利用Envisat ASAR数据探讨渭河盆地断层现今的滑动速率
陈健龙1,2), 张冬丽1,2),*, 周宇1,2)
1)中山大学地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广州 510275
2)南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 珠海 519082
*通讯作者: 张冬丽,女,副教授,E-mail:zhangdongli@mail.sysu.edu.cn

〔作者简介〕 陈健龙, 男, 1995年生, 2018年于桂林理工大学获资源勘查工程专业学士学位, 现为中山大学在读硕士研究生, 主要从事构造大地测量方面的研究, 电话: 15113142520, E-mail: chenjlong25@mail2.sysu.edu.cn


与板块边界的断层相比, 块体内部的断层滑动速率较小, 但仍具备发生大地震的潜力。 渭河盆地历史上曾多次发生大地震, 而盆地内一系列正断层长期的滑动速率却相对较低。 文中以渭河盆地中部的口镇-关山断裂、 渭河断裂和北秦岭断裂为例, 利用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)对盆地内断层现今的滑动速率进行研究和分析。 搜集了欧洲空间局Envisat卫星161号降轨2003—2010年的32幅影像数据, 通过ROI_PAC软件对渭河盆地的Envisat ASAR数据进行处理, 得到98幅空间基线长度≤300m的干涉图, 并从中挑选出质量较好的33幅干涉图用于后续的时序分析。 使用π-RATE对33幅干涉图创建最小生成树网络(MST)并进行轨道误差校正、 与地形相关的大气校正、 去除参考相位和计算协方差矩阵等, 获得渭河盆地中部3条主要断裂在7a内的平均滑动速率。 结果显示, 2003—2010年期间渭河盆地断裂的滑动速率较小, 不超过2mm/a, 其中口镇-关山断裂没有明显的形变信号, 渭河断裂有约1mm/a的卫星视线向形变; 西安市整体地表沉降速率在垂向上最大可达10mm/a。 文中以稳定的鄂尔多斯地块为参考评估InSAR时序分析的精度, 得到InSAR速率图的误差约为(-0.1±1)mm/a, 证明了结果的可靠性。 文中工作可为获取断层10a尺度的现今滑动速率提供重要的技术思路, 继而为评估地震危险性以及危害性预测提供参考依据。

关键词: 渭河盆地; 合成孔径雷达干涉测量; 断层滑动速率
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)02-0333-13
CHEN Jian-long1,2), ZHANG Dong-li1,2), ZHOU Yu1,2)
1)Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
2)Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai), Zhuhai 519082, China

