基于GPS和SBAS-InSAR的陽原盆地北緣斷裂現(xiàn)今地表形變特征

高 晨 曹 筠 劉書峰 馬 棟 劉思宇

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號，050021

陽原盆地位于晉冀蒙交界區(qū)，盆地西起陽原縣東井集鎮(zhèn)，東至桑干河峽谷，北部為熊耳山山脈，南部為六棱山和鳳凰山，是一個新生代斷陷盆地[1]。晉冀蒙交界區(qū)是華北地震非?；钴S的地區(qū)之一，但是近年來中小地震稀少，根據(jù)GPS觀測資料，該地區(qū)大多活動斷層處于完全閉鎖或者部分閉鎖狀態(tài)[2]。陽原盆地北緣斷裂是陽原盆地東部北側(cè)的主控邊界斷裂(圖1)，總體走向為NE，正斷層，長約62 km。根據(jù)斷錯地貌特征可將該斷裂分為東、中、西3段，自東向西活動性逐漸減弱，東段和中段為晚更新世以來活動的地段，西段最新活動年代為中更新世[3]。該斷裂附近曾發(fā)生一系列中等地震，如1545年5.3級、1978年5.2級和1988年4.6級地震等[2]。

圖1 陽原盆地及周邊區(qū)域斷裂、GPS測站及InSAR數(shù)據(jù)分布Fig.1 Distribution of faults，GPS stations and InSAR data in Yangyuan basin and surrounding area

采用地質(zhì)學(xué)方法推算得到陽原盆地北緣斷裂現(xiàn)今垂直滑動速率為0.02～0.14 mm/a，具有明顯的分段特征[4-5]。使用水準(zhǔn)測量方法得到的陽原盆地北緣斷裂東段和中段的垂直滑動速率分別小于1 mm/a和0.45 mm/a[6-7]。地質(zhì)學(xué)方法是研究斷層活動性的經(jīng)典方法，但是存在只能在斷層露頭且具有明顯位錯處測量、測點有限和觀測結(jié)果隨機性大等缺陷[8]。陽原盆地北緣斷裂具有顯著的分段性，關(guān)于該斷層的水準(zhǔn)測量資料僅限于東段和中段，且最新的測量資料至今已過去近10 a，無法對現(xiàn)今斷層的活動性進(jìn)行研究。本文以GPS高精度水平形變速率為約束，結(jié)合小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉(small baseline subset InSAR，SBAS-InSAR)測量技術(shù)，采用直接分解方法，將LOS向形變速率分解為垂直形變速率，獲取陽原盆地北緣斷裂高精度、高空間分辨率的地表垂直形變場，同時使用斷層兩側(cè)GPS資料進(jìn)一步研究陽原盆地北緣斷裂現(xiàn)今活動性。

1 現(xiàn)今地殼運動觀測

1.1 GPS資料及數(shù)據(jù)處理

本文GPS觀測數(shù)據(jù)來自“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”位于陽原盆地及周邊地區(qū)的GPS連續(xù)站和流動站(圖1)，其中流動站點共觀測2009、2011、2013、2015和2017年5期。將該地區(qū)的所有測站與中國大陸及周邊的IGS測站觀測數(shù)據(jù)組網(wǎng)，采用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行處理，得到GPS站在ITRF2008參考框架下的速度，利用ITRF2008框架下的歐亞板塊歐拉極[9]，將ITRF2008框架下的GPS速度場轉(zhuǎn)換為相對于穩(wěn)定歐亞板塊參考框架下的水平運動速度場。剔除方向、大小明顯偏離區(qū)域運動背景的GPS站后，最終選定13個測站數(shù)據(jù)，其中連續(xù)站水平向平均誤差為0.46 mm/a，流動站水平向平均誤差為0.33 mm/a。

