利用InSAR技術(shù)研究滇西南鎮(zhèn)康—永德地區(qū)現(xiàn)今地殼形變特征*

季靈運(yùn)，劉立煒，郝 明

0 引言

云南省位于南北地震帶南段，從構(gòu)造的角度，位于歐亞板塊和印度板塊會(huì)聚、消減、相互作用的邊緣地帶。因此該地區(qū)地震頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，是我國(guó)大陸內(nèi)部地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的場(chǎng)所之一 (趙洪聲等，2001)。其中的滇西南地區(qū)被中國(guó)地震局“中國(guó)大陸7～8級(jí)地震中長(zhǎng)期危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)”項(xiàng)目 (M7項(xiàng)目)確定為我國(guó)大陸地區(qū)未來(lái)十年及稍長(zhǎng)時(shí)間7級(jí)以上地震危險(xiǎn)性值得注意地區(qū) (M7專(zhuān)項(xiàng)工作組，2012)。虢順民等(1999)研究表明，滇西南地區(qū)的龍陵—瀾滄斷裂現(xiàn)今活動(dòng)比較顯著，是一條正在發(fā)展中的新生破裂帶，結(jié)構(gòu)上還沒(méi)有完全連通，斷裂南段發(fā)生了多次強(qiáng)震，如1988年的瀾滄—耿馬7.6、7.2級(jí)地震;斷裂北段則缺乏歷史強(qiáng)震，是未來(lái)強(qiáng)震易發(fā)地區(qū)。研究地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)地殼形變特征及其隨時(shí)間的演化對(duì)認(rèn)識(shí)大陸內(nèi)部變形、確定地震復(fù)發(fā)周期和理解地震孕育過(guò)程具有重要意義。因此，跟蹤研究滇西南地區(qū)的現(xiàn)今地殼形變特征對(duì)區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析以及震情跟蹤工作具有重要的指導(dǎo)意義。已有研究表明滇西南鎮(zhèn)康—永德一帶存在地殼垂直形變隆升異常，筆者在這一研究背景下，利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量 (Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)InSAR)技術(shù)獲取研究區(qū)域2007～2010年的形變演化時(shí)間序列，并結(jié)合GPS和水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，確定水準(zhǔn)垂直形變異常隆升的空間展布范圍和精細(xì)特征，研究形變異常的誘發(fā)原因和斷裂的活動(dòng)特征，落實(shí)2011年以來(lái)研究區(qū)域水準(zhǔn)巨幅波動(dòng)的地震前兆指示意義的可靠性，為滇西南10年尺度7級(jí)以上強(qiáng)震值得注意地區(qū)的強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析和震情跟蹤提供重要依據(jù)。

1 區(qū)域現(xiàn)今地殼垂直形變特征

滇西南地區(qū)自20世紀(jì)70年代至2013年已開(kāi)展了多期一等精密水準(zhǔn)測(cè)量，郝明 (2012)通過(guò)計(jì)算20世紀(jì)70年代至2011年的多期水準(zhǔn)測(cè)量資料，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的地殼形變速率相對(duì)于昌寧，鎮(zhèn)康—永德一帶以2～3 mm/a的速率大幅隆升 (圖1)，表明在數(shù)十年時(shí)間尺度下該地區(qū)存在顯著的地殼垂直形變異常，具備中強(qiáng)以上地震發(fā)震背景。在此背景下，中國(guó)地震局自2011年以來(lái)對(duì)該條水準(zhǔn)線路進(jìn)行了3次復(fù)測(cè)，其中2011年由中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心觀測(cè) (使用電子水準(zhǔn)儀)，2012和2013年由中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心觀測(cè) (使用光學(xué)水準(zhǔn)儀)，結(jié)果表明近年來(lái)該地區(qū)垂直形變變化幅度較大，波動(dòng)明顯，最大相對(duì)變化達(dá)到120 mm(圖2)。有專(zhuān)家認(rèn)為水準(zhǔn)巨幅波動(dòng)是由電子水準(zhǔn)儀和光學(xué)水準(zhǔn)儀之間的系統(tǒng)誤差引起的，但是2012和2013年均使用光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測(cè)，一年間垂直形變最大也超過(guò)了30 mm，可能反映了區(qū)域近年來(lái)正在發(fā)生著強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。然而，水準(zhǔn)測(cè)量的時(shí)間、空間分辨率均較低，較難捕捉區(qū)域垂直形變隨時(shí)間的演化，也不容易判定異常的空間展布范圍。區(qū)域形變隨時(shí)間演化的特征以及形變異常的空間覆蓋范圍對(duì)區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析以及震情跟蹤工作具有重要的指導(dǎo)意義。

