孟秀軍 屈春燕 單新建 馬 超 徐小波

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作 454000

0 引言

西秦嶺北緣斷裂帶位于青藏高原東北部，是中國(guó)一條重要的NWW向區(qū)域性活動(dòng)斷裂和地質(zhì)構(gòu)造分界線。該斷裂帶東起天水市西北的鳳凰山南麓，大致往NWW方向延伸，經(jīng)甘谷、武山、漳縣、車廠溝、鍋麻灘，延至樓勒山麓，全長(zhǎng)約250km，往西延入青海境內(nèi)。該斷裂帶在平面上具有分段性，由幾條方向大致相近的斷裂組成，大致可分為3段:1)斷裂帶東段(渭河堡—鳳凰山段);2)斷裂帶中段(渭河堡—洮河段);(3)斷裂帶西段(洮河以西)為鍋麻灘斷裂(滕瑞增等，1994;袁道陽(yáng)等，1999)。西秦嶺北緣斷裂帶是發(fā)育歷史悠久的超殼深斷裂帶，也是一條主要的強(qiáng)震發(fā)生帶，其地震地貌類型豐富，橫切一系列時(shí)代不同的山脊和階地，穿越一系列規(guī)模不等的河流和沖溝。在該斷裂帶上先后發(fā)生過多次強(qiáng)烈地震，斷裂帶東段發(fā)生5級(jí)以上的地震達(dá)11次，其中6～7級(jí)地震5次(其中6.5級(jí)2次、7級(jí)2次)。斷裂帶中段震級(jí)較小，還沒有5級(jí)以上的記錄(袁道陽(yáng)等，2007)。據(jù)康來迅等(1999)的分析，由于東段斷裂左旋走滑運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最大和西段形態(tài)特殊的原因，所以地震活動(dòng)頻度較高、震級(jí)較大。斷裂帶東、西兩端地震活動(dòng)較強(qiáng)，中段較弱。

很多研究表明，斷裂帶會(huì)引起地殼形變也會(huì)產(chǎn)生一系列的地質(zhì)災(zāi)害，比如地面塌陷、裂縫、山體開裂、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害(吳珍漢等，2005;徐志文，2006;張培震等，2008;王衛(wèi)民等，2008;郭進(jìn)京等，2009)。位于青藏高原東北緣的西秦嶺也是滑坡、崩塌和泥石流地質(zhì)災(zāi)害非常嚴(yán)重的地區(qū)。為了研究這條斷裂帶的現(xiàn)今活動(dòng)特征，李延興等(1996)在斷裂帶兩側(cè)布設(shè)了一個(gè)GPS網(wǎng)，共埋設(shè)14個(gè)GPS點(diǎn)，大多數(shù)GPS點(diǎn)分布在斷裂帶的東段和中段兩側(cè)。在1996年、1997年和1998年分別進(jìn)行了3次觀測(cè)。最后得出該斷裂帶區(qū)域的地殼總體上向SE方向運(yùn)動(dòng)，并且斷裂帶南側(cè)的位移速率比北側(cè)大3.8mm/a(李延興等，1999)?？祦硌?1994)根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查和14C年代資料的分析研究該斷裂帶晚更新世晚期以來左旋走滑運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，得到該斷裂帶渭河Ⅱ級(jí)階地形成以來，東段左旋走滑運(yùn)動(dòng)速率為8.14mm/a，中段左旋走滑運(yùn)動(dòng)的平均速率為4.94mm/a，西段的形態(tài)特征為曲率較小的弧形，其運(yùn)動(dòng)速率比東段弱(康來迅等，1999)。李傳友等(2005)利用全站儀測(cè)量的大比例尺地形等高線圖得到?jīng)_溝的錯(cuò)位和沖溝附近沉積的14C的年齡，分析得到西秦嶺北緣斷裂帶黃香溝段(位于整個(gè)斷裂帶的西段)全新世以來平均滑動(dòng)速率為(2.94±0.15)mm/a。

