基于MT-InSAR技术的城市活动断层定位与监测<br/>——以美国休斯敦地区为例

基于MT-InSAR技术的城市活动断层定位与监测
——以美国休斯敦地区为例

2022-08-25曲菲霏杨成生

地球科学与环境学报 2022年4期

曲菲霏，杨成生,2*，张勤

(1. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054;2. 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京 210049)

0 引言

随着经济发展和城市规模的日益扩大，地表变形及与之相关的城区/近城区断层活动危害也日趋显著。断层可能会造成不可逆的地质灾害，其活动会加剧区域地表高程的差异性变化，造成建筑物地基下沉、基础开裂，导致线状工程(如地铁、公路和输水输油管线等)遭到破坏，损坏城市排水系统，严重制约城市经济可持续发展，危害人民生命财产安全。活动断层及其产生裂缝的有效定位和监测是抗灾规划、防灾减灾工作的基本前提。然而，地底活动断层常隐伏于第四纪松散沉积物之下，在地表无明显位移或开裂，使断层定位研究陷入了瓶颈。传统的断层定位及变形监测技术包括地球物理勘探(如探地雷达(GPR)、重力、电阻率成像等)、LiDAR、精密水准仪、测距仪、分层标、GPS和无线检测系统等，通过点、线、剖线或组网的方式来获取地层磁力、电阻率等以及地表形变测量信息。这些技术虽然具有较高的精度，但需耗费较大的人力、物力，空间分辨率低且难以重复。

合成孔径雷达(InSAR)技术，以其全天时、全天候、大范围覆盖、高分辨率、高精度以及可重复观测等优点为地球科学诸多领域的研究提供了大空间尺度形变信息监测的手段，具有其他地面及空间测量技术无可比拟的优势。尤其是多时相InSAR(MT-InSAR)技术，如永久散射体InSAR(PS-InSAR)技术、短基线集(SBAS)技术和分布式散射体(DS-InSAR)技术等，更是能获得地表毫米级长时间序列形变结果，为区域断层调查和精确定位提供了极大的可能性。InSAR技术以其高精度、大范围覆盖的特性，在同震形变和震间形变等地震断层监测领域具有无可比拟的优势。然而，InSAR技术对变形量级较小的抗震正断层蠕动形变研究则较少，仅限于测量已知断层两侧的形变速率，在新断层的定位上更是鲜有应用。

活动断层两侧存在明显的差异性形变，具有典型的空间不连续性。相较于大尺度地面沉降、地震等灾害，城市断层形变有其明显的特殊性，断距小、形变影响范围相对较小，形变量级小但断层两侧形变梯度大，仅在断层或裂缝两侧千米甚至几十米或上百米范围内表现为非均匀沉降，差异沉降大小与其活动性相关。因此，高精度、高密度的InSAR监测点是实施蠕滑断层运动定位及监测的前提条件。本文选取墨西哥湾盆地休斯敦地区为研究区，以变形长度长、宽度窄且形变梯度大的城市/近城区活动断层灾害为研究对象，基于PS-InSAR与SBAS技术联合的MT-InSAR技术对已有断层和潜在断层进行定位与监测。本文不仅获取了已知断层的时空演变过程，还探测到了新的活动断层；通过InSAR不同轨道的独立观测值和GPS数据，对InSAR测量形变精度进行了验证，并利用LiDAR、地球物理探测、现场地质调查等方法确认了断层位置，验证了InSAR探测断层迹线的可靠性；最后，还对休斯敦北部地区断层活动的主要诱发因素进行了分析。本文研究成果为利用MT-InSAR技术开展城市活动断层定位与监测提供了研究思路和重要参考。

1 研究区域背景

本文以墨西哥湾盆地休斯敦地区断层为主要研究对象，开展城市/近城区的断层活动定位与监测实验。休斯敦地区位于平坦低洼的海湾沿岸平原，域内覆盖了大量第四纪松散沉积物。在构造演化和沉积叠加作用下，该地区发育着大量平行于海岸线、NW—SE向正断层，其分布、构造和岩性均十分复杂。1926年，在休斯敦以东约20 mi处的Goose Creek油田首次发现了与人类活动相关的、严重的地表沉降和断层运动。然而，直到20世纪70年代，公众才开始意识到该现象对周围环境及建筑的破坏性。20世纪后期，美国地质调查局(USGS)在休斯敦地区展开了广泛的断层调查研究，发现了300多条活动断层，总长度可达500 km。该地区断层主要为铲状正断层，以60°～75°倾角的抗震断层蠕变方式运动，典型的蠕变速率为4～27 mm·年，其水平运动分量速率仅为垂直分量的1/4。