2 InSAR技術(shù)簡(jiǎn)介及數(shù)據(jù)處理

2.1 InSAR技術(shù)簡(jiǎn)介

InSAR是近20年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，由于具有大范圍、高精度提取地殼形變的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在地學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用 (季靈運(yùn)等，2013;劉智榮等，2013;Marshall et al.，2013)。特別是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的干涉圖堆疊 (stacking)技術(shù)、短基線集 (Small Baseline Subsets，簡(jiǎn)稱(chēng)SBAS)技術(shù)等，削弱了常規(guī)In-SAR測(cè)量中的軌道誤差、外部DEM誤差、大氣相位延遲誤差等，拓展了InSAR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。干涉圖堆疊技術(shù)將覆蓋同一地區(qū)的多幅干涉圖加權(quán)平均，達(dá)到削弱各種誤差和噪聲、提取微量變形信號(hào)的目的 (Zebker et al.，1997;Wright et al.，2001;Emardson etal.， 2003;Biggsetal.，2007)。一般來(lái)說(shuō)，堆疊N幅干涉圖，可以削弱N1/2的大氣相位延遲誤差 (Biggs et al.，2007)。短基線集技術(shù) (Berardino et al.，2002;Jung et al.，2008)僅選取空間垂直基線較短的干涉圖進(jìn)行時(shí)間序列形變求解，削弱了空間失相干的影響，同時(shí)大大降低了外部DEM引入的誤差和大氣相位延遲。本文借助于干涉圖堆疊和短基線集兩種InSAR前沿技術(shù)提取云南鎮(zhèn)康—永德地區(qū)的地殼形變并研究其隨時(shí)間演化的特征。

2.2 SAR影像及InSAR數(shù)據(jù)處理

滇西南鎮(zhèn)康—永德地區(qū)緯度較低，植被覆蓋茂盛，本文選用了對(duì)植被具有較強(qiáng)穿透能力的日本ALOS PALSAR影像 (波長(zhǎng)23.6 cm)，共12景(每景影像包含3幀;2009年12月29日由于大氣湍流影響太大而舍棄，未參與InSAR計(jì)算)，獲取時(shí)間從2007年6月到2010年11月，選取的影像提供了3.5 a的地表形變觀測(cè)資料 (圖3)。

給定垂直基線小于2 000 m，自由組合生成66幅干涉圖。為了提高信噪比，對(duì)于每幅干涉圖，多視因子給定 16:76，即每個(gè)像元約240×240 m2。同時(shí)，對(duì)干涉圖濾波兩次。對(duì)于含有基線誤差的干涉圖，基于已有DEM，利用最小二乘法進(jìn)行了基線精化。最終選取17幅相干性好、相位解纏誤差小、大氣相位延遲誤差可忽略的干涉圖進(jìn)行后續(xù)計(jì)算與分析 (圖3)。

