屈春燕 單新建 張國(guó)宏 徐小波 宋小剛 張桂芳 劉云華

(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)

0 引言

利用InSAR測(cè)量與地震有關(guān)的量級(jí)較大的地面運(yùn)動(dòng)已是成熟的技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)外多個(gè)強(qiáng)震的同震形變場(chǎng)提取和地表破帶識(shí)別中發(fā)揮了不可替代的重要作用(Ken et al.，2009;Li et al.，2011)。但是如何通過(guò)InSAR技術(shù)高精度、高密度地測(cè)量震間斷裂帶的活動(dòng)強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變積累速率，了解地震孕育階段斷層的活動(dòng)習(xí)性和動(dòng)態(tài)過(guò)程，為準(zhǔn)確評(píng)估斷層的地震危險(xiǎn)性，合理推測(cè)未來(lái)大震發(fā)生的可能性提供觀測(cè)依據(jù)是地震科學(xué)研究中更為迫切的需求。近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的時(shí)序InSAR技術(shù)，如多干涉圖疊加技術(shù)(Interferogram Stacking)、永久散射體技術(shù)(Permanent or Persistent Scatterers，PS)、小基線(xiàn)集方法(Small Baseline Subset，SBAS)等，通過(guò)對(duì)多年SAR數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析，克服了常規(guī)單像對(duì)InSAR面臨的干涉失相干和低信噪比的局限性，實(shí)現(xiàn)了地表微小形變的大面積、高精度遙感測(cè)量(Ferretti et al.，2001;Kampes et al.，2003;Hopper et al.，2004;Kim et al.，2007;王艷等，2007;廖明生等，2012)?？梢哉f(shuō)時(shí)序In-SAR技術(shù)是干涉測(cè)量領(lǐng)域又一次里程碑式的進(jìn)步，它為觀測(cè)研究斷裂帶現(xiàn)今活動(dòng)性提供了全新的技術(shù)手段。利用該技術(shù)，我們有望對(duì)斷裂帶地殼形變場(chǎng)的空間分布模式、動(dòng)態(tài)演化過(guò)程、斷層相互作用與關(guān)聯(lián)性等進(jìn)行精細(xì)研究。

海原斷裂帶是中國(guó)大陸西部重要的活動(dòng)地塊邊界構(gòu)造帶，也是重要的強(qiáng)震活動(dòng)帶，1920年發(fā)生在該斷裂帶上的海原8.5級(jí)大地震，造成10.5m的左旋走滑位移和幾乎整個(gè)斷裂帶的貫通性破裂(國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。90多年過(guò)去了，這條斷裂的現(xiàn)今活動(dòng)性如何，地震危險(xiǎn)性有多大一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。許多學(xué)者已對(duì)海原斷裂的現(xiàn)今活動(dòng)速率開(kāi)展了大量研究，其中基于地形地貌特征和測(cè)年的地質(zhì)學(xué)方法研究結(jié)果表明，海原斷裂帶左旋走滑速率一般在3～8mm/a之間(張培震等，2003;Li et al.，2009);基于GPS等大地測(cè)量方法得到的結(jié)果是，海原斷裂帶表現(xiàn)為顯著的左旋運(yùn)動(dòng)特征，其遠(yuǎn)場(chǎng)位移揭示的海原斷裂左旋活動(dòng)速率為3～10mm/a(甘衛(wèi)軍等，2005;崔篤信等，2009);而國(guó)外學(xué)者Lasserre等(2002)用傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)方法所確定的海原斷裂滑動(dòng)速率則為(8±4)mm/a～(12±4)mm/a。這些結(jié)果都是由稀疏離散點(diǎn)觀測(cè)得到的，隨著觀測(cè)點(diǎn)位置和密度的不同，得到的結(jié)果有差異。這一方面可能是在斷裂帶的不同位置運(yùn)動(dòng)速率本來(lái)就不同，另一方面單點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果互不制約也可能造成不一致。大范圍連續(xù)觀測(cè)的時(shí)序InSAR技術(shù)，可以獲得斷裂帶地殼運(yùn)動(dòng)的整體圖像和動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而是現(xiàn)有定點(diǎn)觀測(cè)手段的良好補(bǔ)充。本文以海原斷裂中段為實(shí)驗(yàn)區(qū)開(kāi)展時(shí)序InSAR地殼微小形變的觀測(cè)研究。根據(jù)野外考察情況，實(shí)驗(yàn)區(qū)地形和地表覆蓋類(lèi)型比較復(fù)雜，裸露的山地、農(nóng)田植被和城鎮(zhèn)村落均有分布，因此，我們首先采用基于永久散射體的PSInSAR方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。今后還將利用SBAS，Stacking等多種方法開(kāi)展觀測(cè)和對(duì)比研究。

在對(duì)海原斷裂帶開(kāi)展PSInSAR微小形變觀測(cè)研究的同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多條斷裂上獲得的 InSAR 研究成果(Wright et al.，2001;Fialko et al.，2006;Biggs et al.，2007;Cavaliéet al.，2008;Elliott et al.，2008;Wang et al.，2009;Bell et al.，2011)，對(duì)現(xiàn)有幾種時(shí)序 InSAR 技術(shù)方法的基本原理、特點(diǎn)和適應(yīng)性等進(jìn)行了總結(jié)和介紹;在此基礎(chǔ)上，對(duì)時(shí)序InSAR斷層活動(dòng)性觀測(cè)研究中的若干問(wèn)題進(jìn)行了探討，以期推進(jìn)時(shí)序InSAR斷層活動(dòng)性研究進(jìn)展。

1 現(xiàn)有時(shí)序InSAR技術(shù)方法概述

震間地殼形變量級(jí)很小，除了一些主要板塊邊界斷層，比如美國(guó)加州的圣安德烈斯斷層，震間滑動(dòng)速率可以達(dá)到30～40mm/a外，大陸內(nèi)部斷層的滑動(dòng)速率以2～5mm/a最為典型(Fialko et al.，2006)。所以在短時(shí)間內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)由于量級(jí)小而被來(lái)自大氣、地形和軌道等的各項(xiàng)誤差所干擾甚至掩蓋。相隔較長(zhǎng)時(shí)間如3～5a，地殼形變可能積累到一定量級(jí)能夠被識(shí)別，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，地表散射特性變化大，又使長(zhǎng)時(shí)間基線(xiàn)的干涉對(duì)嚴(yán)重失相干，根本無(wú)法進(jìn)行有效干涉測(cè)量。