图1为休斯敦地区地质图，其中粉色虚线框标记为本文主要研究区域，黑色实线为已知断层位置。休斯敦东部和北部森林茂密，主要由松散的砂土、黏土页岩和黏土构成，新生代沿墨西哥湾累积的沉积物深达几千米。不同地质结构边界的接壤地带，内聚力较低，易转化为正断层，而休斯敦地区很多断层位于地质结构接壤区。本文主要研究对象Hockley断层位于以黏土为主的Willis层(上盘)和以砂土为主的Lissie层(下盘)的接壤区。除复杂的地质环境外，随着城市逐渐向北扩展，研究区域内地下水开采量大幅度增加，大部分水源井已钻探到地下含水层300～700 m的深度。大量抽取地下水会造成地下水位下降，从而引起含水层内的细颗粒黏土层压实，最终导致地面沉降。地表的持续非均匀沉降可能会激活已有断层活动或产生新的断层。此外，受盐壳(图1中绿色多边形)活动影响，休斯敦地区80%的断层都分布于盐壳上部地表，并以盐壳为中心成放射状分布(图1)。

图1 美国休斯敦地区地质图Fig.1 Geologic Map of Houston Area, USA

众多学者曾采用多种方法(包括地球物理勘探、探井、航空摄影测量、野外调查等)绘制休斯敦地区的断层分布。地球物理勘探技术(包括地震波,电阻率成像、电导率、磁共振成像、GPR以及重力等)在休斯敦地区的断层测绘中有所应用，其中以GPR应用最多；该类技术精度高，但测量范围较小且成本高，并且需要断层活动的先验信息。油气钻井及地下水监测井日志文件亦可提供深部断层的深度、走向等信息；但与地球物理勘探技术类似，该方法仅可获取测井位置处断层信息。航空摄影测量方法可在特定区域内实现大范围断层的准确定位；与LiDAR技术相同，该方法定位断层是基于高精度地形地貌数据，仅能探测有明显地貌特征的断层。休斯敦地区断层识别方法中应用最广泛的是野外调查，该方法通过实地考察区域地形地貌及断层对周遭环境影响判断其位置。航空摄影测量方法和野外调查方法都基于断层位置已有一定的地形起伏和/或地貌变化，然而休斯敦地区部分断层活动性较小且无明显地表特征。Khan等于2001～2002年采用LiDAR技术测绘的断层(结合已发表断层信息)是迄今为止休斯敦地区最新且最详尽的断层分布图。上述探测方法虽然具有较高的精度，但需耗费较大的人力、物力，空间覆盖率低且难以重复。InSAR技术不仅可以提供断层活动的历史影像，还可实现低成本、较快速更新，达到对断层活动时空变化规律及特征的多维监测。

休斯敦地区地处墨西哥湾沿岸，受海湾环境的影响，采用SAR数据获取缓慢断层儒滑运动速率受电离层、大气等误差相位影响严重。多位学者研究讨论了利用InSAR技术监测休斯敦地区地表形变，但还没有学者专门利用InSAR技术探讨该区域内断层活动特征。Stork等利用C波段ERS-1/2数据测量了Harris县域的地面沉降特征，并结合GPS和Extensometer数据着重讨论了最大沉降中心Jersey Village的变形情况，其中文献[36]和[37]提到了沿Long Point断层的差异性变形。Khan等采用PS-InSAR技术获取了覆盖Harris地区55×5 km长方形区域的地表形变场。上述InSAR成果或覆盖区域较小，或采用单干涉图差分处理技术，均含有较大的相位误差，未达到对监测区域形变的有效测量。Qu等综合获取了休斯敦地区1993～2011年的地表形变图，并在多处断层处探测到5～20 mm·年的活动速率。

20世纪90年代起，休斯敦地区地下水管控使得地面沉降减缓、断层活动相对减弱。受经费限制，休斯敦地区断层调查工作亦开始放缓，导致了休斯敦北部异常活跃且对周围环境构成潜在威胁的活动断层至今仍未完全绘制，灾害机制仍模糊不清。尽管休斯敦地区的断层运动不会引起严重地震灾害，但其潜在风险仍然很高，准确定位活动断层对于保护公众生命财产和基础设施至关重要。

