基于InSAR技術的冕寧跨斷層場地形變監測與分析

趙強 蘇琴

摘要：冕寧跨斷層水準場地1-1C測段觀測曲線從2016年6月開始出現大幅度突降，這是自汶川8.0級地震后四川地區出現的顯著巨幅異常。針對該異常，使用Sentinel-1衛星影像數據，利用SBAS技術對冕寧跨斷層場地進行沉降監測，通過SBAS-InSAR技術獲取了變空間范圍和幅度以及形變時間序列曲線。結果表明：（1）從空間看，形變中心位于西康溫泉井附近；（2）從形變時間序列曲線上可以看出，沉降發生的時間與西康溫泉井活動一致。因此，認為此形變是由西康溫泉井抽水引起的。

關鍵詞：冕寧；跨斷層場地；InSAR；地面沉降

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0361-07

0 引言

InSAR技術是近幾十年發展起來的空間大地測量技術，具有全天候、無接觸、大范圍、高空間分辨率、高精度等優勢。與以往的監測手段相比，InSAR技術具有實時動態、大尺度范圍、高精度等優勢，彌補了傳統水準測量方法只能監測有限離散點的不足，在地面形變監測方面顯示出巨大優勢（張磊等，2017；季靈運等，2015）。其中SBAS-InSAR技術，是一種時序分析技術，能夠克服時空失相干和大氣效應的影響，監測長時間間隔的地表形變，獲得研究區域的沉降規律和演化特征，而且SBAS技術對影像數量的要求較低，在地表形變監測方面得到了廣泛的應用（陳志謀等，2017）。

2016年6月，冕寧跨斷層水準場地1-1C測段觀測曲線開始出現大幅度突降，經過四川省地震局測繪工程院（以下簡稱測繪院）、四川省地震預報研究中心、中國地震局地震預測研究所、中國地震臺網中心等多家單位10余次的實地調查核實和討論，認為冕寧跨斷層短水準場地2-1測段地表未見斷層通過，表明該段未跨安寧河主干斷裂；3-2和4-3測段跨安寧河主干斷裂。短水準異常變化最大段為1-1C段，對該測段所有端點和過渡點相對于2016年1月的高程變化進行分析，發現在1號點附近至少有1.1 km范圍出現形變，跨主干斷裂的3-2測段沒有監測到明顯變化。形變與滑坡、降水、房屋荷載等環境因素關聯性不強，可能與距離1號點約215 m的西康溫泉鉆井、出水有關，或者是由1-1C測段附近的隱伏斷層活動所引起①。該形變究竟是地震前兆還是由于抽水引起的值得深入研究。

由于傳統的水準測量是基于點的觀測，測點分布稀疏，難以在宏觀上揭示整個形變區域的形變規律（李寧等，2017）。因此，本文采用InSAR技術監測冕寧跨斷層場地形變，確定形變的空間范圍，判斷形變的原因。

1 研究區概況

根據歷史資料（圖1），冕寧短水準觀測曲線從1998年開始出現趨勢性下降壓性變化，水準場地100 km范圍內4.0級以上地震活動增多，反映出川滇塊體附近斷層受到了區域的擠壓應力作用。在2001年雅江6.0級（震中距134 km）、2008年汶川8.0級（震中距216 km）、2013年蘆山7.0級（震中距184 km）地震前后，曲線下降趨勢明顯減弱，持續2～3 a后再繼續下降。由此認為：在區域強震發生前后，冕寧跨斷層水準觀測曲線存在破年變現象。2014年9—12月，觀測曲線有近6 mm的上升變化（圖1中矩形方框所示），轉折過程中發生了金口河5.0級地震，震后曲線一直在低值波動變化，表明該處斷層未完成年變，有“閉鎖”痕跡，2016年在恢復正常年變的過程中曲線出現大幅度突降（最大幅度16.87 mm），分析歷史資料，沒有類似的震例可以參考。2016年6月以前單期變化最大值為2.98 mm，而7月突降5.63 mm，之后持續下降，主要由1-1C段變化所致。

冕寧跨斷層水準場位于西昌市冕寧縣城廂鎮枧槽村六組，處于2017年道孚—川滇交界東側7.0級地震危險區內，跨越川滇菱形塊體東邊界安寧河斷裂，是短臨跟蹤的重點區域。該水準場地跨越的近S-N向安寧河斷裂帶是川滇塊體東邊界活動斷裂帶之一。在冕寧附近，安寧河活動斷裂帶由主干斷裂、西支斷裂和彝海—后山斷裂（相當于東支斷裂）組成（圖2），伴有若干平行或次平行的低級分支，總體的新活動性質為逆-左旋走滑；在主斷裂、分支斷裂和次級斷裂之間的巖塊，除了走滑運動外，還伴有不等的相對垂直升降運動（聞學澤，2000）。