為了克服常規(guī)單像對(duì)InSAR在地表長(zhǎng)期緩慢微小形變測(cè)量中的局限性，近年來(lái)已提出一些新的InSAR技術(shù)方法，如多干涉圖疊加技術(shù)(Interferogram Stacking)、永久散射體技術(shù)(Permanent or Persistent Scatterers，PS)及小基線(xiàn)集方法(Small Baseline Subset，SBAS)等。這些方法雖然具體算法和流程有所不同，但在本質(zhì)上都是通過(guò)對(duì)大量SAR數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析(InSAR time-series analysis)，根據(jù)不同相位成分的時(shí)空變化特征，將這些在單幅干涉圖上無(wú)法分辨的量級(jí)相當(dāng)?shù)南辔恍畔⒌靡哉_地識(shí)別和區(qū)分，從而達(dá)到提取高精度地表形變信號(hào)的目的。其中，多干涉圖疊加方法(Interferogram Stacking)是將多幅差分干涉紋圖進(jìn)行線(xiàn)性疊加、提高結(jié)果中形變信息對(duì)大氣干擾的相對(duì)精度的一種方法。其基本思路是，干涉圖中包含的大氣擾動(dòng)相位可視為隨機(jī)量，而地表形變信號(hào)可近似為線(xiàn)性變化。將多幅獨(dú)立干涉圖對(duì)應(yīng)的解纏相位疊加起來(lái)，所得到的形變相位對(duì)應(yīng)著累加時(shí)間內(nèi)的形變量，而疊加后的大氣誤差相位卻得到消弱，這樣疊加相位中形變信息和大氣誤差項(xiàng)之間的信噪比就提高了(Fialko et al.，2006;Elliott et al.，2008)。通常的做法是先利用常規(guī)D-InSAR方法生成一系列差分干涉紋圖，然后選取其中相干性較好，含有構(gòu)造形變信息的干涉圖進(jìn)行疊加，從而增強(qiáng)干涉紋圖的清晰度，抑制大氣效應(yīng)。干涉圖疊加方法可以對(duì)整景SAR圖像或包含多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)景的條帶SAR圖像進(jìn)行整體處理，一次性獲得較大區(qū)域上的形變場(chǎng)圖像。因此，利用Stacking InSAR技術(shù)，我們可以觀測(cè)到數(shù)百km范圍的大區(qū)域mm級(jí)地殼形變速率場(chǎng)。一個(gè)條帶影像可以跨越多個(gè)斷裂帶，而不單單是一條斷裂，因而得到的觀測(cè)結(jié)果不僅能反映單條斷裂兩盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)差異和形變趨勢(shì)，而且還可以揭示不同斷裂帶之間形變場(chǎng)的過(guò)渡和銜接關(guān)系，便于研究相鄰斷裂帶及多條斷裂帶之間的相互作用。而通過(guò)相鄰條帶的拼接還可以獲得覆蓋整個(gè)斷裂帶的更大區(qū)域上的形變場(chǎng)圖像，便于研究斷裂帶的分段活動(dòng)性和各段落的差異運(yùn)動(dòng)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在相干性好的區(qū)域已經(jīng)開(kāi)展了很多基于Stacking方法的研究，并獲得多條斷層的震間形變速率場(chǎng)，如美國(guó)加州圣安德烈斯斷層滑動(dòng)速率(Fialko et al.，2006)、土耳其安托利亞斷層的滑動(dòng)速率(Wright et al.，2001)以及中國(guó)青藏高原及其東北緣地區(qū)的多條活動(dòng)斷層的現(xiàn)今形變特征等(Cavaliéet al.，2008;Elliott et al.，2008;Wang et al.，2009)。但是 Stacking InSAR技術(shù)本質(zhì)上仍是基于面觀測(cè)的傳統(tǒng)干涉方法，要求研究區(qū)域整體相干性較好，至少要具有一些片狀連續(xù)的相干區(qū)域。因此，這種方法在干旱、半干旱，植被稀疏的地區(qū)更為適宜。另外，實(shí)際應(yīng)用中這種方法只挑選少量相干性好的干涉圖用于疊加分析和形變信息提取，而大量相干性低的干涉圖被舍棄。這樣積累的SAR數(shù)據(jù)得不到充分利用，累積觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)也受到限制?；谙笤母缮娣椒?PSInSAR、SBAS等)可以彌補(bǔ)這方面的不足。

PSInSAR與SBAS兩種方法類(lèi)似，都是基于高相干散射體上穩(wěn)定可靠的相位信息，通過(guò)相位模型迭代擬合的方法來(lái)估計(jì)和去除各類(lèi)誤差項(xiàng)，達(dá)到提取微小形變信號(hào)的目的。其中，PS方法是利用那些在大量長(zhǎng)時(shí)間序列SAR圖像中保持相干的點(diǎn)目標(biāo)(Point Target)來(lái)提取高精度形變信息。點(diǎn)目標(biāo)是指那些具有一定幾何形狀、尺寸小于一個(gè)像元，但其散射在一個(gè)像元中起主導(dǎo)作用的雷達(dá)目標(biāo)(如建筑物、裸露巖石、角反射器等)(Wright et al.，2001)。這種點(diǎn)目標(biāo)的散射不僅在長(zhǎng)時(shí)間上是穩(wěn)定的，而且在空間上也幾乎不受幾何失相干的影響，因此，被稱(chēng)作永久散射體(Permanent or Persistent Scatterers)(Ferretti et al.，2001;Kampes et al.，2003;王艷等，2007)。PS方法依據(jù)空間垂直基線(xiàn)、時(shí)間間隔和多普勒中心頻率差異最小，所有干涉對(duì)總體相干性最優(yōu)的原則，選取惟一主圖像，構(gòu)建干涉對(duì)。由于同時(shí)克服了時(shí)間空間失相干問(wèn)題，可將在時(shí)間上相隔數(shù)年，在空間上到達(dá)臨界基線(xiàn)甚至超過(guò)臨界基線(xiàn)的干涉對(duì)全都用上。理論上PS方法適用性更強(qiáng)，不僅適用于相干性好的干旱、半干旱地區(qū)，在山區(qū)及有植被農(nóng)田覆蓋的低相干區(qū)，只要有一些零星的相干點(diǎn)目標(biāo)存在(如民房、高壓線(xiàn)塔、大壩等)，就可以進(jìn)行有效的斷層形變干涉測(cè)量。

