基于PS-InSAR的蓟运河断裂震间形变监测研究

张文朋, 张春丽, 高武平, 闫成国

(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

断裂震间形变速率既是反映断裂活动强度的标志,对新构造研究、地震预测等也具有重要意义。传统的断裂震间形变速率获取主要采用地质学方法(年代学及地貌学相结合)、水准测量、重复三角测量或GPS 连续台站观测等方法[1],地质学方法反映的断裂活动性是万年以上时间尺度的平均结果,体现的主要是基于同震形变的平均形变量,无法体现断裂的最新活动趋势。水准测量、重复三角测量或GPS连续台站观测等方法可以获得断裂的最新活动特征,但其存在观测困难、工作量大、成本高及测量重复周期长等问题,属于基于点观测的低空间分辨率大地测量技术,不适于大范围区域地表形变监测[2]。

近年来,随着空间对地观测技术的不断发展,用于地壳形变测量的新方法合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术,逐渐发展不断完善。该技术通过利用雷达回波信号的相位信息来提取地表三维信息;通过差分干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR)可以测量地表沿卫星视线方向的位移形变,其精度可达到毫米级[3]。

永久散射体干涉测量技术(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar,PS-InSAR)的提出再次提升了 InSAR技术在地壳形变测量中的应用空间。该技术的优点在于解决时间失相关的同时,计算并消除大气、地形影响与轨道误差,保证干涉处理的正常进行,可以获取长时间尺度上的SAR序列图像,对整个区域面的连续动态监测,为高精度监测断层微形变速率提供了时间域的连续动态监测和空间域的大量测点,弥补了传统测地技术的不足,在地震、地质灾害监测方面得到了广泛应用[4-9]。近年来许多专家学者尝试利用该技术对断裂带地表形变进行监测[1-2,10-13],取得了一些进展,实现了对断裂展布区域毫米级的地壳微小形变监测。基于PS-InSAR获取的目标断裂年平均形变速率结果与水准监测结果相比,在形变趋势上一致、数值上差异不大。目前相关研究的目标断裂基本都是基岩区出露断裂,针对平原区隐伏断裂形变监测相关研究的报道尚未见到。其主要原因是由于隐伏断裂的形变量通常很小基本在数毫米,其真实运动很容易被各种噪声或者各种误差掩盖,加之隐伏断裂所处的平原区,经济发达、人口密集,受地下水超采等人为因素影响普遍存在地面沉降,怎样从获取形变信息中分析断裂的活动特征是一大难点。

论文选取地面沉降背景较小的天津宝坻—宁河一带的蓟运河断裂为研究对象进行试验,基于PS-InSAR技术构建断裂展布区的形变场,结合研究区地面沉降等相关研究资料,选取受不均匀沉降影响小的区段分析来获取该隐伏断裂的区域形变特征、最新形变速率及活动特征等,为隐伏断裂的形变监测提供一个新途径。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

研究区位于华北断块盆地与燕山断块隆起交汇的天津平原区东部,在地质构造上位于华北平原断裂带和张家口—渤海断裂带复合、交汇部位,构造运动强烈[14]。蓟运河断裂是研究区内的重要断裂,展布于天津市宝坻至宁河一带,是燕山褶皱带和沧县隆起的边界断裂,新构造时期以来,在区域伸展构造环境的影响下,呈正断运动(图1)。

图1 研究区地质构造图Fig.1 Geological structure map of the study area

蓟运河断裂最早由石油工业部646厂十六大队发现,在地形、地貌、重力、航磁上均有表现[15]。据石油地震勘探资料,蓟运河断裂向下断至古生界,是中生界的沉积边界,新近系明化镇组底界断裂迹线连续清楚,断距280 m,并向上进入第四系。近些年,天津市地矿(1)天津地热勘查开发设计院.天津市煤和煤层气资源现状调查基岩地质图,2007.、国土(2)天津市国土局.天津市基岩地质构造调查研究及地壳稳定性评价,2015.等部门的一些调查项目对蓟运河断裂进行了初步探测,为断裂的空间展布的确定提供了依据。天津市地震局在前期资料的基础上,通过大地电磁、深人工地震、浅层反射地震勘探及钻孔对比等一系列手段,对该断裂做了较为系统的探测研究,并获得了该断裂空间分布及分段特征。蓟运河断裂大致分为南北2段(图1),都为正断层性质,北段走向NWW-SEE,倾向SSW,长约36 km,存有次级分支断裂,最新活动时代为晚更新世早期;南段总体走向呈NW-SE向带状分布,长约25 km,最新活动时代为早-中更新世断裂(3)天津市地震局.蓟运河断裂探测和地震危险性评价技术报告,2018.。

