基于升降軌ASAR的于田Ms 7．3級(jí)地震同震形變場(chǎng)信息提取與分析

洪順英，申旭輝，單新建，劉智榮，戴婭瓊，荊 鳳

(1．中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029;2．中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036;3．防災(zāi)科技學(xué)院，北京 101601)

基于升降軌ASAR的于田Ms 7．3級(jí)地震同震形變場(chǎng)信息提取與分析

洪順英1，2，申旭輝2，單新建1，劉智榮3，戴婭瓊2，荊 鳳2

(1．中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029;2．中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036;3．防災(zāi)科技學(xué)院，北京 101601)

升降軌干涉測(cè)量可以更好地反映地震同震形變場(chǎng)特征。利用歐空局ASAR數(shù)據(jù)通過(guò)二軌法差分干涉測(cè)量提取了新疆于田縣Ms 7．3級(jí)地震升降軌同震形變場(chǎng)信息。結(jié)果顯示:升軌同震形變場(chǎng)最大視線(xiàn)向(LOS)隆升形變量約+13．3 cm，沉降形變量約－83．9 cm;降軌同震形變場(chǎng)最大LOS向隆升形變量約+36．5 cm，沉降形變量約－66．5 cm。于田地震以NNE向正斷層破裂為主，并伴隨左旋走滑運(yùn)動(dòng)，西北盤(pán)為正斷層破裂的上盤(pán)(沉降盤(pán))，東南盤(pán)為正斷層破裂的下盤(pán)(隆升盤(pán))。升降軌同震形變場(chǎng)存在一定差異，但其變化趨勢(shì)與特征非常相似，其差異主要是由于兩種不同觀(guān)測(cè)模式所造成的。

于田地震;升降軌;D－InSAR;同震形變場(chǎng);視線(xiàn)向

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)(CENC)測(cè)定，2008年3月20日在新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣發(fā)生Ms 7．3級(jí)地震(震中 35．64°N，81．54°E)。這是繼 2001 年11月青海與新疆交界昆侖山口西8．1級(jí)地震后，中國(guó)大陸發(fā)生的最大一次地震，打破了中國(guó)大陸7級(jí)以上地震平靜6 a多的現(xiàn)象。

SAR干涉測(cè)量技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、觀(guān)測(cè)范圍大、穿透性好、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)以及不受區(qū)域限制等優(yōu)勢(shì)。其觀(guān)測(cè)結(jié)果與離散點(diǎn)測(cè)量技術(shù)相比，具有空間連續(xù)覆蓋的優(yōu)勢(shì)，可有效彌補(bǔ)常規(guī)地面形變測(cè)量手段的不足。基于D－InSAR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了一系列地震同震、震后及震前形變場(chǎng)特征及孕震構(gòu)造機(jī)理研究［1－9］。于田地震區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡劣，缺少GPS測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量資料。雖然震后進(jìn)行了臨時(shí)考察與觀(guān)測(cè)，但受地域局限性與圖像空間分辨率的制約，無(wú)法獲取覆蓋整個(gè)地震形變區(qū)的高分辨率的地殼形變信息。因此，本文利用歐空局升降軌的ASAR雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，獲取于田地震同震形變場(chǎng)信息，并對(duì)同震形變特征進(jìn)行分析，為進(jìn)一步的于田地震發(fā)震構(gòu)造模型與孕震機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

新疆阿爾金地區(qū)是目前我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)控能力最弱的地區(qū)之一，而于田地震恰好發(fā)生在西昆侖斷裂帶和阿爾金山斷裂帶的交匯部位。據(jù)CENC測(cè)定，震中位于阿什庫(kù)勒盆地南緣，恰好處于NE向左旋走滑的阿爾金斷裂與NW向右旋走滑的康西瓦斷裂的過(guò)渡帶(圖1)，地震構(gòu)造較復(fù)雜。阿爾金斷裂西南端有3條分支［10］，呈向西撒開(kāi)的“帚狀”構(gòu)造:北面一支分布在硝爾庫(kù)勒盆地;中間一支分布在阿什庫(kù)勒盆地，是這次地震主要的發(fā)震斷裂;南面一支一直延伸到郭扎錯(cuò)盆地，限制了余震的分布范圍。美國(guó)國(guó)家地震信息中心(NEIC)提供的震源機(jī)制解釋為，于田地震破裂是以拉張為主略帶走滑的正破裂，是阿爾金深斷裂左旋扭錯(cuò)的結(jié)果［11］。

圖1 于田地震區(qū)地震構(gòu)造Fig．1 Seismotectonic diagram of the Yutian earthquake region

