基于PS－InSAR技術(shù)的麗江斷裂形變監(jiān)測研究*

劉智榮，黃靜宜，2，洪順英，白相東，2

0 前言

以麗江市區(qū)為界，麗江—金河斷裂分為南西和北東兩段。該斷裂帶晚第四紀(jì)以來表現(xiàn)出較強(qiáng)的活動性。在麗江—永勝公路12 km處可見該斷裂東支斷層的地質(zhì)剖面，斷層明顯切錯古近系上部麗江組礫巖。斷面產(chǎn)狀NE28°/NW47°，其中發(fā)育側(cè)伏向SW，傾伏角35°～40°的擦痕，判斷該斷層的最新錯動為左旋走滑—正斷性質(zhì);對取自該斷層的樣品的熱釋光絕對年齡測定，其最新活動發(fā)生在距今3～21 ka。沿斷裂帶地震活動頻繁，在區(qū)內(nèi)長120 km區(qū)段內(nèi)，自1481年以來共記錄M≥4.0地震20余次，較強(qiáng)的兩次地震為1751年5月25日劍川6?4級地震以及1996年2月3日麗江7級地震;這兩次地震的等震線長軸方向均為NE向，受麗江—小金河斷裂控制，形成一條橫貫研究區(qū)東南部的地震活動帶 (蘇生瑞等，2004;韓竹軍等，2004;周光全等，1997)。

對研究區(qū)斷裂帶方向及活動性 (速率)的測量，為定量化研究斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響以及揭示斷裂帶動力學(xué)機(jī)制提供必要的數(shù)據(jù)。雖然王永安等 (2004)、牛安福等 (2004)、李忠華等(1998)在麗江地區(qū)及其鄰區(qū)開展過地應(yīng)力及水準(zhǔn)測量工作，但由于測點分散、測量深度相差較大，測量值和方向都較為分散。永久散射體雷達(dá)干涉測量(Permanent Scatter-Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡稱PS-InSAR)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，并可以獲取毫米級精度的地表形變信息。PS-InSAR作為空間探測的新技術(shù)，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，為定量化計算研究區(qū)的應(yīng)力場提供了必要的、精確的數(shù)據(jù)，在地震、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面得到了廣泛應(yīng)用 (Ferretti et al，2000，2001;張景發(fā)等，2006;陳國滸等，2010;郭炳躍等，2011;屈春燕等，2011;許才軍等，2011)。本文應(yīng)用PS-InSAR技術(shù)解析了麗江斷裂微形變速率及特征。

1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測地殼形變需要同一地區(qū)大量的影像對，以保證較高的計算精度。目前常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)有:歐洲ENVISAT、加拿大的RADARSAT、日本 ALOS及德國的 TerrSAR-X衛(wèi)星。ENVISAT衛(wèi)星由歐空局2002年發(fā)射，搭載的雷達(dá)傳感器ASAR工作波段波長為5.6 cm(C波段)?？紤]天氣狀況、軌道參數(shù)及數(shù)據(jù)可獲得性等因素，我們獲取麗江地區(qū)28景ENVISAT衛(wèi)星降軌IS2模式，VV極化SLC數(shù)據(jù) (表1)，外部DEM數(shù)據(jù)采用美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室SRTM3'數(shù)據(jù) (約90 m分辨率)。ENVISAT衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)采用DORIS精密軌道，以提高初始干涉測量的軌道精度。

表1 ASAR數(shù)據(jù) (垂直基線距由DORIS精密軌道計算)Tab.1 ASAR Data(vertical baseline distance is calculated by DORIS precise orbit)

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

因為活動斷裂所處的地區(qū)地勢往往較復(fù)雜(圖1)，東部與西南地區(qū)植被影響較嚴(yán)重，而且活動斷裂的地表形變并不是嚴(yán)格的呈現(xiàn)線性形變特征，可能在某些時間內(nèi)會有突然的變形作用。綜合以上因素，本文應(yīng)用斯坦福大學(xué)開發(fā)的Standford Method for Persistent Scatter(StaMPS)(Hooper，2006，2008)對麗江斷裂形變特征進(jìn)行提取。StaMPS方法的最大優(yōu)勢是可以在植被區(qū)或山區(qū)獲取比較可靠的PS點，特別適用于活動斷裂所處的地質(zhì)與地理條件，而且它不需要先驗的形變模型，就可以捕捉非線性形變信息，計算精度也可以滿足活動斷裂形變監(jiān)測的要求。

圖1 麗江地區(qū)區(qū)域新構(gòu)造環(huán)境(據(jù)韓竹軍等 (2004))Fig.1 The new regional tectonic environment of Lijiang area(according to Han et al(2004))

2 形變信息提取與分析

2.1 麗江斷裂形變提取結(jié)果

StaMPS方法是三維解纏，提升了其解纏精度與解纏能力，主要有3種處理方法:單一主圖像處理、小基線集處理和多時相干涉組合處理。本文采取小基線集處理方法提取麗江斷裂形變信息。小基線集處理時需設(shè)定一定的最大基線間距閥值，可以將ASAR數(shù)據(jù)集進(jìn)行自由組合。本文組成的初始小基線集干涉像對共116對，在后續(xù)處理中剔除一些誤差偏大的像對后，最終保留了109對，圖2顯示了小基線集組合的干涉像對情況。