本研究区大致为蓟运河断裂带展布区,地处天津和河北唐山交界处,多分布乡村城镇,各类建筑及道路密集,植被较少,易于选出可靠的PS点,干涉效果较高,有利于研究区形变信息提取。

1.2 数据

研究区数据采用2014年10月22日至2019年4月11日间的26景Sentinel-1升轨数据,干涉宽带(Interferometric Wide swath,IW)成像模式。充分考虑干涉对时间、空间相干性及多普勒频率差异选取2017 年1月15日的SAR 影像为参考主影像,数据的空间基线较小多保持在-137～112 m 内,时间基线在-823～820 d之间(表1,图3),属于高质量的数据集,有利于进行干涉。相关研究表明,利用PS-InSAR技术监测发现基于90 m的SRTM-3、30 m的 ASTER GDEM和1 m分辨率的 Pleiades Dem等三种方法具有较高的一致性,表明3种DEM适用于PS-InSAR技术监测。通过选取不同典型沉降特征区域进行差异性分析表明 Pleiades dem适用于在城市建筑密集区和髙架桥区,SRTM-3 DEM在监测管线施工地带和居民地区有更高精度[16]。有研究指出虽然SRTM-3数据的空间分辨率低于 ASTER GDEM,但是其更适合做相干点目标法(IPTA)地面沉降提取过程中的外部DEM,其主要原因就是SRTM-3利用 InSAR的处理手段弥补了其在空间分辨率上的劣势[17-18]。本研究区处于城乡居民区,故选择使用美国SRTM-3 DEM数据来消除地形相位。

表1 研究区Sentinel-1 数据集信息表

图2 干涉像对基线连接图Fig.2 Baseline connection diagram of interferometric image pairs

2 数据处理

利用GAMMA软件的Interferimic Point Target Analysis (IPTA)处理模块,对研究区26景SAR数据进行PSInSAR时序分析处理。在处理之前,对SAR图像进行辐射矫正和精密轨道矫正。选用已经过空洞充填的 SRTM DEM-3数据去除地形相位。在精确配准后的26个干涉像对上,利用相位离差阈值法(阈值取0.8)筛选出约 700 000个PS点。利用二维线性相位模型,通过反复迭代拟合估计和去除轨道残余、地形残余及大气延迟等各项误差,通过Delaunay三角网相位解缠运算,得到研究区PS 点雷达视线向的形变速率(图3)。

图3 研究区2014—2019年Sentinel-1 视向线形变速率图Fig.3 LOS deformation rate of Sentinel-1 in the study area from 2014 to 2019

3 研究区地壳形变特征及断裂形变速率分析

3.1 研究区地壳形变特征

从数据处理结果看(图3),研究区视向线形变速率区间在-42～7 mm·a-1之间,整体呈现从南西向北东方向的递增趋势。研究区南部靠近天津市区,经济发达、人口密集,地下水超采等人工因素造成的地面沉降现象普遍,其视向线形变速率呈现大范围的较低负值。据天津市地面沉降有关研究[19],宁河地区地面沉降严重,地下水开采是造成沉降的主要因素,研究区视向线形变速率最低值-42 mm·a-1就出现在宁河城区附近。将研究区按1 km×1 km划分网格,以每个网格内所有PS点的形变速率平均值代表该网格形变速率,再通过克里金方法对研究区进行插值获取了区域性形变结果(图4)。从区域性形变结果看,宁河城区附近是一个大型地面沉降中心,沉降幅度和影响范围较大,淹没了蓟运河断裂南段地壳形变信息。除了宁河大型沉降外,研究区零星分布的一些沉降中心,推测是由于地下水超采等人工因素引起的局部不均匀沉降。此类沉降在蓟运河断裂沿线的口东、黑狼口、欢喜庄、八门城、潮洛窝、大辛庄及苗庄子等附近有分布,分析蓟运河断裂形变特征时应该尽可能避开这些沉降中心的PS点。研究区北部的天津市宝坻王卜庄至河北省玉田潮洛窝的蓟运河断裂北段一带形变速率在0 mm·a-1左右,再向北东形变速率变为正值,向北随远离断裂形变速率逐渐增大,沿该段断裂形成北隆南降的明显的界线。

图4 研究区视向线形变速率插值图Fig.4 Interpolation diagram of LOS deformation rate in the study area