1.2 SAR影像及InSAR數(shù)據(jù)處理

使用從歐空局獲取的Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)，時間跨度為2017-07～2019-12，包括30景升軌和31景降軌數(shù)據(jù)，成像模式為干涉寬幅模式(IW)，詳細(xì)參數(shù)見表1。同時采用歐空局發(fā)布的對應(yīng)的AUX_POEORB精密軌道參數(shù)文件。DEM數(shù)據(jù)采用美國宇航局提供的空間分辨率為30 m×30 m的SRTM1數(shù)據(jù)，用于針對TOPS(terrain observation with progressive)模式的增強譜分集(enhanced spectral diversity，ESD)配準(zhǔn)、模擬地形相位及地形相位去除[10]。

表1 研究區(qū)Sentinel-1衛(wèi)星影像參數(shù)

升、降軌公共主影像的獲取時間分別為2019-01-22和2018-08-23，以此影像作為統(tǒng)一的配準(zhǔn)基準(zhǔn)以及時間參考點。升、降軌設(shè)定時間基線閾值和空間基線閾值分別不少于300 d和不超過200 m，并剔除干涉效果較差的干涉對以降低時空去相干的影響，最終分別篩選出93個升軌、101個降軌干涉對，如圖2所示。升軌干涉影像對組合中，最長時間間隔為252 d，最長垂直基線為98.374 m；降軌干涉影像對組合中，最長時間間隔為204 d，最長垂直基線為121.612 m。使用Delaunay MCF方法進(jìn)行相位解纏，應(yīng)用多視和Goldstein濾波去除噪聲，其中多視處理采用方位向視數(shù)為1，距離向視數(shù)為4，得到去平和濾波后的干涉圖、相干系數(shù)圖以及相位解纏結(jié)果。然后在解纏后的干涉圖像上選取遠(yuǎn)離形變區(qū)相對穩(wěn)定的點作為GCP點，對干涉結(jié)果進(jìn)行軌道精練和重去平，進(jìn)行估算和去除參與的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道。通過分析相干系數(shù)圖可知，研究區(qū)內(nèi)非植被覆蓋區(qū)的相干系數(shù)均大于0.2，因此將相干系數(shù)閾值設(shè)置為0.2。利用線性模型第1次估計每個相對的形變速率和殘余相位，對合成的干涉圖進(jìn)行去平并重新進(jìn)行相位解纏和軌道精練。二次解纏后，得到更優(yōu)化的結(jié)果。在第1次反演得到的形變速率基礎(chǔ)上，利用高通濾波和低通濾波對大氣影響進(jìn)行估計并去除大氣相位。在進(jìn)行大氣濾波時，假設(shè)大氣在空間上具有高相關(guān)性，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置參數(shù)為1 200 m；假設(shè)大氣在時間上具有低相關(guān)性，設(shè)置參數(shù)為365 d。最終得到最優(yōu)的LOS向形變速率如圖3所示。

圖2 Sentinel-1升、降軌干涉數(shù)據(jù)的時空基線分布Fig.2 Distribution of spatiotemporal baselines of Sentinel-1 ascending and descending InSAR data

F3:懷安盆地南緣斷裂；F4:陽原盆地北緣斷裂；F5:六棱山北麓斷裂；F12:右所保-松枝口斷裂圖3 研究區(qū)升、降軌LOS向形變場Fig.3 LOS deformation field of ascending and descending in study area

2 垂直形變場提取

2.1 GPS和InSAR速度場融合

陽原盆地及周邊地區(qū)有13個GPS點位(圖1)。為了將GPS速度場與應(yīng)用SBAS-InSAR技術(shù)反演的高空間分辨率的LOS向形變速率進(jìn)行綜合求解，本文利用線性變異函數(shù)的普通Kriging插值方法對GPS結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插[11]，將GPS點的南北向和東西向速率內(nèi)插至與InSAR相同的空間分辨率，獲取陽原盆地北緣斷裂兩側(cè)水平速率場(圖4)。然后利用LOS向形變矢量與三維地表形變矢量的幾何關(guān)系(式(1))，采用直接分解法將InSAR在LOS向形變速度分解成垂直形變速度場[12](圖5)：

