工程场址区域地壳稳定性InSAR评价研究*

2021-03-13张路青李凌婧曾庆利

工程地质学报 2021年1期

姚鑫张路青李凌婧曾庆利

(①中国地质科学院地质力学研究所，国土资源部新构造与地质灾害实验室,北京 100081,中国)(②中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029，中国)(③中国科学院大学，北京 100049，中国)

0 引言

区域地壳稳定性评价是大型工程选址的重要地质工作之一，其通过对大区域的活动构造、地球物理场、岩土体条件、地质灾害、地下水热条件、地壳应力-应变等内外动力因素的调查和综合分析，评价场址的地质安全性，揭示工程与地质环境的相互作用(刘国昌等，1933;李兴唐等，1987;胡海涛等，1993；姚鑫，2014)。对于如何开展区域地壳稳定性评价，我国学者进行了大量理论研究与实践探索(杜冬菊，1986；陈庆宣，1992；殷跃平等，1992；刘传正等，1993；彭建兵等，1997；Tan et al.，1997；王思敬等，1998；唐明辉等，2009；吴珍汉等，2009；Zhang et al.，2012；姚鑫等，2015)，但是由于区域地壳稳定性评价涉及地质要素多、工作区域广、工程差异大、定量难、成果有效性不易验证、工期周期短(姚鑫，2014)等问题，尚需不断的发展和完善，以适应现今我国在全球化工程建设中选址和场地评价的需求，而近20多年来(尤其是近10年)兴起的InSAR技术有望成为解决这些问题的一种新途径。InSAR技术通过成像微波的干涉测量可以大范围、高精度、全天候、可回溯地获取微小地表变形，进而分析新构造运动与地质灾害信息，这对于提高区域地壳稳定性评价具有重要作用。

InSAR技术应用于区域地壳稳定性评价具有现实需求，首先，区域地壳稳定性评价一般是在场址比选、论证、预可研、可研阶段等工程前期开展的地质工作内容，这时往往只掌握有限的地质资料，尚未开展工程所需精度的地质调查和勘察，而目标工作区范围比较广阔，要考虑多方面的评价要素，如何在有限的资料和时限内实现一定的工作深度是评价面临的问题之一。以位于我国阿拉善地区的某工程场址为例，该区域总体属于稳定地块，且人烟稀少，工作程度很低，通过我国已有的地质调查资料、构造运动监测、历史地震记录、地表光学遥感解译图等资料分析，上万平方千米范围内场址条件区别不明显，为了优中选优和发现潜在问题需要进行一定量的工程地质调查和实测工作，但是，由于面积广大且自然条件恶劣，加上时间、费用的限制，这些工作难以开展。

其次，通过历史地震、地质调查等方法确定的构造活动性，一般都是千年、万年甚至百万年的时间尺度，对现今设计建造的几十年至几百年使用寿命的工程建设影响有多大，很难严格界定。基于GPS观测、地震解算等方法获取的构造稳定性受现场工作环境、数据离散、观测数据数量、时段等条件限制，密度和精度一般无法满足场址尺度评价的要求。

再次，已有的地质调查大多是静态调查，现今活动性则难以体现，随着全球气候变化，水动力更为活跃，全球构造活动进入新一轮的活跃期，人类活动对地质环境的影响越发强烈，这些都需要区域地壳稳定性评价要素的获取更具有现势性。

针对这些问题，本文以阿拉善地区某重大工程选址为例，利用InSAR技术观测变形的优势，结合地质分析，提取了区域现今构造变形、地质灾害分布、浅层地下水变动等信息，进而分析了该工程场址的区域地壳稳定性，这也为有限资料条件下快速开展类似评价工作提供了一条新思路。

1 地质背景

某重大工程两处比选场址位于相对稳定的阿拉善一级地块(张培震等，2003)，分别是位于研究区西北部的塔木素场址(场址一)和东南部的巴音诺日公场址(场址二)(图1)。场址一西北部和南部为沙丘和戈壁荒漠、中部为裸露基岩丘陵，地表水系和地下浅层水不发育；场址二约70%面积为基岩裸露的低山和缓丘，西部和东北角发育戈壁沙漠。区域裸露基岩以晚古生界-三叠纪的侵入岩，侏罗系、白垩系的陆相碎屑沉积岩为主，兼有少量的早古生界变质岩，松散覆盖物地层岩性主要为第四系的戈壁、沙丘，在地势低洼和断裂带附近发育少量季节性河流和湖泊。侵入岩区相对抗风化能力强、地势高、沙砾覆盖少、不生植被，成为稳定的SAR信息反射区，利于干涉测量。