小基線(xiàn)集方法(SBAS)關(guān)注的是那些經(jīng)過(guò)距離向光譜濾波、方位向去除多普勒頻率不重疊部分處理后短時(shí)間間隔內(nèi)失相關(guān)現(xiàn)象變得很小的像素點(diǎn)(或稱(chēng)為緩慢失相關(guān)濾波相位像素點(diǎn):Slow Decorrelation Filtered Pixel，SDFP)(Hopper et al.，2004)。這些在短時(shí)間間隔內(nèi)保持高相干的像素點(diǎn)不僅包含點(diǎn)目標(biāo)，還有分布目標(biāo)，如空曠的場(chǎng)地和那些幾何形狀并不很規(guī)則的地物。SBAS方法應(yīng)用給定空間基線(xiàn)和時(shí)間基線(xiàn)門(mén)限值以?xún)?nèi)的所有干涉對(duì)組合，這樣可以形成多個(gè)獨(dú)立干涉圖的子集。由于在影像自由組合干涉時(shí)對(duì)基線(xiàn)進(jìn)行了限制，從而保證了每幅干涉圖的高相干性，最小化了時(shí)空失相干效應(yīng)和DEM誤差。在對(duì)多個(gè)干涉圖子集進(jìn)行聯(lián)合求解時(shí)，SBAS采用奇異值分解法(Singular Value Decomposition，SVD)進(jìn)行最小二乘求解，增加了時(shí)間采樣(Hopper et al.，2004)。這種方法的優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)小基線(xiàn)原則任意組建多組影像干涉對(duì)，充分利用在短時(shí)間內(nèi)保持相干的點(diǎn)目標(biāo)或分布目標(biāo)，從而大大增加了干涉對(duì)的數(shù)量，相當(dāng)于增加了多余觀測(cè)值，拉長(zhǎng)了觀測(cè)時(shí)間，在數(shù)據(jù)量較少的情況下，也能開(kāi)展有效的干涉測(cè)量。另外，SBAS方法對(duì)空間相關(guān)位移的觀測(cè)更加強(qiáng)健，允許監(jiān)測(cè)大的位移速率。

上述幾種時(shí)序InSAR技術(shù)在地面沉降、礦區(qū)沉陷和斷層活動(dòng)等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，但針對(duì)不同的觀測(cè)環(huán)境(如地形、地面覆蓋情況、植被發(fā)育程度等)和數(shù)據(jù)積累情況，可能其中某一種方法效果更佳。因此，在實(shí)際應(yīng)用中我們需要根據(jù)目標(biāo)斷層區(qū)域的相干性和擁有的數(shù)據(jù)量來(lái)選擇合適的處理方法。

2 海原斷裂帶中段PSInSAR觀測(cè)研究實(shí)例

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)及SAR數(shù)據(jù)介紹

本文研究所選實(shí)驗(yàn)區(qū)為祁連山海原斷裂帶，地形地貌上為溝壑縱橫的黃土質(zhì)山區(qū)，最高海拔約2 500m，平均海拔1 700m～2 000m，氣候干燥，植被稀薄。在地形相對(duì)平坦開(kāi)闊的地方大都有城鎮(zhèn)和村莊分布，這為PS點(diǎn)選取提供了良好的相干點(diǎn)目標(biāo)源，因此，該區(qū)域適合PSIn-SAR觀測(cè)研究。實(shí)驗(yàn)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和SAR圖像覆蓋范圍如圖1所示。研究所用SAR數(shù)據(jù)為歐空局的ENVISAT ASAR雷達(dá)數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星于2002年3月發(fā)射，到2010年10月因壽命過(guò)期出現(xiàn)故障而停止提供數(shù)據(jù)。我們積累到覆蓋海原斷裂中段200308—201003的17景ENVISAT ASAR雷達(dá)圖像(Track 2290，F(xiàn)rame 2871)(表1)。根據(jù)所有干涉對(duì)相干性最優(yōu)的原則，選取20050523作為主圖像，組成17個(gè)干涉像對(duì)的時(shí)空基線(xiàn)及配準(zhǔn)精度見(jiàn)圖2和表1。從中可以看出以20050523為主圖像，17個(gè)像對(duì)的垂直基線(xiàn)都比較小，有15個(gè)像對(duì)的垂直基線(xiàn)在400m以下，整體相干性高;而時(shí)間間隔都比較長(zhǎng)，有12個(gè)像對(duì)的時(shí)間基線(xiàn)超過(guò)3年。這樣的干涉對(duì)組合能夠確保后續(xù)處理得到良好結(jié)果。

2.2 SAR數(shù)據(jù)PSInSAR處理與結(jié)果分析

選用專(zhuān)業(yè)干涉處理軟件GAMMA為SAR數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，采用其中的相干點(diǎn)目標(biāo)處理模塊(IPTA:Interferometric Point Target Analysis)，對(duì)覆蓋海原斷裂中段的17景ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行PSInSAR時(shí)序分析處理。在處理之前，對(duì)SAR圖像進(jìn)行了輻射矯正和基于DORIS精軌數(shù)據(jù)的精密軌道矯正。選用已經(jīng)過(guò)空洞充填的SRTM DEM4去除地形相位。干涉對(duì)配準(zhǔn)采用了考慮地形起伏影響的查找表配準(zhǔn)算法(IPTA_users_guide of GAMMA Software，2006)，大大提高了像對(duì)的配準(zhǔn)精度。在精確配準(zhǔn)后的17個(gè)干涉像對(duì)上，根據(jù)單幅SLC圖像的光譜偏移特征(Spectral Diversity)和多幅SLC圖像的平均強(qiáng)度特征(Temporal variability of SLC intensity)，在實(shí)驗(yàn)區(qū)篩選出69 143個(gè)PS候選點(diǎn)(PSC)(圖3)。其中，圖3a為PSC的分布，圖3b為構(gòu)建的相位解纏三角網(wǎng)。從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)區(qū)PS點(diǎn)的分布并不均勻，在南北部山區(qū)PS點(diǎn)較密集;而在中部沿海原斷裂NW向展布的平坦區(qū)域及圖幅左下角黃河灘地上由于有較多農(nóng)田植被覆蓋，PS點(diǎn)分布稀疏。PS點(diǎn)初始差分相位中含有軌道殘余、地形殘余、大氣延遲及噪聲等多種相位誤差成分，利用二維線(xiàn)性相位模型，通過(guò)反復(fù)迭代擬合估計(jì)和去除各項(xiàng)誤差，并進(jìn)行Delaunay三角網(wǎng)相位解纏運(yùn)算，得到PS點(diǎn)線(xiàn)性形變速率及相應(yīng)的估計(jì)不確定性，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖1 海原斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造背景及SAR圖像覆蓋范圍Fig.1 Tectonic setting of the Haiyuan Fault zone and the coverage of ENVISAT/ASAR image.

表1 研究所用SAR數(shù)據(jù)及參數(shù)Table 1 SAR Data and interferometric parameters used in this study

圖2 研究中所用17個(gè)干涉對(duì)的垂直基線(xiàn)和時(shí)間間隔Fig.2 Perpendicular baselines and time interval of 17 image pairs used in this study.

