基于PS-InSAR的薊運河斷裂震間形變監(jiān)測研究

張文朋, 張春麗, 高武平, 閆成國

(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

斷裂震間形變速率既是反映斷裂活動強度的標(biāo)志,對新構(gòu)造研究、地震預(yù)測等也具有重要意義。傳統(tǒng)的斷裂震間形變速率獲取主要采用地質(zhì)學(xué)方法(年代學(xué)及地貌學(xué)相結(jié)合)、水準(zhǔn)測量、重復(fù)三角測量或GPS 連續(xù)臺站觀測等方法[1],地質(zhì)學(xué)方法反映的斷裂活動性是萬年以上時間尺度的平均結(jié)果,體現(xiàn)的主要是基于同震形變的平均形變量,無法體現(xiàn)斷裂的最新活動趨勢。水準(zhǔn)測量、重復(fù)三角測量或GPS連續(xù)臺站觀測等方法可以獲得斷裂的最新活動特征,但其存在觀測困難、工作量大、成本高及測量重復(fù)周期長等問題,屬于基于點觀測的低空間分辨率大地測量技術(shù),不適于大范圍區(qū)域地表形變監(jiān)測[2]。

近年來,隨著空間對地觀測技術(shù)的不斷發(fā)展,用于地殼形變測量的新方法合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù),逐漸發(fā)展不斷完善。該技術(shù)通過利用雷達(dá)回波信號的相位信息來提取地表三維信息;通過差分干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(D-InSAR)可以測量地表沿衛(wèi)星視線方向的位移形變,其精度可達(dá)到毫米級[3]。

永久散射體干涉測量技術(shù)(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar,PS-InSAR)的提出再次提升了 InSAR技術(shù)在地殼形變測量中的應(yīng)用空間。該技術(shù)的優(yōu)點在于解決時間失相關(guān)的同時,計算并消除大氣、地形影響與軌道誤差,保證干涉處理的正常進(jìn)行,可以獲取長時間尺度上的SAR序列圖像,對整個區(qū)域面的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測,為高精度監(jiān)測斷層微形變速率提供了時間域的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測和空間域的大量測點,彌補了傳統(tǒng)測地技術(shù)的不足,在地震、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面得到了廣泛應(yīng)用[4-9]。近年來許多專家學(xué)者嘗試?yán)迷摷夹g(shù)對斷裂帶地表形變進(jìn)行監(jiān)測[1-2,10-13],取得了一些進(jìn)展,實現(xiàn)了對斷裂展布區(qū)域毫米級的地殼微小形變監(jiān)測。基于PS-InSAR獲取的目標(biāo)斷裂年平均形變速率結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果相比,在形變趨勢上一致、數(shù)值上差異不大。目前相關(guān)研究的目標(biāo)斷裂基本都是基巖區(qū)出露斷裂,針對平原區(qū)隱伏斷裂形變監(jiān)測相關(guān)研究的報道尚未見到。其主要原因是由于隱伏斷裂的形變量通常很小基本在數(shù)毫米,其真實運動很容易被各種噪聲或者各種誤差掩蓋,加之隱伏斷裂所處的平原區(qū),經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口密集,受地下水超采等人為因素影響普遍存在地面沉降,怎樣從獲取形變信息中分析斷裂的活動特征是一大難點。

論文選取地面沉降背景較小的天津?qū)氎妗獙幒右粠У乃E運河斷裂為研究對象進(jìn)行試驗,基于PS-InSAR技術(shù)構(gòu)建斷裂展布區(qū)的形變場,結(jié)合研究區(qū)地面沉降等相關(guān)研究資料,選取受不均勻沉降影響小的區(qū)段分析來獲取該隱伏斷裂的區(qū)域形變特征、最新形變速率及活動特征等,為隱伏斷裂的形變監(jiān)測提供一個新途徑。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北斷塊盆地與燕山斷塊隆起交匯的天津平原區(qū)東部,在地質(zhì)構(gòu)造上位于華北平原斷裂帶和張家口—渤海斷裂帶復(fù)合、交匯部位,構(gòu)造運動強烈[14]。薊運河斷裂是研究區(qū)內(nèi)的重要斷裂,展布于天津市寶坻至寧河一帶,是燕山褶皺帶和滄縣隆起的邊界斷裂,新構(gòu)造時期以來,在區(qū)域伸展構(gòu)造環(huán)境的影響下,呈正斷運動(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of the study area

