基于MT-InSAR技術(shù)的城市活動斷層定位與監(jiān)測
——以美國休斯敦地區(qū)為例

曲菲霏，楊成生,2*，張 勤

(1. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054;2. 自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210049)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，地表變形及與之相關(guān)的城區(qū)/近城區(qū)斷層活動危害也日趨顯著。斷層可能會造成不可逆的地質(zhì)災(zāi)害，其活動會加劇區(qū)域地表高程的差異性變化，造成建筑物地基下沉、基礎(chǔ)開裂，導(dǎo)致線狀工程(如地鐵、公路和輸水輸油管線等)遭到破壞，損壞城市排水系統(tǒng)，嚴(yán)重制約城市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。活動斷層及其產(chǎn)生裂縫的有效定位和監(jiān)測是抗災(zāi)規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)工作的基本前提。然而，地底活動斷層常隱伏于第四紀(jì)松散沉積物之下，在地表無明顯位移或開裂，使斷層定位研究陷入了瓶頸。傳統(tǒng)的斷層定位及變形監(jiān)測技術(shù)包括地球物理勘探(如探地雷達(dá)(GPR)、重力、電阻率成像等)、LiDAR、精密水準(zhǔn)儀、測距儀、分層標(biāo)、GPS和無線檢測系統(tǒng)等，通過點(diǎn)、線、剖線或組網(wǎng)的方式來獲取地層磁力、電阻率等以及地表形變測量信息。這些技術(shù)雖然具有較高的精度，但需耗費(fèi)較大的人力、物力，空間分辨率低且難以重復(fù)。

合成孔徑雷達(dá)(InSAR)技術(shù)，以其全天時(shí)、全天候、大范圍覆蓋、高分辨率、高精度以及可重復(fù)觀測等優(yōu)點(diǎn)為地球科學(xué)諸多領(lǐng)域的研究提供了大空間尺度形變信息監(jiān)測的手段，具有其他地面及空間測量技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。尤其是多時(shí)相InSAR(MT-InSAR)技術(shù)，如永久散射體InSAR(PS-InSAR)技術(shù)、短基線集(SBAS)技術(shù)和分布式散射體(DS-InSAR)技術(shù)等，更是能獲得地表毫米級長時(shí)間序列形變結(jié)果，為區(qū)域斷層調(diào)查和精確定位提供了極大的可能性。InSAR技術(shù)以其高精度、大范圍覆蓋的特性，在同震形變和震間形變等地震斷層監(jiān)測領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。然而，InSAR技術(shù)對變形量級較小的抗震正斷層蠕動形變研究則較少，僅限于測量已知斷層兩側(cè)的形變速率，在新斷層的定位上更是鮮有應(yīng)用。

活動斷層兩側(cè)存在明顯的差異性形變，具有典型的空間不連續(xù)性。相較于大尺度地面沉降、地震等災(zāi)害，城市斷層形變有其明顯的特殊性，斷距小、形變影響范圍相對較小，形變量級小但斷層兩側(cè)形變梯度大，僅在斷層或裂縫兩側(cè)千米甚至幾十米或上百米范圍內(nèi)表現(xiàn)為非均勻沉降，差異沉降大小與其活動性相關(guān)。因此，高精度、高密度的InSAR監(jiān)測點(diǎn)是實(shí)施蠕滑斷層運(yùn)動定位及監(jiān)測的前提條件。本文選取墨西哥灣盆地休斯敦地區(qū)為研究區(qū)，以變形長度長、寬度窄且形變梯度大的城市/近城區(qū)活動斷層災(zāi)害為研究對象，基于PS-InSAR與SBAS技術(shù)聯(lián)合的MT-InSAR技術(shù)對已有斷層和潛在斷層進(jìn)行定位與監(jiān)測。本文不僅獲取了已知斷層的時(shí)空演變過程，還探測到了新的活動斷層；通過InSAR不同軌道的獨(dú)立觀測值和GPS數(shù)據(jù)，對InSAR測量形變精度進(jìn)行了驗(yàn)證，并利用LiDAR、地球物理探測、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等方法確認(rèn)了斷層位置，驗(yàn)證了InSAR探測斷層跡線的可靠性；最后，還對休斯敦北部地區(qū)斷層活動的主要誘發(fā)因素進(jìn)行了分析。本文研究成果為利用MT-InSAR技術(shù)開展城市活動斷層定位與監(jiān)測提供了研究思路和重要參考。

1 研究區(qū)域背景

本文以墨西哥灣盆地休斯敦地區(qū)斷層為主要研究對象，開展城市/近城區(qū)的斷層活動定位與監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。休斯敦地區(qū)位于平坦低洼的海灣沿岸平原，域內(nèi)覆蓋了大量第四紀(jì)松散沉積物。在構(gòu)造演化和沉積疊加作用下，該地區(qū)發(fā)育著大量平行于海岸線、NW—SE向正斷層，其分布、構(gòu)造和巖性均十分復(fù)雜。1926年，在休斯敦以東約20 mi處的Goose Creek油田首次發(fā)現(xiàn)了與人類活動相關(guān)的、嚴(yán)重的地表沉降和斷層運(yùn)動。然而，直到20世紀(jì)70年代，公眾才開始意識到該現(xiàn)象對周圍環(huán)境及建筑的破壞性。20世紀(jì)后期，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)在休斯敦地區(qū)展開了廣泛的斷層調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)了300多條活動斷層，總長度可達(dá)500 km。該地區(qū)斷層主要為鏟狀正斷層，以60°～75°傾角的抗震斷層蠕變方式運(yùn)動，典型的蠕變速率為4～27 mm·年，其水平運(yùn)動分量速率僅為垂直分量的1/4。