圖2 小基線集組合的109對干涉像對Fig.2 The 109 pairs of small baseline sets combinations

經(jīng)過小基線集數(shù)據(jù)處理，扣除DEM、大氣與軌道誤差之后疊加在DEM上的平均速率如圖3所示，平均速率標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖4所示。整個研究區(qū)的年平均形變速率值介于－9.6～7.2 mm/a之間，最大的LOS向沉降形變量位于拉市海南與蛇山公園西南側(cè)，最大的LOS向隆升量位于打那子小盆地與文海西。平均速率標(biāo)準(zhǔn)差介于0.4～4.8 mm/a之間，在盆地與地形平坦地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差一般小于1～2 mm/a，地形復(fù)雜的山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差偏大，尤其是文海以北山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差最大。

2.2 麗江斷裂形變特征分析

由于雷達(dá)衛(wèi)星干涉測量存在視線向模糊問題(洪順英，2010)，基于PS-InSAR獲取的年平均形變速率圖反映的是衛(wèi)星LOS向的形變測量結(jié)果。從圖3分析，拉市海附近有比較明顯的LOS向沉降形變，年平均形變速率最大可達(dá)－9.6 mm/a，根據(jù)其所處的地理環(huán)境，推測如此明顯的LOS向形變最有可能與拉市海周圍的地面沉降有關(guān)，而并非受斷層活動影響。另一個明顯的LOS向沉降形變位于蛇山公園西南側(cè)，形變影響范圍只限于局部，沒有形成比較明顯的線性分析特征，推測其可能也與地面沉降有關(guān)。因此，PS-InSAR測量的地表形變場不僅僅與活動斷裂有關(guān)，還與地面沉降影響有關(guān)，是一個多因素共同作用的結(jié)果。

為了分析麗江斷裂的形變特征，沿麗江斷裂可見空間上不連續(xù)的形變梯度帶，尤其在獅子山與打那子附近的形變界線最為明顯。但是，獅子

圖3 疊加在DEM上的平均速率

圖4 平均速率標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.4 The standard deviation of mean velocity in LOS direction

Fig.3 The mean velocity superimposed on the DEM in LOS direction山南側(cè)沿麗江斷裂NE向存在形變界線外，其西側(cè)沿NNE方向似乎也存在一條長2～3 km的形變界線一直延伸至象山 (圖4)。通過仔細(xì)驗證，發(fā)現(xiàn)獅子山以東、以北地區(qū)主要為麗江古城遺址，而且古城遺址與獅子山附近的形變界線基本吻合;麗江古城自2003年以來就一直處于受保護(hù)狀態(tài)，地表變形相對穩(wěn)定，而其它城區(qū)可能因地下水開采引起地面沉降。所以，獅子山南側(cè)沿麗江斷裂NE向的形變界線并不能完全代表麗江斷裂的活動，它應(yīng)該是活動斷裂與地面沉降的綜合結(jié)果;而獅子山西側(cè)沿NNE向的形變界線可能主要與地面沉降有關(guān)。所以，麗江斷裂進(jìn)入城區(qū)后由于城市化活動影響，PS-InSAR觀測到的形變界線模糊或存在多解性。

打那子附近的形變界線可能與麗江斷裂的活動是緊密相關(guān)的，因為此形變界線附近的人為活動影響弱，基本上可以排除城市化造成的地面沉降影響。垂直于麗江斷裂走向進(jìn)行形變速率剖面線分析 (圖5)可知，麗江斷裂NW盤與SE盤的LOS向年變速率相差約3～5 mm/a，NW盤表現(xiàn)為相對遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運動，南東盤表現(xiàn)為相對靠近衛(wèi)星方向運動，反映了麗江斷裂左旋走滑的特征。

圖5 麗江斷裂形變剖面線Fig.5 Deformation section line of the Lijiang Fault

PS-InSAR揭示的2003～2010年麗江斷裂的年變速率約為3～5 mm/a，與向宏發(fā)等 (2002)給出的歷史滑動速率基本相當(dāng)，表明麗江斷裂目前地殼活動相對穩(wěn)定。

3 結(jié)論

基于PS-InSAR形變探測原理，運用小基線集干涉處理方法提取、分析了麗江斷裂2003～2010年的平均形變速率。結(jié)果表明:麗江斷裂具左旋走滑形變特征，年平均LOS向滑動速率可達(dá)3～5 mm左右，目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。麗江城區(qū)局部以及拉市海附近存在較明顯的地面沉降，最大沉降速率可達(dá)－9.6 mm/a。

本文的研究為麗江地區(qū)地震預(yù)測增加了可靠的斷裂活動數(shù)據(jù)，有助于推進(jìn)PS-InSAR技術(shù)在活動斷裂形變監(jiān)測中的進(jìn)一步應(yīng)用。但是麗江斷裂進(jìn)入城區(qū)后，受城市化干擾因素影響，PS－InSAR測量獲得的地表形變信息中存在地面沉降的干擾，目前尚沒有好的方法進(jìn)行分離。

感謝歐空局 (ESA)提供的ASAR科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù) (編號C1P5623)。

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