Most great( M≥8)earthquakes during modern times have occurred in interplate regions or major continental collision zones, such as Sumatra, the Japanese island arc or the San Andreas fault zone. Continental faults slip at a much lower rate than boundary faults, but they also have the potential of generating large earthquakes. For example, the 2008 Wenchuan earthquake with a magnitude of 7.9, the slip rate of seismic fault is less than 3mm/a. They also have the potential to be significantly deadlier than those on plate boundaries because of the long repeat times and lack of preparedness. The January 23rd 1556 Huaxian earthquake in Shaanxi Province, central China, is the deadliest in history with an estimated death toll of ~830 000 from building collapse, land-sliding, famine, and disease. The earthquake occurred in the graben of the Weihe River.
The Weihe Graben in Shaanxi Province has recorded multiple earthquakes in history, whereas most active faults within the graben have a low slip rate over geological times (~1mm/a). The slip rate of faults is an important parameter for assessing the risk of earthquakes and the interval between major earthquake recurrences. In order to obtain the quantitative information of faults slip rate, traditional geological methods or geodetic observation techniques can be used. Interferometric synthetic aperture radar(InSAR), as a modern geodetic observation technology, has the characteristics of all-weather and day-and-night imaging capability, wide spatial coverage, fine resolution, and high measurement accuracy. InSAR offers the potential to measure interseismic slip rates on faults at a resolution of millimetres per year. In this study, we use InSAR data to analyze the present deformation of the Kouzhen-Guanshan, Weihe and North Qinling faults in the central part of the graben.
We collected 32 European Space Agency(ESA's)Envisat ASAR images from descending track 161 between 2003 and 2010, and processed them using ROI_PAC. The precise orbit determination from the Delft Institute for Earth Oriented Space Research(DEOS)was applied to correct for orbital effects. The topographic contribution was simulated and removed using the 90m resolution Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)Digital Elevation Model(DEM)from CGIAR-SCI. Each interferogram was downsampled to 64 looks in the range direction (1 280m). Before phase unwrapping, a weighted power spectrum filter was applied to improve the signal-to-noise ratio. The branch-cut method was used for phase unwrapping. Phase unwrapping errors were checked by summing around a closed loop. All the major unwrapping errors were identified and corrected manually. We obtained a total of 98 interferograms with a spatial baseline of smaller than 300m, and selected 33 interferograms whose coherence is well preserved for time-series analysis. The time-series analysis was implemented using the π-RATE software package. It uses the geocoded interferograms from ROI_PAC to create a minimum spanning tree(MST)network, from which the orbital and topographically-correlated atmospheric errors are estimated. The MST network connects all epochs with the most coherent interferograms,including no closed loops of interferograms. The network approach is able to improve the estimation of orbital error by ~9% compared to the independent interferograms approach. The orbital errors are empirically modelled as planar or quadratic ramps. The topographically-correlated atmospheric correction was applied to each interferogram after having corrected for the orbital errors. Following creating a minimum spanning tree network, correcting for orbital and topographically-correlated atmospheric errors, and calculating the covariance matrix, we obtained the 7-year average slip rate of the faults that we are focused on.
Our results show that the faults across the Weihe graben all have a small slip rate of less than 2mm/a. The Kouzhen-Guanshan Fault does not show any evident deformation signal. The Weihe Fault seems to show 1mm/a normal faulting in the satellite line-of-sight direction. In addition, we find ~10mm/a surface subsidence of the Xi'an City between 2003 and 2010. We use the stable Ordos block as a reference to assess the accuracy of our InSAR time-series analysis. Assuming the Ordos block has no internal deformation, we calculated the error of the InSAR rate map to be (-0.1±1)mm/a, indicating that our result is reliable. This paper presents a preliminary result of the present deformation of the Weihe Graben. InSAR is a powerful technique for monitoring active faults on a timescale of tens of years, and can be used for seismic hazard assessment in the future.

Keyword: Weihe Graben; interferometric synthetic aperture radar; fault slip rate
0 引言

现代的大型构造地震(M≥ 8.0)主要发生在板块边界或大陆碰撞区的大型断裂带上, 如2004年12月26日的苏门答腊MW9.3地震(Stein et al., 2005)、 日本岛弧系列地震(Heki et al., 1997; Hashimoto et al., 2009; Ozawa et al., 2011)和圣安德列斯断裂带上的一系列大地震(Sieh et al., 1989; Stein et al., 1992), 这些发震断层的滑动速率快, 可达cm/a量级(Brune, 1968; Weldon et al., 1985; Subarya et al., 2006; Stein et al., 2009; Simons et al., 2011)。 相比之下, 块体内部的断层滑动速率则较小, 往往只有mm/a量级(Stein et al., 2009)。 然而, 这些以低速率滑动的陆内断层也具备发生大地震的可能性, 如1920年海原M8.5地震, 其发震断层的滑动速率约5~10mm/a(Zhang et al., 1987)、 6mm/a(Cavalié et al., 2008)和3.2~5.4mm/a(乔鑫等, 2019)等, 尽管数值上存在区别, 但上述滑动速率均相对较低; 2008年汶川MW7.9地震(Xu et al., 2009; Tong et al., 2010)发震断层的滑动速率< 3mm/a(Zhang et al., 2004; Shen et al., 2005)等。 陆内大地震的复发间隔长, 且往往猝不及防, 地震的危险性和危害性通常比板块边界地震更大(Butler et al., 1979; Shen et al., 2009; England et al., 2011; Zhang et al., 2013), 如1556年1月23日陕西省渭河盆地发生的华县M8.0地震, 直接导致当地的建筑物倒塌并出现山体崩塌等灾害, 加之饥荒与疾病肆虐, 使其成为历史上破坏最为惨烈的地震之一(Wang, 1987; 原廷宏等, 2010)。

