于田地震同震形變場(chǎng)ALOS干涉雷達(dá)觀測(cè)及初步分析

許 丹，姚 鑫，陳 奇，孫 岳，劉 遠(yuǎn)，劉豐敏

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081;3.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司巖土工程分公司，北京 100085)

于田地震同震形變場(chǎng)ALOS干涉雷達(dá)觀測(cè)及初步分析

許 丹1，2，姚 鑫2，陳 奇1，孫 岳3，劉 遠(yuǎn)1，劉豐敏1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081;3.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司巖土工程分公司，北京 100085)

2008年3月21日發(fā)生在新疆于田的7.3級(jí)地震是繼2001年11月昆侖山口西8.1級(jí)地震后的最大一次7級(jí)以上地震。地震是構(gòu)造活動(dòng)的集中反映，會(huì)伴隨著較大的地表形變及斷裂的明顯活動(dòng)，能夠放大構(gòu)造正常的活動(dòng)方式，同震變形場(chǎng)是這種放大作用在地表的直觀反映，對(duì)于認(rèn)識(shí)發(fā)震斷裂運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，研究鄰近構(gòu)造活動(dòng)性具有重要意義。青藏高原西北緣自然環(huán)境惡劣，常規(guī)方法無(wú)法對(duì)于田地震開(kāi)展及時(shí)有效的同震形變測(cè)量，凸顯出差分干涉雷達(dá) (InSAR)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在介紹InSAR觀測(cè)原理基礎(chǔ)上，通過(guò)地震前后ALOS干涉雷達(dá)觀測(cè)獲取了于田地震的同震變形場(chǎng)，并結(jié)合構(gòu)造背景揭示出:于田Ms 7.3級(jí)地震的宏觀震中位于康西瓦斷裂東南端的南北2個(gè)分支 (大紅柳灘斷裂和慕士山南麓斷裂)和阿爾金斷裂西南端帚狀的3個(gè)分支交匯的三角地帶;于田地震引發(fā)了阿爾金斷裂一近南北向分支斷裂的同震地表破裂，破裂長(zhǎng)度為25.6 km;發(fā)震斷層為正斷層，傾向西，上盤(pán)的最大運(yùn)動(dòng)幅度在200 cm以上;于田地震所在的兩大斷裂交匯處的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以近南北向擠壓為主。

于田地震;同震形變場(chǎng);差分干涉雷達(dá) (InSAR)技術(shù);阿爾金斷裂

2008 年3 月 21 日發(fā)生在新疆于田 (東經(jīng) 81°32'，北緯35°28'，深度23 km)［1］的 7.3級(jí)地震是繼2001年11月昆侖山口西8.1級(jí)地震后中國(guó)內(nèi)陸發(fā)生的最大一次7級(jí)以上地震，打破中國(guó)大陸7級(jí)以上地震平靜多年的現(xiàn)象。地震是構(gòu)造活動(dòng)的集中反映，會(huì)伴隨著較大的地表形變及斷裂的明顯活動(dòng)，能夠放大構(gòu)造的正?；顒?dòng)方式，同震變形場(chǎng)是這種放大作用在地表的直觀反映，對(duì)于認(rèn)識(shí)發(fā)震斷裂運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，研究鄰近構(gòu)造活動(dòng)性具有重要意義。同震形變監(jiān)測(cè)和發(fā)震構(gòu)造活動(dòng)性的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、構(gòu)造形跡分析、震源機(jī)制解和數(shù)值模擬等。然而在青藏高原西北緣惡劣的自然環(huán)境中，常規(guī)方法無(wú)法對(duì)于田地震開(kāi)展及時(shí)有效的同震形變測(cè)量，凸顯出差分干涉雷達(dá) (InSAR，Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar)的優(yōu)勢(shì)［2～4］。本文介紹了InSAR觀測(cè)原理，并重點(diǎn)分析了通過(guò)干涉雷達(dá)對(duì)于田地震同震形變場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果，據(jù)此分析發(fā)震機(jī)制及鄰近構(gòu)造帶的活動(dòng)性。