2 分析方法及数据来源

2.1 InSAR形变提取方法

本文干涉图生成由Roi-PAC、DORIS、Gamma软件和MATLAB程序共同完成。在短基线干涉图生成过程中，距离向和方位向分别采用自适应的频谱滤波处理，并采用多级配准策略对从影像干涉图进行配准和重采样。图2显示了由C波段和L波段SAR数据干涉构成的干涉对基线图，蓝色圆点代表影像时间，每一条线段都表示一个干涉对。采用结合PS-InSAR技术和SBAS技术优点的MT-InSAR技术进行干涉图时序InSAR处理分析。PS-InSAR技术根据最优多普勒和时间、空间基线选定主图像生成干涉图，并选取具有强反射强度、稳定后向散射特性的像素作为PS点。该技术成功应用于强散射体密集的城市地区，但在非城区存在监测点不足的局限。SBAS技术选取具有短时空基线的SAR影像数据集以最小化干涉对失相干的影响，选取频谱滤波处理后在短时间内缓慢失相关的像素点(SFP)开展时间序列形变分析。PS和SFP点集联合开展MT-InSAR处理，可极大地提高监测点的空间密度。本文借助StaMPS(Stanford Method for Persistent Scatterers)技术进行MT-InSAR 处理。为提高相位解缠的可靠性，需要将PS点和SFP点在解缠操作之前融合，根据Hooper提出的方法求取重合相干点目标的加权平均相位值，与其他PS点、SFP点共同构成“PS+SFP”点集。对融合点集进行三维相位解缠，获取完整相位信息。开展时域高通和空域低通滤波来降低误差相位影响，同时采用Toolbox for Reducing Atmospheric InSAR Noise (TRAIN)软件包和GACOS(Generic Atmospheric Correction Online Service)进一步剔除大气误差及轨道残余误差影响。最后，由于数据处理中没有形成孤立的干涉图集，故采用最小二乘方法求解最终高空间密度的地表形变相位。

图2 干涉对时空基线图Fig.2 Spatial and Temporal Baselines of SAR Interferograms

2.2 数据来源

本文采用了两个相邻轨道的L波段日本ALOS-1 PALSAR数据以及C波段欧洲空间局Sentinel-1A/B数据(覆盖范围如图1所示)，其中ALOS-1 PALSAR数据时间跨度为2007～2011年，Sentinel-1A/B数据时间跨度为2016～2020年。利用30 m分辨率Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) DEM辅助去除干涉图中的地形相位分量，并采用GPS连续跟踪站时间序列验证、分析InSAR断层定位结果。所用SAR数据情况见表1。

表1 SAR数据集参数

3 结果分析

3.1 MT-InSAR监测结果与断层识别

基于MT-InSAR技术和相应的ALOS-1 PALSAR数据及Sentinel-1A/B数据，获取了美国休斯敦地区2007～2011年和2016～2020年地表平均形变速率，分别如图3和4所示。图3(a)、(b)和图4分别为来自两相邻ALOS-1轨道数据(轨道176和轨道175)和Sentinel-1A/B数据获取的休斯敦西北部区域视线向平均形变速率图，图示颜色代表地表不同变形量级。图3、4中白色箭头所指区域可见明显的形变值突变，即该位置地面存在明显的差异变形。图3中最大差异变形可达10 mm·年，且两相邻轨道重叠区域探测突变位置完全一致，图3(c)、(d)为两相邻轨道175和176数据拼接形变结果图。休斯敦地区断层为抗震蠕动断层，其影响宽度仅为几千米甚至几十米。若InSAR探测变形区域存在陡峭的变形梯度，且其走向与区域构造断层方向一致，那么该变形位置极有可能存在隐伏断层，或者已有地表裂缝但还未引起重视。基于形变场梯度陡变可能是由断层两侧地表的差异沉降引起的推断，沿陡峭相位梯度位置描绘得到InSAR断层迹线，如图3(c)和图4(b)中黑色虚线所示(下文简称ALOS断层和S1A断层)。图3(d)中叠加了Khan等于2013年采用LiDAR技术探测断层迹线(粉色实线，下文简称LiDAR断层)，与ALOS InSAR探测的突变位置基本吻合。图4(c)叠加了S1A断层、ALOS断层和LiDAR断层，发现三者探测断层迹线位置具有良好的一致性，证明InSAR技术在断层定位上具有良好的实用性。相比于LiDAR技术，InSAR技术具有成本低、覆盖范围大、易更新等优势。

