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洪顺英, 申旭辉, 单新建, 刘智荣, 戴娅琼, 荆凤. 基于升降轨ASAR的于田Ms 7.3级地震同震形变场信息提取与分析[J]. 国土资源遥感, 2010,22(4): 98-102
HONG Shun-ying, SHEN Xu-hui, SHAN Xin-jian, LIU Zhi-rong, DAI Ya-qiong, JING Feng. The Calculation and Analysis of the Co-seismic Deformation Field of Yutian Ms 7.3 Earthquake Basing on the Ascending and Descending Orbit ASAR Data[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2010,22(4): 98-102  
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基于升降轨ASAR的于田Ms 7.3级地震同震形变场信息提取与分析
洪顺英1,2, 申旭辉2, 单新建1, 刘智荣3, 戴娅琼2, 荆凤2
1.中国地震局地质研究所,北京 100029
2.中国地震局地震预测研究所,北京 100036
3.防灾科技学院,北京 101601

第一作者简介: 洪顺英(1979-),男,博士研究生,助理研究员,主要从事InSAR技术地震应用、遥感地质与GIS等方面的科研工作。

收稿日期: 2009-12-04
基金: 国家科技支撑计划课题(编号: 2008BAC35B04)、中国地震局地震预测研究所基本科研业务经费(编号: 02092443,02092403)及中国地震局地震科学联合基金(编号: C07007)联合资助
摘要

升降轨干涉测量可以更好地反映地震同震形变场特征。利用欧空局ASAR数据通过二轨法差分干涉测量提取了新疆于田县Ms 7.3级地震升降轨同震形变场信息。结果显示: 升轨同震形变场最大视线向(LOS)隆升形变量约+13.3 cm,沉降形变量约-83.9 cm; 降轨同震形变场最大LOS向隆升形变量约+36.5 cm,沉降形变量约-66.5 cm。于田地震以NNE向正断层破裂为主,并伴随左旋走滑运动,西北盘为正断层破裂的上盘(沉降盘),东南盘为正断层破裂的下盘(隆升盘)。升降轨同震形变场存在一定差异,但其变化趋势与特征非常相似,其差异主要是由于两种不同观测模式所造成的。

关键词: 于田地震; 升降轨; D-InSAR; 同震形变场; 视线向
中图分类号:TP75 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)04-0098-05
The Calculation and Analysis of the Co-seismic Deformation Field of Yutian Ms 7.3 Earthquake Basing on the Ascending and Descending Orbit ASAR Data
HONG Shun-ying1,2, SHEN Xu-hui2, SHAN Xin-jian1, LIU Zhi-rong3, DAI Ya-qiong2, JING Feng2
1.Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2.Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
3.Institute of Disaster Prevention Science and Technology, Beijing 101601, China
Abstract

The Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (D-InSAR) based on the ascending and descending orbit data can better reveal the feature of coseismic deformation fields. With the ASAR data from European Space Agency (ESA) and two-pass D-InSAR measurement, this paper obtained both ascending orbit and descending orbit coseismic deformation fields of Yutian Ms7.3 Earthquake. The results show that the max LOS uplifting value is about +13.3 cm and the subsiding value is about -82.0 cm in the ascending-orbit coseismic deformation field, and the max LOS uplifting value is about +36.5 cm and the subsiding value is about -66.5 cm in the descending-orbit coseismic deformation field. The Yutian Earthquake is mainly rupturing along the NNE-trending normal fault with a little left-striking, the northwest plate is the hanging-wall (subsiding) of the normal fault, and the southeast plate is the footwall (uplifting) of the normal fault. The coseismic deformation fields of ascending and descending orbits are different from each other in some aspects, but their variable tendencies and characteristics are similar, and the difference is mainly due to the two different observation modes.