3 InSAR結(jié)果分析與討論

3.1 InSAR形變場(chǎng)分析

雖然ALOS PALSAR影像工作在L波段，允許較長(zhǎng)的空間垂直基線，然而數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，由于研究區(qū)域地形起伏較大，垂直基線大于1 000 m，則會(huì)造成較嚴(yán)重的空間失相干。圖3為選取進(jìn)行干涉圖堆疊計(jì)算的17幅干涉圖的時(shí)間和空間基線信息，圖中可見(jiàn)所有干涉圖的垂直基線均較短，在800 m以?xún)?nèi)，保證了后續(xù)計(jì)算結(jié)果的可靠性。圖4為通過(guò)干涉圖堆疊技術(shù)得到2007～2010年鎮(zhèn)康—永德地區(qū)的平均地殼形變速率 (雷達(dá)視線方向)，圖中序號(hào) (1)～(6)為選取的指定區(qū)域，用于提取形變時(shí)間序列 (圖5)。由圖4可知:(1)干涉圖整體相干性較好，僅在部分地勢(shì)陡峭的山區(qū)失相干;(2)形變異常位于區(qū)域中間部位的南汀河斷裂帶附近，為北東—南西方向的近橢圓形異常下沉區(qū)域，最大下沉形變速率近2 cm/a;(3)區(qū)域內(nèi)分布的斷層大多形變不明顯，僅區(qū)域北部的畹町—安定斷裂兩側(cè)存在差異性運(yùn)動(dòng)，斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為左旋，差異運(yùn)動(dòng)速率約為5 mm/a(雷達(dá)視線方向)。地震地質(zhì)研究結(jié)果表明，畹町—安定斷裂第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)性較強(qiáng)，其水平左旋滑動(dòng)速率約為2～3 mm/a(常祖峰等，2012;吳中海等，2012)，與本文InSAR技術(shù)得到的結(jié)果比較吻合，并且該斷裂參與了龍陵、瑞麗一帶的地震活動(dòng) (常祖峰等，2012)，未來(lái)的強(qiáng)震危險(xiǎn)性仍不能忽視 (吳中海等，2012)。

為了揭示滇西南鎮(zhèn)康—永德地區(qū)地殼形變隨時(shí)間的演化特征，本文利用短基線集技術(shù)計(jì)算了2007～2010年滇西南鎮(zhèn)康—永德地區(qū)形變時(shí)間序列。圖5是選取的研究區(qū)域不同位置的形變時(shí)間序列曲線，2007～2010年間幾處區(qū)域均表現(xiàn)出不同程度的形變波動(dòng)特性，其中，(2)、(5)、(6)三處波動(dòng)幅度較小，表明這3個(gè)區(qū)域相對(duì)比較穩(wěn)定;(1)、(3)、(4)三處波動(dòng)幅度較大，最大達(dá)9 cm，表明這3個(gè)區(qū)域可能存在不同程度的構(gòu)造活動(dòng)。

3.2 InSAR形變場(chǎng)可靠性分析

首先，在獲取地殼形變場(chǎng)的技術(shù)方法選取上，本文采用干涉圖堆疊和短基線集兩種技術(shù)，較多研究實(shí)例表明，這兩種技術(shù)可以以較高的精度提取區(qū)域的微小地殼形變，被證明是可靠的(Emardson et al.，2003;Biggs et al.，2007);其次，InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2007～2010年滇西南的鎮(zhèn)康—永德一帶地殼形變波動(dòng)較大 (圖5)，該區(qū)域2011～2013年的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果也表現(xiàn)出較強(qiáng)的波動(dòng)特征。雖然兩者的監(jiān)測(cè)時(shí)間不一致，無(wú)法直接進(jìn)行定量比較，但是從運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看，兩者均顯示相似的波動(dòng)特征，表明InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果是可信的。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析與討論