于田地震主震之后又發(fā)生了若干次5級(jí)以上強(qiáng)余震，根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍與成像時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)，位于研究區(qū)之內(nèi)的5級(jí)以上強(qiáng)余震如表1所示。

表1 于田地震主震及強(qiáng)余震(據(jù)NEIC)Tab．1 Yutian earthquake mains hock and strong aftershock(by NEIC)

2 同震形變場(chǎng)信息提取

2．1 雷達(dá)數(shù)據(jù)選擇

選擇ENVISAT ASAR Image IS2的0級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，中心入射角約23°，用到的4景升軌與降軌數(shù)據(jù)如表2所示，數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖1所示。軌道數(shù)據(jù)采用Delft大學(xué)的精密軌道數(shù)據(jù)(2008年以前)與DORIS軌道數(shù)據(jù)(2008年以后)。外部DEM采用SRTM 3″，其中的數(shù)據(jù)漏洞利用GTOPO 30數(shù)據(jù)填補(bǔ)。

表2 ASAR IS2 L0級(jí)數(shù)據(jù)Tab．2 ASAR IS2 L0 data

2．2 D－InSAR數(shù)據(jù)處理與信息提取

利用二軌法D－InSAR進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與信息提取。從表2可知，升軌形變像對(duì)的垂直基線(xiàn)距為28 m，降軌形變像對(duì)的垂直基線(xiàn)距為126 m，相對(duì)應(yīng)的升降軌高度模糊數(shù)分別為331 m與74 m。根據(jù)Rodriguez［12］對(duì) SRTM 的精度分析，SRTM DEM 的平均垂直精度絕對(duì)誤差約為16 m。因此，若以此誤差來(lái)分析，在忽略DEM與SAR圖像配準(zhǔn)誤差(升軌誤差:距離向0．172像元，方位向0．133像元;降軌誤差:距離向0．190像元，方位向 0．127像元)條件下，外部DEM誤差對(duì)升降軌干涉處理影響分別約為16/331個(gè)條紋(約1．3 mm)與 16/74個(gè)條紋(約6．0 mm)，本文均忽略不計(jì)。

二軌法首先利用外部DEM，基于形變干涉像對(duì)(Defo pair)的幾何與坐標(biāo)系統(tǒng)模擬生成一個(gè)合成的地形干涉像對(duì)(Topo pair)，然后從形變干涉像對(duì)中減去地形相位信息，得到形變相位信息［13］。主要的差分干涉處理過(guò)程如下:

(1)單視復(fù)數(shù)圖像生成。由于獲取的是0級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，需要將其轉(zhuǎn)換成SLC圖像方可進(jìn)行干涉處理，轉(zhuǎn)換時(shí)利用Delft大學(xué)精密軌道與DORIS精密軌道對(duì)雷達(dá)圖像本身自帶的軌道進(jìn)行修正。

(2)模擬地形相位生成。利用外部DEM數(shù)據(jù)，基于主圖像的幾何坐標(biāo)系統(tǒng)與成像特征，生成模擬的SAR圖像，再通過(guò)模擬 SAR圖像配準(zhǔn)到真實(shí)SAR圖像，建立精確的對(duì)照表，最后生成與主圖像精確配準(zhǔn)的模擬地形相位信息(φtpop)。

(3)形變像對(duì)干涉處理。選定主從圖像，先進(jìn)行圖像的精確匹配(誤差小于0．125像元)，再進(jìn)行干涉處理生成纏繞的干涉相位信息。

(4)去平地效應(yīng)?；诰苘壍缹?duì)纏繞的干涉相位進(jìn)行去平地效應(yīng)，得到去除平地效應(yīng)影響的干涉相位(φf(shuō)lat)。

(5)形變相位信息生成。利用φf(shuō)lat－φtopo，在忽略大氣延遲、DEM誤差與噪聲誤差的影響下便得到反映地表形變的干涉相位(φdefo)。

(6)形變相位解纏。為了盡量得到震中區(qū)附近的形變信息，采用三角格網(wǎng)最小費(fèi)用流法(Minimum Cost Flow)對(duì)φdefo進(jìn)行相位解纏。解纏時(shí)先生成相干性掩模，對(duì)低相干區(qū)域(相干性＜0．2)進(jìn)行掩模處理，對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行相位解纏，以提高解纏速度與精度。

(7)視線(xiàn)向形變量轉(zhuǎn)換。將解纏后的形變相位進(jìn)行相位到形變量的轉(zhuǎn)換，生成雷達(dá)衛(wèi)星與地球表面之間視線(xiàn)向方向的距離變化信息。