圖1為休斯敦地區(qū)地質(zhì)圖，其中粉色虛線框標(biāo)記為本文主要研究區(qū)域，黑色實(shí)線為已知斷層位置。休斯敦東部和北部森林茂密，主要由松散的砂土、黏土頁巖和黏土構(gòu)成，新生代沿墨西哥灣累積的沉積物深達(dá)幾千米。不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界的接壤地帶，內(nèi)聚力較低，易轉(zhuǎn)化為正斷層，而休斯敦地區(qū)很多斷層位于地質(zhì)結(jié)構(gòu)接壤區(qū)。本文主要研究對象Hockley斷層位于以黏土為主的Willis層(上盤)和以砂土為主的Lissie層(下盤)的接壤區(qū)。除復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境外，隨著城市逐漸向北擴(kuò)展，研究區(qū)域內(nèi)地下水開采量大幅度增加，大部分水源井已鉆探到地下含水層300～700 m的深度。大量抽取地下水會造成地下水位下降，從而引起含水層內(nèi)的細(xì)顆粒黏土層壓實(shí)，最終導(dǎo)致地面沉降。地表的持續(xù)非均勻沉降可能會激活已有斷層活動或產(chǎn)生新的斷層。此外，受鹽殼(圖1中綠色多邊形)活動影響，休斯敦地區(qū)80%的斷層都分布于鹽殼上部地表，并以鹽殼為中心成放射狀分布(圖1)。

圖1 美國休斯敦地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geologic Map of Houston Area, USA

眾多學(xué)者曾采用多種方法(包括地球物理勘探、探井、航空攝影測量、野外調(diào)查等)繪制休斯敦地區(qū)的斷層分布。地球物理勘探技術(shù)(包括地震波,電阻率成像、電導(dǎo)率、磁共振成像、GPR以及重力等)在休斯敦地區(qū)的斷層測繪中有所應(yīng)用，其中以GPR應(yīng)用最多；該類技術(shù)精度高，但測量范圍較小且成本高，并且需要斷層活動的先驗(yàn)信息。油氣鉆井及地下水監(jiān)測井日志文件亦可提供深部斷層的深度、走向等信息；但與地球物理勘探技術(shù)類似，該方法僅可獲取測井位置處斷層信息。航空攝影測量方法可在特定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍斷層的準(zhǔn)確定位；與LiDAR技術(shù)相同，該方法定位斷層是基于高精度地形地貌數(shù)據(jù)，僅能探測有明顯地貌特征的斷層。休斯敦地區(qū)斷層識別方法中應(yīng)用最廣泛的是野外調(diào)查，該方法通過實(shí)地考察區(qū)域地形地貌及斷層對周遭環(huán)境影響判斷其位置。航空攝影測量方法和野外調(diào)查方法都基于斷層位置已有一定的地形起伏和/或地貌變化，然而休斯敦地區(qū)部分?jǐn)鄬踊顒有暂^小且無明顯地表特征。Khan等于2001～2002年采用LiDAR技術(shù)測繪的斷層(結(jié)合已發(fā)表斷層信息)是迄今為止休斯敦地區(qū)最新且最詳盡的斷層分布圖。上述探測方法雖然具有較高的精度，但需耗費(fèi)較大的人力、物力，空間覆蓋率低且難以重復(fù)。InSAR技術(shù)不僅可以提供斷層活動的歷史影像，還可實(shí)現(xiàn)低成本、較快速更新，達(dá)到對斷層活動時(shí)空變化規(guī)律及特征的多維監(jiān)測。

休斯敦地區(qū)地處墨西哥灣沿岸，受海灣環(huán)境的影響，采用SAR數(shù)據(jù)獲取緩慢斷層儒滑運(yùn)動速率受電離層、大氣等誤差相位影響嚴(yán)重。多位學(xué)者研究討論了利用InSAR技術(shù)監(jiān)測休斯敦地區(qū)地表形變，但還沒有學(xué)者專門利用InSAR技術(shù)探討該區(qū)域內(nèi)斷層活動特征。Stork等利用C波段ERS-1/2數(shù)據(jù)測量了Harris縣域的地面沉降特征，并結(jié)合GPS和Extensometer數(shù)據(jù)著重討論了最大沉降中心Jersey Village的變形情況，其中文獻(xiàn)[36]和[37]提到了沿Long Point斷層的差異性變形。Khan等采用PS-InSAR技術(shù)獲取了覆蓋Harris地區(qū)55×5 km長方形區(qū)域的地表形變場。上述InSAR成果或覆蓋區(qū)域較小，或采用單干涉圖差分處理技術(shù)，均含有較大的相位誤差，未達(dá)到對監(jiān)測區(qū)域形變的有效測量。Qu等綜合獲取了休斯敦地區(qū)1993～2011年的地表形變圖，并在多處斷層處探測到5～20 mm·年的活動速率。