1 研究區(qū)構(gòu)造背景

于田7.3級(jí)地震宏觀震中位于青藏高原西北緣的阿什庫(kù)勒地區(qū) (見(jiàn)圖1)。青藏高原北緣的2條大斷裂自第四紀(jì)以來(lái)的運(yùn)動(dòng)方式與滑移速率對(duì)認(rèn)識(shí)青藏高原西北部變形作用和機(jī)制，以及對(duì)地震的預(yù)測(cè)具有重要意義。研究區(qū)斷裂活動(dòng)的復(fù)雜性源于印度板塊沖擊歐亞板塊，青藏高原開(kāi)始對(duì)大陸巖石圈碰撞擠壓，在塔里木盆地古老巖石的阻擋下，使青藏高原地殼縮短和高原隆升。由于青藏高原西部的塊體向北推進(jìn)，阿爾金斷裂及其南盤(pán)山體隆起強(qiáng)烈，山前、山間拗陷劇烈，斷錯(cuò)地貌明顯，震區(qū)及附近的構(gòu)造變形活動(dòng)異常劇烈，尤以垂直運(yùn)動(dòng)最為顯著，運(yùn)動(dòng)幅度達(dá)5000～7000 m［5］。地殼活動(dòng)塊體間的相互作用，使得該地區(qū)的新構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，垂直、水平運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部變形均很明顯，導(dǎo)致了高原邊緣地區(qū)的構(gòu)造以擠壓、拉張為主，兼有走滑運(yùn)動(dòng)［6］。大的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)槟媳毕?，所以形成的幾個(gè)大的斷裂帶都是東西向的，如:阿爾金斷裂帶、康西瓦斷裂帶、大紅柳灘—郭扎錯(cuò)斷裂、普魯斷裂等。同時(shí)于田地震就發(fā)生在康西瓦斷裂和阿爾金斷裂的交匯處，所以通過(guò)震源機(jī)制解和其他的一些方法都認(rèn)為于田地震所處的斷裂走向應(yīng)該是東西向，是阿爾金深斷裂左旋扭錯(cuò)，致使斷裂帶西南端的破裂構(gòu)造繼續(xù)活動(dòng)的結(jié)果。

圖1 于田7.3級(jí)地震震中位置、鄰近斷裂和InSAR圖幅范圍Fig.1 Yutian earthquake epicenter，faults and InSAR covering

2 差分干涉雷達(dá)的監(jiān)測(cè)原理

干涉雷達(dá)作為一項(xiàng)新的地球物理技術(shù)，是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)圖像的相位信息獲取地表變形信息的技術(shù)，測(cè)量精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至更高。InSAR技術(shù)的應(yīng)用為地震地質(zhì)研究開(kāi)拓了一條新的途徑。InSAR技術(shù)可以使我們直接獲取大范圍的、連續(xù)空間覆蓋的斷層位移和運(yùn)動(dòng)速率等定量化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為深入了解斷裂活動(dòng)方式、區(qū)域地殼穩(wěn)定性、地震重復(fù)間隔、潛在震源區(qū)等問(wèn)題做數(shù)據(jù)支撐。InSAR技術(shù)不受大空間尺度和復(fù)雜自然因素影響，可以獲得極為經(jīng)濟(jì)的垂直形變信息，結(jié)合GPS的高精度水平形變信息，在時(shí)間軸上進(jìn)行矢量疊加，可以得到區(qū)域地表的三維動(dòng)態(tài)位移場(chǎng)、速度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)于監(jiān)測(cè)震前的微量形變、震時(shí)的同震位錯(cuò)和震后的變形回彈等地形形變研究有著極其重要的意義，可為地震預(yù)測(cè)提供豐富可靠的定量信息。

地形變InSAR監(jiān)測(cè)至少需要根據(jù)同一區(qū)域兩次重復(fù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，雷達(dá)傳感器的回波信號(hào)攜帶了地物后向散射體的相位和強(qiáng)度信息，計(jì)算同一區(qū)域不同時(shí)間獲取的兩景單視復(fù)數(shù) (SLC，Single Look Complex)雷達(dá)影像 (φm及φs)的相位差生成干涉圖Δφ，該干涉圖中既包含了兩次成像期間地表相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相位信息 (φdef)，也含有成像區(qū)域的地形信息(φtopo)、觀測(cè)向斜距信息 (φf(shuō)lat)、傳感器軌道誤差 (φorbit)、大氣效應(yīng) (φatmos)和其他去相干因素的相位 (φnoise)值，公式表示為:

差分干涉的基本任務(wù)就是從干涉圖中提取有用的φdef信息。式 (1)中的地形相位φtopo可以采用數(shù)字高程模型或多軌觀測(cè)方法去除，觀測(cè)向斜距φf(shuō)lat屬于系統(tǒng)觀測(cè)常量，通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)校正，其他相位信息引起的測(cè)量誤差在厘米級(jí)，是阻礙InSAR測(cè)量精度提高的主要因素，目前尚未有完善的解決手段。處理后的地形變干涉相位信息 (φdef)與沿傳感器視線向 (LOS，Line of Sight)地表變形ΔR的關(guān)系為:

式中λ為雷達(dá)波波長(zhǎng)，cm。

可見(jiàn)對(duì)于相同的地表變形ΔR，雷達(dá)波長(zhǎng)與干涉條紋的密度成反比，對(duì)于同一變形，波長(zhǎng)分別為 X波段 (3.0 cm，TerraSAR-X＆COSMO-SkyMed)、C波段 (5.6 cm，EnviSAT ASAR＆ERS1/2)和L波段 (23.5 cm，ALOS衛(wèi)星的PALSAR傳感器)的干涉條紋如圖2所示。干涉圖像中每個(gè)干涉條紋代表波長(zhǎng)一半的變形量，即X波段圖像上的一個(gè)條紋為1.5 cm變形，C波段為2.8 cm變形，L波段為11.8 cm變形［3～4］，也就是波長(zhǎng)越短相對(duì)測(cè)量精度越高。但短波雷達(dá)數(shù)據(jù)受環(huán)境影響顯著，不易形成干涉，因此在應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合自然環(huán)境和研究精度需求確定采用的波段。

3 D-InSAR處理同震形變的步驟

本文中采用“3.21”于田地震前后的PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字高程模型 (DEM)數(shù)據(jù)，對(duì)阿什庫(kù)勒盆地及其鄰近構(gòu)造帶進(jìn)行“二通道+DEM”的干涉監(jiān)測(cè) (見(jiàn)圖3)。于田地震影響區(qū)主要為高原山區(qū)與現(xiàn)代冰川，雷達(dá)回波中噪聲較大，ALOS衛(wèi)星的PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)擁有較長(zhǎng)的L波段 (23.6 cm)，在2次成像中雷達(dá)后向散射保持很好的相關(guān)性，可以獲得較高質(zhì)量的全區(qū)干涉圖 (每個(gè)條紋周期代表11.8 cm的變形)。

InSAR監(jiān)測(cè)地震同震形變場(chǎng)，必須要有震前和震后觀測(cè)的雷達(dá)數(shù)據(jù)。按ALOS衛(wèi)星的觀測(cè)策略，震前一年內(nèi)庫(kù)存了至少1次該地區(qū)的PALSAR觀測(cè)數(shù)據(jù)。在“3.21”震后日本宇航局 (JAXA)啟動(dòng)應(yīng)急補(bǔ)充觀測(cè)，構(gòu)成了完整的阿什庫(kù)勒地區(qū)地震前后的干涉像對(duì)，本文中應(yīng)用了震前震后的3對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的軌道號(hào)、獲取時(shí)間、垂直基線長(zhǎng)度等信息見(jiàn)表1。

圖2 4種雷達(dá)數(shù)據(jù)的干涉條紋Fig.2 Four kinds of unwrapped InSAR maps

圖3 兩軌干涉﹢DEM差分干涉處理流程圖Fig.3 Two-track interferometric+DEM differential interferometric processing flow chart

表1 雷達(dá)數(shù)據(jù)信息Table1 Information of radar data

4 InSAR監(jiān)測(cè)的初步成果與分析

據(jù)日本航空航天局 (JAXA)的全球觀測(cè)策略，目前在于田地區(qū)PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)大部分為升軌時(shí)拍攝，垂向入射角均為34.3°，視線向?yàn)楸睎|81.84°，相應(yīng)的雷達(dá)視線向變形量(dLOS)與垂直 (dup)、北 (dn)、東 (de)變形量關(guān)系為［3］:

可以看出，垂直形變與東西向形變的敏感度相差不大，但兩者對(duì)視線向的貢獻(xiàn)為相反方向。如果野外調(diào)查獲得了地表水平和垂直位錯(cuò)量，通過(guò)公式 (3)，再結(jié)合斷層的走向和雷達(dá)成像幾何關(guān)系，可以計(jì)算出實(shí)際的視線向位錯(cuò)量，從而實(shí)現(xiàn)野外觀測(cè)與D-InSAR的互相檢驗(yàn)和比較。圖4將PALSAR干涉雷達(dá)形變圖像附在地形圖上，是纏繞在一個(gè)相位周期(-π～π弧度)內(nèi)的D-InSAR觀測(cè)結(jié)果，相當(dāng)于視線向變形的等值線，PALSAR數(shù)據(jù)波長(zhǎng)為23.6 cm，每個(gè)條紋代表11.8 cm的視線向形變。這其中還包括InSAR的地形誤差、軌道誤差、大氣延遲誤差和電離層干擾誤差等，但相對(duì)于本次地震形變量居于次要地位。