測(cè)量斷層活動(dòng)引起的地殼形變現(xiàn)象是地震預(yù)測(cè)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，測(cè)定地殼形變的方法有很多，主要有地質(zhì)學(xué)方法儀器測(cè)量、大地水準(zhǔn)測(cè)量、GPS觀測(cè)網(wǎng)等(張景發(fā)等，2006)。現(xiàn)今隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，InSAR技術(shù)也為精確提取地殼形變場(chǎng)提供了有力的工具。利用該技術(shù)可以快速精準(zhǔn)地獲取同震及震后地表形變場(chǎng)的整體形態(tài)及變化特征，揭示地震引起的地表位移的空間分布、變化趨勢(shì)及地震地表破裂帶的幾何形態(tài)與規(guī)模，進(jìn)而為震源斷層參數(shù)反演及地震成因機(jī)理的認(rèn)識(shí)提供依據(jù)。但是軌道數(shù)據(jù)誤差、相位解纏誤差、大氣誤差和時(shí)間空間失相干會(huì)導(dǎo)致InSAR測(cè)量精度的降低，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致干涉處理無法進(jìn)行。而PS－InSAR技術(shù)大幅度提升了InSAR在地殼形變測(cè)量中的應(yīng)用空間(朱建軍等，2011)，其可以利用多時(shí)相的SAR影像和相對(duì)穩(wěn)定像素點(diǎn)集來獲取地表形變達(dá)到mm級(jí)的精度，在解決時(shí)間失相干的同時(shí)，計(jì)算并消除大氣影響可以保證干涉處理的正常進(jìn)行，大大提高了干涉測(cè)量的精度和可靠性(邢學(xué)敏等，2011)。目前，已有很多學(xué)者采用PS－InSAR技術(shù)用于斷層活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，并取得了較好的結(jié)果(姜文亮，2007;屈春燕等，2011)。

1 PS－InSAR技術(shù)基本原理

在重復(fù)軌道干涉測(cè)量中，大氣、時(shí)間去相干和基線距去相干等因素大大降低了干涉的質(zhì)量，使得干涉應(yīng)用無法進(jìn)行。Ferretti等(2001，2002)提出一項(xiàng)新的PS技術(shù)，可以結(jié)合多幅SAR影像進(jìn)行綜合相位分析，分離出地形殘差，大氣相位等相位分量，從而提取出形變信息。

PS－InSAR技術(shù)實(shí)質(zhì)上仍是一種雷達(dá)差分干涉處理技術(shù)，但與D-InSAR技術(shù)不同的是，PS－InSAR技術(shù)充分利用在長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)仍保持高相干，并且小于像元尺寸的永久散射體，采用二維線性(或非線性)相位回歸分析模型對(duì)高相干點(diǎn)的差分干涉相位回歸分析獲取微小形變，即使基線距的長(zhǎng)度超過臨界基線距也能夠保持相干，克服了常規(guī)D-InSAR技術(shù)的空間、時(shí)間失相干和大氣相位延遲等影響。

PS－InSAR是針對(duì)高相干像素點(diǎn)的相位處理，其干涉相位φint由形變相位φdef、地形相位φtopo、橢球體相位(平地相位)φflat、大氣相位φatm及噪聲相位φnoi等5部分組成:其差分相位φdiff由2次成像地表形變相位φdef、外部DEM高程誤差所引入的地形相位誤差φtopo_error、衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)誤差所導(dǎo)致的殘余平地相位φflat_error、2次成像大氣介質(zhì)不均一性帶來的殘余大氣相位φatm和殘余噪聲相位φnoi組成。

式(4)中:B⊥為空間垂直基線，R為雷達(dá)到地面目標(biāo)的斜距，λ為微波波長(zhǎng)，θ為微波信號(hào)入射角，Δh為地表形變高程相位，設(shè)地表形變?yōu)榫€性且形變速率為V，d=V·T，T為發(fā)生形變的時(shí)間間隔。

式(7)為相干目標(biāo)點(diǎn)上的二維線性相位模型，回歸分析以離散點(diǎn)目標(biāo)上的差分相位φdiff為處理對(duì)象，通過多次迭代計(jì)算，去除殘余相位中的相位誤差，反復(fù)估計(jì)地形改正值和線性形變速率改正值，不斷更新地形模型和線性形變速率模型，估計(jì)最佳Δherror和v，使得回歸模型相位與觀測(cè)的差分相位達(dá)到最佳擬合，這時(shí)得到最佳的線性形變速率模型。進(jìn)一步計(jì)算形變相位和位移過程。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)概況及SAR數(shù)據(jù)介紹

本文選用的實(shí)驗(yàn)區(qū)為斷裂帶東段甘谷縣所在地區(qū)，如圖1所示。該地區(qū)最高海拔3100m，平均海拔為1500～2000m，另外，隴海鐵路與316國(guó)道一起沿渭河貫穿這個(gè)縣城，渭河兩岸為小沖積平原，地勢(shì)平坦，有很多城鎮(zhèn)和村落，且偏遠(yuǎn)的山區(qū)也有許多小的村莊，這些城鎮(zhèn)的建筑物和小村莊以及裸露的山脊都為PS選點(diǎn)提供了良好的目標(biāo)點(diǎn)源。