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)PS候選點(diǎn)分布及構(gòu)建的相位解纏Delaunay三角網(wǎng)Fig.3 Distribution of PS candidates and Delaunay triangle net for phase unwrapping.

圖4為本文處理得到的海原斷裂中段PSInSAR形變速率場(chǎng)及其估計(jì)不確定性。其中，圖4 a為跨斷層PS點(diǎn)線(xiàn)性形變速率圖，所選PS點(diǎn)總數(shù)為59 584個(gè)，PS點(diǎn)密度達(dá)到159個(gè)/km2。從此圖可以看出，雖然PS點(diǎn)分布不均勻，但其反映的形變速率具有良好的趨勢(shì)性，顯示出明顯的跨斷層形變梯度。在斷層南盤(pán)以紅色—黃色點(diǎn)為主，在斷層北盤(pán)逐漸過(guò)渡為黃色—淡藍(lán)色點(diǎn)。在斷層南盤(pán)或北盤(pán)PS點(diǎn)顏色相對(duì)均勻，但兩盤(pán)對(duì)比存在明顯差異，其反映的視線(xiàn)向形變速率約在5mm/a左右，運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與左旋走滑一致。PS點(diǎn)的這些形變特點(diǎn)符合海原斷裂帶長(zhǎng)期緩慢變形特征。這一結(jié)果也與GPS和地質(zhì)學(xué)方法的基本一致。圖4b為實(shí)驗(yàn)區(qū)PS點(diǎn)高程分布圖，圖中黑色虛線(xiàn)表示1 700m高程線(xiàn)，在此線(xiàn)以上為實(shí)驗(yàn)區(qū)北部的陡峭山區(qū)，以下為相對(duì)平坦區(qū)域。圖4c、4d分別為PS點(diǎn)線(xiàn)性形變速率估計(jì)不確定性和高程矯正不確定性，從這2個(gè)圖可看出大多數(shù)PS點(diǎn)的形變速率估計(jì)不確定性在0.6mm/a以下，高程估計(jì)不確定性在2m以下;只有在實(shí)驗(yàn)區(qū)北部陡峭山區(qū)的少數(shù)PS點(diǎn)形變速率估計(jì)不確定性超過(guò)0.6mm/a，高程估計(jì)不確定性達(dá)到2～3m?？梢?jiàn)估計(jì)不確定性大的區(qū)域出現(xiàn)主要在高程約1 700m以上的陡峭山區(qū)，這說(shuō)明PSInSAR在平坦區(qū)域的解算精度要優(yōu)于陡峭山區(qū)。

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)PS點(diǎn)形變速率及其估計(jì)不確定性Fig.4 The rate map of PS points and its estimating uncertainty in the study area.

圖5 跨斷層形變速率剖面Fig.5 Profiles of the deformation rate across the central segment of the Haiyuan Fault.

圖5為跨斷層形變速率剖面，剖面位置如圖4a中的A—A'和B—B'所示，剖面方向從N向S，長(zhǎng)度約22km。其中，位于實(shí)驗(yàn)區(qū)東部的A—A'剖面(圖5a)，在斷層兩側(cè)顯示出明顯的形變速率梯度變化，在斷層北側(cè)形變速率約-6～-7mm/a，在斷層南側(cè)約-1～-2mm/a，兩側(cè)相對(duì)形變速率約5mm/a。這里需要注意是單純提及斷層兩盤(pán)的形變速率沒(méi)有太大意義，因?yàn)檫@個(gè)值與所選參考點(diǎn)有關(guān)，而斷層兩盤(pán)的相對(duì)形變速率是不隨參考點(diǎn)變化的，因而才是有意義的。在斷層附近跨斷層4～7km寬的范圍可能是形變轉(zhuǎn)換帶，這一區(qū)域由于PS點(diǎn)稀疏，形變值很少。位于實(shí)驗(yàn)區(qū)中部的剖面B—B'(圖5 b)，也顯示出跨斷層形變差異，斷層北側(cè)形變速率約在-5mm/a，南側(cè)則在0mm/a附近，兩盤(pán)相對(duì)形變速率仍在5mm/a左右，與A—A'剖面基本一致。

3 時(shí)序InSAR斷層近場(chǎng)形變提取若干問(wèn)題探討

3.1 時(shí)序InSAR斷層近場(chǎng)形變觀測(cè)的影響因素

相比于城市地面沉降、礦區(qū)沉降、高速公路和鐵路等的線(xiàn)性沉降，斷層帶地殼形變具有其明顯的特殊性。首先斷層形變量級(jí)小，變化非常緩慢，多數(shù)斷層的活動(dòng)強(qiáng)度是每年幾個(gè)mm，最多也就十幾個(gè)mm。在單一干涉對(duì)中構(gòu)造變形的信號(hào)幾乎被各類(lèi)噪聲相位所淹沒(méi);其次，中國(guó)的活動(dòng)斷層主要分布在人口相對(duì)稀疏、季節(jié)性植被發(fā)育的西部山區(qū)，整體相干性遠(yuǎn)不及人工建筑物密布的城區(qū);另外，斷層活動(dòng)多數(shù)為沿其走向的水平走滑運(yùn)動(dòng)，而InSAR對(duì)這種沿?cái)鄬铀叫巫兊拿舾行赃h(yuǎn)不及垂直形變，而且與斷層走向有關(guān)，當(dāng)斷層走向與衛(wèi)星軌道方向近垂直時(shí)，觀測(cè)效果較佳，而當(dāng)斷層走向與衛(wèi)星軌道方向近平行時(shí)，幾乎觀測(cè)不到斷層的走滑位移?？梢?jiàn)，InSAR斷層活動(dòng)性觀測(cè)的成功與否與目標(biāo)區(qū)域的相干性及斷層走向和斷層活動(dòng)速率大小等因素密切相關(guān)。因此，我們需要選擇相干性好的區(qū)域、活動(dòng)性強(qiáng)的斷層及合適的處理方法才有可能獲得好的觀測(cè)結(jié)果。