3.2 蓟运河断裂形变速率分析

沿垂直于蓟运河断裂方向尽可能避开不均匀沉降中心选取了7个长16 km的剖面(图4),通过形变速率剖面来分析断裂的形变速率。分析过程中采取如下模型以减小不确定性和主观因素的影响:在长16 km的剖面两侧各建立1.5 km的缓冲区形成条带,将条带按400 m等间距划分为40个统计单元,每个统计单元的形变速率取该单元内所有PS点的平均值,以南西—北东方向绘制各剖面的形变速率统计图(图5)。从各剖面的形变速率统计图中可看出,除了剖面5-5′外,其他剖面在断裂附近的形变速率存在一个明显的变化,这种变化的原因与断裂的存在有着直接关系。剖面5-5′位于蓟运河断裂南段的北端,推测该段断裂可能并未延伸到此处。

蓟运河断裂北段上有4条剖面(剖面1-1′～剖面4-4′),其形变速率统计图形态相近,断裂处形变速率突变明显。其北东盘(上升盘)PS点为正值形变,量级上主要处于0～3 mm·a-1之间;南西盘(下降盘)PS点为负值形变,量级上主要处于-2.5～-0.5 mm·a-1之间。从各统计单元内PS点形变速率的标准差看,个别统计单元标准差较大(表2),表明其内PS点形变速率离散性偏大,某些PS点形变速率存在误差。因此,在统计各剖面断裂两盘的形变速率均值时,将统计单元内PS点少于10个或标准差高于该剖面各统计单元标准差均值的单元不纳入统计范围。统计结果显示此4个剖面的蓟运河断裂北段两盘形变速率差分别为1.99 mm·a-1、1.89 mm·a-1、1.6 mm·a-1和1.79 mm·a-1,均值为1.83 mm·a-1。

图5 各剖面的形变速率统计图Fig.5 Deformation rate statistics of each section

表2 断裂两盘的形变速率统计表

蓟运河断裂南段上有3条剖面,其中剖面6-6′及剖面7-7′在断裂附近形变速率存在明显突变,推测和蓟运河断裂南段的运动有关,指示了蓟运河断裂的位置。距宁河大型沉降中心更近的剖面7-7′上两盘形变速率差(8.48 mm·a-1)远大于远离沉降中心的剖面6-6′上两盘形变速率差(2.96 mm·a-1)。据此,推测地下水超采等人工因素造成的地面沉降对观测的断裂两盘形变速率差有放大作用。因此,蓟运河断裂南段两盘形变速率差小于2.96 mm·a-1。

4 讨论

4.1 形变监测结果的影响因素分析

相干性是影响InSAR形变监测结果的关键。干涉像对的相干性主要取决于垂直基线、植被覆盖和地形坡度这3个因素。PS-InSAR是基于大量数据的时序 InSAR处理,对垂直基线对相干性的制约大大降低。研究区位于华北东北部,经济发达,除了农田覆盖区外,人工建筑物较密,整体相干性好,试验中选择研究区2014年10月22日至2019年4月11日间的26景Sentinel-1高质量数据集,提取了均匀密集分布的足量PS点(图3)。从研究区地物特征、试验数据及PS-InSAR技术处理看,所得的形变监测结果是准确可信的。目前相关研究多是引入SRTM-3 DEM数据处理并获取了毫米级观测结果,表明本研究可以获取毫米级的形变监测结果。但外部引入DEM的精度会对处理结果产生一定影响,这是提高PS-InSAR形变监测精度的一个改进方向。

由于雷达卫星的成像观测方式,InSAR观测的形变是断层水平、垂直运动共同作用的结果,是LOS向上的一维投影。一维形变难以反映地表的实际形变情况,如果想要重建地表的真实三维形变场,则至少需要个不同方向的测量结果或等效的先验信息,其计算任务极为繁重。其实不论是升轨还是降轨地表垂直形变对LOS向观测的贡献量最大(90%以上),且InSAR对断层走滑位移观测效果与断层走向有关,当断层走向与卫星轨道方向近垂直时,观测效果较佳,断层走向与卫星轨道方向的夹角越小,观测效果越差[20]。对研究区而言,本区水平运动主要是沿蓟运河断裂带的左旋运动,蓟运河断裂走向与卫星轨道(Sentinel-1升轨)方向近平行,这种情况下几乎观测不到断层的走滑位移。因此,利用LOS向观测结果来分析研究区断层的垂直活动不会有大的出入,两者在运动趋势上也是一致的。