20世紀(jì)90年代起，休斯敦地區(qū)地下水管控使得地面沉降減緩、斷層活動相對減弱。受經(jīng)費(fèi)限制，休斯敦地區(qū)斷層調(diào)查工作亦開始放緩，導(dǎo)致了休斯敦北部異?；钴S且對周圍環(huán)境構(gòu)成潛在威脅的活動斷層至今仍未完全繪制，災(zāi)害機(jī)制仍模糊不清。盡管休斯敦地區(qū)的斷層運(yùn)動不會引起嚴(yán)重地震災(zāi)害，但其潛在風(fēng)險(xiǎn)仍然很高，準(zhǔn)確定位活動斷層對于保護(hù)公眾生命財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。

2 分析方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 InSAR形變提取方法

本文干涉圖生成由Roi-PAC、DORIS、Gamma軟件和MATLAB程序共同完成。在短基線干涉圖生成過程中，距離向和方位向分別采用自適應(yīng)的頻譜濾波處理，并采用多級配準(zhǔn)策略對從影像干涉圖進(jìn)行配準(zhǔn)和重采樣。圖2顯示了由C波段和L波段SAR數(shù)據(jù)干涉構(gòu)成的干涉對基線圖，藍(lán)色圓點(diǎn)代表影像時(shí)間，每一條線段都表示一個(gè)干涉對。采用結(jié)合PS-InSAR技術(shù)和SBAS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的MT-InSAR技術(shù)進(jìn)行干涉圖時(shí)序InSAR處理分析。PS-InSAR技術(shù)根據(jù)最優(yōu)多普勒和時(shí)間、空間基線選定主圖像生成干涉圖，并選取具有強(qiáng)反射強(qiáng)度、穩(wěn)定后向散射特性的像素作為PS點(diǎn)。該技術(shù)成功應(yīng)用于強(qiáng)散射體密集的城市地區(qū)，但在非城區(qū)存在監(jiān)測點(diǎn)不足的局限。SBAS技術(shù)選取具有短時(shí)空基線的SAR影像數(shù)據(jù)集以最小化干涉對失相干的影響，選取頻譜濾波處理后在短時(shí)間內(nèi)緩慢失相關(guān)的像素點(diǎn)(SFP)開展時(shí)間序列形變分析。PS和SFP點(diǎn)集聯(lián)合開展MT-InSAR處理，可極大地提高監(jiān)測點(diǎn)的空間密度。本文借助StaMPS(Stanford Method for Persistent Scatterers)技術(shù)進(jìn)行MT-InSAR 處理。為提高相位解纏的可靠性，需要將PS點(diǎn)和SFP點(diǎn)在解纏操作之前融合，根據(jù)Hooper提出的方法求取重合相干點(diǎn)目標(biāo)的加權(quán)平均相位值，與其他PS點(diǎn)、SFP點(diǎn)共同構(gòu)成“PS+SFP”點(diǎn)集。對融合點(diǎn)集進(jìn)行三維相位解纏，獲取完整相位信息。開展時(shí)域高通和空域低通濾波來降低誤差相位影響，同時(shí)采用Toolbox for Reducing Atmospheric InSAR Noise (TRAIN)軟件包和GACOS(Generic Atmospheric Correction Online Service)進(jìn)一步剔除大氣誤差及軌道殘余誤差影響。最后，由于數(shù)據(jù)處理中沒有形成孤立的干涉圖集，故采用最小二乘方法求解最終高空間密度的地表形變相位。

圖2 干涉對時(shí)空基線圖Fig.2 Spatial and Temporal Baselines of SAR Interferograms

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用了兩個(gè)相鄰軌道的L波段日本ALOS-1 PALSAR數(shù)據(jù)以及C波段歐洲空間局Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)(覆蓋范圍如圖1所示)，其中ALOS-1 PALSAR數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2007～2011年，Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2016～2020年。利用30 m分辨率Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) DEM輔助去除干涉圖中的地形相位分量，并采用GPS連續(xù)跟蹤站時(shí)間序列驗(yàn)證、分析InSAR斷層定位結(jié)果。所用SAR數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 SAR數(shù)據(jù)集參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 MT-InSAR監(jiān)測結(jié)果與斷層識別