冕寧跨斷層水準場地共設有1，1C，2，2B，3共5個固定點（場地選埋時認為1至2、2至3測段跨過斷層，考慮到測線較長，1C，2B作為相對固定的過渡點），其中1號點位于斜坡小樹林中；1C，2B位于農田旁；2號點位于小河溝旁邊；3號點位于馬尿河邊，視野開闊，周圍無大型工礦企業，觀測環境良好，交通方便（圖2）。冕寧水準場地原設計是跨越安寧河斷裂帶的主干活動斷裂，但由于位于主干斷裂上盤的4號點1993年停測，3號點又位于主干斷裂破碎帶上，使得本場地自1993年以來不能有效跨越安寧河主干活動斷裂。

2 技術方法與數據處理

2.1 SBAS-InSAR技術簡介

SBAS技術是Berardino和Lanari等研究人員提出的一種長時間序列InSAR分析方法（Berardino et al，2002；Mora et al，2003；嚴建國，李雙平，2002），是基于高相干散射體上穩定可靠的相位信息，通過相位模型迭代擬合的方法來估計和去除各類誤差項，達到提取微小形變信號的目的（劉一霖，2016）。其原理是將小于給定的垂直基線和時間基線閾值條件內的所有SAR影像進行干涉組合，由于在影像自由組合干涉時對時空基線進行了限制，因此能獲得若干幅獨立、高相干性的干涉圖。然后對所有干涉對進行去除地平相位、地形相位和解纏處理。在此基礎上，高程（DEM）誤差與線性形變相位，并將其從原始干涉相位中去除，然后對殘余相位進行相位解纏并通過時空域濾波分離出地表形變相位與大氣延遲相位，最終可獲取到完整的地表形變時間序列。在對多個干涉圖子集進行聯合求解時，SBAS采用矩陣奇異值分解（Single Value Decomposition，簡稱SVD）算法對干涉對組合較好的基線集進行最小二乘求解，增加了時間采樣，提高干涉對的時空相干性，獲取最終形變時間序列結果（屈春燕等，2014）。

此方法的優點是可以根據設定的小基線原則自由組合影像干涉對，使時空失相干和DEM引起的誤差大大減少，能有效利用相干的點目標和分布目標，增加觀測值，使觀測時間加長，在數據量較少的情況下，也能開展有效的干涉測量（劉一霖，2016）。

2.2 SBAS時序分析

本文使用歐空局的哨兵1A和1B（Sentinel-1雷達探測衛星）雷達影像，成像波段為C波段，該影像可以免費下載，具有雙極化、短重訪周期、多模式等優點。

哨兵1A和1B影像的具體參數如下：影像幅寬250 km，空間分辨率為5～20 m。為減少計算量，對影像統一做了裁剪，得到范圍為 （102.170°～102.248°E），（28.525°～28.595°N）的小區域。影像時間跨度為2016年1月至2017年3月，共14景，TOP模式IW（干涉寬幅模式）影像如表1所示。其極化方式為VV極化，軌道號為135（降軌）。

為了更好地進行干涉測量，消除軌道誤差，本文使用Sentinel-1衛星的精密軌道數據。另外，選取90 m采樣間隔SRTM V4 DEM作為外部DEM數據，以去除地形相位的影響。本文選取2016年1月25日的影像，即第一景影像為超級主影像，以此影像作為統一的配準基準，同時以此影像作為時間參考點。由于冕寧跨斷層場地附近植被覆蓋茂密，使得時空基線較大的干涉對會存在嚴重的失相干，因此設置時間基線和空間基線閾值分別為90～400 d和45～200 m，共獲得28對干涉影像對，如圖3所示。在28對影像組合中，最大時間間隔為378 d，最長垂直基線為128.443 m，表1列出了所有影像的成像日期及相對于超級主影像的時間基線和垂直基線。