图3 ALOS-1 InSAR定位断层分布图Fig.3 Maps of the Faults Discovered by ALOS-1 InSAR

图4 Sentinel-1A/B InSAR定位断层分布图Fig.4 Maps of the Faults Discovered by Sentinel-1A/B InSAR

根据图3、4的MT-InSAR监测结果，InSAR技术探测得到的断层为NE向和NEE向近平行断层，有明显的总体走向一致性，其差异变形状态切合蠕动断层特性，符合墨西哥湾盆地整体构造特征。断层局部走向稍有变化，断层沿线形变影响宽度差别较大，从几十米到几千米不等(图3、4)。根据探测结果，研究区域内从南到北至少分布3条活动断层带(Hockley断层带、Big Barn断层带和Conroe断层带)，位于从Hockley向东北延伸到Conroe的Hockley-Conroe断层系统(图3、4)。

Hockley断层带全长超过40 km，是休斯敦地区最活跃的断层之一，西起Hockley盐壳，穿过290号高速公路，东至Hufsmith东北部；ALOS InSAR识别出5处断层(图3)，Sentinel-1 InSAR识别出6处断层(图4)，其中Sentinel-1定位结果发现Hockley断层带活动进一步向西南方向延伸。Big Barn断层带位于休斯敦以北约20 mi处，从Hockley断层带末端延伸至45号州际公路；ALOS和 Sentinel-1 InSAR分别识别出5处活跃断层(图3、4)；过去的十几年内，该地区曾多次报道相关建筑及基础设施遭到损坏，地质学家也在此区域开展了调研工作，但美国地质调查局在其数据库中还未正式命名该断层带。

本文利用InSAR技术首次探测到位于Conroe以西的两条长度达数十千米的断层，即图3、4中研究区域最北部两条断层，该断层两侧形变梯度变化极为明显。ALOS InSAR探测断层东起Conroe，向西南延伸至Magnolia东北部，Sentinel-1 InSAR探测断层迹线位置与ALOS InSAR探测断层基本吻合，但其描绘迹线穿越Magnolia继续向西南延伸约12 km。两者探测结果的差异存在两种可能：一是延伸段断层仅在Sentinel-1监测时段活跃；二是延伸段断层活动速率相对较小(<5 mm·年)，波长更短的C波段Sentinel-1A/B数据捕获微小形变信号更有效。Khan等利用LiDAR技术探测描绘了两段长约8 km的近平行分布断层(图3、4中最北部粉色实线)，但未对其进行命名和讨论，美国地质调查局在其数据库中亦未正式命名该断层带。但是，Norman等将其中一段[图4(c)东北角棕色线]称为Conroe断层。C波段和L波段InSAR探测断层迹线位置与Norman等绘制断层位置吻合，因此，本文将新发现的此段断层延续称为Conroe断层带。

为分析跨断裂地表形变特征，分别提取了ALOS-1(图5中黑色和橘色实线)和Sentinel-1A/B(图5中灰色实线)沉降速率场中跨3条活动断层带的剖线，其位置如图4(c)中P1—P1′和P2—P2′所示。剖线形变结果如图5所示，其中ALOS-1两独立轨道175和176提取结果具有较高的一致性。Sentinel-1A/B时期，地表沉降速率减慢，大部分断层两侧活动速率也相应减弱。沿剖线计算相邻像素的变形梯度值如图5中蓝色及绿色实线所示，可见断层位于最大形变梯度位置。