基于MT-InSAR技術(shù)和相應(yīng)的ALOS-1 PALSAR數(shù)據(jù)及Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)，獲取了美國休斯敦地區(qū)2007～2011年和2016～2020年地表平均形變速率，分別如圖3和4所示。圖3(a)、(b)和圖4分別為來自兩相鄰ALOS-1軌道數(shù)據(jù)(軌道176和軌道175)和Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)獲取的休斯敦西北部區(qū)域視線向平均形變速率圖，圖示顏色代表地表不同變形量級。圖3、4中白色箭頭所指區(qū)域可見明顯的形變值突變，即該位置地面存在明顯的差異變形。圖3中最大差異變形可達(dá)10 mm·年，且兩相鄰軌道重疊區(qū)域探測突變位置完全一致，圖3(c)、(d)為兩相鄰軌道175和176數(shù)據(jù)拼接形變結(jié)果圖。 休斯敦地區(qū)斷層為抗震蠕動斷層，其影響寬度僅為幾千米甚至幾十米。若InSAR探測變形區(qū)域存在陡峭的變形梯度，且其走向與區(qū)域構(gòu)造斷層方向一致，那么該變形位置極有可能存在隱伏斷層，或者已有地表裂縫但還未引起重視?；谛巫儓鎏荻榷缸兛赡苁怯蓴鄬觾蓚?cè)地表的差異沉降引起的推斷，沿陡峭相位梯度位置描繪得到InSAR斷層跡線，如圖3(c)和圖4(b)中黑色虛線所示(下文簡稱ALOS斷層和S1A斷層)。圖3(d)中疊加了Khan等于2013年采用LiDAR技術(shù)探測斷層跡線(粉色實(shí)線，下文簡稱LiDAR斷層)，與ALOS InSAR探測的突變位置基本吻合。圖4(c)疊加了S1A斷層、ALOS斷層和LiDAR斷層，發(fā)現(xiàn)三者探測斷層跡線位置具有良好的一致性，證明InSAR技術(shù)在斷層定位上具有良好的實(shí)用性。相比于LiDAR技術(shù)，InSAR技術(shù)具有成本低、覆蓋范圍大、易更新等優(yōu)勢。

圖3 ALOS-1 InSAR定位斷層分布圖Fig.3 Maps of the Faults Discovered by ALOS-1 InSAR

圖4 Sentinel-1A/B InSAR定位斷層分布圖Fig.4 Maps of the Faults Discovered by Sentinel-1A/B InSAR

根據(jù)圖3、4的MT-InSAR監(jiān)測結(jié)果，InSAR技術(shù)探測得到的斷層為NE向和NEE向近平行斷層，有明顯的總體走向一致性，其差異變形狀態(tài)切合蠕動斷層特性，符合墨西哥灣盆地整體構(gòu)造特征。斷層局部走向稍有變化，斷層沿線形變影響寬度差別較大，從幾十米到幾千米不等(圖3、4)。根據(jù)探測結(jié)果，研究區(qū)域內(nèi)從南到北至少分布3條活動斷層帶(Hockley斷層帶、Big Barn斷層帶和Conroe斷層帶)，位于從Hockley向東北延伸到Conroe的Hockley-Conroe斷層系統(tǒng)(圖3、4)。

Hockley斷層帶全長超過40 km，是休斯敦地區(qū)最活躍的斷層之一，西起Hockley鹽殼，穿過290號高速公路，東至Hufsmith東北部；ALOS InSAR識別出5處斷層(圖3)，Sentinel-1 InSAR識別出6處斷層(圖4)，其中Sentinel-1定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hockley斷層帶活動進(jìn)一步向西南方向延伸。Big Barn斷層帶位于休斯敦以北約20 mi處，從Hockley斷層帶末端延伸至45號州際公路；ALOS和 Sentinel-1 InSAR分別識別出5處活躍斷層(圖3、4)；過去的十幾年內(nèi)，該地區(qū)曾多次報(bào)道相關(guān)建筑及基礎(chǔ)設(shè)施遭到損壞，地質(zhì)學(xué)家也在此區(qū)域開展了調(diào)研工作，但美國地質(zhì)調(diào)查局在其數(shù)據(jù)庫中還未正式命名該斷層帶。

本文利用InSAR技術(shù)首次探測到位于Conroe以西的兩條長度達(dá)數(shù)十千米的斷層，即圖3、4中研究區(qū)域最北部兩條斷層，該斷層兩側(cè)形變梯度變化極為明顯。ALOS InSAR探測斷層?xùn)|起Conroe，向西南延伸至Magnolia東北部，Sentinel-1 InSAR探測斷層跡線位置與ALOS InSAR探測斷層基本吻合，但其描繪跡線穿越Magnolia繼續(xù)向西南延伸約12 km。兩者探測結(jié)果的差異存在兩種可能：一是延伸段斷層僅在Sentinel-1監(jiān)測時(shí)段活躍；二是延伸段斷層活動速率相對較小(<5 mm·年)，波長更短的C波段Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)捕獲微小形變信號更有效。Khan等利用LiDAR技術(shù)探測描繪了兩段長約8 km的近平行分布斷層(圖3、4中最北部粉色實(shí)線)，但未對其進(jìn)行命名和討論，美國地質(zhì)調(diào)查局在其數(shù)據(jù)庫中亦未正式命名該斷層帶。但是，Norman等將其中一段[圖4(c)東北角棕色線]稱為Conroe斷層。C波段和L波段InSAR探測斷層跡線位置與Norman等繪制斷層位置吻合，因此，本文將新發(fā)現(xiàn)的此段斷層延續(xù)稱為Conroe斷層帶。