(8)地理編碼。將視線(xiàn)向形變量由雷達(dá)坐標(biāo)系統(tǒng)向地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，并將成果導(dǎo)出以便分析。通過(guò)處理獲取的升降軌于田地震同震形變場(chǎng)如 圖2、3所示。

圖2 于田地震LOS向同震形變場(chǎng)(解纏)(1個(gè)條紋代表2．8 cm的LOS向形變量;紅色虛線(xiàn)為推測(cè)的NNE向正斷層地震破裂帶;西北沉降盤(pán)與東南隆升盤(pán)分別為正斷層破裂的上盤(pán)與下盤(pán);黑色虛線(xiàn)框?yàn)閳D3范圍)Fig．2 The LOS coseismic deformation field of Yutian Earthquake(unw rapped)

圖3 于田地震LOS向同震形變場(chǎng)(解纏)(藍(lán)色代表LOS向沉降形變區(qū)，紅色代表LOS向隆升形變區(qū);L1、L2、L3為形變剖面線(xiàn)，結(jié)果如圖4所示;紅色虛線(xiàn)為推測(cè)的NNE向正斷層地震破裂帶，西北沉降盤(pán)為正斷層破裂上盤(pán)，東南隆升盤(pán)為正斷層破裂下盤(pán);紅點(diǎn)為根據(jù)NEIC公布的5級(jí)以上于田地震主余震(表1))Fig．3 The LOS coseismic deformation field of Yutian earthquake(unw rapped)

3 同震形變場(chǎng)分析

3．1 形變場(chǎng)基本特征

于田地震是目前少數(shù)幾個(gè)可以同時(shí)獲取其升降軌同震形變場(chǎng)的震例。研究升降軌同震形變場(chǎng)可以更有效地認(rèn)識(shí)地震形變特征，從而為進(jìn)一步的地震機(jī)理模擬研究提供更多的約束條件。

降軌同震形變場(chǎng)(圖2a、3a)具有明顯的沉降形變中心與隆升形變中心，并且以NNE向地震破裂帶為分界線(xiàn)，西北側(cè)為視線(xiàn)向沉降形變區(qū)，東南側(cè)為視線(xiàn)向隆升形變區(qū);從形變值統(tǒng)計(jì)來(lái)分析，最大沉降形變值為－66．5 cm，最大隆升形變值為+36．5 cm，沉降形變量遠(yuǎn)大于隆升形變量。

升軌同震形變場(chǎng)(圖2b、3b)沉降形變區(qū)非常明顯，最大沉降形變值為－83．9 cm，最大隆升形變值為+13．3 cm，沉降形變量遠(yuǎn)大于隆升形變量。

因此，升降軌同震形變場(chǎng)均以沉降形變?yōu)橹鳎两敌巫兪钦龜鄬悠屏言斐傻男巫兲攸c(diǎn)，反映了于田地震具有正斷層破裂特征。同時(shí)，結(jié)合降軌觀(guān)測(cè)得到的視線(xiàn)向沉降形變區(qū)與視線(xiàn)向隆升形變區(qū)的位置關(guān)系(圖2a、3a)，可以初步推測(cè)NNE向地震破裂帶(可能未出露地表)主要是一條正斷層，并且其傾向西北，破裂帶西北盤(pán)為正斷層的上盤(pán)(沉降盤(pán))，破裂帶東南盤(pán)為正斷層的下盤(pán)(隆升盤(pán))。

按正斷層破裂模式，同震形變場(chǎng)的沉降形變區(qū)應(yīng)位于地震破裂帶的西北盤(pán)，而隆升形變區(qū)應(yīng)位于相對(duì)稱(chēng)的地震破裂帶的東南盤(pán)區(qū)域。衛(wèi)星觀(guān)測(cè)到的降軌同震形變場(chǎng)(圖2a、3a)符合這一特征，即西北盤(pán)(上盤(pán))表現(xiàn)為視線(xiàn)向沉降，東南盤(pán)(下盤(pán))表現(xiàn)為視線(xiàn)向隆升，而且主動(dòng)盤(pán)的形變量遠(yuǎn)大于被動(dòng)盤(pán)。但是，純粹的正斷層破裂模式無(wú)法解釋升軌觀(guān)測(cè)結(jié)果(圖2b、3b)。按純粹的正斷層破裂模式，西北盤(pán)(上盤(pán))的觀(guān)測(cè)結(jié)果應(yīng)為視線(xiàn)向沉降，東北盤(pán)(下盤(pán))應(yīng)為視線(xiàn)向隆升。但是，實(shí)際的升軌觀(guān)測(cè)結(jié)果表明東南盤(pán)(下盤(pán))的觀(guān)測(cè)結(jié)果為視線(xiàn)向沉降(圖2b、3b)。