3.2 断层识别结果分析

作为目前休斯敦地区最活跃的断层，多位学者对Hockley断层带进行了深入的研究，尤其是位于290号高速公路沿线的奥莱购物中心段，其位置如图4(b)中五星标记。除LiDAR技术外，GPR、重力、磁力、电导率、电阻率成像等地球物理勘探技术也被应用到Hockley断层带的研究中。图6(a)、(b)分别显示了ALOS-1和Sentinel-1获取的该区域平均形变速率图，叠加了LiDAR断层(绿色实线)及地球物理探测断层(黑色实线)。受InSAR探测结果分辨率限制，InSAR绘制断层在精细程度上略逊于其他探测方法。图6(a)中，ALOS探测断层走向与相近时期的LiDAR断层走向基本一致，与地球物理勘探断层略有偏差。地球物理勘探断层来源于文献[25]，于2018年在290号高速公路路口附近采用多种地球物理方法沿图6(a)中粉色剖线进行勘探，并结合地表裂缝位置绘制的断层迹线。图6(b)中C波段Sentinel-1A/B数据像素点更为密集，能更精确地确定断层走向，其描绘断层迹线位置与相近时期的地球物理勘探断层吻合良好。两已知断层迹线信息均验证了本文InSAR探测断层迹线位置的准确性。

图5 跨断层形变剖线图Fig.5 Deformation Profiles Across the Faults

图6 InSAR断层定位结果验证Fig.6 Validations of the InSAR-mapped Faults

图7 Big Barn断层带InSAR断层定位结果验证Fig.7 Validations of the InSAR-mapped Faults over Big Barn Fault System

图7(a)～(c)显示了由ALOS-1影像获取的Big Barn断层带及周边形变图，其中图7(a)位于图3(d)白色虚线框所示位置。粉色线和数字标记了Minteer进行地球物理勘探的7个现场站点中的6个，剩下1个站点超出图7(a)显示范围。Big Barn断层带最早在休斯敦地质学会发布的地质调查指南中提及。Fugro咨询公司(FCI)和Tolunay-Wong工程公司(TWEI)出于地下管道设计安全考虑，分别于2012和2014年对Big Barn断层带进行现场地质调查，绘制了区域断层图，如图7(a)中蓝色和棕色线所示。图7(a)中绿色五边形标记了两家公司实地调查发现的地表开裂位置。InSAR探测活跃断层迹线与这两家公司发布断层信息完全吻合。Minteer在Big Barn断层带进行综合地球物理调查，采用电阻率和重力技术定位断层位置，图7(b)、(c)显示了7个现场站点中的6个(粉色线条)。图7(b)、(c)中标记位置断层上、下盘间存在明显的差异变形，即InSAR形变结果中突变位置对应于地表破裂面，可确认InSAR探测断层位置的准确性。各项地球物理勘探技术均显示断层两侧具有不同的岩性特征，断层下盘为以砂土为主的Lissie层，而上盘则是以黏土为主的Willis层，Minteer将Big Barn断层带归为正断层。

Norman等根据Conroe西北部一条长约1 km的地表破裂定义了Conroe断层 [图4(c)中棕色线]，并指出Conroe断层在1985年和1987年处于休眠状态，在1987年曾以18 mm·年的速率活动。Dominguez报道了位于Conroe水上运动中心的游泳池遭到地面裂缝破坏[图4(c)中的棕色星号]，地表破裂位置与InSAR探测断层迹线重合，表明Conroe断层的再次活跃。

根据调查研究，休斯敦地区的多处地表裂缝与地下断层活动有一定的相关性。针对休斯敦地区断层探测结果，实地检验显示，多处InSAR探测断层迹线位置均发现与InSAR绘制断层走向一致的地表开裂，部分区域甚至包含几条小的平行裂缝。一些区域地表虽未出现明显开裂，但地面可以看到存在明显高程差，且差异位置走向与InSAR推断断层走向一致。图7(d)～(f)为实地考察照片，其位置在图4(b)和图7(a)中标记为彩色星号[棕色星号为图7(d)，浅蓝色星号为图7(e)，蓝色星号为图7(f)]。图7(d)拍摄于Hufsmith断层。从西南方向看去，断层下盘存在明显的高程落差，图7(e)、(f)中断层下盘相对于上盘都有明显的向下位移。野外调查结果亦证实了InSAR技术在Hockley断层带和Big Barn断层带识别断层的可靠性，而这两处断层迹线在LiDAR断层中并未被定位。经统计，休斯敦地区InSAR探测断层迹线与可调查裂缝的位置偏差小于100 m。