圖5 利用GPS和SBAS-InSAR獲得的研究區(qū)垂直形變場Fig.5 Vertical deformation field of study area derived from GPS and SBAS-InSAR

(1)

F3:懷安盆地南緣斷裂；F4:陽原盆地北緣斷裂；F5:六棱山北麓斷裂；F12:右所保-松枝口斷裂圖4 陽原盆地北緣斷裂兩側(cè)GPS點插值結(jié)果Fig.4 Interpolation results of GPS points of both sidesof northern margin fault of Yangyuan basin

2.2 升、降軌垂直形變場交叉互檢

由于GPS在垂直方向測量精度較低且研究區(qū)內(nèi)缺少水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)，本研究利用觀測周期基本相同的升、降軌SBAS-InSAR形變測量值的交叉互檢來評價垂直形變反演精度及可靠性[13]?？紤]到研究區(qū)同時存在山地和平地地貌，在研究區(qū)隨機選取26個點進(jìn)行升、降軌SBAS-InSAR沉降速率精度評價(圖6、表2)。

表2 隨機點升、降軌沉降速率測量值

圖6 隨機點升、降軌垂直形變交叉驗證Fig.6 Cross validation of vertical deformation of ascending and descending of random points

以升軌垂直形變速率為參考、降軌垂直形變速率為對照，采用均方根誤差評估兩者反演數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性。計算得出，均方根誤差為2.03 mm/a，間接驗證了SBAS-InSAR形變反演的高精度。

3 陽原盆地北緣斷裂垂直運動特征

為了定量分析陽原盆地北緣斷裂東段、中段和西段的活動特征，在3段各選取一處人為干擾相對較小的跨斷層場地，分別位于南口村、大蟒溝村和陶家窯村。提取斷層兩側(cè)GPS和InSAR聯(lián)合反演得到的地表垂直形變速率剖線，剖線長度分別約為16 km、16 km、24 km(圖5中A-A′、B-B′、C-C′)，在剖線上每間隔50 m設(shè)置一個點，統(tǒng)計每個點的垂直形變速率(圖7)。從圖5和圖7可以看出，陽原盆地北緣斷裂中段兩側(cè)的垂直差異性運動大于東段，西段兩側(cè)斷層活動不明顯。從圖7可以看出，自東向西3處剖線對應(yīng)該斷層兩側(cè)地表垂直運動速率差分別為1.04 mm/a、1.43 mm/a和0.72 mm/a，與水準(zhǔn)測量結(jié)果基本一致[6-7]。斷層?xùn)|段至中段兩側(cè)地表垂直運動差異逐漸增強，中段至西段又逐漸減弱，且斷層?xùn)|段兩側(cè)地表垂直運動差異高于西段，與前人關(guān)于該條斷裂活動性空間分段特征自東向西呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢的結(jié)果部分一致[2]。

圖7 陽原盆地北緣斷裂剖面線形變示意圖Fig.7 Deformation profiles of the northernmargin fault of Yangyuan basin

4 陽原盆地北緣斷裂水平運動特征

根據(jù)圖4(b)，陽原盆地北緣斷裂南北兩側(cè)水平向存在速度差。基于2009～2017年的區(qū)域GPS速度場資料，繪制橫跨陽原盆地北緣斷裂的GPS測站速度剖面(圖8)。分別沿剖面方向和垂直剖面方向?qū)鄬觾蓚?cè)站點速度投影，由剖面兩側(cè)站點速度平均值之差估算斷層的滑動或張壓速率，并使用誤差傳播定律計算速率誤差。由平行斷層的GPS速度可見，陽原盆地北緣斷裂表現(xiàn)出右旋走滑的運動特征，速率為0.39±0.2 mm/a；垂直斷層的GPS速度表明，陽原盆地北緣斷裂具有拉張?zhí)匦?，速率?.37±0.1 mm/a。本文結(jié)果與張紅艷等[14]的研究結(jié)果基本一致。

