基于GPS和SBAS-InSAR的阳原盆地北缘断裂现今地表形变特征

高 晨 曹 筠 刘书峰 马 栋 刘思宇

1 河北省地震局，石家庄市槐中路262号，050021

阳原盆地位于晋冀蒙交界区，盆地西起阳原县东井集镇，东至桑干河峡谷，北部为熊耳山山脉，南部为六棱山和凤凰山，是一个新生代断陷盆地[1]。晋冀蒙交界区是华北地震非常活跃的地区之一，但是近年来中小地震稀少，根据GPS观测资料，该地区大多活动断层处于完全闭锁或者部分闭锁状态[2]。阳原盆地北缘断裂是阳原盆地东部北侧的主控边界断裂(图1)，总体走向为NE，正断层，长约62 km。根据断错地貌特征可将该断裂分为东、中、西3段，自东向西活动性逐渐减弱，东段和中段为晚更新世以来活动的地段，西段最新活动年代为中更新世[3]。该断裂附近曾发生一系列中等地震，如1545年5.3级、1978年5.2级和1988年4.6级地震等[2]。

图1 阳原盆地及周边区域断裂、GPS测站及InSAR数据分布Fig.1 Distribution of faults，GPS stations and InSAR data in Yangyuan basin and surrounding area

采用地质学方法推算得到阳原盆地北缘断裂现今垂直滑动速率为0.02～0.14 mm/a，具有明显的分段特征[4-5]。使用水准测量方法得到的阳原盆地北缘断裂东段和中段的垂直滑动速率分别小于1 mm/a和0.45 mm/a[6-7]。地质学方法是研究断层活动性的经典方法，但是存在只能在断层露头且具有明显位错处测量、测点有限和观测结果随机性大等缺陷[8]。阳原盆地北缘断裂具有显著的分段性，关于该断层的水准测量资料仅限于东段和中段，且最新的测量资料至今已过去近10 a，无法对现今断层的活动性进行研究。本文以GPS高精度水平形变速率为约束，结合小基线集合成孔径雷达干涉(small baseline subset InSAR，SBAS-InSAR)测量技术，采用直接分解方法，将LOS向形变速率分解为垂直形变速率，获取阳原盆地北缘断裂高精度、高空间分辨率的地表垂直形变场，同时使用断层两侧GPS资料进一步研究阳原盆地北缘断裂现今活动性。

1 现今地壳运动观测

1.1 GPS资料及数据处理

本文GPS观测数据来自“中国地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络”位于阳原盆地及周边地区的GPS连续站和流动站(图1)，其中流动站点共观测2009、2011、2013、2015和2017年5期。将该地区的所有测站与中国大陆及周边的IGS测站观测数据组网，采用GAMIT/GLOBK软件进行处理，得到GPS站在ITRF2008参考框架下的速度，利用ITRF2008框架下的欧亚板块欧拉极[9]，将ITRF2008框架下的GPS速度场转换为相对于稳定欧亚板块参考框架下的水平运动速度场。剔除方向、大小明显偏离区域运动背景的GPS站后，最终选定13个测站数据，其中连续站水平向平均误差为0.46 mm/a，流动站水平向平均误差为0.33 mm/a。

1.2 SAR影像及InSAR数据处理

使用从欧空局获取的Sentinel-1 SAR数据，时间跨度为2017-07～2019-12，包括30景升轨和31景降轨数据，成像模式为干涉宽幅模式(IW)，详细参数见表1。同时采用欧空局发布的对应的AUX_POEORB精密轨道参数文件。DEM数据采用美国宇航局提供的空间分辨率为30 m×30 m的SRTM1数据，用于针对TOPS(terrain observation with progressive)模式的增强谱分集(enhanced spectral diversity，ESD)配准、模拟地形相位及地形相位去除[10]。