因此，本研究推測(cè)于田地震除以正斷層破裂為主以外，還伴隨著左旋走滑運(yùn)動(dòng)。降軌觀(guān)測(cè)時(shí)由于衛(wèi)星軌道為NNE向(圖2a，基本與NNE向正斷層破裂帶平行)，因此沿NNE向正斷層可能存在的走滑運(yùn)動(dòng)在降軌觀(guān)測(cè)模式下無(wú)法得到反映，降軌觀(guān)測(cè)主要反映的是NNE向正斷層的垂直運(yùn)動(dòng)，所以其得到的同震形變場(chǎng)非常符合正斷層破裂模式(圖2a、3a)。升軌觀(guān)測(cè)時(shí)衛(wèi)星軌道為NNW向，與NNE向正斷層破裂帶呈斜交狀態(tài)，沿NNE向正斷層可能存在的走滑運(yùn)動(dòng)可以得到比較好的反映。此時(shí)，東南盤(pán)(下盤(pán))的隆升形變使視線(xiàn)向距離縮短，然而左旋運(yùn)動(dòng)卻使東南盤(pán)視線(xiàn)向距離增加，并且左旋運(yùn)動(dòng)造成視線(xiàn)向距離增加量超過(guò)其隆升形變?cè)斐傻囊暰€(xiàn)向距離縮短量，因而東南盤(pán)升軌觀(guān)測(cè)時(shí)表現(xiàn)為視線(xiàn)向沉降(圖2b、3b)。

3．2 形變剖面線(xiàn)分析

為了進(jìn)一步揭示于田地震升降軌同震形變場(chǎng)的特征，沿西北盤(pán)、東南盤(pán)與橫穿NNE向正斷層地震破裂帶(可能未出露地表)分別做3條形變剖面線(xiàn)(剖面線(xiàn)位置見(jiàn)圖3)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 形變剖面線(xiàn)Fig．4 The deformation section

由圖4a分析可知，升降軌觀(guān)測(cè)的西北盤(pán)均表現(xiàn)為視線(xiàn)向沉降形變特征，且沉降形變曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本相同，均存在兩個(gè)沉降形變中心，北沉降中心的沉降范圍與沉降形變量均遠(yuǎn)大于南沉降中心的。根據(jù)美國(guó)NEIC公布的于田地震主余震震中位置(圖3)，2008年3月20日(UTC)Mw 7．2級(jí)主震恰好位于北沉降中心，而2008年3月21日(UTC)的Mw 5．2級(jí)余震恰好位于南沉降中心。因此，北沉降中心的形成是受Mw 7．2級(jí)主震的影響，而南沉降中心可能是受Mw 5．2級(jí)余震影響，主震引起的沉降形變量與沉降區(qū)范圍遠(yuǎn)大于余震的。

由圖4b分析可知，升降軌觀(guān)測(cè)的東南盤(pán)大部分區(qū)域具有相反的視線(xiàn)向形變特征:降軌時(shí)呈“弓”形隆升，具有明顯的隆升形變中心，南北兩端隆升形變量較小，中部隆升形變量增大;升軌時(shí)東南盤(pán)大部分區(qū)域呈視線(xiàn)向沉降形變特征，特別是北部視線(xiàn)向沉降形變明顯，越往南視線(xiàn)向沉降形變逐漸減小，具有視線(xiàn)向傾斜形變的特點(diǎn)。東南盤(pán)升降軌觀(guān)測(cè)到的不同視線(xiàn)向形變特征，說(shuō)明NNE向正斷層地震破裂應(yīng)該還伴隨著左旋走滑運(yùn)動(dòng)。