薊運河斷裂最早由石油工業(yè)部646廠十六大隊發(fā)現(xiàn),在地形、地貌、重力、航磁上均有表現(xiàn)[15]。據(jù)石油地震勘探資料,薊運河斷裂向下斷至古生界,是中生界的沉積邊界,新近系明化鎮(zhèn)組底界斷裂跡線連續(xù)清楚,斷距280 m,并向上進(jìn)入第四系。近些年,天津市地礦(1)天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院.天津市煤和煤層氣資源現(xiàn)狀調(diào)查基巖地質(zhì)圖,2007.、國土(2)天津市國土局.天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究及地殼穩(wěn)定性評價,2015.等部門的一些調(diào)查項目對薊運河斷裂進(jìn)行了初步探測,為斷裂的空間展布的確定提供了依據(jù)。天津市地震局在前期資料的基礎(chǔ)上,通過大地電磁、深人工地震、淺層反射地震勘探及鉆孔對比等一系列手段,對該斷裂做了較為系統(tǒng)的探測研究,并獲得了該斷裂空間分布及分段特征。薊運河斷裂大致分為南北2段(圖1),都為正斷層性質(zhì),北段走向NWW-SEE,傾向SSW,長約36 km,存有次級分支斷裂,最新活動時代為晚更新世早期;南段總體走向呈NW-SE向帶狀分布,長約25 km,最新活動時代為早-中更新世斷裂(3)天津市地震局.薊運河斷裂探測和地震危險性評價技術(shù)報告,2018.。

本研究區(qū)大致為薊運河斷裂帶展布區(qū),地處天津和河北唐山交界處,多分布鄉(xiāng)村城鎮(zhèn),各類建筑及道路密集,植被較少,易于選出可靠的PS點,干涉效果較高,有利于研究區(qū)形變信息提取。

1.2 數(shù)據(jù)

研究區(qū)數(shù)據(jù)采用2014年10月22日至2019年4月11日間的26景Sentinel-1升軌數(shù)據(jù),干涉寬帶(Interferometric Wide swath,IW)成像模式。充分考慮干涉對時間、空間相干性及多普勒頻率差異選取2017 年1月15日的SAR 影像為參考主影像,數(shù)據(jù)的空間基線較小多保持在-137～112 m 內(nèi),時間基線在-823～820 d之間(表1,圖3),屬于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集,有利于進(jìn)行干涉。相關(guān)研究表明,利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)基于90 m的SRTM-3、30 m的 ASTER GDEM和1 m分辨率的 Pleiades Dem等三種方法具有較高的一致性,表明3種DEM適用于PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測。通過選取不同典型沉降特征區(qū)域進(jìn)行差異性分析表明 Pleiades dem適用于在城市建筑密集區(qū)和髙架橋區(qū),SRTM-3 DEM在監(jiān)測管線施工地帶和居民地區(qū)有更高精度[16]。有研究指出雖然SRTM-3數(shù)據(jù)的空間分辨率低于 ASTER GDEM,但是其更適合做相干點目標(biāo)法(IPTA)地面沉降提取過程中的外部DEM,其主要原因就是SRTM-3利用 InSAR的處理手段彌補了其在空間分辨率上的劣勢[17-18]。本研究區(qū)處于城鄉(xiāng)居民區(qū),故選擇使用美國SRTM-3 DEM數(shù)據(jù)來消除地形相位。

表1 研究區(qū)Sentinel-1 數(shù)據(jù)集信息表

圖2 干涉像對基線連接圖Fig.2 Baseline connection diagram of interferometric image pairs

2 數(shù)據(jù)處理

利用GAMMA軟件的Interferimic Point Target Analysis (IPTA)處理模塊,對研究區(qū)26景SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行PSInSAR時序分析處理。在處理之前,對SAR圖像進(jìn)行輻射矯正和精密軌道矯正。選用已經(jīng)過空洞充填的 SRTM DEM-3數(shù)據(jù)去除地形相位。在精確配準(zhǔn)后的26個干涉像對上,利用相位離差閾值法(閾值取0.8)篩選出約 700 000個PS點。利用二維線性相位模型,通過反復(fù)迭代擬合估計和去除軌道殘余、地形殘余及大氣延遲等各項誤差,通過Delaunay三角網(wǎng)相位解纏運算,得到研究區(qū)PS 點雷達(dá)視線向的形變速率(圖3)。

圖3 研究區(qū)2014—2019年Sentinel-1 視向線形變速率圖Fig.3 LOS deformation rate of Sentinel-1 in the study area from 2014 to 2019