3.1.1 觀測(cè)區(qū)域的植被覆蓋情況

干涉像對(duì)的相干性主要取決于垂直基線(xiàn)、植被覆蓋和地形坡度這3個(gè)因素。垂直基線(xiàn)是第一位的先決條件。在單一像對(duì)的情況下垂直基線(xiàn)對(duì)相干性的影響是決定性的，如果衛(wèi)星2次觀測(cè)垂直基線(xiàn)過(guò)大，就很難獲得理想測(cè)量結(jié)果。但在基于大量數(shù)據(jù)的時(shí)序InSAR處理中，垂直基線(xiàn)對(duì)相干性的制約大大降低。一方面由于大量的SAR數(shù)據(jù)可以組成幾十個(gè)甚至更多的干涉對(duì)，這樣總能有一些垂直基線(xiàn)較小的干涉對(duì)可供使用。另一方面永久散射體時(shí)序InSAR方法充分利用了點(diǎn)目標(biāo)的散射特性，弱化了幾何失相干的影響，在一定程度上突破了垂直基線(xiàn)的制約。因此，在時(shí)序InSAR斷層形變觀測(cè)中，垂直基線(xiàn)不再是影響觀測(cè)成功與否的主要因素，而實(shí)驗(yàn)區(qū)的植被覆蓋情況成為至關(guān)重要的條件。在農(nóng)田植被繁茂的低相干區(qū)域，無(wú)論使用哪種方法都很難獲得理想的測(cè)量結(jié)果。在這些地區(qū)建議使用GPS等其他觀測(cè)方法。如果必須開(kāi)展InSAR干涉測(cè)量，那最好采用基于點(diǎn)干涉處理的PSInSAR/SBAS算法，借助相干性尚好的民房、高壓線(xiàn)鐵塔，以及布設(shè)一定數(shù)量的人工角反射器有望達(dá)到有效觀測(cè)結(jié)果，在這些地區(qū)開(kāi)展基于面干涉處理的Stacking方法可能是失效的。可見(jiàn)開(kāi)展InSAR斷層形變觀測(cè)研究要選取合適的區(qū)域。

3.1.2 目標(biāo)斷層的走向和活動(dòng)速率

由于雷達(dá)衛(wèi)星的測(cè)試成像觀測(cè)方式，InSAR觀測(cè)的形變速率只是斷層實(shí)際地表形變速率在衛(wèi)星視線(xiàn)方向的投影，即LOS向形變速率。斷層的實(shí)際形變可能是很復(fù)雜的，但任何一種地表形變都可以用SN向(N)、EW向(E)和垂直向(U)三分量形變來(lái)表達(dá)。3個(gè)方向的形變分量對(duì)InSAR視線(xiàn)向觀測(cè)都有貢獻(xiàn)，但敏感度不同。根據(jù)雷達(dá)側(cè)視成像的幾何關(guān)系，InSAR觀測(cè)的LOS形變(約定目標(biāo)遠(yuǎn)離衛(wèi)星為L(zhǎng)OS向沉降形變，靠近衛(wèi)星為L(zhǎng)OS向隆升形變)與地表三分量形變的關(guān)系為(洪順英，2010):

其中:dLOS表示InSAR視線(xiàn)向形變;dE，dN，dU表示E，N，U三分量形變;αk表示衛(wèi)星飛行方向與北向夾角(順時(shí)針)，αk-3π/2為方位視線(xiàn)方向，即距離向與北向的夾角(順時(shí)針為正)。這里以ENVISAT/ASAR雷達(dá)數(shù)據(jù)為例，中心入射角θ取23°，升軌模式αh約為346°，降軌模式αh約為193°。將這些參數(shù)帶入上式可計(jì)算得到升軌和降軌情況下，LOS向形變對(duì)地表E，N，U三分量形變的敏感性。

升軌情況:dLOS升=［dU，dN，dE］［0.932，-0.085，-0.353］T

降軌情況:dLOS降=［dU，dN，dE］［0.916，-0.094，0.391］T

上述2個(gè)關(guān)系式表明，不論是升軌還是降軌地表垂直形變對(duì)LOS向觀測(cè)的貢獻(xiàn)量都在90%以上，EW向水平形變對(duì)LOS向觀測(cè)的貢獻(xiàn)量約在35%～39%，而SN向水平形變的貢獻(xiàn)則最小，不足10%。也就是說(shuō)InSAR對(duì)斷層的垂直形變最敏感，其次對(duì)近EW走向斷層的水平走滑形變也較敏感，而對(duì)近SN向斷層的水平走滑形變幾乎觀測(cè)不到。

中國(guó)的活動(dòng)斷裂多數(shù)為走滑型斷層，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)既不是SN向的，也不是EW向的，而是沿?cái)鄬友由旆较虻乃阶呋\(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)一步闡明InSAR視線(xiàn)向形變與斷層水平走滑形變之間的關(guān)系，以降軌ENVISAT/ASAR數(shù)據(jù)為例來(lái)進(jìn)行定量考察(如圖6)。設(shè)Dstrike為沿?cái)鄬幼呦虻淖呋俾?，Ddip為垂直斷層走向的傾滑速率(向上為正)，Dlos表示沿衛(wèi)星視線(xiàn)方向的形變速率(靠近衛(wèi)星方向?yàn)檎?，θ為雷達(dá)脈沖入射角，α為衛(wèi)星軌道方位角(順時(shí)針與正北方向的夾角)，β為斷層走向(順時(shí)針與正北方向的夾角)，則衛(wèi)星觀測(cè)的視線(xiàn)向形變速率與沿?cái)鄬幼呋俾始按怪睌鄬觾A滑速率的關(guān)系為:

圖6 LOS形變速率與沿?cái)鄬铀阶呋俾实霓D(zhuǎn)換關(guān)系示意圖(以降軌ENVISAT/ASAR為例)Fig.6 Sketch map for conversion of LOS deformation to strike slip along a fault with ENVISAT/ASAR.

對(duì)于降軌ENVISAT/ASAR圖像，平均入射角θ取23°，衛(wèi)星軌道方位角α取192°，并設(shè)定斷層的水平走滑速率為5mm/a，將斷層走向從0°變化到360°，每隔30°取一個(gè)值，按上式計(jì)算相應(yīng)的LOS向形變速率，結(jié)果見(jiàn)表2和圖7。從圖7可看出，InSAR觀測(cè)的LOS形變速率隨著斷層走向的變化呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)形態(tài)，當(dāng)斷層走向接近90°和270°時(shí)，觀測(cè)到的LOS形變速率最大，其值接近2mm/a;當(dāng)斷層走向接近0°和360°時(shí)，觀測(cè)到的LOS形變速率最小，其值約為0.5mm/a，而這樣小的LOS形變量就會(huì)降低其觀測(cè)精度和可靠性。因此，在進(jìn)行InSAR斷層緩慢形變觀測(cè)時(shí)應(yīng)避免選取近SN走向的斷層。

表2 InSAR觀測(cè)的LOS形變速率隨斷層走向的變化(以降軌ENVISAT/ASAR為例)Table 2 The change of InSAR LOS deformation rate with fault strike for descending ENVISAT/ASAR

圖7 InSAR觀測(cè)的LOS形變速率與斷層走向的關(guān)系Fig.7 Sketch map showing the change of InSAR LOS deformation rate with fault strike for descending ASAR.

