临汾盆地及其边界断裂现今变形特征*

刘瑞春 季灵运

1)山西省地震局，太原 030021

2)太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030021

3)中国地震局第二监测中心，西安710054

1 引言

地壳形变是地震的一种直接表现形式，现今地壳形变监测对于研究地震的形成过程与演化规律具有特别重要的意义，而地壳形变在空间分布上是不均匀的，目前仍无法精细地研究区域形变的整体特性［1］。D-InSAR 技术的出现在一定程度上弥补了这方面的不足，它为地表形变研究提供了连续的空间覆盖，已在地壳形变、同震形变研究中得到广泛应用［2－6］。

临汾盆地是山西断陷带内强震活动最为频繁、唯一发生过8级地震的地区，对这一地区开展现今地壳形变背景特征研究将为地震危险性评估提供依据。临汾盆地已有的跨断层水准观测数据显示，断裂垂直变形速率为1 ～2 mm/a，利用常规的D-In-SAR 数据处理方法难以获取如此缓慢的变形信息，为削弱各种噪声，提取缓慢变形信号，本文采用干涉图堆叠技术［7－10］，通过对覆盖临汾盆地的多个干涉图进行加权平均，以每幅干涉图的时间间隔为权重，实现削弱每个干涉对所含的大气延迟相位以及轨道残余误差，达到了提高最终形变结果可靠性的目的。

2 资料的选用与方法的选取

2.1 资料的选用

研究采用由欧洲空间局Category-1 计划项目提供的ENVISAT ASAR 影像，共计23 景(表1)，影像航迹号2347，均为降轨，时间跨度为2003—2010年，影像覆盖了临汾盆地的主要区域(图1)。

2.2 InSAR 数据处理方法

根据干涉图堆叠技术［11］，在数据处理过程中，对所有SAR影像给定空间基线小于400 m，时间基线长于6 个月的限制，然后进行自由组合干涉，共得到94 个可用的干涉对，利用其中20 个质量较好的干涉对进行后续计算，其基线组合如图2 所示。

表1 研究过程中使用的影像数据Tab.1 Image data used in the study

图1 临汾盆地地震分布及SAR 影像覆盖范围Fig.1 Earthquake distribution and SAR image coverage of Linfen Basin

图2 InSAR 干涉对的时间、空间基线关系Fig.2 Relationship of temporal and spatial baselines

对每个符合时间、空间基线限制条件的干涉对均利用两轨法D-InSAR 技术处理，处理平台为GAMMA 软件。处理步骤主要包括:原始SAR 信号成像、图像配准与干涉、外部DEM 模拟、基线估计与精化、相干系数计算、干涉图自适应滤波、相位解缠。外部地形数据使用SRTM DEM，分辨率约为90 m。

为了削弱噪声，增加相干性，对干涉图进行了多视处理，多视因子为4∶20，即每个像元约为80 ×80 m2;干涉图滤波方法采用基于局部条纹频谱的自适应滤波方法，滤波窗口为64 像素×64 像素;相位解缠采用最小费用网络流算法，以临汾市区附近为解缠起始区域，仅对相干系数大于0.6 的像元进行解缠;对含有基线误差的干涉对，在数据处理过程中基于已有的DEM 和观测解缠相位，采用非线性最小二乘平差方法对基线误差进行了去除;基于DEM 进行大气相位延迟改正。

3 临汾盆地及其边界断裂InSAR 形变场特征分析

3.1 整体变形特征分析

图3(P1、P2 为剖面的位置)是利用InSAR 干涉图堆叠技术得到的临汾盆地及其边界断裂2003—2010年雷达视线方向上的平均形变速率。从整体上看，临汾盆地内部和边缘具有差异性形变特征，表现为盆地内部下沉，两侧山区相对隆升的继承性变形特征。其西边界的罗云山断裂两盘存在较为明显的差异运动，相对于较为稳定的断裂下盘，其最大变形速率超过6 mm/a(这在一定程度上可能受城市发展过程中大量抽取地下水的影响);从局部来看，盆地内部各构造单元又具有不同的形变速率，且自北向南有逐步增大的趋势，洪洞-临汾凹陷的北部具有0 ～4 mm/a 的变形速率，南部有一个4 ～8 mm/a 的变形区域，襄汾凸起较为稳定，变形速率在零值附近波动，南部的侯马凹陷形变速率进一步加大，其东北部区域的平均形变速率约4 ～8 mm/a，西部的最大形变速率达8 ～12 mm/a。

图3 临汾盆地及其边界断裂InSAR 形变图Fig.3 Average deformation of Linfen Basin and surrounding faults(P1 and P2 indicate the location of profiles)

3.2 剖面变形特征分析

沿罗云山断裂截取了两条剖面(图3 中白色实线表示截取的剖面P1、P2 的位置)，剖面P1 跨越罗云山断裂的峪里-尉村段，穿过襄汾凸起和侯马凹陷。地质研究结果表明:该段是中更新世末至晚更新世初断裂活动最强的地段，下降盘平均沉降速率为0.2 mm/a［12］，2003—2010年InSAR 形 变 剖 面(图4，黑色实线表示地形，红色与蓝色曲线表示形变速率，灰色矩形表示罗云山断裂所在位置)显示:该段的最大差异运动速率约为4 mm/a;襄汾凸起是一个较为稳定的地带，现今地壳形变速率在零值附近波动;侯马凹陷变形速率较大，相对于断裂下盘，最大差异变形速率达8 mm/a。剖面P2 跨越了罗云山断裂的范家庄-西碨口段，地质研究结果表明:该段第四纪以来断裂活动仍然很强烈，平均沉降速率约为0.33 mm/a［12］，2003—2010年InSAR 形变剖面显示:该段差异运动强烈，相对于断裂下盘，最大差异运动速率达6 mm/a。而两条剖面同时显示，在罗云山断裂范围内，其变形速率均为约2 mm/a。