3 研究區(qū)地殼形變特征及斷裂形變速率分析

3.1 研究區(qū)地殼形變特征

從數(shù)據(jù)處理結(jié)果看(圖3),研究區(qū)視向線形變速率區(qū)間在-42～7 mm·a-1之間,整體呈現(xiàn)從南西向北東方向的遞增趨勢。研究區(qū)南部靠近天津市區(qū),經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口密集,地下水超采等人工因素造成的地面沉降現(xiàn)象普遍,其視向線形變速率呈現(xiàn)大范圍的較低負(fù)值。據(jù)天津市地面沉降有關(guān)研究[19],寧河地區(qū)地面沉降嚴(yán)重,地下水開采是造成沉降的主要因素,研究區(qū)視向線形變速率最低值-42 mm·a-1就出現(xiàn)在寧河城區(qū)附近。將研究區(qū)按1 km×1 km劃分網(wǎng)格,以每個網(wǎng)格內(nèi)所有PS點的形變速率平均值代表該網(wǎng)格形變速率,再通過克里金方法對研究區(qū)進(jìn)行插值獲取了區(qū)域性形變結(jié)果(圖4)。從區(qū)域性形變結(jié)果看,寧河城區(qū)附近是一個大型地面沉降中心,沉降幅度和影響范圍較大,淹沒了薊運河斷裂南段地殼形變信息。除了寧河大型沉降外,研究區(qū)零星分布的一些沉降中心,推測是由于地下水超采等人工因素引起的局部不均勻沉降。此類沉降在薊運河斷裂沿線的口東、黑狼口、歡喜莊、八門城、潮洛窩、大辛莊及苗莊子等附近有分布,分析薊運河斷裂形變特征時應(yīng)該盡可能避開這些沉降中心的PS點。研究區(qū)北部的天津市寶坻王卜莊至河北省玉田潮洛窩的薊運河斷裂北段一帶形變速率在0 mm·a-1左右,再向北東形變速率變?yōu)檎?向北隨遠(yuǎn)離斷裂形變速率逐漸增大,沿該段斷裂形成北隆南降的明顯的界線。

圖4 研究區(qū)視向線形變速率插值圖Fig.4 Interpolation diagram of LOS deformation rate in the study area

3.2 薊運河斷裂形變速率分析

沿垂直于薊運河斷裂方向盡可能避開不均勻沉降中心選取了7個長16 km的剖面(圖4),通過形變速率剖面來分析斷裂的形變速率。分析過程中采取如下模型以減小不確定性和主觀因素的影響:在長16 km的剖面兩側(cè)各建立1.5 km的緩沖區(qū)形成條帶,將條帶按400 m等間距劃分為40個統(tǒng)計單元,每個統(tǒng)計單元的形變速率取該單元內(nèi)所有PS點的平均值,以南西—北東方向繪制各剖面的形變速率統(tǒng)計圖(圖5)。從各剖面的形變速率統(tǒng)計圖中可看出,除了剖面5-5′外,其他剖面在斷裂附近的形變速率存在一個明顯的變化,這種變化的原因與斷裂的存在有著直接關(guān)系。剖面5-5′位于薊運河斷裂南段的北端,推測該段斷裂可能并未延伸到此處。

薊運河斷裂北段上有4條剖面(剖面1-1′～剖面4-4′),其形變速率統(tǒng)計圖形態(tài)相近,斷裂處形變速率突變明顯。其北東盤(上升盤)PS點為正值形變,量級上主要處于0～3 mm·a-1之間;南西盤(下降盤)PS點為負(fù)值形變,量級上主要處于-2.5～-0.5 mm·a-1之間。從各統(tǒng)計單元內(nèi)PS點形變速率的標(biāo)準(zhǔn)差看,個別統(tǒng)計單元標(biāo)準(zhǔn)差較大(表2),表明其內(nèi)PS點形變速率離散性偏大,某些PS點形變速率存在誤差。因此,在統(tǒng)計各剖面斷裂兩盤的形變速率均值時,將統(tǒng)計單元內(nèi)PS點少于10個或標(biāo)準(zhǔn)差高于該剖面各統(tǒng)計單元標(biāo)準(zhǔn)差均值的單元不納入統(tǒng)計范圍。統(tǒng)計結(jié)果顯示此4個剖面的薊運河斷裂北段兩盤形變速率差分別為1.99 mm·a-1、1.89 mm·a-1、1.6 mm·a-1和1.79 mm·a-1,均值為1.83 mm·a-1。