首先將所有影像與超級主影像進行配準處理，然后對由小基線原則得到的28對影像對進行干涉處理。采用Goldstein濾波法和Delaunay MCF解纏方法，因為這2種方法可以很好地處理2個較孤立的相干性高的區域，只對相干性高的部分進行解纏，不受低相干像元的影響，對于有大量相干性低的地物存在時，如潮濕或植被濃密區域等，最小化相位突變的影響，得到去平和濾波后的干涉圖、相干系數圖和解纏結果。然后對干涉結果進行軌道精煉和重去平。在進行時序分析時，通過查看相干系數圖，得知研究區域植被未覆蓋部分的相干系數基本都大于0.2，覆蓋區域大部分相干系數小于0.2，因此設定相干系數閾值為0.2。第一次估計位移速率和殘余地形，對合成的干涉圖進行去平，重新做相位解纏和精煉，二次解纏，生成更優化的結果。在第一步得到的形變速率基礎上，進行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，在進行大氣濾波時假設大氣在空間上是具有高相關性，因為大氣空間相關距離為1～2 km，根據經驗設置參數為1 200 m，時間上是低的相關性，設置參數時365天，最后得到更優的時間序列上的形變量和形變速率（圖4）。

3 沉降監測結果分析

基于Sentinel-1A，TOPS模式數據，采用SBAS時序分析方法，對冕寧跨斷層場地進行了監測研究，得到該地區2016年1月至2017年2月的最新沉降監測結果（圖4）。

沉降監測結果顯示，西康溫泉井周邊存在較為嚴重的沉降，且西康溫泉井位于形變中心，以該點為中心形變場呈橢圓狀分布，形成了監測區域最大的沉降漏斗，沿衛星視線方向沉降速率最大達到27 mm/a，沉降范圍沿橢圓長軸方向約為1.2 km，沿短軸方向約0.4 km。分別沿形變中心向外選取5個點（圖5），得到沉降時間序列結果（圖6）。圖6顯示整個形變場同步沉降，2016年2—9月，為整個區域沉降期，沉降速率最大。9月之后，形變中心西康溫泉附近的沉降量平穩變化，遠離西康溫泉井處于形變區域邊緣開始有所回升。

從獲得的1-2支線、1-3支線和2-3支線的水準觀測值曲線（圖7）可以看出，沉降主要由于1號水準點的變化引起。對比2組沉降曲線（圖6和圖7），利用SBAS-InSAR獲得的沉降時間序列曲線和水準觀測值曲線形態類似，沉降主要發生在2016年6—9月。由于1號水準點位于小樹林里，受樹木的遮擋嚴重，未能在用SBAS技術獲得的形變場中提取到1號水準點的形變時間序列，但是1號水準點距離西康溫泉僅215 m，此處已查明沒有明顯的活動斷層，西康溫泉井的抽水活動必然影響1號點的觀測。由此可以判斷西康溫泉的開采是引起監測區域沉降的主要原因。

4 結論

本文利用SBAS-InSAR技術對冕寧跨斷層場地進行監測研究，得到該場地2016年1月至2017年2月期間沉降監測結果，監測結果表明：

（1）整個形變場形變范圍沿東北方向約1.2 km，沿西南方向約0.4 km，沉降中心位于西康溫泉井附近，且沉降速率沿視線方向（LOS）最大約為27 mm/a。整個形變場同步沉降，在9月達到最大沉降量。

（2）形變場的范圍較小，且未經過斷層，離斷層距離較遠，形變范圍不受斷層控制，形變范圍和斷層位置沒有明顯的相關性。對比SBAS技術獲得的形變場時間序列曲線與水準監測獲得的1-3和1-2支線沉降曲線，兩組曲線形態類似，沉降都主要發生在6—9月。同時，西康溫泉的抽水活動也發生在6—9月之間，因此，判斷此形變是由于西康溫泉井抽水活動引起的。雖然因為小樹林的遮擋，未能獲取1號水準點的形變時間序列，但1號水準點距離西康溫泉僅215 m，也可以判斷1號水準點的形變是由西康溫泉的抽水引起的。

（3）對比1-2和1-3支線的形變曲線與SBAS獲得的形變曲線，2組曲線形態類似，但是在沉降量大小上有所差異，這包含水準點的監測誤差、SBAS監測誤差和地面沉降的時空差異。

參考文獻：

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Abstract The section 1-1C of the Mianning cross-fault site began to undergo a sharp drop in June 2016.It is a significant anomaly that occurred in the Sichuan region since the Wenchuan M8.0 earthquake.In response to the anomaly，this paper uses Sentinel-1 image data to monitor the subsidence of the cross-fault site in Mianning with the SBAS technology.The spatial extent and amplitude of the topographic variations and the time series curves of the deformation in the Mianning cross-fault field are obtained.InSAR deformation field results show that，first，from the perspective of space，the deformation center is located near the well of Xikang Hot Spring.Second，from the time series curve of deformation，it shows that the subsidence time coincides with the Xikang hot spring well activity.Therefore，we believe that the deformation should be caused by the pumping of the Xikang Hot Spring well.

Keywords：mianning；cross-fault site；InSAR；land subsidence