通過(guò)圖4可見(jiàn)發(fā)震斷裂走向總體為南北向，此地震破裂主要以正斷層破裂方式為主，兼有左旋走滑運(yùn)動(dòng)的傾滑破裂特征:西向?yàn)樯媳P(pán)發(fā)生沉降，東向?yàn)橄卤P(pán)發(fā)生隆起。同時(shí)，根據(jù)圖4可以粗略地算出該發(fā)震斷裂的長(zhǎng)度為25.6 km，明顯的地震形變影響范圍為2500 km2，西側(cè)上盤(pán)的視線向形變?yōu)?00.6 cm(11.8 cm/條紋×17條紋)，按入射角可分解為上盤(pán)下沉量166.5 cm，上盤(pán)水平位移量112.3 cm。雖然位移量較大，但此次于田地震所發(fā)生的位置人員稀少，所造成的損失也比較小，沒(méi)有人員傷亡。通過(guò)InSAR干涉測(cè)量方法，能準(zhǔn)確地確定斷裂走向和地震形變影響范圍，為分析青藏高原西北緣的構(gòu)造變形和動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)。

Shan等 (2009)［7］用EnviSAT衛(wèi)星的 C波段 (5.6 cm)雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)于田地震也進(jìn)行了干涉觀測(cè) (見(jiàn)圖5)。通過(guò)比較可見(jiàn)C波段干涉圖中，發(fā)震斷裂的總體走向也是南北向，其東盤(pán)的干涉條紋比較清晰，而西盤(pán)的條紋模糊，這與本文中所做出的干涉條紋情況剛好相反。在研究地表變形的時(shí)候，可以綜合圖4、圖5這2個(gè)干涉圖進(jìn)行分析。

干涉圖產(chǎn)生差異的原因:①由于衛(wèi)星的類型不同，本文使用的是日本ALOS衛(wèi)星的PALSAR L波雷達(dá)數(shù)據(jù)，而干涉圖5用的是歐空局 EnviSAT衛(wèi)星的ASAR-C波雷達(dá)數(shù)據(jù);②衛(wèi)星的拍攝角度不同，本文采用的ALOS衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù)是升軌數(shù)據(jù)，雷達(dá)視線向?yàn)榻鼥|向 (見(jiàn)圖4);EnviSAT衛(wèi)星的ASAR是降軌觀測(cè)，視線近西向 (見(jiàn)圖5);③數(shù)據(jù)拍攝的時(shí)間不同，這對(duì)形成干涉的效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

結(jié)合目前地震前后各方面的觀測(cè)結(jié)果，可以從InSAR變形場(chǎng)中解譯出重要的構(gòu)造信息:由于青藏高原西南部的塊體向北推進(jìn)，阿爾金斷裂及其南盤(pán)山體隆起強(qiáng)烈，山前、山間拗陷劇烈，斷錯(cuò)地貌明顯;同時(shí)地殼活動(dòng)塊體間的相互作用，使得這個(gè)地區(qū)的新構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，垂直、水平運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部變形均很明顯。于田地震所處的斷裂走向不是東西向，而是和大的作用力方向一致的南北向，這并不矛盾。在大的南北向作用力作用下，大斷裂的走向基本上都是東西向的，特別是板塊碰撞邊界線更是如此;但于田地震發(fā)生處與板塊碰撞邊界線還有一些距離，在東西向阿爾金斷裂和康西瓦斷裂的共同作用下，阿爾金斷裂和康西瓦斷裂的中間地帶是有可能形成南北向破裂的，同時(shí)與發(fā)震斷裂近平行發(fā)育的玉龍喀什河的走向也佐證了這條斷裂的走向。通過(guò)震源機(jī)制解分析這次地震就是由于阿爾金斷裂的左旋扭錯(cuò)，致使阿爾金斷裂西南端發(fā)生破裂，只是破裂的方向是與阿爾金斷裂垂直的南北向。這條南北向斷裂也正反映了該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的復(fù)雜性，說(shuō)明斷裂之前也存在很強(qiáng)的相互影響，本次于田7.4級(jí)地震之后的一個(gè)多月就發(fā)生了5月12日的四川汶川8級(jí)地震。