3.3 InSAR与GPS监测结果对比

本文选取位于InSAR断层迹线两侧的3个GPS连续跟踪站时间序列观测值验证InSAR探测断层结果。GPS连续跟踪站位置如图7(a)中白色三角号所示，其中GSEC站位于Big Barn断层带以北(断层上盘)，PWES站位于两段Big Barn断层带中间(断层下盘)，WHCR站则位于Big Barn断层带以南(断层上盘)。由于InSAR测量形变方向为雷达视线向(LOS)，为便于对比监测结果，根据SAR影像入射角将三维GPS观测值投影到InSAR观测的 LOS方向，提取以GPS站点为中心、直径100 m范围内的PS点形变量，取平均得到该点InSAR形变值。由图8时间序列对比结果可见，InSAR与GPS监测结果具有良好的一致性，两者平均差值的均方根误差为8 mm·年。位于断层下盘的PWES站年平均形变速率明显小于断层上盘的GSEC站和WHCR站，Big Barn断层带在Sentinel-1A/B时期内两侧差异形变为3～5 mm·年，其在2007～2011年运动速率为5～13 mm·年。Hockley断层带2016～2020年形变速率为3～6 mm·年，2007～2011年运动速率为7～12 mm·年，其中LiDAR技术测量Hockley断层带2001～2008年运动速率约为-10.9 mm·年。由图5、8可知，Hockley-Conroe断层系统在Sentinel-1A/B时期活动速率明显减小。

图8 InSAR与GPS观测时间序列形变对比Fig.8 Time-series Deformation Comparisons Between InSAR and GPS Observations

4 讨论

4.1 休斯敦北部断层活动与地面沉降关系

休斯敦地区是美国受地面沉降影响最严重的地区之一。自19世纪90年代以来，地下含水层开采一直是休斯敦地区生产生活的主要用水来源，过量抽汲地下水造成该地区严重的地面沉降。20世纪90年代，该地区最大的沉降中心位于休斯敦主城区Harris西北部。该区域断层在1993～2000年亦非常活跃，其中Hockley断层系统的沉降速率约为15 mm·年，Long Point断层系统为15～25 mm·年，Addicks断层系统约为40 mm·年。活跃断层的活动与Harris西北部严重的地面沉降一致，而该时期Hockley-Conroe等断层系统几乎没有可察觉的位移信号。20世纪70年代后期，为减小地面沉降灾害的影响，Harris地区及其南部的一些区域实施了严格的地下水限采政策。地下水开采重心向北部更深的承压水层(Jasper 含水层)转移，使得Harris地区地面沉降逐渐缓解，且在东南部区域缓慢恢复。图9显示了休斯敦北部的Montgomery地区Jasper含水层2000～2010年地下水位变化等值线图叠加于2007～2011年平均形变速率场，其中黑色三角标记为地下水位监测井位置。由图9可见，2000年以后，由于地下水开采重心的北移，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处 (The Woodlands区域)，沉降量级与水位降落深度具有高度相关性，其相关测度达0.81。ALOS-1和Sentinel-1A/B InSAR探测到的强活动或较强活动断层主要分布在Montgomery地区的沉降区，而Harris地区Long Point、Addicks断层带活动性明显减弱。由此可见，断层活动与地面沉降在空间分布上相一致，且二者在加速活动的时间上具有同步性，具有很强的时空相关性。大规模的地面沉降会诱发地裂缝及断层活动，地裂缝及断层活动亦会加剧局部地面沉降的发展，两者互相促进、密不可分。

断层两盘内部土层的差异沉降破坏了地下水流系统的整体性，区域上阻碍了地下水下落漏斗的形成，促进了局部地下水降落漏斗和沉降中心的形成和发展。休斯敦西北部断层将整个沉降区分割成多处沉降块体，制约了地面沉降进一步向北扩展(图8)。断层两侧土层黏性、厚度及松动破裂程度上的差异会造成断层两侧土层释水压实程度不一，从而进一步加强断层的垂向运动。此外，断层两侧差异变形还会造成地下含水层错位，下降的水位不能得到临近区域含水层的补偿，反向加剧了区域差异性沉降。总体上，地下水过量开采导致了地面沉降的发生，而地面的差异性沉降会加剧断层的垂直运动，断层的持续活动会造成地表破裂，从而阻碍和限制地下水降落漏斗和沉降中心平面形态的形成和发展。

4.2 休斯敦北部断层活动诱因

本文根据C波段和L波段InSAR数据，定位了Hockley和Conroe之间超过10条近平行分布的NE向和NEE向断层，将其命名为 Hockley-Conroe断层系统。基于休斯敦地区复杂的自然地质环境和人类工程经济活动，推断休斯敦地区的断层活动与墨西哥湾的发育、构造断层活动、沉积史、盐壳运动以及地下流体(如油气、地下水)开采相关。