发生1556年华县大地震的渭河盆地位于鄂尔多斯地块南缘, 是由一系列正断层组成的大型盆地(图 1)。 研究表明, 渭河盆地边界的多数正断层至今仍在活动(国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; Zhang et al., 1998; 胡亚轩等, 2018), 华县地震震中就位于渭河盆地的东南部。 历史上渭河盆地内共发生过7次M6.0以上地震, 分别是780BC岐山M7.0地震、 7BC长安M6.0地震、 793年渭南M6.0地震、 1487年临潼M6.3地震、 1501年朝邑M7.0地震、 1556年华县M8.0地震和1568年西安北M6.8地震(王景明, 1983)。 1970年以来该区未发生过大地震, 以2~3级小地震为主, 但近年来4~5级地震逐渐增多(彭玉柱等, 2014)。 其中, 渭河盆地内发震时间距今最近的1568年西安北M6.8地震由渭河断裂(图 1)的活动所触发(韩恒悦等, 2002); 北秦岭断裂北缘(渭河盆地南部)以及渭河盆地内部的断裂曾多次引发6~8级地震(孟庆任, 2017), 且北秦岭断裂的大地震复发间隔约2~4ka(张安良等, 1992); 在渭河盆地北部, 活动性最强的断裂为口镇-关山断裂(李煜航等, 2016)(图 1)。 这一系列活动正断层成为该地区巨大的地震安全隐患, 直接威胁着渭河盆地多个大中型城市及数百个乡镇居民的生命和财产安全。

图 1 渭河盆地构造背景图及研究区剖面图
AA′剖面横跨口镇-关山断裂、 渭河断裂、 北秦岭断裂; 黑色方框表示用于构建渭河盆地速率图的InSAR数据覆盖区
Fig. 1 Tectonic setting of the Weihe Graben and elevation profile across the graben.

活动断层是在最近地质时期持续活动并且未来仍将活动的断裂(吴中海, 2019), 其滑动速率是评估地震危险性、 大地震复发间隔的重要参数(Yeats et al., 1997; McCalpin, 2009)。 在滑动速率定量分析领域, 可利用传统地质手段或大地观测技术对活动断层不同时间尺度上的活动强度和频度进行研究。 合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)是一种现代大地观测技术, 具有高精度、 全天时、 大范围测量等特点。 在研究断层现今的滑动速率方面, InSAR技术与通过地质手段获取长时间尺度下断层平均滑动速率的方法不同, 其通过数年时间跨度的数据估算断层的现今滑动速率。 目前, InSAR技术已被广泛应用于震间形变监测的研究中(Fialko, 2006; Jolivet et al., 2011; 屈春燕等, 2014; Hussain et al., 2016; Wang et al., 2019), 可获取断裂两侧几百km范围内的形变场, 且对断层滑动速率的测量精度能够达到mm级(Wright et al., 2001), 在跨断层的震间形变监测领域具有较大潜力。 当前, 针对渭河盆地内一系列正断层的InSAR观测及滑动速率的研究尚且不足。 本研究利用InSAR技术, 初步估计渭河盆地内口镇-关山断裂、 渭河断裂和北秦岭断裂等主要断层现今的滑动速率, 研究结果将有助于了解该地区正断层现今的活动特征。

1 渭河盆地的构造背景及主要断层滑动速率的研究现状

自中生代以来, 鄂尔多斯高原内部一直是一个稳定的块体(国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; Zhang et al., 1998), 与此相反, 高原边缘的构造活动自始新世以来一直很活跃(国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988)。 这一现象可能与喜马拉雅造山运动和青藏高原的隆升有关(Wesnousky et al., 1984; Zhang et al., 1998), 也有研究认为是由于青藏高原的重力塌陷效应或太平洋板块俯冲速率的变化所致(Northrup et al., 1995)。 鄂尔多斯周缘发育了东部的山西盆地、 北部的河套盆地和西部的银川盆地, 而渭河盆地位于其南缘(Tapponnier et al., 1977; Zhang et al., 2003)。 这一系列大型盆地内的地震活动较多, 自780BC以来发生过51次6级以上的地震事件(宋治平, 2011)。