利用PS－InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼形變需要同一地區(qū)大量的影像以保證較高的計(jì)算精度。本次實(shí)驗(yàn)采用的是歐空局的ENVISAT ASAR降軌數(shù)據(jù)，從2008年5月至2010年9月共14景數(shù)據(jù)。ENVISAT衛(wèi)星由歐空局2002年發(fā)射，搭載的雷達(dá)傳感器ASAR工作波段為5.6cm(C波段)，外部DEM數(shù)據(jù)采用的是美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室SRTM(90m分辨率)。所采用SAR數(shù)據(jù)干涉像對(duì)時(shí)空基線分布見表1。為了更好地研究斷裂帶的活動(dòng)情況，并且提取到更多的PS點(diǎn)，本文選取了包含甘谷縣城的橫跨斷裂帶的區(qū)域，其范圍約為16.5km×40.6km。

2.2 研究區(qū)PS－InSAR處理

本研究采用GAMMA軟件的IPTA模塊來處理所獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù):

圖1 研究區(qū)地理位置分布Fig.1 SRTM DEM of the test study area and SAR coverage.

(1)SAR影像的輻射校正。要對(duì)所有的SAR影像進(jìn)行輻射校正，將時(shí)序SAR影像振幅值歸化到同一基準(zhǔn)，這樣才具有可比性，探測(cè)出更準(zhǔn)確可靠的PS點(diǎn)。

(2)主影像的確定和影像配準(zhǔn)。主圖像的選擇要考慮多普勒中心、垂直基線、大氣延遲相位和成像時(shí)間間隔等因素，根據(jù)這些因素，選取了2009年11月4日的影像作為主影像，其他的SAR圖像都與此主影像來構(gòu)成干涉對(duì)。然后，對(duì)所有干涉對(duì)進(jìn)行偏移量估計(jì)，將各輔圖像都重采樣到主圖像的幾何空間，距離向、方位向的配準(zhǔn)精度都要達(dá)到0.2 pixel。

(3)PS選點(diǎn)及參考點(diǎn)的選擇。PS點(diǎn)的選取就是從SAR影像中挑選出那些散射特性強(qiáng)而且穩(wěn)定的像素。研究區(qū)內(nèi)只有渭河流域兩岸為沖積小平原，甘谷縣城位于此，因此縣城城區(qū)的建筑物為PS選點(diǎn)提供了良好的目標(biāo)源，在圖中可以看出甘谷縣城所選的PS點(diǎn)較密集，而山區(qū)較為稀疏。北部山區(qū)為六盤山余脈，南部為西秦嶺山脈，在山區(qū)，PS點(diǎn)主要是山脊線和裸露的巖石。在IPTA中利用2種不同的點(diǎn)目標(biāo)提取方法，一種是利用點(diǎn)目標(biāo)特殊的光譜特征來識(shí)別點(diǎn)目標(biāo)，另一種是基于散射強(qiáng)度的穩(wěn)定性識(shí)別PS點(diǎn)。結(jié)合這2種方法得到初選的PS點(diǎn)共51390個(gè)點(diǎn)，如圖2所示。因?yàn)楦使瓤h城平坦而且離斷裂帶較近，相對(duì)較穩(wěn)定，所以參考點(diǎn)選在甘谷縣城。

表1 所用SAR數(shù)據(jù)的基線分布Table1 Distribution of interference baseline

圖2 平均強(qiáng)度圖像(a)與所選PS點(diǎn)目標(biāo)(b)Fig.2 The average intensity image(a)and selected point targets(b).

(4)PS點(diǎn)相位的差分干涉和回歸分析。甘谷實(shí)驗(yàn)區(qū)是對(duì)14對(duì)干涉像對(duì)進(jìn)行差分干涉處理。PS點(diǎn)的初始差分相位是從點(diǎn)的干涉相位中去除DEM模擬生成的點(diǎn)的地形相位。初始差分干涉相位噪聲比較大，因?yàn)槌跏枷辔荒Ｐ桶鞣N誤差，例如形變相位、基線誤差相位，大氣相位和地形誤差相位。

IPTA將通過多次回歸分析，不斷地進(jìn)行各種誤差的消除，并逐步逼近真實(shí)的線性形變模型。其中回歸分析采用2種算法，分塊回歸分析和單塊回歸分析。綜合這2種算法對(duì)高質(zhì)量層多次進(jìn)行回歸分析，得到可靠參數(shù)估計(jì)，如圖3中高程誤差校正值逐漸減小，使得結(jié)果更接近真實(shí)值。同時(shí)通過觀測(cè)殘余相位的平滑程度來判斷高質(zhì)量的層，如圖4中殘余相位通過多次回歸分析之后點(diǎn)顏色較平滑的表明解纏成功(圖3，4中SAR圖像范圍見圖2中黃色框范圍)。

圖3 不同回歸次數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)得到的高程校正對(duì)比Fig.3 The elevation correction of point data obtained by different regression.