圖5 各剖面的形變速率統(tǒng)計圖Fig.5 Deformation rate statistics of each section

表2 斷裂兩盤的形變速率統(tǒng)計表

薊運河斷裂南段上有3條剖面,其中剖面6-6′及剖面7-7′在斷裂附近形變速率存在明顯突變,推測和薊運河斷裂南段的運動有關(guān),指示了薊運河斷裂的位置。距寧河大型沉降中心更近的剖面7-7′上兩盤形變速率差(8.48 mm·a-1)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離沉降中心的剖面6-6′上兩盤形變速率差(2.96 mm·a-1)。據(jù)此,推測地下水超采等人工因素造成的地面沉降對觀測的斷裂兩盤形變速率差有放大作用。因此,薊運河斷裂南段兩盤形變速率差小于2.96 mm·a-1。

4 討論

4.1 形變監(jiān)測結(jié)果的影響因素分析

相干性是影響InSAR形變監(jiān)測結(jié)果的關(guān)鍵。干涉像對的相干性主要取決于垂直基線、植被覆蓋和地形坡度這3個因素。PS-InSAR是基于大量數(shù)據(jù)的時序 InSAR處理,對垂直基線對相干性的制約大大降低。研究區(qū)位于華北東北部,經(jīng)濟發(fā)達(dá),除了農(nóng)田覆蓋區(qū)外,人工建筑物較密,整體相干性好,試驗中選擇研究區(qū)2014年10月22日至2019年4月11日間的26景Sentinel-1高質(zhì)量數(shù)據(jù)集,提取了均勻密集分布的足量PS點(圖3)。從研究區(qū)地物特征、試驗數(shù)據(jù)及PS-InSAR技術(shù)處理看,所得的形變監(jiān)測結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。目前相關(guān)研究多是引入SRTM-3 DEM數(shù)據(jù)處理并獲取了毫米級觀測結(jié)果,表明本研究可以獲取毫米級的形變監(jiān)測結(jié)果。但外部引入DEM的精度會對處理結(jié)果產(chǎn)生一定影響,這是提高PS-InSAR形變監(jiān)測精度的一個改進(jìn)方向。

由于雷達(dá)衛(wèi)星的成像觀測方式,InSAR觀測的形變是斷層水平、垂直運動共同作用的結(jié)果,是LOS向上的一維投影。一維形變難以反映地表的實際形變情況,如果想要重建地表的真實三維形變場,則至少需要個不同方向的測量結(jié)果或等效的先驗信息,其計算任務(wù)極為繁重。其實不論是升軌還是降軌地表垂直形變對LOS向觀測的貢獻(xiàn)量最大(90%以上),且InSAR對斷層走滑位移觀測效果與斷層走向有關(guān),當(dāng)斷層走向與衛(wèi)星軌道方向近垂直時,觀測效果較佳,斷層走向與衛(wèi)星軌道方向的夾角越小,觀測效果越差[20]。對研究區(qū)而言,本區(qū)水平運動主要是沿薊運河斷裂帶的左旋運動,薊運河斷裂走向與衛(wèi)星軌道(Sentinel-1升軌)方向近平行,這種情況下幾乎觀測不到斷層的走滑位移。因此,利用LOS向觀測結(jié)果來分析研究區(qū)斷層的垂直活動不會有大的出入,兩者在運動趨勢上也是一致的。

4.2 研究區(qū)形變特征的構(gòu)造意義

研究區(qū)北部屬于燕山山前堆積區(qū)屬燕山褶皺帶,薊運河斷裂以南為冀中坳陷和滄縣隆起。對升軌數(shù)據(jù),當(dāng)視線向形變速率結(jié)果為負(fù)值時說明有遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運動,即自西向東運動或沉降,正值則剛好相反。研究區(qū)的InSAR形變速率明顯呈現(xiàn)以薊運河斷裂北段分界的北東正南西負(fù)的展布特征,與燕山隆起帶的主導(dǎo)構(gòu)造方向基本一致,顯示其現(xiàn)今構(gòu)造活動受燕山隆起帶控制,表明薊運河斷裂具有一定的活動性,成為控制垂直形變分區(qū)的界線。薊運河斷裂北段一帶形變速率向北隨遠(yuǎn)離斷裂形變速率逐漸增大,沿該段斷裂形成北隆南降的明顯的界線,表明該段斷裂附近及其以北地表基本無地面沉降現(xiàn)象,受近東西向燕山隆起控制呈現(xiàn)向南掀斜運動的趨勢,與對該區(qū)域活動特征一致。