表1 研究区Sentinel-1卫星影像参数

升、降轨公共主影像的获取时间分别为2019-01-22和2018-08-23，以此影像作为统一的配准基准以及时间参考点。升、降轨设定时间基线阈值和空间基线阈值分别不少于300 d和不超过200 m，并剔除干涉效果较差的干涉对以降低时空去相干的影响，最终分别筛选出93个升轨、101个降轨干涉对，如图2所示。升轨干涉影像对组合中，最长时间间隔为252 d，最长垂直基线为98.374 m；降轨干涉影像对组合中，最长时间间隔为204 d，最长垂直基线为121.612 m。使用Delaunay MCF方法进行相位解缠，应用多视和Goldstein滤波去除噪声，其中多视处理采用方位向视数为1，距离向视数为4，得到去平和滤波后的干涉图、相干系数图以及相位解缠结果。然后在解缠后的干涉图像上选取远离形变区相对稳定的点作为GCP点，对干涉结果进行轨道精练和重去平，进行估算和去除参与的恒定相位和解缠后还存在的相位坡道。通过分析相干系数图可知，研究区内非植被覆盖区的相干系数均大于0.2，因此将相干系数阈值设置为0.2。利用线性模型第1次估计每个相对的形变速率和残余相位，对合成的干涉图进行去平并重新进行相位解缠和轨道精练。二次解缠后，得到更优化的结果。在第1次反演得到的形变速率基础上，利用高通滤波和低通滤波对大气影响进行估计并去除大气相位。在进行大气滤波时，假设大气在空间上具有高相关性，根据经验设置参数为1 200 m；假设大气在时间上具有低相关性，设置参数为365 d。最终得到最优的LOS向形变速率如图3所示。

图2 Sentinel-1升、降轨干涉数据的时空基线分布Fig.2 Distribution of spatiotemporal baselines of Sentinel-1 ascending and descending InSAR data

F3:怀安盆地南缘断裂；F4:阳原盆地北缘断裂；F5:六棱山北麓断裂；F12:右所保-松枝口断裂图3 研究区升、降轨LOS向形变场Fig.3 LOS deformation field of ascending and descending in study area

2 垂直形变场提取

2.1 GPS和InSAR速度场融合

阳原盆地及周边地区有13个GPS点位(图1)。为了将GPS速度场与应用SBAS-InSAR技术反演的高空间分辨率的LOS向形变速率进行综合求解，本文利用线性变异函数的普通Kriging插值方法对GPS结果进行内插[11]，将GPS点的南北向和东西向速率内插至与InSAR相同的空间分辨率，获取阳原盆地北缘断裂两侧水平速率场(图4)。然后利用LOS向形变矢量与三维地表形变矢量的几何关系(式(1))，采用直接分解法将InSAR在LOS向形变速度分解成垂直形变速度场[12](图5)：

图5 利用GPS和SBAS-InSAR获得的研究区垂直形变场Fig.5 Vertical deformation field of study area derived from GPS and SBAS-InSAR

(1)

F3:怀安盆地南缘断裂；F4:阳原盆地北缘断裂；F5:六棱山北麓断裂；F12:右所保-松枝口断裂图4 阳原盆地北缘断裂两侧GPS点插值结果Fig.4 Interpolation results of GPS points of both sidesof northern margin fault of Yangyuan basin

2.2 升、降轨垂直形变场交叉互检

由于GPS在垂直方向测量精度较低且研究区内缺少水准测量数据，本研究利用观测周期基本相同的升、降轨SBAS-InSAR形变测量值的交叉互检来评价垂直形变反演精度及可靠性[13]。考虑到研究区同时存在山地和平地地貌，在研究区随机选取26个点进行升、降轨SBAS-InSAR沉降速率精度评价(图6、表2)。

表2 随机点升、降轨沉降速率测量值

图6 随机点升、降轨垂直形变交叉验证Fig.6 Cross validation of vertical deformation of ascending and descending of random points

以升轨垂直形变速率为参考、降轨垂直形变速率为对照，采用均方根误差评估两者反演数据结果的一致性。计算得出，均方根误差为2.03 mm/a，间接验证了SBAS-InSAR形变反演的高精度。

3 阳原盆地北缘断裂垂直运动特征

为了定量分析阳原盆地北缘断裂东段、中段和西段的活动特征，在3段各选取一处人为干扰相对较小的跨断层场地，分别位于南口村、大蟒沟村和陶家窑村。提取断层两侧GPS和InSAR联合反演得到的地表垂直形变速率剖线，剖线长度分别约为16 km、16 km、24 km(图5中A-A′、B-B′、C-C′)，在剖线上每间隔50 m设置一个点，统计每个点的垂直形变速率(图7)。从图5和图7可以看出，阳原盆地北缘断裂中段两侧的垂直差异性运动大于东段，西段两侧断层活动不明显。从图7可以看出，自东向西3处剖线对应该断层两侧地表垂直运动速率差分别为1.04 mm/a、1.43 mm/a和0.72 mm/a，与水准测量结果基本一致[6-7]。断层东段至中段两侧地表垂直运动差异逐渐增强，中段至西段又逐渐减弱，且断层东段两侧地表垂直运动差异高于西段，与前人关于该条断裂活动性空间分段特征自东向西呈现逐渐递减趋势的结果部分一致[2]。