图1 工作区位置、SAR数据范围、地层岩性与活动断裂Fig.1 Study location，SAR regions，strata &lithology and active fault

工作区总体断裂活动较弱，场址一数据覆盖范围内存在活动性断裂的可能性较小，但不排除北部侵入岩与南部沉积岩交界带附近存在NEE-SWW向活动断层的可能。场址二附近发育中更新世活动断裂——雅布赖山正断层(图1)，NEE-SWW走向，SE倾向，60°倾角，该断裂带附近是小震、微震的多发区，据中国地震台网记录1970～2008年间SAR数据覆盖范围内共发生2.0～4.0级地震52次。此外，根据地层展布和地貌分析，在场址二沙丘与侵入岩交界处可能存在两条断裂，一条为中部NW-SE走向断层，另一条为南部边缘NEE-SWW走向断层。

场址一区域地处偏远，交通不便，地下水资源匮乏，矿产资源开发程度低，人类活动性弱。场址二区域人类活动较活跃，有多条公路、高压电力线路和通讯线路敷设，巴音诺日公镇是区内最主要居民聚居区(图1)，是交通、电力和通讯的枢纽。工作区内沿水系和地下水汇集区有农牧活动，主要分布在雅布赖山断裂附近、巴音诺日公镇西北侧沙漠边缘和南部侵入岩体边缘外围(图1)；采掘侵入岩体石材是当地一项重要的生产活动，有上百家采场分布在中部二叠系花岗岩区；巴音诺日公镇西部约15km，雅布赖断裂穿越的石炭系砂岩地层中分布有几十家有色金属露天矿(图1)。

2 InSAR技术原理及特有优势

InSAR技术，是各种差分干涉雷达技术的统称，是采用航空(航天)微波合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)图像对相同区域进行两次或两次以上的观测，根据雷达反射波间的相位差获取地表变形量(图2)(Massonnet et al.，1993)。随着InSAR技术的进步和SAR数据的积累，InSAR观测地表变形的优势越来越明显。

图2 InSAR监测地表变形示意图Fig.2 Schematic map of InSAR princple

(1)以历史存档卫星SAR数据为分析数据源，可以追索历史变形，弥补历史监测数据空白或缺失的情况，及时满足获取长期变形的需求。从1992年以来已经有十几颗卫星接续对全球进行不间断观测，存储了大量的历史数据，可以分析出过去任意地点20多年间的地表变形情况。

(2)观测精度高，相对变形速率精度可达mm·a-1，满足地质灾害和构造稳定性分析需求。

(3)覆盖范围广，一般的SAR数据覆盖面积可达一千至上万平方千米，适合大尺度工程地质问题研究。

(4)获取变形监测值密度高，永久散射点技术可以轻松实现每平方千米大于几百个点的密度，面干涉技术可以实现对变形信息的连续提取。

(5)随着2007年以来几颗高质量SAR卫星的发射，目前几乎可以适宜任何地区的研究，尤其对于交通不便、环境恶劣地区开展工作具有优势，弥补地面工作不便，确保安全生产。

3 InSAR数据处理

根据工作区的特点，选择适宜的SAR数据，采取灵活多样的综合数据处理手段，配合关键步骤的质量控制，才能取得可靠的InSAR变形观测结果。整个工作过程包括SAR数据选取、SAR强度影像解译、D-InSA观测非线性大变形、IPTA-InSAR观测线性变形速率、误差消除(包括：变形误差、高程误差、大气误差)、图像与数据显示处理及精度验证等。

3.1 工作区环境特点及数据选取

工作区的InSAR干涉环境具有以下特点：

(2)基岩出露好，地表地物变化小，能形成强反射稳定干涉，时空基线限制小。

(3)区域地壳稳定性是分析大尺度地质问题，需要大范围的SAR数据覆盖。

考虑上述工作目的及现有数据源(《地质灾害InSAR监测技术指南》T00/CAGHP013-2017)，选用具有历史存档数据时间长(1991～2010年)、单景覆盖范围大(大于10000km2)，波长较短(5.6cm)，对变形较敏感的ERS/ASAR合成孔径雷达数据作为数据源。