Keyword: Yutian Earthquake; Ascending and Descending Orbit; D-InSAR; Coseismic deformation field; LOS
0 引言

据中国地震台网(CENC)测定, 2008年3月20日在新疆维吾尔自治区和田地区于田县发生Ms 7.3级地震(震中35.64° N, 81.54° E)。这是继2001年11月青海与新疆交界昆仑山口西8.1级地震后, 中国大陆发生的最大一次地震, 打破了中国大陆7级以上地震平静6 a多的现象。

SAR干涉测量技术具有全天候、全天时、观测范围大、穿透性好、动态性强以及不受区域限制等优势。其观测结果与离散点测量技术相比, 具有空间连续覆盖的优势, 可有效弥补常规地面形变测量手段的不足。基于D-InSAR技术的优势, 国内外学者相继开展了一系列地震同震、震后及震前形变场特征及孕震构造机理研究[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。于田地震区地质环境恶劣, 缺少GPS测量和水准测量资料。虽然震后进行了临时考察与观测, 但受地域局限性与图像空间分辨率的制约, 无法获取覆盖整个地震形变区的高分辨率的地壳形变信息。因此, 本文利用欧空局升降轨的ASAR雷达数据进行差分干涉处理, 获取于田地震同震形变场信息, 并对同震形变特征进行分析, 为进一步的于田地震发震构造模型与孕震机理研究奠定基础。

1 地质背景

新疆阿尔金地区是目前我国地震台网监控能力最弱的地区之一, 而于田地震恰好发生在西昆仑断裂带和阿尔金山断裂带的交汇部位。据CENC测定, 震中位于阿什库勒盆地南缘, 恰好处于NE向左旋走滑的阿尔金断裂与NW向右旋走滑的康西瓦断裂的过渡带(图1), 地震构造较复杂。阿尔金断裂西南端有3条分支[10], 呈向西撒开的“ 帚状” 构造: 北面一支分布在硝尔库勒盆地; 中间一支分布在阿什库勒盆地, 是这次地震主要的发震断裂; 南面一支一直延伸到郭扎错盆地, 限制了余震的分布范围。美国国家地震信息中心(NEIC)提供的震源机制解释为, 于田地震破裂是以拉张为主略带走滑的正破裂, 是阿尔金深断裂左旋扭错的结果[11]。

图1 于田地震区地震构造Fig.1 Seismotectonic diagram of the Yutian earthquake region

于田地震主震之后又发生了若干次5级以上强余震, 根据雷达数据的覆盖范围与成像时间进行查询, 位于研究区之内的 5级以上强余震如表1所示。

表1 于田地震主震及强余震(据NEIC) Tab.1 Yutian earthquake mainshock and strong aftershock(by NEIC)
2 同震形变场信息提取
2.1 雷达数据选择

选择ENVISAT ASAR Image IS2的0级数据产品, 中心入射角约23° , 用到的4景升轨与降轨数据如表2所示, 数据覆盖范围如图1所示。轨道数据采用Delft大学的精密轨道数据(2008年以前)与DORIS轨道数据(2008年以后)。外部DEM采用SRTM 3″, 其中的数据漏洞利用GTOPO 30数据填补。

表2 ASAR IS2 L0级数据 Tab.2 ASAR IS2 L0 data
2.2 D-InSAR数据处理与信息提取

利用二轨法D-InSAR进行数据处理与信息提取。从表2可知, 升轨形变像对的垂直基线距为28 m, 降轨形变像对的垂直基线距为126 m, 相对应的升降轨高度模糊数分别为331 m与74 m。根据Rodriguez[12]对SRTM的精度分析, SRTM DEM的平均垂直精度绝对误差约为16 m。因此, 若以此误差来分析, 在忽略DEM与SAR图像配准误差(升轨误差: 距离向0.172像元, 方位向0.133像元; 降轨误差: 距离向0.190像元, 方位向 0.127像元)条件下, 外部DEM误差对升降轨干涉处理影响分别约为16/331个条纹(约1.3 mm)与 16/74个条纹(约6.0 mm), 本文均忽略不计。