4.2 研究区形变特征的构造意义

研究区北部属于燕山山前堆积区属燕山褶皱带,蓟运河断裂以南为冀中坳陷和沧县隆起。对升轨数据,当视线向形变速率结果为负值时说明有远离卫星方向运动,即自西向东运动或沉降,正值则刚好相反。研究区的InSAR形变速率明显呈现以蓟运河断裂北段分界的北东正南西负的展布特征,与燕山隆起带的主导构造方向基本一致,显示其现今构造活动受燕山隆起带控制,表明蓟运河断裂具有一定的活动性,成为控制垂直形变分区的界线。蓟运河断裂北段一带形变速率向北随远离断裂形变速率逐渐增大,沿该段断裂形成北隆南降的明显的界线,表明该段断裂附近及其以北地表基本无地面沉降现象,受近东西向燕山隆起控制呈现向南掀斜运动的趋势,与对该区域活动特征一致。

研究区南部受地面沉降影响,宁河城区附近出现一个大型地面沉降中心及其他地区零星分布的一些小型沉降中心,在一定程度上淹没构造形变信息,形变速率没有沿断裂形成明显的线性特征。但是也能看出构造活动因素也起到了一定的作用,在蓟运河断裂南段断裂以西地区,下降速率大于东部地区,沧东断裂南北部的形变速率也有这一特征,表明断裂带对地面沉降起了一定程度的控制作用。

断层蠕滑和黏滑的 InSAR 形变场及跨断层剖面会呈现不同的特征和差异。断层蠕滑产生的地表形变场在断层迹线两侧的梯度很陡,甚至是不连续的,黏滑型断层的 InSAR 形变场及跨断层剖面在断层迹线处表现为平滑、连续、渐变的趋势,似拉长的“S”形态。据此我们可以初步确定断层的蠕滑和黏滑活动方式[17]。研究区蓟运河断裂北段上剖面形变速率剖面形态相近,都出现阶梯状突变,一方面指示了断裂的位置,另一方面也表明断层活动方式为黏滑。目前尚无对蓟运河断裂的古地震研究,但有研究指出1969年宁河6.9级地震是北东向唐山断裂带和北西向蓟运河断裂带共轭型断裂剪切破裂的结果[21],表明蓟运河断裂活动方式是黏滑。蓟运河断裂南段接近宁河沉降中心,剖面形变速率形态受到影响,但在断裂附近能显示形变速率的突变,且两盘形变速率差随与沉降中心距离减小而变大。造成这一现象的原因可能是断裂活动导致断裂的下降盘含水层更厚,地下水超采造成的地面沉降幅度相应更大。因此,在地面沉降影响区,据跨隐伏断裂的形变速率剖面,可以判定断裂的位置,但无法获取两盘准确的形变速率差,也难以推断断层的活动方式属蠕滑还是黏滑。利用形变速率剖面对蓟运河断裂位置的判断结果基本和实际探测结果一致(图1、图5)(4)天津市地震局.蓟运河断裂探测和地震危险性评价技术报告,2018.。

5 结论

(1) 论文通过对蓟运河展布区2014—2019年Sentinel-1数据的PS-InSAR处理分析表明,研究区受地面沉降干扰强烈地区在南部宁河一带,北部地面沉降逐步减弱,在蓟运河断裂北段以北一带基本无地面沉降现象。

(2) 研究区北部的形变速率在蓟运河断裂北段一带在0 mm·a-1左右,向北随远离断裂形变速率增大,表明蓟运河断裂具有一定的活动性,成为控制垂直形变分区的界线,研究区北部受近东西向燕山隆起控制,有向南掀斜运动的趋势。

(3) 蓟运河断裂北段2014—2019年两盘的视线向相对形变速率差约为1.83 mm·a-1,活动方式为黏滑。蓟运河断裂南段受宁河大型地面沉降的影响,无法获得该段断裂两盘形变速率差的具体数值,根据剖面分析推测其两盘形变速率差小于2.96 mm·a-1。与2005—2012蓟运河断裂垂直形变水准测量结果(2.24 mm·a-1)(5)中国地震局第一监测中心.天津区域现今地壳形变监测研究,2014.相比差别不大,表明蓟运河断裂2005年以来活动速率较为稳定。

(4) 在受到地面沉降影响下,隐伏断裂的InSAR形变场包含更多的非构造信息,无法获取断裂的具体形变速率。但断裂活动会导致断裂两盘含水层厚度发育不同,地下水超采造成的地面沉降幅度也不同,相应的其InSAR形变场在断裂两盘出现突变,对隐伏断裂的位置判定有一定意义。