為分析跨斷裂地表形變特征，分別提取了ALOS-1(圖5中黑色和橘色實(shí)線)和Sentinel-1A/B(圖5中灰色實(shí)線)沉降速率場中跨3條活動斷層帶的剖線，其位置如圖4(c)中P1—P1′和P2—P2′所示。剖線形變結(jié)果如圖5所示，其中ALOS-1兩獨(dú)立軌道175和176提取結(jié)果具有較高的一致性。Sentinel-1A/B時(shí)期，地表沉降速率減慢，大部分?jǐn)鄬觾蓚?cè)活動速率也相應(yīng)減弱。沿剖線計(jì)算相鄰像素的變形梯度值如圖5中藍(lán)色及綠色實(shí)線所示，可見斷層位于最大形變梯度位置。

3.2 斷層識別結(jié)果分析

作為目前休斯敦地區(qū)最活躍的斷層，多位學(xué)者對Hockley斷層帶進(jìn)行了深入的研究，尤其是位于290號高速公路沿線的奧萊購物中心段，其位置如圖4(b)中五星標(biāo)記。除LiDAR技術(shù)外，GPR、重力、磁力、電導(dǎo)率、電阻率成像等地球物理勘探技術(shù)也被應(yīng)用到Hockley斷層帶的研究中。圖6(a)、(b)分別顯示了ALOS-1和Sentinel-1獲取的該區(qū)域平均形變速率圖，疊加了LiDAR斷層(綠色實(shí)線)及地球物理探測斷層(黑色實(shí)線)。受InSAR探測結(jié)果分辨率限制，InSAR繪制斷層在精細(xì)程度上略遜于其他探測方法。圖6(a)中，ALOS探測斷層走向與相近時(shí)期的LiDAR斷層走向基本一致，與地球物理勘探斷層略有偏差。地球物理勘探斷層來源于文獻(xiàn)[25]，于2018年在290號高速公路路口附近采用多種地球物理方法沿圖6(a)中粉色剖線進(jìn)行勘探，并結(jié)合地表裂縫位置繪制的斷層跡線。圖6(b)中C波段Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)像素點(diǎn)更為密集，能更精確地確定斷層走向，其描繪斷層跡線位置與相近時(shí)期的地球物理勘探斷層吻合良好。兩已知斷層跡線信息均驗(yàn)證了本文InSAR探測斷層跡線位置的準(zhǔn)確性。

圖5 跨斷層形變剖線圖Fig.5 Deformation Profiles Across the Faults

圖6 InSAR斷層定位結(jié)果驗(yàn)證Fig.6 Validations of the InSAR-mapped Faults

圖7 Big Barn斷層帶InSAR斷層定位結(jié)果驗(yàn)證Fig.7 Validations of the InSAR-mapped Faults over Big Barn Fault System

圖7(a)～(c)顯示了由ALOS-1影像獲取的Big Barn斷層帶及周邊形變圖，其中圖7(a)位于圖3(d)白色虛線框所示位置。粉色線和數(shù)字標(biāo)記了Minteer進(jìn)行地球物理勘探的7個(gè)現(xiàn)場站點(diǎn)中的6個(gè)，剩下1個(gè)站點(diǎn)超出圖7(a)顯示范圍。Big Barn斷層帶最早在休斯敦地質(zhì)學(xué)會發(fā)布的地質(zhì)調(diào)查指南中提及。Fugro咨詢公司(FCI)和Tolunay-Wong工程公司(TWEI)出于地下管道設(shè)計(jì)安全考慮，分別于2012和2014年對Big Barn斷層帶進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，繪制了區(qū)域斷層圖，如圖7(a)中藍(lán)色和棕色線所示。圖7(a)中綠色五邊形標(biāo)記了兩家公司實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)的地表開裂位置。InSAR探測活躍斷層跡線與這兩家公司發(fā)布斷層信息完全吻合。Minteer在Big Barn斷層帶進(jìn)行綜合地球物理調(diào)查，采用電阻率和重力技術(shù)定位斷層位置，圖7(b)、(c)顯示了7個(gè)現(xiàn)場站點(diǎn)中的6個(gè)(粉色線條)。圖7(b)、(c)中標(biāo)記位置斷層上、下盤間存在明顯的差異變形，即InSAR形變結(jié)果中突變位置對應(yīng)于地表破裂面，可確認(rèn)InSAR探測斷層位置的準(zhǔn)確性。各項(xiàng)地球物理勘探技術(shù)均顯示斷層兩側(cè)具有不同的巖性特征，斷層下盤為以砂土為主的Lissie層，而上盤則是以黏土為主的Willis層，Minteer將Big Barn斷層帶歸為正斷層。

Norman等根據(jù)Conroe西北部一條長約1 km的地表破裂定義了Conroe斷層 [圖4(c)中棕色線]，并指出Conroe斷層在1985年和1987年處于休眠狀態(tài)，在1987年曾以18 mm·年的速率活動。Dominguez報(bào)道了位于Conroe水上運(yùn)動中心的游泳池遭到地面裂縫破壞[圖4(c)中的棕色星號]，地表破裂位置與InSAR探測斷層跡線重合，表明Conroe斷層的再次活躍。

