幅度不大。區域內部水平形變差異不顯著。在數十年時間尺度上，相對于北部的昌寧地區，鎮康—永德一帶表現為大幅垂向隆升，量級約為2～3 mm/a。可見，水準資料顯示的地殼形變隆起區與InSAR反映的地殼形變下沉區范圍基本一致，分析兩者反映相反的形變態勢，可能有兩個原因:(1)區域地殼垂直運動在數十年的時間尺度上較為穩定，但在幾年至數年時間尺度上則往往波動較大 (王慶良等，2008)。郝明 (2012)獲取的垂直運動速率反映的是近40年時間尺度的平均速率，是區域長期穩定地殼垂直運動的體現。而本文的InSAR資料時間跨度僅為3.5 a，反映的是區域近期的地殼運動狀況，可能說明區域近期地殼運動有活躍增強的趨勢。因此，兩種手段反映的是不同時間尺度范圍的地殼運動狀況。 (2)InSAR形變場是區域各個方向地殼運動分量在雷達視線方向的投影 (主要反映的是區域垂向運動特征)，而水準測量結果僅是垂直方向的運動。因此，兩者反映的區域地殼運動方向不同。綜合分析不同時間段的GPS、水準和InSAR地殼形變場，滇西南的鎮康—永德一帶內部近期水平地殼運動不顯著，以垂直形變為主，且近些年來地殼垂直運動比較活躍。值得注意的是，鎮康—永德一帶的地殼形變異常活動區內中強以上地震活動較弱，從圖1可以看出，1970～2013年的四十余年間該區域缺乏5級以上地震活動，因此未來發生中強以上地震的危險性不容忽視。

4 結論

本文基于12景日本ALOS PALSAR衛星影像，利用InSAR技術 (包括干涉圖堆疊和短基線集技術)提取了2007～2010年滇西南鎮康—永德一帶的平均地殼形變速率和形變時間序列，并結合不同時段的水準和GPS監測結果，從三維角度研究了區域現今的地殼運動特征。InSAR結果表明，水準資料顯示的異常隆起區范圍沿北東—南西方向呈近橢圓形展布，這一地殼形變異常區在數十年尺度上表現為隆升 (速率約2～3mm/a)，表明區域具備中強地震孕育的地殼形變背景。而在2007～2013的數年尺度上表現為大幅的垂向形變波動，可能反映區域近年來地殼垂直運動比較活躍，應加強跟蹤與監視。另外，區域內分布的畹町—安定斷裂兩側存在差異性運動。

本文的研究結果再次證明InSAR形變場具有較高的空間分辨率，有效彌補了GPS、水準測量空間分辨率較低的不足，厘清了滇西南鎮康—永德一帶地殼形變異常的空間范圍和展布特征，證實了區域近幾年確實存在垂直形變的大幅波動，為區域地震危險性分析和震情跟蹤工作提供了重要依據。

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