场址一有15景1993年8月26日～2008年7月27日存档ERS-2合成孔径雷达成像数据，轨道号376，VV极化，降轨，垂直入射角度23.11°，雷达视线水平方位282.15°，距离向分辨率7.90m，方位向分辨率3.98m，多视线处理按距离向1像素，方位向5像素设置。覆盖范围为NNE向长96km，NEE向宽约110km的矩形区域，面积10560km2(图1)。通过剔除超长偏离时空基线的景和D-InSAR差分测试检验干涉质量，最终剩余9景数据用于后续的数据处理，时间跨度1996年6月30日～1999年12月12日，采用300m最长基线限制构成36个短空间基线干涉数据对，空间基线平均长度106.57m(图3a)。

图3 IPT-InSAR A计算采用的时空基线Fig.3 Temporal-spatial bases used to IPTA-InSAR calculationa.场址一9景ERS数据时空基线；b.场址二16景有效ASAR数据时空基线

场址二有30景2003年6月26日～2010年9月2日存档ASAR合成孔径雷达成像数据，轨道号333，幅号2799，VV极化，降轨，垂直入射角度21.01°，雷达视线水平方位285.70°，距离向分辨率7.81m，方位向分辨率4.05m，多视线处理按距离向1像素，方位向5像素设置。覆盖范围为NNE向长105km，NEE向宽约103km的四边形区域，面积10710km2(图1)。剔除轨道位置偏离度较大、成像质量差的14景数据后，剩余16景用于干涉计算，时间跨度为2007年1月11日至2010年9月2日，以2009年2月19日为参考景形成单参考的最优组合垂直基线平静长度为251m，采用290m作为最长基线限制，构成55个短空间基线干涉数据对，基线平均长度125m(图3b)，有效数据质量优于场址一。

3.2 数据分析

3.2.1 SAR强度图像解译

SAR数据包含微波在地表反射的相位信息和强度信息，相位信息用于干涉测量微小变形，对SAR强度信息可以进行类似光学遥感影像的解译，了解地质构造和地物，预判干涉区的分布和干涉效果，为后续的变形提取和分析做准备。图4为场址二ASAR数据的强度影像，可以较好地反映出断裂线性地貌、低山丘陵和沙漠的展布，在戈壁、滩涂、沙漠、水体、农田呈现出低反射强度(灰黑色)，在裸露基岩、村镇、人类工程设施，如道路、金属管线、成排的电力杆(塔)等呈现出强烈的反射特征(灰白色)(图4～图6)。

图4 场址二SAR数据强度图像及主要地物特征Fig.4 SAR intensity image and features of ground surface objects

图5 场址一1997年9月28日至12月7日间D-InSAR观测的局部干涸湖泊地下水引起的地表变形Fig.5 D-InSAR surface deformation induced by ground water below the dried lake between 1997-9-28 and 1997-12-7 in site No.1

3.2.2 两过D-InSAR观测短期大变形

两过差分D-InSAR是利用两次观测计算期间的变形，具有方法简单、所需数据量小、变形量程大、健壮性强的优点，可以观测到一些短期非线性厘米级-分米级的大变形。如地下水波动诱发的周期性变形(图5、图6b、图6d)，露天矿坑滑坡变形(图6a)，电力塔架建设初期的沉降变形(图6c)等。由于没有冗余观测，InSAR的高程误差、大气延迟误差、卫星轨道误差和信号热噪音误差的影响无法准确消除，只能用于变形体的识别和变形程度的定性判断，地物变化造成的雷达相位失相干还导致无法对长期变形进行连续测量。

3.2.3 时序InSAR提取精确长期变形速率

为了提高对不同地区的适应性和变形观测精度，前人提出利用多期观测SAR数据进行计算的时序InSAR思想(Time Serious InSAR，TS-InSAR)，其中永久散射点(PS，Persistent Scatter)干涉测量(PS-InSAR)(Ferretti et al.，2000，2001)和小基线集(Small Baseline Subset)干涉测量(SBAS-InSAR)(Berardino et al.，2002)是其中最常用的两种方法。他们克服了由于地表变化时空失相干的问题，可以通过多次观测的几何和物理特性消除各种误差，提高观测精度。一些吸收了两者优点的改进算法，如相干永久目标分析干涉测量IPTA-InSAR(Werner et al.，2003；Wegmüller et al.，2004)，在具有较少重复观测数据条件下可以获取较高的观测精度，一般在15期以上观测条件下，可获取精度达毫米级的长期线性变形速率(Ferretti et al.，2007)。