研究區(qū)南部受地面沉降影響,寧河城區(qū)附近出現(xiàn)一個大型地面沉降中心及其他地區(qū)零星分布的一些小型沉降中心,在一定程度上淹沒構(gòu)造形變信息,形變速率沒有沿斷裂形成明顯的線性特征。但是也能看出構(gòu)造活動因素也起到了一定的作用,在薊運河斷裂南段斷裂以西地區(qū),下降速率大于東部地區(qū),滄東斷裂南北部的形變速率也有這一特征,表明斷裂帶對地面沉降起了一定程度的控制作用。

斷層蠕滑和黏滑的 InSAR 形變場及跨斷層剖面會呈現(xiàn)不同的特征和差異。斷層蠕滑產(chǎn)生的地表形變場在斷層跡線兩側(cè)的梯度很陡,甚至是不連續(xù)的,黏滑型斷層的 InSAR 形變場及跨斷層剖面在斷層跡線處表現(xiàn)為平滑、連續(xù)、漸變的趨勢,似拉長的“S”形態(tài)。據(jù)此我們可以初步確定斷層的蠕滑和黏滑活動方式[17]。研究區(qū)薊運河斷裂北段上剖面形變速率剖面形態(tài)相近,都出現(xiàn)階梯狀突變,一方面指示了斷裂的位置,另一方面也表明斷層活動方式為黏滑。目前尚無對薊運河斷裂的古地震研究,但有研究指出1969年寧河6.9級地震是北東向唐山斷裂帶和北西向薊運河斷裂帶共軛型斷裂剪切破裂的結(jié)果[21],表明薊運河斷裂活動方式是黏滑。薊運河斷裂南段接近寧河沉降中心,剖面形變速率形態(tài)受到影響,但在斷裂附近能顯示形變速率的突變,且兩盤形變速率差隨與沉降中心距離減小而變大。造成這一現(xiàn)象的原因可能是斷裂活動導(dǎo)致斷裂的下降盤含水層更厚,地下水超采造成的地面沉降幅度相應(yīng)更大。因此,在地面沉降影響區(qū),據(jù)跨隱伏斷裂的形變速率剖面,可以判定斷裂的位置,但無法獲取兩盤準(zhǔn)確的形變速率差,也難以推斷斷層的活動方式屬蠕滑還是黏滑。利用形變速率剖面對薊運河斷裂位置的判斷結(jié)果基本和實際探測結(jié)果一致(圖1、圖5)(4)天津市地震局.薊運河斷裂探測和地震危險性評價技術(shù)報告,2018.。

5 結(jié)論

(1) 論文通過對薊運河展布區(qū)2014—2019年Sentinel-1數(shù)據(jù)的PS-InSAR處理分析表明,研究區(qū)受地面沉降干擾強烈地區(qū)在南部寧河一帶,北部地面沉降逐步減弱,在薊運河斷裂北段以北一帶基本無地面沉降現(xiàn)象。

(2) 研究區(qū)北部的形變速率在薊運河斷裂北段一帶在0 mm·a-1左右,向北隨遠(yuǎn)離斷裂形變速率增大,表明薊運河斷裂具有一定的活動性,成為控制垂直形變分區(qū)的界線,研究區(qū)北部受近東西向燕山隆起控制,有向南掀斜運動的趨勢。

(3) 薊運河斷裂北段2014—2019年兩盤的視線向相對形變速率差約為1.83 mm·a-1,活動方式為黏滑。薊運河斷裂南段受寧河大型地面沉降的影響,無法獲得該段斷裂兩盤形變速率差的具體數(shù)值,根據(jù)剖面分析推測其兩盤形變速率差小于2.96 mm·a-1。與2005—2012薊運河斷裂垂直形變水準(zhǔn)測量結(jié)果(2.24 mm·a-1)(5)中國地震局第一監(jiān)測中心.天津區(qū)域現(xiàn)今地殼形變監(jiān)測研究,2014.相比差別不大,表明薊運河斷裂2005年以來活動速率較為穩(wěn)定。

(4) 在受到地面沉降影響下,隱伏斷裂的InSAR形變場包含更多的非構(gòu)造信息,無法獲取斷裂的具體形變速率。但斷裂活動會導(dǎo)致斷裂兩盤含水層厚度發(fā)育不同,地下水超采造成的地面沉降幅度也不同,相應(yīng)的其InSAR形變場在斷裂兩盤出現(xiàn)突變,對隱伏斷裂的位置判定有一定意義。