為了探討和分析滇西南鎮(zhèn)康—永德一帶的區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地震危險(xiǎn)性，本文收集了2009～2013年研究區(qū)域的GPS水平速度場(chǎng)，如圖6所示。為了便于分析比較，圖6同時(shí)疊加了20世紀(jì)70年代至2011年的長(zhǎng)期地殼垂直運(yùn)動(dòng)速率 (郝明，2012)以及本文干涉圖堆疊技術(shù)獲得的2007～2010年研究區(qū)的平均地殼形變速率。GPS水平速度場(chǎng)表明，相對(duì)于歐亞板塊，鎮(zhèn)康—永德一帶整體向南運(yùn)動(dòng)，量級(jí)約5～6 mm/a，2011～2013年相對(duì)于2009～2011年有整體向西旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，幅度不大。區(qū)域內(nèi)部水平形變差異不顯著。在數(shù)十年時(shí)間尺度上，相對(duì)于北部的昌寧地區(qū)，鎮(zhèn)康—永德一帶表現(xiàn)為大幅垂向隆升，量級(jí)約為2～3 mm/a?？梢?jiàn)，水準(zhǔn)資料顯示的地殼形變隆起區(qū)與InSAR反映的地殼形變下沉區(qū)范圍基本一致，分析兩者反映相反的形變態(tài)勢(shì)，可能有兩個(gè)原因:(1)區(qū)域地殼垂直運(yùn)動(dòng)在數(shù)十年的時(shí)間尺度上較為穩(wěn)定，但在幾年至數(shù)年時(shí)間尺度上則往往波動(dòng)較大 (王慶良等，2008)。郝明 (2012)獲取的垂直運(yùn)動(dòng)速率反映的是近40年時(shí)間尺度的平均速率，是區(qū)域長(zhǎng)期穩(wěn)定地殼垂直運(yùn)動(dòng)的體現(xiàn)。而本文的InSAR資料時(shí)間跨度僅為3.5 a，反映的是區(qū)域近期的地殼運(yùn)動(dòng)狀況，可能說(shuō)明區(qū)域近期地殼運(yùn)動(dòng)有活躍增強(qiáng)的趨勢(shì)。因此，兩種手段反映的是不同時(shí)間尺度范圍的地殼運(yùn)動(dòng)狀況。 (2)InSAR形變場(chǎng)是區(qū)域各個(gè)方向地殼運(yùn)動(dòng)分量在雷達(dá)視線方向的投影 (主要反映的是區(qū)域垂向運(yùn)動(dòng)特征)，而水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果僅是垂直方向的運(yùn)動(dòng)。因此，兩者反映的區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)方向不同。綜合分析不同時(shí)間段的GPS、水準(zhǔn)和InSAR地殼形變場(chǎng)，滇西南的鎮(zhèn)康—永德一帶內(nèi)部近期水平地殼運(yùn)動(dòng)不顯著，以垂直形變?yōu)橹鳎医┠陙?lái)地殼垂直運(yùn)動(dòng)比較活躍。值得注意的是，鎮(zhèn)康—永德一帶的地殼形變異?；顒?dòng)區(qū)內(nèi)中強(qiáng)以上地震活動(dòng)較弱，從圖1可以看出，1970～2013年的四十余年間該區(qū)域缺乏5級(jí)以上地震活動(dòng)，因此未來(lái)發(fā)生中強(qiáng)以上地震的危險(xiǎn)性不容忽視。

4 結(jié)論

本文基于12景日本ALOS PALSAR衛(wèi)星影像，利用InSAR技術(shù) (包括干涉圖堆疊和短基線集技術(shù))提取了2007～2010年滇西南鎮(zhèn)康—永德一帶的平均地殼形變速率和形變時(shí)間序列，并結(jié)合不同時(shí)段的水準(zhǔn)和GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果，從三維角度研究了區(qū)域現(xiàn)今的地殼運(yùn)動(dòng)特征。InSAR結(jié)果表明，水準(zhǔn)資料顯示的異常隆起區(qū)范圍沿北東—南西方向呈近橢圓形展布，這一地殼形變異常區(qū)在數(shù)十年尺度上表現(xiàn)為隆升 (速率約2～3mm/a)，表明區(qū)域具備中強(qiáng)地震孕育的地殼形變背景。而在2007～2013的數(shù)年尺度上表現(xiàn)為大幅的垂向形變波動(dòng)，可能反映區(qū)域近年來(lái)地殼垂直運(yùn)動(dòng)比較活躍，應(yīng)加強(qiáng)跟蹤與監(jiān)視。另外，區(qū)域內(nèi)分布的畹町—安定斷裂兩側(cè)存在差異性運(yùn)動(dòng)。

本文的研究結(jié)果再次證明InSAR形變場(chǎng)具有較高的空間分辨率，有效彌補(bǔ)了GPS、水準(zhǔn)測(cè)量空間分辨率較低的不足，厘清了滇西南鎮(zhèn)康—永德一帶地殼形變異常的空間范圍和展布特征，證實(shí)了區(qū)域近幾年確實(shí)存在垂直形變的大幅波動(dòng)，為區(qū)域地震危險(xiǎn)性分析和震情跟蹤工作提供了重要依據(jù)。

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