3.2.3.1 误差消除

图7 IPTA-InSAR方法计算的大气误差(雷达坐标)Fig.7 Atmospheric delay error retrieved by IPTA-InSAR method(SAR Coordinate)a.场址一9幅SAR数据的大气误差；b.场址二16幅SAR数据的大气误差

3.2.3.2 IPTA-InSAR变形结果

图8 场址一1996年6月30日至1999年12月12日间IPTA-InSAR线性变形速率及两个钻孔附近变形时程曲线Fig.8 IPTA-InSAR linear deformation velocity and Time-movement graph of 2 boreholes between 1996-6-30 and 1999-12-12 in site No.1a.北侧钻孔变形时程曲线；b.南侧钻孔变形时程曲线

图9 场址二2007年1月11日至2010年9月2日间IPTA-InSAR线性变形速率及2个钻孔附近变形时程曲线Fig.9 IPTA-InSAR linear deformation velocity and Time-movement graph of 2 boreholes between 2007-1-11 and 2010-9-2 in site No.2a.北侧钻孔变形时程曲线；b.南侧钻孔变形时程曲线

3.2.4 结果验证

图10 工作区及邻区大地变形速率GPS观测值Fig.10 GPS velocities of tectonic deformation in study area and adjacent area

4 比选场址InSAR观测结果地质分析

基于D-InSAR和IPTA-InSAR变形观测结果，可以深入分析比选场址存在的区域地壳稳定性。

4.1 地质灾害变形

通过InSAR技术获取灾害体的微小变形从而识别地质灾害，这方面应用研究已经有许多成功的案列，尤其在蠕滑型滑坡、采矿塌陷领域应用成效非常显著(Squarzoni et al.，2003；Yao et al.，2010;Yin et al.，2010;Zhao et al.，2012；Scheingross et al.，2013；李凌婧等，2014;Meng at al.，2015;姚鑫等，2016；Yao et al.，2017a,2017b)。研究区干旱少雨，地貌以丘陵、戈壁和沙漠为主，基岩出露区主要为坚硬的花岗岩体，半径100km范围内无强震记录，地质环境和地质灾害诱发条件决定了2块拟选场址的自然斜坡地质灾害不发育，InSAR的观测结果也未识别到自然崩塌、滑坡、泥石流这类斜坡灾害。

场址二采矿活跃，占区内面积约40%的二叠系花岗岩是优良的建筑石材矿藏，地表采石活跃；诺日公镇西部约15km露天采矿活动较多，加之低山地貌，形成大量露天人工堆渣边坡和矿坑边坡。D-InSAR探测到了在冬季歇业期有色金属矿多处高边坡存在蠕滑变形(图6a)，花岗岩采场未发现变形现象，同时，场址二发现多处地基失稳导致的电力塔架下沉问题(图6c)。但上述问题都位于软弱或是松散岩层区，距硬质岩区的场址较远，对工程不构成直接的威胁。

相比而言，场址一采矿活动不活跃，人类活动地质灾害不发育。

4.2 地下水波动地表变形

近年来因地表径流减少和汲取地下水，地下水位变化较快，诱发的地表沉降变形灾害成为地表灾害的主要类型，InSAR技术对该灾种的监测取得了良好的效果(Strozzi et al.，1999;王艳等;2007;范景辉等，2008;张琴等，2009)。本工作区同样存在这样的问题，主要发生在基岩裂隙水向戈壁沙漠浅层滞水的转换带，汇流的干涸湖盆区、居民集聚区、农业开垦区。这类灾害体一般处于低洼、平坦的松散岩土区，地表植被变化和流沙覆盖往往造成InSAR失相干，只能在地表覆盖物变化不大的时期内进行D-InSAR干涉获取其变形信息。

场址一中部为坚硬岩体、外围逐步过渡到软弱岩体和松散岩体，对应的地貌形态单一，中部高四周低，松散地层区沙丘覆盖厚，地下水埋藏深，运移规律单一，D-InSAR在南侧边缘地带观测到一条线性展布的干涸湖盆变形(图5)。