根據(jù)調(diào)查研究，休斯敦地區(qū)的多處地表裂縫與地下斷層活動有一定的相關(guān)性。針對休斯敦地區(qū)斷層探測結(jié)果，實(shí)地檢驗(yàn)顯示，多處InSAR探測斷層跡線位置均發(fā)現(xiàn)與InSAR繪制斷層走向一致的地表開裂，部分區(qū)域甚至包含幾條小的平行裂縫。一些區(qū)域地表雖未出現(xiàn)明顯開裂，但地面可以看到存在明顯高程差，且差異位置走向與InSAR推斷斷層走向一致。圖7(d)～(f)為實(shí)地考察照片，其位置在圖4(b)和圖7(a)中標(biāo)記為彩色星號[棕色星號為圖7(d)，淺藍(lán)色星號為圖7(e)，藍(lán)色星號為圖7(f)]。圖7(d)拍攝于Hufsmith斷層。從西南方向看去，斷層下盤存在明顯的高程落差，圖7(e)、(f)中斷層下盤相對于上盤都有明顯的向下位移。野外調(diào)查結(jié)果亦證實(shí)了InSAR技術(shù)在Hockley斷層帶和Big Barn斷層帶識別斷層的可靠性，而這兩處斷層跡線在LiDAR斷層中并未被定位。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，休斯敦地區(qū)InSAR探測斷層跡線與可調(diào)查裂縫的位置偏差小于100 m。

3.3 InSAR與GPS監(jiān)測結(jié)果對比

本文選取位于InSAR斷層跡線兩側(cè)的3個(gè)GPS連續(xù)跟蹤站時(shí)間序列觀測值驗(yàn)證InSAR探測斷層結(jié)果。GPS連續(xù)跟蹤站位置如圖7(a)中白色三角號所示，其中GSEC站位于Big Barn斷層帶以北(斷層上盤)，PWES站位于兩段Big Barn斷層帶中間(斷層下盤)，WHCR站則位于Big Barn斷層帶以南(斷層上盤)。由于InSAR測量形變方向?yàn)槔走_(dá)視線向(LOS)，為便于對比監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)SAR影像入射角將三維GPS觀測值投影到InSAR觀測的 LOS方向，提取以GPS站點(diǎn)為中心、直徑100 m范圍內(nèi)的PS點(diǎn)形變量，取平均得到該點(diǎn)InSAR形變值。由圖8時(shí)間序列對比結(jié)果可見，InSAR與GPS監(jiān)測結(jié)果具有良好的一致性，兩者平均差值的均方根誤差為8 mm·年。位于斷層下盤的PWES站年平均形變速率明顯小于斷層上盤的GSEC站和WHCR站，Big Barn斷層帶在Sentinel-1A/B時(shí)期內(nèi)兩側(cè)差異形變?yōu)?～5 mm·年，其在2007～2011年運(yùn)動速率為5～13 mm·年。Hockley斷層帶2016～2020年形變速率為3～6 mm·年，2007～2011年運(yùn)動速率為7～12 mm·年，其中LiDAR技術(shù)測量Hockley斷層帶2001～2008年運(yùn)動速率約為-10.9 mm·年。由圖5、8可知，Hockley-Conroe斷層系統(tǒng)在Sentinel-1A/B時(shí)期活動速率明顯減小。

圖8 InSAR與GPS觀測時(shí)間序列形變對比Fig.8 Time-series Deformation Comparisons Between InSAR and GPS Observations

4 討 論

4.1 休斯敦北部斷層活動與地面沉降關(guān)系

休斯敦地區(qū)是美國受地面沉降影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一。自19世紀(jì)90年代以來，地下含水層開采一直是休斯敦地區(qū)生產(chǎn)生活的主要用水來源，過量抽汲地下水造成該地區(qū)嚴(yán)重的地面沉降。20世紀(jì)90年代，該地區(qū)最大的沉降中心位于休斯敦主城區(qū)Harris西北部。該區(qū)域斷層在1993～2000年亦非?；钴S，其中Hockley斷層系統(tǒng)的沉降速率約為15 mm·年，Long Point斷層系統(tǒng)為15～25 mm·年，Addicks斷層系統(tǒng)約為40 mm·年?；钴S斷層的活動與Harris西北部嚴(yán)重的地面沉降一致，而該時(shí)期Hockley-Conroe等斷層系統(tǒng)幾乎沒有可察覺的位移信號。20世紀(jì)70年代后期，為減小地面沉降災(zāi)害的影響，Harris地區(qū)及其南部的一些區(qū)域?qū)嵤┝藝?yán)格的地下水限采政策。地下水開采重心向北部更深的承壓水層(Jasper 含水層)轉(zhuǎn)移，使得Harris地區(qū)地面沉降逐漸緩解，且在東南部區(qū)域緩慢恢復(fù)。圖9顯示了休斯敦北部的Montgomery地區(qū)Jasper含水層2000～2010年地下水位變化等值線圖疊加于2007～2011年平均形變速率場，其中黑色三角標(biāo)記為地下水位監(jiān)測井位置。由圖9可見，2000年以后，由于地下水開采重心的北移，休斯敦北部形成了新的地下水沉降漏斗和地面沉降中心，最大沉降值位于最大水位降落漏斗處 (The Woodlands區(qū)域)，沉降量級與水位降落深度具有高度相關(guān)性，其相關(guān)測度達(dá)0.81。ALOS-1和Sentinel-1A/B InSAR探測到的強(qiáng)活動或較強(qiáng)活動斷層主要分布在Montgomery地區(qū)的沉降區(qū)，而Harris地區(qū)Long Point、Addicks斷層帶活動性明顯減弱。由此可見，斷層活動與地面沉降在空間分布上相一致，且二者在加速活動的時(shí)間上具有同步性，具有很強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性。大規(guī)模的地面沉降會誘發(fā)地裂縫及斷層活動，地裂縫及斷層活動亦會加劇局部地面沉降的發(fā)展，兩者互相促進(jìn)、密不可分。