3.2 時(shí)序InSAR斷層近場(chǎng)形變特征及構(gòu)造含義

時(shí)序InSAR觀測(cè)獲得的是斷層帶及其周?chē)鷧^(qū)域構(gòu)造變形的動(dòng)態(tài)圖像，它可以從形變場(chǎng)空間分布、時(shí)間演化和斷層相互作用等多個(gè)角度反映斷裂帶地殼運(yùn)動(dòng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。借助時(shí)序InSAR觀測(cè)結(jié)果，我們可以從形變場(chǎng)的角度在大范圍連續(xù)區(qū)域上考察斷層活動(dòng)速率和累積形變量等在斷層兩盤(pán)的分布狀態(tài)，隨斷層距離遠(yuǎn)近的變化及其在不同段落上的差異。從相鄰斷裂帶形變場(chǎng)的過(guò)渡、轉(zhuǎn)化和銜接關(guān)系，可以分析不同斷裂帶之間的相互作用和聯(lián)動(dòng)性，探索區(qū)域內(nèi)斷層活動(dòng)的相互觸發(fā)、牽引及滯后等關(guān)系。

3.2.1 InSAR觀測(cè)可以確定跨斷層形變帶寬度和形變梯度

活動(dòng)斷層作為活動(dòng)地塊的接觸和連接邊界，是地殼中的薄弱地帶，塊體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在斷層帶顯示出來(lái)，在離開(kāi)斷層帶一定距離的完整巖體中可能就不易觀測(cè)到局部差異運(yùn)動(dòng)了。因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們?cè)谝恍┗顒?dòng)性較強(qiáng)的斷層帶上布設(shè)短基線(xiàn)水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)、三角觀測(cè)網(wǎng)及GPS觀測(cè)網(wǎng)等現(xiàn)代儀器設(shè)備，進(jìn)行斷層活動(dòng)性測(cè)量，積累了大量具有較高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了一大批重要的研究成果(甘衛(wèi)軍等，2005;崔篤信等，2009)。但是這些基于離散點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果，不利于反映斷層帶形變寬度和形變梯度，且隨著測(cè)量點(diǎn)位和密度的不同，觀測(cè)結(jié)果往往存在較大差異。作者認(rèn)為如果跨斷層觀測(cè)點(diǎn)相距很近，如幾km以?xún)?nèi)，那得到的觀測(cè)結(jié)果就會(huì)低估斷層形變速率;反之如果跨斷層觀測(cè)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，完全覆蓋了斷層形變帶的寬度，那么觀測(cè)結(jié)果就能更準(zhǔn)確地反映斷層的形變速率和應(yīng)力應(yīng)變積累狀態(tài)。

時(shí)序InSAR技術(shù)獲取的斷層帶空間連續(xù)形變場(chǎng)可以揭示斷層形變帶寬度和形變梯度。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)中國(guó)青藏高原及周邊的阿爾金斷裂(Elliott et al.，2008)、海原斷裂(Cavaliéet al.，2008)、鮮水河斷裂(Wang et al.，2009)、甘孜-玉樹(shù)斷裂(Yang et al.，2011)及美國(guó)加州的圣安德列斯斷層和土耳其的北安托利亞斷層(Wright et al.，2011)等多條斷裂開(kāi)展了InSAR震間形變觀測(cè)研究，這些結(jié)果均在斷層跡線(xiàn)兩側(cè)顯示了明顯的相位變化梯度，但變化范圍主要分布在斷層帶附近70km，至多也就100km寬的區(qū)域上。在離開(kāi)斷層各50km以外的地方相位基本是常數(shù)，即不再顯示形變相位梯度變化。這就說(shuō)明斷層帶形變寬度約在70～100km(圖8)。圖8為本文作者在分析研究了國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者獲取的不同斷層InSAR形變速率場(chǎng)后，總結(jié)繪制的震間斷層形變模式及觀測(cè)寬度與所得形變速率關(guān)系的示意圖，圖中L1、L2、L3代表50km、100km和150km 3個(gè)不同的觀測(cè)寬度，對(duì)應(yīng)的跨斷層形變速率顯然是不同的，隨著觀測(cè)寬度的增加，得到的形變速率增大，但當(dāng)觀測(cè)寬度擴(kuò)展到一定范圍，如斷層兩側(cè)各50km遠(yuǎn)，形變速率就不再變化而接近常數(shù)速率。圖9為Wang等(2009)利用1996—2008的降軌ERS-1/2數(shù)據(jù)獲取的鮮水河斷裂帶震間形變率場(chǎng)及跨斷層剖面，在斷層跡線(xiàn)處顯示出明顯的形變梯度，意味著斷層兩盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但隨著遠(yuǎn)離斷層距離的增加兩盤(pán)顏色趨于穩(wěn)定，顯示的形變帶寬度大約在70～80km，與國(guó)內(nèi)外學(xué)者在其他斷層上的觀測(cè)結(jié)果基本一致(Wright et al.，2001;Fialko et al.，2006;Biggs et al.，2007;Cavaliéet al.，2008;Elliott et al.，2008)。無(wú)震期跨斷層形變帶寬度一般在100km以?xún)?nèi)。這一認(rèn)識(shí)對(duì)不同觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比研究、地面定點(diǎn)觀測(cè)的布設(shè)及InSAR觀測(cè)中數(shù)據(jù)范圍的選取都有重要指導(dǎo)意義。SAR圖像的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是100km×100km，這意味著我們不一定要用一個(gè)長(zhǎng)條帶數(shù)據(jù)來(lái)處理，利用標(biāo)準(zhǔn)景SAR數(shù)據(jù)，只要跨越了斷層也同樣能夠獲得好結(jié)果。

圖8 LOS形變速率與跨斷層觀測(cè)區(qū)域?qū)挾鹊氖疽鈭D(觀測(cè)寬度不同得到的形變速率也不同)Fig.8 Sketch map showing the relation of InSAR LOS deformation rate and width of the observed area across fault.