圖4 于田地震同震變形場(chǎng)干涉雷達(dá)條紋圖 (背景地貌渲暈圖)Fig.4 Unwrapped InSAR map by hillshade geomorphology(slight direct from NW45°)

圖5 C波段 (5.6 cm)于田地震的干涉圖［7］Fig.5 InSAR map of Yutian earthquake be made by C-band wave(5.6 cm)

5 結(jié)論

通過(guò)ALOS衛(wèi)星的PLSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)InSAR形變觀測(cè)，本文獲得了于田地震的同震地表形變圖像，對(duì)于理解該地震的發(fā)震機(jī)理及該區(qū)域的構(gòu)造變形具有重要意義。

2008年3月21日于田Ms 7.3級(jí)地震的宏觀震中位于康西瓦斷裂東南端的南北2分支(大紅柳灘斷裂和墓士山南麓斷裂)和阿爾金斷裂西南端帚狀的3個(gè)分支交匯的三角地帶。于田地震引發(fā)了阿爾金斷裂的一個(gè)近南北向分支斷裂的同震地表破裂，破裂長(zhǎng)度為25.6 km。根據(jù)干涉雷達(dá)變形圖像推測(cè)于田地震震源機(jī)制解為正斷層，斷層傾向西，上盤(pán)的最大運(yùn)動(dòng)幅度在200 cm以上。于田地震所在的兩大斷裂交匯處的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以近南北向擠壓為主。

雖然距離得出精確的斷層破裂模型還有較長(zhǎng)的路要走，但是從原始的干涉形變圖像上已經(jīng)可以得出一些重要的地質(zhì)和地球物理信息，這些信息對(duì)于深入研究地震構(gòu)造都具有重要意義。下一步需要研究寬幅InSAR同震形變的觀測(cè)，獲取青藏高原北緣更大范圍內(nèi)對(duì)本次地震的變形反應(yīng)，以期待全面分析同震和震后應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)演化等更為重要的科學(xué)問(wèn)題。

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ALOS INSAR COSEISMIC DEFORMATION OF YUTIAN EARTHQUAKE AND INITIAL ANALYSIS FOR GEOLOGY

XU Dan1，2，YAO Xin2，CHEN Qi1，SUN Yue3，LIU Yuan1，LIU Feng-min1
(1.College of Engineering Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China;3.Geotechnical Engineering Sub-company of China Petroleum Engineering Corporation，Beijing 100085，China)

A Ms 7.3 scale earthquake occurred in Yutian area，Xinjiang Uygur Autonomous Region，China，on March 21，2008 is the biggest earthquake after the Ms 8.1 scale earthquake happened in Kunlun Mountain，November，2001.Earthquake is concentrated reflection of tectonic activity，it can be accompanied by a large surface deformation and apparent fracture events，it can zoom the normal activities way of construct.Coseismic deformation is the effect directly reflected in the surface，it is very important for understanding of the nature of earthquake faulting and researching adjacent tectonic activity.In the harsh natural environment of northwestern margin of the Tibetan Plateau，the conventional methods can not carry out timely and effective for the field earthquake coseismic deformation measurement，so the advantages of InSAR technique have be highlighted.This article describes the InSAR observation principle，then gotten Yutian earthquake Co-seismic InSAR deformation field by ALOS PALSAR radar data，and presents geological results:Yutian Ms 7.3 earthquake macroscopic epicenter is located in the two north-south branches of Kangxiwar Fault southeast(Large Tamarisk Fault and Mousse Hill Fault)and the three branches of the triangle intersection which in Altyn Tagh Fault southwest;Yutian earthquake triggered a coseismic surface rupture which in Altyn Tagh Fault NS-trending branch，and the length of the rupture is 25.6 km;It is speculation that Yutian fault focal mechanism solutions is the normal fault under the deformed image of the interference radar，faults incline to west，the maximum range of motion on the plate over 200 cm;The tectonic stress around the two big faults intersection where Yutian earthquake occurred is mainly press in north and south direction.

Yutian earthquake;coseismic deformation;InSAR;Altyn Tagh Fault

P315.2

A

1006-6616(2011)04-0373-08

2011-05-07

自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (編號(hào):40902059)

許丹 (1988-)，男，中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)工程技術(shù)學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)碩士研究生，E-mail:didaxudan@163.com