图件引自文献[46]图9 Jasper含水层2000～2010年地下水位变化等值线图Fig.9 Contoured Groundwater Elevation Changes at Jasper Aquifer from 2000 to 2010

墨西哥湾盆地内构造断层起源于盆地内构造演化和含水层沉积，自更新世以来，随着沉积负载物加速累积，会重新激活地下深处的休眠断层。美国地质调查局早期发布的地形图可见史前断层 Eureka Heights和Long Point活动产生的地面陡坡，而考虑到这些断层活动出现在大规模人类活动之前，学者们一致认为是构造活动激活了上述两条断层。目前已知至少有3条大构造断层带穿过休斯敦北部，即Yegua、Hitchcock和Wilcox断层带。大构造断层带会将自身应力传递到邻近区域，地层在受到应力作用时，可能会在一定距离内形成新的裂缝区域，使地层沿断裂面两侧发生相对位移。区域内深部构造断层活动为新断层的形成、发展提供了动力基础，而新断层的活跃运动亦可能刺激局部休眠构造断层活动。InSAR定位的NE向和NEE向断层近乎平行于海岸线，并以一定倾角向墨西哥湾方向蠕动，具有明显的总体走向一致性特点，符合区域内构造断层形态及活动特征。Conroe断层带的最东段断层活动已被确认是由位于地下深处岩层的构造断层诱发。休斯敦地区城市断层的走向及活动特点具有明显的构造特征，表明其与区域深部构造断层的分布与发育具有一定的相关性、一致性和继承性。

盐壳运动无疑也是诱发断层活动的重要因素之一。休斯敦地区近乎80%的已知断层位于盐壳的底辟之上，呈放射状分布。绝大部分盐壳存在于美国墨西哥湾沿岸，其横截面直径为1～10 km，深度可达6.5 km。盐沉积主要发生在侏罗纪，盐岩缓慢向上流动，穿越较年轻的沉积物，促使上覆岩层隆起形成底辟构造，在一些情况下甚至可到达地面。就本文研究区域而言，Hockley断层带西起Hockley盐壳，东到Tomball盐壳，而Big Barn断层带位于Conroe盐壳的西南侧，表明断层活动与盐壳之间潜在的联系。

近年来，地下流体开采引发地面沉降，并进一步诱发休斯敦地区断层活动的观点越来越受到学者们的认可。断层周围的应力状态会随地下水/碳氢化合物开采，引起含水层孔隙压力减小而发生改变。休斯敦地区断层活动和油气开采之间一直存在着某种联系。例如，Pratt等于1926年发现的、位于Goose Creek油田的断层，是已知的最早由石油开采诱发的断层活动。Conroe断层带最东段活动不仅与构造断层相关，而且与位于Conroe西部的Grand Lake-Risher油田开采活动有关。然而，目前在休斯敦北部活跃断层区域还未有油气开采活动引发地面沉降、甚至诱发断层活动的相关报道，且此区域内油气勘探井分布较为稀疏。因此，除Grand Lake-Risher 油田外，休斯敦北部区域探测到的活跃断层活动与油气开采活动并不相关。休斯敦北部区域地面沉降主要是2000年以后大规模的Jasper 含水层开采活动引起。地下水过量开采使得承压水位下降，孔隙压力减小，土层骨架结构压缩变形，导致地面沉降的发生，而地面的差异性沉降会诱发或加剧断层的垂直运动，因此，地下水开采亦是休斯敦北部区域断层活动的重要诱发因素。

休斯敦北部断层的起源至今还没有共识。总体而言，区域深部构造断层活动、盐壳运动以及地下水抽取是该断层系统活动的主要触发因素，且这3种机制在一定程度上相互作用。然而，地下水抽取与加速断层活动之间的高度时空相关性是无可争议的(图9)，沿断层迹线的陡峭位移梯度降低了局部地表土壤张力，促进断层两盘之间的相对运动。同时，断层中断了地下水的流动状态，限制了沉降漏斗的水平扩展，加速了断层两侧的差异运动。因此，本文一定程度上证实了休斯敦北部的地面沉降及相关的断层活动与区域地下水开采相关。