3.2.2 InSAR觀測(cè)有助于區(qū)分?jǐn)鄬拥娜浠驼郴\(yùn)動(dòng)方式

根據(jù)構(gòu)造地震理論及斷裂活動(dòng)性研究成果，活斷層有粘滑和蠕滑2種基本活動(dòng)方式，其中粘滑型斷層是以地震方式產(chǎn)生間歇性的突然滑動(dòng)，這種斷層的圍巖強(qiáng)度高，兩盤(pán)粘在一起，不產(chǎn)生或僅有極其微弱的相互錯(cuò)動(dòng)，從而不斷積累應(yīng)變能，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到圍巖閉鎖段的強(qiáng)度極限后，較大幅度的相互錯(cuò)動(dòng)在瞬間突然發(fā)生，引發(fā)地震。蠕滑型斷層兩側(cè)巖體連續(xù)緩慢地滑動(dòng)，這種斷層圍巖強(qiáng)度低，斷裂帶內(nèi)含有較厚的斷層泥、軟弱充填物或孔隙水壓、或地溫高的異常帶，斷層閉鎖能力弱，不能積累較大的應(yīng)變能，在受力過(guò)程中會(huì)持續(xù)不斷地相互錯(cuò)動(dòng)而緩慢滑動(dòng)(Fialko et al.，2006;張培震，2003;姚大全等，1993;呂德徽等，1995)。一般認(rèn)為蠕滑斷層上不會(huì)有地震發(fā)生或僅有極微小的地震發(fā)生。

圖9 InSAR形變場(chǎng)顯示的鮮水河斷裂帶跨斷層形變速率分布和形變帶寬度(Wang et al.，2009)Fig.9 InSAR LOS motion rate and width of the deformation belt across the Xianshuihe Fault(after Wang et al.，2009).

斷層發(fā)生蠕滑還是粘滑運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)速率如何，對(duì)于其地震危險(xiǎn)性的判斷是非常重要的依據(jù)。如果斷層在發(fā)生較大的蠕滑，那么其地震危險(xiǎn)性就相對(duì)較低，相反如果斷層處于鎖固的應(yīng)變能積累狀態(tài)，那么就存在很大的潛在地震危險(xiǎn)性，需要對(duì)其采取多種技術(shù)手段加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。時(shí)序InSAR技術(shù)獲取的斷層帶連續(xù)形變場(chǎng)圖像可用于有效區(qū)分?jǐn)鄬拥倪\(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)已有研究成果(Fialko et al.，2006;Cavaliéet al.，2008;Elliott et al.，2008;Wang et al.，2009)，斷層蠕滑和粘滑的InSAR形變場(chǎng)及跨斷層剖面具有明顯不同的特征和差異。斷層蠕滑產(chǎn)生的地表形變場(chǎng)在斷層跡線(xiàn)兩側(cè)的梯度很陡，甚至是不連續(xù)的，存在類(lèi)似同震變形的跨斷層臺(tái)階式跳躍，變形帶寬度也比較窄(圖10)。圖10a，b所示為法國(guó)學(xué)者Cavalié等(2008)利用1993—1998年2個(gè)相鄰軌道的C波段ERS數(shù)據(jù)，獲得的祁連山地區(qū)老虎山和毛毛山斷裂的現(xiàn)今形變速率場(chǎng)及跨斷層速率剖面，可以看出在斷層跡線(xiàn)處形變速率顯示出臺(tái)階式跳變，形成約5mm/a的跨斷層形變差異，而隨著離開(kāi)斷層距離的增加，速率值基本保持不變。這就是斷層蠕滑的形變場(chǎng)特征。另外，斷層蠕滑的速率一般都比較大，如圣安德列斯斷層南段蠕滑段速率達(dá)3cm/a(Fialko et al.，2006)，因而蠕滑形變易于觀測(cè)到。粘滑型斷層的InSAR形變場(chǎng)及跨斷層剖面在斷層跡線(xiàn)處表現(xiàn)為平滑、連續(xù)、漸變的趨勢(shì)，似拉長(zhǎng)的“S”形態(tài)(圖5，9)，形變速率相對(duì)較小，一般為每年幾mm至十幾mm。圖11c為根據(jù)文獻(xiàn)中多條斷層InSAR近場(chǎng)形變特征總結(jié)概括的跨斷層形變曲線(xiàn)形態(tài)。據(jù)此我們可以利用InSAR形變場(chǎng)初步確定斷層的蠕滑和粘滑活動(dòng)方式。

3.2.3 InSAR觀測(cè)可以揭示相鄰斷層間的相互作用和隱伏斷層位置

近幾年在相干性較好的區(qū)域開(kāi)展的大量觀測(cè)研究已證明時(shí)序InSAR測(cè)量緩慢構(gòu)造信號(hào)的能力。但從長(zhǎng)期觀測(cè)研究角度而言，通過(guò)利用大量長(zhǎng)條帶和多條帶SAR數(shù)據(jù)，InSAR具有生成更大空間尺度，如整個(gè)青藏高原、南北地震帶或整個(gè)中國(guó)大陸斷層運(yùn)動(dòng)圖像的潛力，這樣的觀測(cè)結(jié)果不僅能反映單條斷層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和時(shí)變過(guò)程，還可揭示出新活動(dòng)構(gòu)造，特別是隱伏活動(dòng)斷層的位置。通過(guò)分析相鄰斷層間形變場(chǎng)的過(guò)渡和銜接關(guān)系，可進(jìn)一步研究多條斷層之間的相互作用及相鄰斷層運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)性。這無(wú)論是對(duì)斷層的地震危險(xiǎn)性評(píng)估，還是斷層變形機(jī)制的研究都是非常重要的依據(jù)。Fialko等(2006)對(duì)圣安德列斯斷層的研究結(jié)果就是一個(gè)反映多條斷層形變場(chǎng)的一個(gè)很好的例子，文中利用1992—2000年的長(zhǎng)條帶ERS數(shù)據(jù)和Stacking In-SAR技術(shù)獲取了美國(guó)加州圣安德烈斯斷層南段的現(xiàn)今形變速率場(chǎng)(圖11)。形變場(chǎng)覆蓋了SAF(圣安德列斯斷層)及其南部的SJF、SHF、CCF和EF多條近乎平行的斷層，圖中平滑的顏色漸變顯示出各條斷層附近的形變速率變化梯度及其相鄰斷層間的形變關(guān)系。不同斷層運(yùn)動(dòng)速率不一致，也并非每個(gè)斷層都存在跨斷層運(yùn)動(dòng)速率差異。其中，SAF和SJF在地表斷層跡線(xiàn)兩側(cè)顯示出明顯顏色差異，反映的視線(xiàn)向形變速率均在13～14mm/a，據(jù)此還可推測(cè)在SJF和SHF之間可能存在一條隱伏斷層(圖11中的紅色虛線(xiàn))。緊鄰S(chǎng)JF的CCF斷層也顯示出輕微的跨斷層形變速率差異，意味著這條斷層活動(dòng)較弱，而在南部的Elsinore斷層則沒(méi)有明顯形變。這一基于空間密集InSAR數(shù)據(jù)的觀測(cè)結(jié)果表明SAF斷層和SJF斷層可能是該區(qū)域的2個(gè)主要的高應(yīng)變積累區(qū)，具有很大的潛在地震危險(xiǎn)性。

圖10 斷層蠕滑運(yùn)動(dòng)的InSAR形變速率場(chǎng)特征Fig.10 The patterns of InSAR LOS rate map and its profile across a creep fault in the upper crust.