场址二地貌和岩性条件复杂，地貌南北向盆岭交替，岩性东部坚硬基岩为主和西部松散覆盖物为主。横亘中部的雅布赖山断裂活动影响地貌和破碎宽度达到几千米，而且将工作区切割为南北两个地块单元，同时区内存在NE和NW两组交错节理。这些条件决定了场址二发育有利于地表沉降的次松散地层，为地下水的运移活动提供了有利的通道，相对场址一，成为地表沉降灾害的多发区。D-InSAR共发现这类变形体15处(典型影像特征见图6)。

两个场址相比而言，场址一InSAR数据覆盖区域范围内地质灾害不发育，变形不显著，场址二InSAR数据覆盖区域范围内地质灾害变形类型多、发育密集，规模大。InSAR监测和解译结果也显示诺日公周边区域地下水运移活跃，而且工程处于地下水补给区，人类工程活动也较密集，环境污染风险比场址一严重。

4.3 区域构造变形

通过InSAR技术获取大范围地表变形，进而分析构造运动是InSAR应用的一个重要领域，主要体现在两个方面：一是同震地表变形(单新建等，2004;Zhang et al.，2010;姚鑫等，2012，2017)，二是断裂缓慢蠕滑变形(Fialko，2006;Hooper et al.，2007;Cavalié et al.，2008;曲春燕等，2011)。场址一区域以往研究表明无活动断裂，现今地貌和地层岩性也显示存在活动断裂的可能性较低，InSAR观测也未发现明显的区域性变形。场址二有雅布赖山活动断裂NEE向穿越，附近微小地震多，但InSAR观测结果并未在断裂两侧发现明显的差异变形，在NW-SE向一无名断裂的SW盘发现了明显的区域性下沉。这种下沉从构造、地貌和地层岩性初步判断可能与无名断裂活动有关，但缺乏水准测量、GPS监测等直接的测量证据，关于该条断裂的活动性本身前人更是未见报道，但根据中国地质调查局“区域地壳稳定性调查评价规范”(DD2015-02)，地形变高梯度带往往是构造不稳定区，需要引起注意。

4.4 场址区变形分析

综上所述，研究区区域构造变形很小，全国比较而言均属于稳定性好的场址，两个场址相比而言，场址一变形弱于场址二。局部地表变形较发育，存在20余处斜坡重力变形和浅表层地下水波动诱发的地表变形，但距离场址区较远，对工程无影响；局部变形间接反映了地下水由场址区向周边区的运移，工程建设可能存在污染扩散的风险。

5 讨论

InSAR应用于区域地壳稳定性评价具有明显的技术优势并在工作区取得了一定的效果，但仍然存在一些问题需要关注和改进：

(1)速率值问题。已有研究和应用表明，因测量坐标参考系统不同造成InSAR变形与地面测量变形相比具有一定的系统偏差，但InSAR结果的相对变形量值是准确的，在应用过程中要注意其所反映的运动趋势信息，而不是刻意追求InSAR变形量的绝对值。

(2)速率值所反映的信息问题。本次观测值与邻近的GPS观测值相比量值区间较大，这是因为一方面InSAR测量值为1996～2010年的变形量，GPS在这个时段无观测值，另一方面地面监测点往往都是位于基岩上，反映区域上的构造变形。而InSAR监测的PS点在各种地质体表面都有分布，反映了多种地质体的运动量，因此PS变形量值幅度更大，可以揭示更丰富的地质运动现象，特别是地质体运动在地表的表现。

(3)数据源问题。较短波长(5.6cm) SAR数据对微弱变形更敏感，但影像间相干性会降低；而且该地区ASAR和ERS卫星存档数据相对其他地区偏少，剔除低质量数据后场址一和场址二分别剩余9景和15景用于干涉测量，对于采用IPTA-InSAR技术进行微小地表变形而言时间跨度和观测数量不够充足。

(4)结果适用问题。InSAR用于场址构造稳定性评价目前尚未广泛采用，可供参考的研究案例有限，更无标准规范可依赖，数据处理质量与处理者的知识背景和操作经验直接相关，获取的结论仅在InSAR技术假设条件成立的环境下有效，在具体应用时需结合其他数据综合分析，验证后使用。