图7 阳原盆地北缘断裂剖面线形变示意图Fig.7 Deformation profiles of the northernmargin fault of Yangyuan basin

4 阳原盆地北缘断裂水平运动特征

根据图4(b)，阳原盆地北缘断裂南北两侧水平向存在速度差。基于2009～2017年的区域GPS速度场资料，绘制横跨阳原盆地北缘断裂的GPS测站速度剖面(图8)。分别沿剖面方向和垂直剖面方向对断层两侧站点速度投影，由剖面两侧站点速度平均值之差估算断层的滑动或张压速率，并使用误差传播定律计算速率误差。由平行断层的GPS速度可见，阳原盆地北缘断裂表现出右旋走滑的运动特征，速率为0.39±0.2 mm/a；垂直断层的GPS速度表明，阳原盆地北缘断裂具有拉张特性，速率为0.37±0.1 mm/a。本文结果与张红艳等[14]的研究结果基本一致。

图8 横跨阳原盆地北缘断裂的GPS速度剖面Fig.8 GPS velocity profiles across the northernmargin fault of Yangyuan basin

5 分析与讨论

根据已有研究成果，华北地区的现代区域应力场表现为NEE-SWW向呈挤压特征和NNW-SSE向呈拉张特征，断层水平方向上表现出NNE向断裂呈右旋走滑运动和NWW向断裂呈左旋走滑运动[14-15]。阳原盆地位于华北地区的燕山构造带与山西构造带的复合部位[6]，在华北地区构造应力场的作用下，该区域现代构造应力场以NNW-SSE向的拉张为主要特征，同时受正断型局部构造应力场控制[15]，阳原盆地北缘断裂的断层运动主要为倾滑活动，并兼具有一定的右旋走滑特征[14-15]。GPS结果能够从较大空间尺度反映地壳的形变特征，本文中阳原盆地北缘断裂两侧GPS测站速度平均值之差反映的断层水平运动特征表现为平行断层方向呈右旋走滑活动和垂直断层方向呈正断活动，与阳原盆地的构造应力场引起的断层活动一致。

本文反演结果显示，阳原盆地北缘断裂中段断层两侧垂直运动速率差异最大，其次为东段，最小为西段，且断裂西段基本未表现出垂直运动差异，与已有研究成果阳原盆地北缘断裂活动性从东至西逐渐减弱不一致[14]。由图1可知，右所堡-松枝口断裂贯穿阳原盆地并与阳原盆地北缘断裂中段空间上呈交切分布。右所堡-松枝口断裂构造以NW向为主，走向300°，其受华北地区的现代区域应力场作用，在NNW-SSE向呈拉张的走滑型应力状态，为一条活动左旋正断裂[14]，图4(a)和图9反映出右所堡-松枝口断裂最新活动以左旋走滑性质为主，与断层附近区域构造应力场引起的断层活动和已有的该断裂的活动特征研究成果相同。因此阳原盆地北缘断裂中段断层两侧地表垂直运动差异大于东段可能是由于右所堡-松枝口断裂NW向的左旋走滑运动以及与阳原盆地北缘断裂中段在空间分布上呈交切关系有关。

图9 横跨右所堡-松枝口断裂的GPS速度剖面Fig.9 GPS velocity profiles across the Yousuobao-Songzhikou fault

6 结 语

1) 阳原盆地北缘断裂东段、中段和西段的断层两侧地表垂直运动速率差异分别为1.04 mm/a、1.43 mm/a和0.72 mm/a。

2) 右所堡-松枝口断裂的左旋走滑运动以及与阳原盆地北缘断裂中段在空间上的交切关系可能是导致阳原盆地北缘断裂中段断层两侧垂直速率差异大于东段的主要原因。

3) 从水平滑动速率来看，GPS资料结果显示，阳原盆地北缘断裂的平行断层的滑动速率约为0.39 mm/a，并具有右旋走滑运动特征。

致谢:感谢中国地震台网中心提供GPS数据和欧空局提供Sentinel-1雷达数据。