斷層兩盤內(nèi)部土層的差異沉降破壞了地下水流系統(tǒng)的整體性，區(qū)域上阻礙了地下水下落漏斗的形成，促進(jìn)了局部地下水降落漏斗和沉降中心的形成和發(fā)展。休斯敦西北部斷層將整個(gè)沉降區(qū)分割成多處沉降塊體，制約了地面沉降進(jìn)一步向北擴(kuò)展(圖8)。斷層兩側(cè)土層黏性、厚度及松動破裂程度上的差異會造成斷層兩側(cè)土層釋水壓實(shí)程度不一，從而進(jìn)一步加強(qiáng)斷層的垂向運(yùn)動。此外，斷層兩側(cè)差異變形還會造成地下含水層錯(cuò)位，下降的水位不能得到臨近區(qū)域含水層的補(bǔ)償，反向加劇了區(qū)域差異性沉降。總體上，地下水過量開采導(dǎo)致了地面沉降的發(fā)生，而地面的差異性沉降會加劇斷層的垂直運(yùn)動，斷層的持續(xù)活動會造成地表破裂，從而阻礙和限制地下水降落漏斗和沉降中心平面形態(tài)的形成和發(fā)展。

4.2 休斯敦北部斷層活動誘因

本文根據(jù)C波段和L波段InSAR數(shù)據(jù)，定位了Hockley和Conroe之間超過10條近平行分布的NE向和NEE向斷層，將其命名為 Hockley-Conroe斷層系統(tǒng)?；谛菟苟氐貐^(qū)復(fù)雜的自然地質(zhì)環(huán)境和人類工程經(jīng)濟(jì)活動，推斷休斯敦地區(qū)的斷層活動與墨西哥灣的發(fā)育、構(gòu)造斷層活動、沉積史、鹽殼運(yùn)動以及地下流體(如油氣、地下水)開采相關(guān)。

圖件引自文獻(xiàn)[46]圖9 Jasper含水層2000～2010年地下水位變化等值線圖Fig.9 Contoured Groundwater Elevation Changes at Jasper Aquifer from 2000 to 2010

墨西哥灣盆地內(nèi)構(gòu)造斷層起源于盆地內(nèi)構(gòu)造演化和含水層沉積，自更新世以來，隨著沉積負(fù)載物加速累積，會重新激活地下深處的休眠斷層。美國地質(zhì)調(diào)查局早期發(fā)布的地形圖可見史前斷層 Eureka Heights和Long Point活動產(chǎn)生的地面陡坡，而考慮到這些斷層活動出現(xiàn)在大規(guī)模人類活動之前，學(xué)者們一致認(rèn)為是構(gòu)造活動激活了上述兩條斷層。目前已知至少有3條大構(gòu)造斷層帶穿過休斯敦北部，即Yegua、Hitchcock和Wilcox斷層帶。大構(gòu)造斷層帶會將自身應(yīng)力傳遞到鄰近區(qū)域，地層在受到應(yīng)力作用時(shí)，可能會在一定距離內(nèi)形成新的裂縫區(qū)域，使地層沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)發(fā)生相對位移。區(qū)域內(nèi)深部構(gòu)造斷層活動為新斷層的形成、發(fā)展提供了動力基礎(chǔ)，而新斷層的活躍運(yùn)動亦可能刺激局部休眠構(gòu)造斷層活動。InSAR定位的NE向和NEE向斷層近乎平行于海岸線，并以一定傾角向墨西哥灣方向蠕動，具有明顯的總體走向一致性特點(diǎn)，符合區(qū)域內(nèi)構(gòu)造斷層形態(tài)及活動特征。Conroe斷層帶的最東段斷層活動已被確認(rèn)是由位于地下深處巖層的構(gòu)造斷層誘發(fā)。休斯敦地區(qū)城市斷層的走向及活動特點(diǎn)具有明顯的構(gòu)造特征，表明其與區(qū)域深部構(gòu)造斷層的分布與發(fā)育具有一定的相關(guān)性、一致性和繼承性。