由圖4c分析可知，升降軌同震形變場(chǎng)西北盤(pán)與東南盤(pán)均具有比較明顯的形變分界線(xiàn)，西北盤(pán)均呈負(fù)值形變量，表現(xiàn)為L(zhǎng)OS向沉降形變，且形變曲線(xiàn)形態(tài)非常相似均呈“U”字形;東南盤(pán)雖然升降軌觀(guān)測(cè)到的LOS形變值存在很大差異(降軌為正值，升軌為負(fù)值)，但其形變曲線(xiàn)形態(tài)非常相似，均呈“弓”形。而且，從整個(gè)剖面線(xiàn)形態(tài)來(lái)分析，雖然升降軌觀(guān)測(cè)得到的LOS向形變值存在一定的差異(甚至相反)，但是整個(gè)形變剖面線(xiàn)的形態(tài)與變化趨勢(shì)非常相似。升軌觀(guān)測(cè)時(shí)雖然東南盤(pán)為負(fù)值LOS向形變，但相對(duì)于其西北盤(pán)來(lái)說(shuō)，總體趨勢(shì)還是隆升的，與降軌觀(guān)測(cè)反映的結(jié)果是吻合的，都是對(duì)同一個(gè)地震形變場(chǎng)的如實(shí)反映，只不過(guò)是由于采用了兩種不同的觀(guān)測(cè)模式，產(chǎn)生了不同的視線(xiàn)向形變量觀(guān)測(cè)結(jié)果而已。

4 結(jié)論

(1)升降軌觀(guān)測(cè)到的視線(xiàn)向沉降形變量均遠(yuǎn)大于隆升形變量，反應(yīng)了于田地震破裂主要以正斷層破裂方式為主。以NNE向分界線(xiàn)為界，整個(gè)形變場(chǎng)可分為西北沉降盤(pán)(上盤(pán))與東南隆升盤(pán)(下盤(pán))。

(2)西北盤(pán)升降軌觀(guān)測(cè)均表現(xiàn)為視線(xiàn)向沉降形變特征;東南盤(pán)降軌觀(guān)測(cè)時(shí)表現(xiàn)為視線(xiàn)向隆升形變特征，而升軌觀(guān)測(cè)時(shí)表現(xiàn)為視線(xiàn)向沉降形變特征，揭示了于田地震破裂除以正斷裂破裂方式為主外，還伴隨左旋走滑運(yùn)動(dòng)。

(3)造成升降軌同震形變場(chǎng)視線(xiàn)向形變量差異的原因是升降軌兩種不同的觀(guān)測(cè)模式。

(4)升降軌觀(guān)測(cè)獲取的同震形變場(chǎng)形變量值存在差異，但是其形變分布與變化趨勢(shì)特征相似，兩者的觀(guān)測(cè)結(jié)果并不矛盾，均是可靠的。

升降軌同震干涉形變場(chǎng)的獲取極大地彌補(bǔ)了形變資料不足的現(xiàn)狀，加深了對(duì)于田地震同震變形特征、震源機(jī)制等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，并為進(jìn)一步的地震破裂模擬研究提供更好的約束條件。

致謝:本文中所利用的ASAR數(shù)據(jù)由歐空局(ESA)提供(項(xiàng)目編號(hào) C1P．5623)。

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(責(zé)任編輯:刁淑娟)

The Calculation and Analysis of the Co－seismic Deformation Field of Yutian M s 7．3 Earthquake Basing on the Ascending and Descending Orbit ASAR Data

HONG Shun －ying1，2，SHEN Xu －h(huán)ui2，SHAN Xin －jian1，LIU Zhi－rong3，DAIYa－qiong2，JING Feng2
(1．Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China;2．Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China;3．Institute of Disaster Prevention Science and Technology，Beijing 101601，China)

The Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar(D－InSAR)based on the ascending and descending orbit data can better reveal the feature of coseismic deformation fields．With the ASAR data from European Space Agency(ESA)and two－pass D －InSAR measurement，this paper obtained both ascending orbit and descending orbit coseismic deformation fields of Yutian Ms7．3 Earthquake．The results show that the max LOS uplifting value is about+13．3 cm and the subsiding value is about －82．0 cm in the ascending－orbit coseismic deformation field，and the max LOSuplifting value is about+36．5 cm and the subsiding value is about －66．5 cm in the descending－orbit coseismic deformation field．The Yutian Earthquake is mainly rupturing along the NNE－trending normal fault with a little left－striking，the northwest plate is the hanging－wall(subsiding)of the normal fault，and the southeast plate is the foot wall(uplifting)of the normal fault．The coseismic deformation fields of ascending and descending orbits are different from each other in some aspects，but their variable tendencies and characteristics are similar，and the difference is mainly due to the two different observation modes．

Yutian Earthquake;Ascending and Descending Orbit;D－InSAR;Coseismic deformation field;LOS

洪順英(1979－)，男，博士研究生，助理研究員，主要從事InSAR技術(shù)地震應(yīng)用、遙感地質(zhì)與GIS等方面的科研工作。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0098－05

2009－12－04;

2010－03－10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(編號(hào):2008BAC35B04)、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)(編號(hào):02092443，02092403)及中國(guó)地震局地震科學(xué)聯(lián)合基金(編號(hào):C07007)聯(lián)合資助。