圖4 不同回歸次數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)得到的殘余相位對(duì)比Fig.4 The residual phase of point data obtained by different regression.

2.3 處理結(jié)果和初步分析

通過上述一系列的處理，得到西秦嶺北緣斷裂帶中甘谷實(shí)驗(yàn)區(qū)的PS形變速率分布圖，進(jìn)行地理編碼后如圖5所示:

圖5 研究區(qū)形變速率圖Fig.5 Deformation rate diagram of the test study area.

圖5為處理得到的實(shí)驗(yàn)區(qū)點(diǎn)目標(biāo)線性形變速率圖。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)區(qū)所有點(diǎn)目標(biāo)，色調(diào)分布還比較均勻，無局部非均勻色塊。斷裂北盤綠色點(diǎn)居多，斷裂南盤，紫紅色點(diǎn)居多，整體上這一區(qū)域的形變趨勢(shì)一致。

北盤大多為綠色的點(diǎn)，值在－1～－2mm/a，南盤大多為紫紅色的點(diǎn)，其值為3～4mm/a，兩盤的相對(duì)滑動(dòng)速率約為5mm/a。北盤形變方向?yàn)樨?fù)，即衛(wèi)星與地面點(diǎn)間距離的增加，在降軌右視模式下就表示點(diǎn)目標(biāo)沉降或向西運(yùn)動(dòng)。南盤形變方向?yàn)檎?，即衛(wèi)星與地面點(diǎn)間距離的減少，在降軌右視模式下就表示點(diǎn)目標(biāo)隆升或向東運(yùn)動(dòng)。假設(shè)點(diǎn)目標(biāo)只做水平運(yùn)動(dòng)，沒有垂直運(yùn)動(dòng)，則北盤點(diǎn)目標(biāo)的西向運(yùn)動(dòng)恰和南盤的點(diǎn)目標(biāo)向東運(yùn)動(dòng)與西秦嶺北緣斷裂的左旋走滑方向一致，且南盤的位移速率要大于北盤。與李延興等(1999)采用GPS觀測(cè)的是整個(gè)西秦嶺斷裂帶總體兩盤相對(duì)滑動(dòng)速率為3.8mm/a、康來迅等(1999)得出斷裂帶東段的走滑運(yùn)動(dòng)速率為8.14mm/a相接近。因此這一結(jié)果可以用來判斷當(dāng)前西秦嶺北緣斷裂帶東段現(xiàn)今活動(dòng)特征。

圖6為抽取實(shí)驗(yàn)區(qū)4個(gè)PS點(diǎn)的累積位移曲線，點(diǎn)的位置見圖5。從圖6中可以看出這些點(diǎn)的形變過程有良好的線性形變趨勢(shì)。點(diǎn)a和點(diǎn)b位于西秦嶺北緣斷裂帶的北側(cè)，點(diǎn)a的平均移動(dòng)速率為－2.1mm/a，點(diǎn)b的平均移動(dòng)速率為－1.6mm/a，點(diǎn)e和點(diǎn)d位于西秦嶺北緣斷裂帶的北側(cè)，點(diǎn)c的平均移動(dòng)速率為3.5mm/a，點(diǎn)d的平均移動(dòng)速率為4.2mm/a。從圖6中也可以看出點(diǎn)a和點(diǎn)b累積位移量大體一致，點(diǎn)c和點(diǎn)d累積位移量大體一致。

圖6 研究區(qū)部分點(diǎn)目標(biāo)的形變歷史曲線Fig.6 Deformation history curve of part of point targets in test study area.

3 結(jié)論

本文采用PS－InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)西秦嶺北緣斷裂帶甘谷地區(qū)的微小形變，得到2008—2010年斷裂帶北盤的運(yùn)動(dòng)速率為－1～－2mm/a，南盤的運(yùn)動(dòng)速率為3～4mm/a，符合其左旋走滑的特征。兩盤的相對(duì)滑動(dòng)速率約為5mm/a，這與李延興等(1999)采用GPS測(cè)量的結(jié)果較一致。這也表明PS－InSAR可以較精確地監(jiān)測(cè)到地殼微小形變。

由于目前只選取了斷裂帶東段的一部分作為實(shí)驗(yàn)區(qū)并獲得其結(jié)果，為了全面監(jiān)測(cè)西秦嶺北緣斷裂帶的微小形變，需要進(jìn)一步選取斷裂帶中段和西段進(jìn)行試驗(yàn)，考慮到西秦嶺斷裂帶復(fù)雜的地貌，可以設(shè)置一定數(shù)量的人工角反射器來提高監(jiān)測(cè)的精度。

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