二轨法首先利用外部DEM, 基于形变干涉像对(Defo pair)的几何与坐标系统模拟生成一个合成的地形干涉像对(Topo pair), 然后从形变干涉像对中减去地形相位信息, 得到形变相位信息[13]。主要的差分干涉处理过程如下:

(1)单视复数图像生成。由于获取的是0级数据产品, 需要将其转换成SLC图像方可进行干涉处理, 转换时利用Delft大学精密轨道与DORIS精密轨道对雷达图像本身自带的轨道进行修正。

(2)模拟地形相位生成。利用外部DEM数据, 基于主图像的几何坐标系统与成像特征, 生成模拟的SAR图像, 再通过模拟SAR图像配准到真实SAR图像, 建立精确的对照表, 最后生成与主图像精确配准的模拟地形相位信息(ϕ tpop)。

(3)形变像对干涉处理。选定主从图像, 先进行图像的精确匹配(误差小于0.125像元), 再进行干涉处理生成缠绕的干涉相位信息。

(4)去平地效应。基于精密轨道对缠绕的干涉相位进行去平地效应, 得到去除平地效应影响的干涉相位(ϕ flat)。

(5)形变相位信息生成。利用ϕ flat-ϕ topo, 在忽略大气延迟、DEM误差与噪声误差的影响下便得到反映地表形变的干涉相位(ϕ defo)。

(6)形变相位解缠。为了尽量得到震中区附近的形变信息, 采用三角格网最小费用流法(Minimum Cost Flow)对ϕ defo进行相位解缠。解缠时先生成相干性掩模, 对低相干区域(相干性< 0.2)进行掩模处理, 对其他区域进行相位解缠, 以提高解缠速度与精度。

(7)视线向形变量转换。将解缠后的形变相位进行相位到形变量的转换, 生成雷达卫星与地球表面之间视线向方向的距离变化信息。

(8)地理编码。将视线向形变量由雷达坐标系统向地理坐标系统转换, 并将成果导出以便分析。

通过处理获取的升降轨于田地震同震形变场如图2、3所示。

图2 于田地震LOS向同震形变场(解缠)
(1个条纹代表2.8 cm的LOS向形变量; 红色虚线为推测的NNE向正断层地震破裂带; 西北沉降盘与东南隆升盘分别为正断层破裂的上盘与下盘; 黑色虚线框为图3范围)Fig.2 The LOS coseismic deformation field of Yutian Earthquake(unwrapped)

图3 于田地震LOS向同震形变场(解缠)
(蓝色代表LOS向沉降形变区, 红色代表LOS向隆升形变区; L1、L2、L3为形变剖面线, 结果如图4所示; 红色虚线为推测的NNE向正断层地震破裂带, 西北沉降盘为正断层破裂上盘, 东南隆升盘为正断层破裂下盘; 红点为根据NEIC公布的5级以上于田地震主余震(表1))Fig.3 The LOS coseismic deformation field of Yutian earthquake(unwrapped)

3 同震形变场分析
3.1 形变场基本特征

于田地震是目前少数几个可以同时获取其升降轨同震形变场的震例。研究升降轨同震形变场可以更有效地认识地震形变特征, 从而为进一步的地震机理模拟研究提供更多的约束条件。

降轨同震形变场(图2a、3a)具有明显的沉降形变中心与隆升形变中心, 并且以NNE向地震破裂带为分界线, 西北侧为视线向沉降形变区, 东南侧为视线向隆升形变区; 从形变值统计来分析, 最大沉降形变值为-66.5 cm, 最大隆升形变值为+36.5 cm, 沉降形变量远大于隆升形变量。