渭河盆地属于拉伸型断陷盆地, 它西起宝鸡, 东至潼关, 南依秦岭, 北至北山, 是汾渭地震带的重要组成部分, 其内发育口镇-关山断裂、 渭河断裂、 北秦岭山前断裂、 岐山-马召断裂、 泾河断裂、 临潼-长安断裂、 渭南断裂、 华山北麓断裂带等一系列正断层(谢振乾, 2011)(图 1)。 20世纪90年代以来, 许多学者利用地质手段对渭河盆地内活动正断层的滑动速率进行了厘定, 但结果差别较大: 较早的野外地质观测结果及研究认为自全新世以来渭河盆地东部主要断裂的滑动速率为1~3mm/a(李祥根等, 1983; 国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; Deng et al., 2003)— 10.4mm/a(李祥根等, 1983); 通过地质手段获得的渭河北部口镇-关山断裂在上新世、 中更新世以及全新世以来的平均滑动速率分别为0.18mm/a、 0.53mm/a(徐煜坚等, 1988)和0.75mm/a(米丰收等, 1993); 最新研究结合野外地质观测以及14C测年等手段, 获取了渭河盆地东南缘的渭南塬前断裂和华山山前断裂在晚更新世— 全新世期间的滑动速率, 结果为2.1~5.7mm/a, 多数为2~3mm/a(Rao et al., 2014)。 以上地质手段注重获取长时间尺度的断层位移量和对应的地层年龄来计算平均滑动速率, 然而传统的野外地质观测无法测定10a甚至更短时间尺度下活动断层现今的滑动速率。 断层长时间尺度(10~100ka)与10a尺度的滑动速率是否存在差异是目前活动构造研究的热点问题之一。 Dolan等(2017)比较了地质与大地测量手段获取的North Anatolian断裂、 Denali断裂和昆仑断裂的运动速率, 发现大地测量方法获取的North Anatolian断裂和Denali断裂的滑动速率仅为地质方法测得的全新世以来的滑动速率的一半, 而对于昆仑断裂而言2种方法获得的滑动速率一致。 这种差异可能反映了岩石圈强度和块体相对运动的时间演化过程。 本研究也希望将获取的渭河盆地内部断层现今的运动速率与长时间尺度下的构造活动情况进行对比, 以判断是否具有显著差异。

2 渭河盆地InSAR数据处理

本文搜集了欧洲航天局Envisat卫星161号降轨的32幅影像数据, 时间跨度近7a, 自2003年11月1日— 2010年9月25日, 影像数据范围如图 1 中的黑色长方形框所示, 长约500km, 宽约100km, 自北向南覆盖了渭河盆地北边的口镇-关山断裂、 中部的渭河断裂和南缘的北秦岭断裂3条主要断裂及周边区域。 图 2 为161号降轨基线图, 图中每个红点代表1幅影像数据。 使用加州理工学院(Caltech)喷气推进实验室(JPL)开发的ROI_PAC软件对Envisat ASAR数据进行处理, 并加入Delft地球空间研究所(DEOS)提供的精密轨道数据, 用90m分辨率的SRTMDEM移除地形相位。 为降低失相干效应, 对SAR影像进行多视处理, 距离向视数取64, 得到的干涉图分辨率约1 280m。 在进行相位解缠之前, 为进一步增大信噪比, 使用加权频谱滤波器进行滤波处理。 采用枝切法进行相位解缠, 通过预先设置的枝切线, 选择不同积分路径避开干涉图中的噪声点或不连续点, 以满足相位梯度闭合路径积分为零的条件。 通过围绕闭合环求和检查相位解缠误差(Biggs et al., 2007), 以提高结果的准确性, 所有主要的相位解缠误差都通过人工识别并改正。

图 2 研究区161号降轨基线图
覆盖范围见图 1中的黑色长方形框; 红点代表InSAR数据集; 紫色线表示显示出良好相干性的干涉图, 用于构建断层滑动速率图
Fig. 2 Baseline plot for track 161 that covers the study area.