圖11 顯示多條斷層及相互作用的美國(guó)加州圣安德烈斯斷層InSAR形變速率場(chǎng)(Fialko et al.，2006)Fig.11 The InSAR LOS rate map of San Andreas Fault showing several faults and their reciprocity(after Fialko et al.，2006).

利用覆蓋多條斷層的長(zhǎng)條帶InSAR數(shù)據(jù)，獲取主要活動(dòng)構(gòu)造區(qū)，特別是地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的大區(qū)域地殼緩慢形變場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化圖像，分析單條斷層的滑動(dòng)速率、應(yīng)力應(yīng)變積累率及多條斷層間的相互作用，并識(shí)別隱伏斷層的位置是目前及將來(lái)InSAR技術(shù)研究應(yīng)用熱點(diǎn)，也是需要進(jìn)一步深入研究的發(fā)展方向。

3.3 時(shí)序InSAR形變速率與GPS等其他速率的關(guān)系

目前，對(duì)時(shí)序InSAR斷層形變速率觀測(cè)精度及可靠性的驗(yàn)證和評(píng)估，主要是通過(guò)與同一區(qū)域同期GPS觀測(cè)結(jié)果、水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果及長(zhǎng)期地質(zhì)速率的比較來(lái)進(jìn)行的。那么這幾種不同方法獲得的斷層形變速率各有什么特點(diǎn)，可比性如何?作者認(rèn)為以GPS作為真值來(lái)檢驗(yàn)InSAR觀測(cè)精度較為可取，而水準(zhǔn)觀測(cè)及地質(zhì)速率與InSAR結(jié)果可比性弱。

InSAR觀測(cè)的視線(xiàn)向活動(dòng)速率是斷層實(shí)際運(yùn)動(dòng)在衛(wèi)星視線(xiàn)方向的投影，GPS觀測(cè)的三分量形變是斷層運(yùn)動(dòng)的完整描述，將GPS三分量形變投影到InSAR的衛(wèi)星視方向后二者就具有了很好的可比性。雖然GPS是點(diǎn)觀測(cè)而InSAR是面觀測(cè)，但由于地殼運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和整體性，將GPS點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果與其所在區(qū)域的InSAR面觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較是完全可以的。甚至不同時(shí)期分別獲取的InSAR、GPS觀測(cè)結(jié)果仍具有良好的互驗(yàn)性。因?yàn)閺牡刭|(zhì)的角度，在幾a或十幾a時(shí)間尺度上的GPS、InSAR地殼形變觀測(cè)結(jié)果具有幾十a(chǎn)或更長(zhǎng)時(shí)間尺度的運(yùn)動(dòng)學(xué)意義。所不同的是觀測(cè)量的大小，GPS遠(yuǎn)場(chǎng)位移反映的形變速率是上限，而InSAR觀測(cè)是SAR圖像覆蓋區(qū)域內(nèi)的相對(duì)形變速率(圖8)。InSAR觀測(cè)結(jié)果與區(qū)域大小有關(guān)。如果觀測(cè)區(qū)域圖像覆蓋范圍小于斷層形變帶寬度(如50～70km)，那么InSAR觀測(cè)結(jié)果就會(huì)偏小，如果覆蓋范圍超過(guò)斷層形變帶寬度(如超過(guò)70～100km)，且斷層位于SAR圖像的中部，那就基本可以反映斷層的形變速率，達(dá)到與GPS類(lèi)似的觀測(cè)效果。

地質(zhì)速率是若干次地震事件位錯(cuò)量的長(zhǎng)期平均，是按累積同震位移和離逝時(shí)間計(jì)算的滑動(dòng)速率，并不代表無(wú)震時(shí)期斷層運(yùn)動(dòng)速率。如果地質(zhì)速率與GPS、InSAR等現(xiàn)代觀測(cè)速率一致，那就意味著人們關(guān)于滑動(dòng)速率、離逝時(shí)間、累積位移量和復(fù)發(fā)周期的估計(jì)和推算結(jié)果是正確的。水準(zhǔn)測(cè)量的是斷層的垂直形變，而InSAR視線(xiàn)方向觀測(cè)的是斷層水平、垂直運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果，因此水準(zhǔn)與InSAR不能進(jìn)行直接比較與驗(yàn)證。

4 結(jié)論

對(duì)現(xiàn)有時(shí)序InSAR方法的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了歸納總結(jié)。采用其中的PSInSAR技術(shù)，以GAMMA/IPTA為軟件平臺(tái)，以2003—2010年的17景ENVISAT ASAR雷達(dá)圖像為數(shù)據(jù)源，在海原斷裂帶開(kāi)展了PSInSAR地殼微小形變觀測(cè)研究，獲得海原斷裂中段PS形變速率場(chǎng)，顯示海原斷裂帶兩盤(pán)具有明顯的形變差異，跨斷層視線(xiàn)向形變速率值約5mm/a，PS點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與左旋走滑一致。這一結(jié)果與地質(zhì)學(xué)測(cè)年方法獲得的海原斷裂3～10mm/a的形變速率以及GPS大地測(cè)量手段獲得的3～8mm/a的形變速率基本相符，說(shuō)明這一結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。但PSInSAR形變速率場(chǎng)能夠以密集的PS點(diǎn)群反映斷裂帶附近地殼運(yùn)動(dòng)的整體圖像和空間連續(xù)變化趨勢(shì)，彌補(bǔ)地面定點(diǎn)觀測(cè)盲區(qū)。因此，該方法在斷裂活動(dòng)性監(jiān)測(cè)及其地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

綜合分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多條斷裂上開(kāi)展的時(shí)序InSAR斷層活動(dòng)性研究成果，結(jié)合本文在海原斷裂帶開(kāi)展的PSInSAR觀測(cè)研究實(shí)例，對(duì)時(shí)序InSAR斷裂帶微小地殼形變場(chǎng)探測(cè)中的若干問(wèn)題，包括LOS形變速率與目標(biāo)斷層走向的關(guān)系、LOS形變速率與跨斷層觀測(cè)寬度的關(guān)系、LOS形變速率與GPS等其他形變速率的關(guān)系以及LOS形變速率場(chǎng)揭示的斷層相互作用及斷層滑動(dòng)方式等進(jìn)行了分析探討。旨在為完善和推進(jìn)時(shí)序InSAR技術(shù)的發(fā)展及其在構(gòu)造變形監(jiān)測(cè)研究中的應(yīng)用進(jìn)展提供參考。

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