圖8 橫跨陽原盆地北緣斷裂的GPS速度剖面Fig.8 GPS velocity profiles across the northernmargin fault of Yangyuan basin

5 分析與討論

根據(jù)已有研究成果，華北地區(qū)的現(xiàn)代區(qū)域應(yīng)力場表現(xiàn)為NEE-SWW向呈擠壓特征和NNW-SSE向呈拉張?zhí)卣?，斷層水平方向上表現(xiàn)出NNE向斷裂呈右旋走滑運動和NWW向斷裂呈左旋走滑運動[14-15]。陽原盆地位于華北地區(qū)的燕山構(gòu)造帶與山西構(gòu)造帶的復(fù)合部位[6]，在華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，該區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場以NNW-SSE向的拉張為主要特征，同時受正斷型局部構(gòu)造應(yīng)力場控制[15]，陽原盆地北緣斷裂的斷層運動主要為傾滑活動，并兼具有一定的右旋走滑特征[14-15]。GPS結(jié)果能夠從較大空間尺度反映地殼的形變特征，本文中陽原盆地北緣斷裂兩側(cè)GPS測站速度平均值之差反映的斷層水平運動特征表現(xiàn)為平行斷層方向呈右旋走滑活動和垂直斷層方向呈正斷活動，與陽原盆地的構(gòu)造應(yīng)力場引起的斷層活動一致。

本文反演結(jié)果顯示，陽原盆地北緣斷裂中段斷層兩側(cè)垂直運動速率差異最大，其次為東段，最小為西段，且斷裂西段基本未表現(xiàn)出垂直運動差異，與已有研究成果陽原盆地北緣斷裂活動性從東至西逐漸減弱不一致[14]。由圖1可知，右所堡-松枝口斷裂貫穿陽原盆地并與陽原盆地北緣斷裂中段空間上呈交切分布。右所堡-松枝口斷裂構(gòu)造以NW向為主，走向300°，其受華北地區(qū)的現(xiàn)代區(qū)域應(yīng)力場作用，在NNW-SSE向呈拉張的走滑型應(yīng)力狀態(tài)，為一條活動左旋正斷裂[14]，圖4(a)和圖9反映出右所堡-松枝口斷裂最新活動以左旋走滑性質(zhì)為主，與斷層附近區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場引起的斷層活動和已有的該斷裂的活動特征研究成果相同。因此陽原盆地北緣斷裂中段斷層兩側(cè)地表垂直運動差異大于東段可能是由于右所堡-松枝口斷裂NW向的左旋走滑運動以及與陽原盆地北緣斷裂中段在空間分布上呈交切關(guān)系有關(guān)。

圖9 橫跨右所堡-松枝口斷裂的GPS速度剖面Fig.9 GPS velocity profiles across the Yousuobao-Songzhikou fault

6 結(jié) 語

1) 陽原盆地北緣斷裂東段、中段和西段的斷層兩側(cè)地表垂直運動速率差異分別為1.04 mm/a、1.43 mm/a和0.72 mm/a。

2) 右所堡-松枝口斷裂的左旋走滑運動以及與陽原盆地北緣斷裂中段在空間上的交切關(guān)系可能是導(dǎo)致陽原盆地北緣斷裂中段斷層兩側(cè)垂直速率差異大于東段的主要原因。

3) 從水平滑動速率來看，GPS資料結(jié)果顯示，陽原盆地北緣斷裂的平行斷層的滑動速率約為0.39 mm/a，并具有右旋走滑運動特征。

致謝:感謝中國地震臺網(wǎng)中心提供GPS數(shù)據(jù)和歐空局提供Sentinel-1雷達(dá)數(shù)據(jù)。