鹽殼運(yùn)動無疑也是誘發(fā)斷層活動的重要因素之一。休斯敦地區(qū)近乎80%的已知斷層位于鹽殼的底辟之上，呈放射狀分布。絕大部分鹽殼存在于美國墨西哥灣沿岸，其橫截面直徑為1～10 km，深度可達(dá)6.5 km。鹽沉積主要發(fā)生在侏羅紀(jì)，鹽巖緩慢向上流動，穿越較年輕的沉積物，促使上覆巖層隆起形成底辟構(gòu)造，在一些情況下甚至可到達(dá)地面。就本文研究區(qū)域而言，Hockley斷層帶西起Hockley鹽殼，東到Tomball鹽殼，而Big Barn斷層帶位于Conroe鹽殼的西南側(cè)，表明斷層活動與鹽殼之間潛在的聯(lián)系。

近年來，地下流體開采引發(fā)地面沉降，并進(jìn)一步誘發(fā)休斯敦地區(qū)斷層活動的觀點(diǎn)越來越受到學(xué)者們的認(rèn)可。斷層周圍的應(yīng)力狀態(tài)會隨地下水/碳?xì)浠衔镩_采，引起含水層孔隙壓力減小而發(fā)生改變。休斯敦地區(qū)斷層活動和油氣開采之間一直存在著某種聯(lián)系。例如，Pratt等于1926年發(fā)現(xiàn)的、位于Goose Creek油田的斷層，是已知的最早由石油開采誘發(fā)的斷層活動。Conroe斷層帶最東段活動不僅與構(gòu)造斷層相關(guān)，而且與位于Conroe西部的Grand Lake-Risher油田開采活動有關(guān)。然而，目前在休斯敦北部活躍斷層區(qū)域還未有油氣開采活動引發(fā)地面沉降、甚至誘發(fā)斷層活動的相關(guān)報(bào)道，且此區(qū)域內(nèi)油氣勘探井分布較為稀疏。因此，除Grand Lake-Risher 油田外，休斯敦北部區(qū)域探測到的活躍斷層活動與油氣開采活動并不相關(guān)。休斯敦北部區(qū)域地面沉降主要是2000年以后大規(guī)模的Jasper 含水層開采活動引起。地下水過量開采使得承壓水位下降，孔隙壓力減小，土層骨架結(jié)構(gòu)壓縮變形，導(dǎo)致地面沉降的發(fā)生，而地面的差異性沉降會誘發(fā)或加劇斷層的垂直運(yùn)動，因此，地下水開采亦是休斯敦北部區(qū)域斷層活動的重要誘發(fā)因素。

休斯敦北部斷層的起源至今還沒有共識?？傮w而言，區(qū)域深部構(gòu)造斷層活動、鹽殼運(yùn)動以及地下水抽取是該斷層系統(tǒng)活動的主要觸發(fā)因素，且這3種機(jī)制在一定程度上相互作用。然而，地下水抽取與加速斷層活動之間的高度時(shí)空相關(guān)性是無可爭議的(圖9)，沿?cái)鄬盂E線的陡峭位移梯度降低了局部地表土壤張力，促進(jìn)斷層兩盤之間的相對運(yùn)動。同時(shí)，斷層中斷了地下水的流動狀態(tài)，限制了沉降漏斗的水平擴(kuò)展，加速了斷層兩側(cè)的差異運(yùn)動。因此，本文一定程度上證實(shí)了休斯敦北部的地面沉降及相關(guān)的斷層活動與區(qū)域地下水開采相關(guān)。

5 結(jié) 語

本文采用結(jié)合PS-InSAR技術(shù)和SBAS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的MT-InSAR技術(shù)，利用ALOS-1及Sentinel-1A/B SAR數(shù)據(jù)獲取了美國休斯敦北部區(qū)域地表形變速率圖，并通過探測形變場突變定位了區(qū)域活動斷層跡線。

(1)利用MT-InSAR技術(shù)探測到休斯敦北部區(qū)域存在3條大范圍活動斷層帶，即Hockley斷層帶、Big Barn斷層帶和 Conroe斷層帶。InSAR探測斷層沿NE向和NEE向近平行分布，符合區(qū)域內(nèi)構(gòu)造斷層特征，2016～2020年活動性明顯減弱。

(2)將 InSAR繪制斷層位置與LiDAR、地球物理勘察繪制斷層跡線以及現(xiàn)場調(diào)查照片及地表裂縫信息進(jìn)行比較，所有信息均證明InSAR探測斷層位置的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3)地下承壓水過量開采導(dǎo)致了地面沉降的發(fā)生，而地面的差異性沉降會加劇斷層的垂直運(yùn)動，斷層的持續(xù)活動會造成地表破裂，從而阻礙和限制地下水降落漏斗和沉降中心平面形態(tài)的形成和發(fā)展，兩者相互促進(jìn)、相互制約。

(4)除地下水開采引起的地面沉降外，區(qū)域構(gòu)造斷層活動、鹽殼運(yùn)動亦是重要的影響因素，且這3種機(jī)制在一定程度上相互作用。

識別和監(jiān)測活動斷層將有助于提供休斯敦地區(qū)更完整的斷層知識，對城市規(guī)劃和減災(zāi)意義重大。本文的研究對其他區(qū)域小尺度蠕動斷層的定位及監(jiān)測可提供參考。