通过以上处理, 可从空间基线长度≤ 300m的98幅干涉图中挑选出质量较好的33幅, 即图 2 紫色线所示的具有良好相干性的干涉图, 用于后续构建断层滑动速率图。 北秦岭断裂南侧由于地形起伏大、 植被覆盖率高, 导致干涉图的相干性在跨断层处较低。 图 3 展示了4幅质量较好的干涉图, 颜色条纹指示相位差值的大小, 条纹以平面轨道误差为主。

图 3 渭河盆地AA′剖面的干涉条纹图
白色方框内的数字代表组成干涉图的2个影像的日期; 黑色实线为渭河盆地内的断裂; 颜色柱指示弧度值; 研究区内无干涉值区域为相干性差的孤岛区
Fig. 3 Interferograms of the Weihe Graben.

本研究使用π -RATE(Poly-Interferogram Rate and Time-series Estimator)(Biggs et al., 2007; Wang et al., 2009)软件包对挑选的33幅干涉图进行处理, 构建断层滑动速率图, 具体流程见图 4。

图 4 π -RATE数据处理流程图Fig. 4 Flowchart for data processing using π -RATE.

使用π -RATE对相干性较好的干涉图创建最小生成树(MST)网络, 其中包含没有闭合环的干涉图。 与单独处理独立干涉图的方法相比, MST网络方法对轨道误差的估计精度可提高9%(Biggs et al., 2007)。 在校正与地形相关的大气误差之前, 先去除每幅干涉图的轨道误差。 轨道误差的经验模型为平面模型或二次多项式模型, 二次多项式轨道采用以下形式:

φij, korb=(aj-ai)xk2+(bj-bi)yk2+(cj-ci)xkyk+(dj-di)xk+(ej-ei)yk+fij(1)

其中, φij, korb为轨道平面相位值, xkyk分别为像素kxy轴坐标, bicidiei分别为xy轴在历元i的轨道系数, fij为干涉图ij的常数。

与地形相关的大气误差使用式(2)进行校正(Elliott et al., 2008; Zhou et al., 2015):

φij, katm=(aj-ai)hk+cij(2)

其中, φij, katm为干涉图ij降采样后在像素k处与地形相关的大气误差相位, hk为像素k处的高程, cij为常量, ajai为可通过最小二乘法求解的相位梯度值。 经过轨道误差改正和大气误差校正后, 采用简单的堆栈处理即可求得该时间段内每个像素的平均滑动速率。

3 渭河盆地中部主要断裂滑动速率分析

在滑动速率图(图5a)中选取近垂直于渭河盆地的AA′剖面, 分析盆地内断层的滑动速率。 图5a中的红色实线代表断层, 黑色实线代表AA′剖面线, 剖面线中部横跨了渭河盆地内3条主要断裂: 口镇-关山断裂、 渭河断裂和北秦岭断裂。 颜色柱代表卫星视线向(LOS)的滑动速率, 负值表示朝向卫星方向运动, 正值表示远离卫星方向运动。 将速率场的数值投影到剖面线上可得到图5b, 图中的蓝色点标出了每个像素的值, 黑色实线为平均值。

图 5 渭河盆地中部断层滑动速率图
a 断层滑动速率图, 黑色方框中的红色区域代表西安市因地下水开采引起的地面沉降信号(Qu et al., 2014); b AA′剖面在雷达视线方向(LOS)的断层滑动速率, 3条红色实线分别对应口镇-关山断裂、 渭河断裂和北秦岭断裂, 绿色实线为距离渭河断裂两侧约10km的速率值, 用于计算该断层现今的滑动速率
Fig. 5 Rate map of the faults in the central part of the Weihe Graben.