图4 平均形变速率剖面Fig.4 Profile of averaged deformation rate

3.3 结果的可靠性分析

Stacking-InSAR 技术用于地面形变监测的理论精度最大可达毫米级，但在实际的差分干涉数据处理过程中会存在诸多误差和不确定性。本研究结果主要误差源为大气效应以及较多植被覆盖区域的去相干所引起的相位噪声，所得到的监测结果显示出了两侧山地相对隆升，临汾盆地相对下沉的变形格局，与地质研究结果较为一致;跨罗云山断裂的水准监测结果显示，2003—2010年断裂垂直变形速率约为1.1 mm/a，而同期的两条InSAR 剖面结果显示，罗云山断裂范围内沿雷达视线向的变形速率均为2 mm/a 左右，转换为垂直变形速率后与水准观测结果较为一致，证明利用Stacking-InSAR 技术所得到的监测结果是可靠的。

4 结论

1)利用Stacking-InSAR 技术所获取的临汾盆地及其边界断裂现今形变场整体变化特征与地质研究结果一致，断裂剖面变形量与同期跨断层水准观测结果较一致，表明研究结果较为可靠。

2)临汾盆地现今地壳形变场整体上表现为盆地下沉，两侧山体相对隆升的继承性变形特征，罗云山断裂为地壳形变速率差异的分界地段;盆地内部不同地质构造单元对变形速率具有一定的影响，表现为地质凸起较为稳定，而地质凹陷变形速率较大。

3)跨罗云山断裂中段和南段的两条InSAR 剖面显示，其在断裂范围内的变形速率均约为2 mm/a，与地质研究结果所显示的活动速率有较大差异，可能是由于断裂活动在时间上存在多期性，地质研究结果为更长时间尺度的平均，其深层次的原因还有待于进一步研究。

4)临汾盆地及其边界断裂的现今地壳形变是不均匀的，而该方法假定变形速率为线性变化，是多年变形量的平均结果，具有一定的局限性。

致谢感谢欧空局( ESA)Category-1 项目提供Envisat ASAR 影像!

1 赖锡安，黄立人，徐菊生.中国大陆现今地壳运动［M］.北京:地震出版社，2004.(Lai Xi’an，Huang Liren and Xu Jusheng.Present-day crustal movement in China continent［M］.Beijing:Seismological Press，2004)

2 乔学军，郭利民.新疆伽师强震群区的InSAR 观测研究［J］.大地测量与地球动力学，2007，(1):7－13.(Qiao Xuejun and Guo Limin.Study on Jiashi strong earthquake area by InSAR［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(1):7－13)

3 张慧鑫，等.使用ALOS DInSAR 提取汶川地震同震地表形变场［J］.大地测量与地球动力学，2011，(2):32－37.(Zhang Huixin，et al.Extracting coseismic deformation field related to Wenchuan Ms8.0 earthquake by use of ALOS DIn-SAR［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(2):32－37)

4 单新建，等.利用星载D-INSAR 技术获取的地表形变场提取玛尼地震震源断层参数［J］.中国科学，2002，32(10):837－844.(Shan Xinjian，et al.Extraction of source parameters of Mani earthquake from D-InSAR deformation field［J］.Science in China(D series)，2002，32(10):837－844)

5 张景发，等.InSAR 技术在西藏玛尼强震区的应用［J］.清华大学学报(自然科学版)，2002，42(6):847－850.(Zhang Jingfa，et al.Application of InSAR technology to Tibet Mani earthquake zone［J］.Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，2002，42(6):847－850)

6 孙建宝，等.东昆仑断裂玛尼段震间形变场的InSAR 观测及断层滑动率初步估计［J］.自然科学进展，2007，17(10):1 361－1 370.(Sun Jianbao，et al.The interseismic deformation field from InSAR and preliminary estimates of fault slip rate in Mani section of eastern Kunlun fault［J］.Progress in Natural Science，2007，17(10):1 361－1 370)

7 Peltzer G，et al.Transient strain accumulation and fault interaction in the eastern California shear zone［J］.Geology，2001，29:975－978.

8 Monti Guarnieri A and Tebaldini S.Hybrid Cramer-Rao bounds for crustal displacement field estimators in SAR interferometry［J］.IEEE Signal Proc Lett.，2007，14(12):1 012－1 015.

9 何敏，何秀凤.利用时间序列干涉图叠加法监测江苏盐城地区地面沉降［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(12):1 461－1 465.(He Min and He Xiufen.Ground subsidence detection of Yancheng city using time series interferograms stacking［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2011，36(12):1 461－1 465)

10 龙四春，等.公用主影像干涉图加权叠加方法及其在地面沉降监测中的应用［J］.测绘学报，2012，41(6):844－850.(Long Sichun，et al.A method of weighted stacking based on common master image and its application to ground subsidence monitoring［J］.Acta Geodaetica Cartographica Sinica，2012，41(6):844－850)

11 Hanssen R F.Radar interferometry:Data interpretation and error analysis［R］.Kluwer Academic Publishers，2001.

12 王挺梅，等.罗云山山前断裂第四纪活动特征［A］.马宗晋主编.山西临汾地震研究与系统减灾［C］.北京:地震出版社，1993.(Wang Tingmei，et al.Quaternary activity characteristics of the Luoyunshan frontal fault zone［A］.Ma Zongjin，et al.Linfen earthquake research and systematic disaster reduction in Shanxi［C］.Beijing:Seismological Press，1993)