结果显示, 研究区内3条断裂的滑动速率均较低, 不超过2mm/a, 从剖面线上看不出跨北部的口镇-关山断裂有明显的形变信号。 跨渭河断裂约有1mm/a的卫星视线向形变, 断裂北部相对于南部为负, 即朝向卫星的方向运动, 若不考虑走滑分量, 则表示北部抬升, 与断层S倾的观点(Lin et al., 2015)吻合。 该结果在数值上与前人提出的渭河盆地主要活动断裂的历史滑动速率(1~3mm/a(李祥根等, 1983; 国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; Deng et al., 2003), 0.75mm/a(米丰收等, 1993), 2~3mm/a(Rao et al., 2014))接近。 鄂尔多斯块体被认为是刚性块体(Guo et al., 2017; 冯红武等, 2019), 因此可以利用覆盖鄂尔多斯块体内部的数据来评估InSAR速率图的质量。 取口镇-关山断裂以北100km的数据(图5b), 得到该区域的滑动速率约(-0.1± 1)mm/a, 即InSAR时序分析的估算误差为(-0.1± 1)mm/a。 尽管我们得到的结果精度较高, 但Envisat ASAR数据在北秦岭断裂南部失相干严重, 无法得到较好的结果。

通过地质手段获取的断层滑动年龄的时间跨度远大于InSAR所能获取的数据, 但本研究的结果与前人在该区域得到的断层滑动速率几乎一致。 由此可知, 自第四纪以来渭河盆地主要活动断裂的滑动速率稳定, 区域构造环境可能没有发生剧烈的变化。 尽管如此, 渭河盆地一系列正断层的持续活动仍值得密切关注。

Envisat卫星自2002年3月发射升空以来, 以35d的重访周期获取数据, 到2012年4月停止运行, 其间提供了丰富的中低分辨率SAR数据。 欧洲空间局于2014年和2016年发射的Sentinel-1A和Sentinel-1B卫星采取严格的轨道控制技术, Sentinel-1卫星的重访周期为12d, 比Envisat卫星更具优势。 相比之下, Sentinel-1所得数据更适于对类似北秦岭断裂这种地形起伏较大且植被覆盖率较高的区域开展相关研究工作。 鉴于Envisat ASAR数据无法得到很好的结果, 未来我们将利用Sentinel-1A/B卫星的数据对渭河盆地的断层活动开展进一步分析, 以更好地进行形变监测及地质灾害预测。

除此之外, 在图5a的黑色框处可见西安市有明显的形变信号。 该信号形如碗状, 其中心滑动速率值比周围的数值大, 相对运动方向为远离卫星方向, 即地表沉降形变信号。 由图 5 可知, 在2003— 2010年期间, 西安市主要沉降区域的地表沉降速率最大可达约10mm/a。 Qu等(2014)利用多波段InSAR时间序列技术, 结合水准测量以及GPS观测约束手段对西安市的地表沉降现象进行了详细研究, 认为西安市的地表沉降现象主要是由近年来的地下水开采引起的。

4 结论

本文利用InSAR技术获取了渭河盆地中部的口镇-关山断裂、 渭河断裂和北秦岭断裂现今的滑动速率结果, 主要结论如下:

渭河盆地中部3条主要断裂的滑动速率均较低, 不超过2mm/a。 其中, 几乎看不出跨北部的口镇-关山断裂有明显的形变信号; 跨渭河断裂的卫星视线向形变约1mm/a。 以上形变信号表明, 第四纪以来渭河盆地内部主要断裂的滑动速率稳定, 没有发生剧烈的区域构造活动。 该研究结果与本文中获取的西安市整体较大的地表沉降速率(约10mm/a)的成因有明显区别, 地下水的过度开采是引起西安市地表整体快速沉降的主要原因(Qu et al., 2014)。

对渭河盆地的活动断裂进行长期的形变监测及断层的滑动速率研究, 能够为该地区地震危险性评价和地震中长期预测提供基础性的参考资料, 也可为其它类似地区的断裂现今滑动速率和断裂活动性研究提供很好的研究思路和技术方法。

致谢 审稿专家对本文提出了宝贵意见和建议; 本文的Envisat ASAR数据由欧洲空间局(European Space Agency)提供; 精密轨道数据由Delft地球空间研究所(DEOS)提供; ROI_PAC软件由加州理工学院(Caltech)喷气推进实验室(JPL)提供。 在此一并表示感谢!

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