升轨同震形变场(图2b、3b)沉降形变区非常明显, 最大沉降形变值为-83.9 cm, 最大隆升形变值为+13.3 cm, 沉降形变量远大于隆升形变量。

因此, 升降轨同震形变场均以沉降形变为主, 而沉降形变是正断层破裂造成的形变特点, 反映了于田地震具有正断层破裂特征。同时, 结合降轨观测得到的视线向沉降形变区与视线向隆升形变区的位置关系(图2a、3a), 可以初步推测NNE向地震破裂带(可能未出露地表)主要是一条正断层, 并且其倾向西北, 破裂带西北盘为正断层的上盘(沉降盘), 破裂带东南盘为正断层的下盘(隆升盘)。

按正断层破裂模式, 同震形变场的沉降形变区应位于地震破裂带的西北盘, 而隆升形变区应位于相对称的地震破裂带的东南盘区域。卫星观测到的降轨同震形变场(图2a、3a)符合这一特征, 即西北盘(上盘)表现为视线向沉降, 东南盘(下盘)表现为视线向隆升, 而且主动盘的形变量远大于被动盘。但是, 纯粹的正断层破裂模式无法解释升轨观测结果(图2b、3b)。按纯粹的正断层破裂模式, 西北盘(上盘)的观测结果应为视线向沉降, 东北盘(下盘)应为视线向隆升。但是, 实际的升轨观测结果表明东南盘(下盘)的观测结果为视线向沉降(图2b、3b)。

因此, 本研究推测于田地震除以正断层破裂为主以外, 还伴随着左旋走滑运动。降轨观测时由于卫星轨道为NNE向(图2a, 基本与NNE向正断层破裂带平行), 因此沿NNE向正断层可能存在的走滑运动在降轨观测模式下无法得到反映, 降轨观测主要反映的是NNE向正断层的垂直运动, 所以其得到的同震形变场非常符合正断层破裂模式(图2a、3a)。升轨观测时卫星轨道为NNW向, 与NNE向正断层破裂带呈斜交状态, 沿NNE向正断层可能存在的走滑运动可以得到比较好的反映。此时, 东南盘(下盘)的隆升形变使视线向距离缩短, 然而左旋运动却使东南盘视线向距离增加, 并且左旋运动造成视线向距离增加量超过其隆升形变造成的视线向距离缩短量, 因而东南盘升轨观测时表现为视线向沉降(图2b、3b)。

3.2 形变剖面线分析

为了进一步揭示于田地震升降轨同震形变场的特征, 沿西北盘、东南盘与横穿NNE向正断层地震破裂带(可能未出露地表)分别做3条形变剖面线(剖面线位置见图3), 结果如图4所示。

图4 形变剖面线Fig.4 The deformation section

由图4a分析可知, 升降轨观测的西北盘均表现为视线向沉降形变特征, 且沉降形变曲线变化趋势基本相同, 均存在两个沉降形变中心, 北沉降中心的沉降范围与沉降形变量均远大于南沉降中心的。根据美国NEIC公布的于田地震主余震震中位置(图3), 2008年3月20日(UTC)Mw 7.2级主震恰好位于北沉降中心, 而2008年3月21日(UTC)的Mw 5.2级余震恰好位于南沉降中心。因此, 北沉降中心的形成是受Mw 7.2级主震的影响, 而南沉降中心可能是受Mw 5.2级余震影响, 主震引起的沉降形变量与沉降区范围远大于余震的。

由图4b分析可知, 升降轨观测的东南盘大部分区域具有相反的视线向形变特征: 降轨时呈“ 弓” 形隆升, 具有明显的隆升形变中心, 南北两端隆升形变量较小, 中部隆升形变量增大; 升轨时东南盘大部分区域呈视线向沉降形变特征, 特别是北部视线向沉降形变明显, 越往南视线向沉降形变逐渐减小, 具有视线向倾斜形变的特点。东南盘升降轨观测到的不同视线向形变特征, 说明NNE向正断层地震破裂应该还伴随着左旋走滑运动。

由图4c分析可知, 升降轨同震形变场西北盘与东南盘均具有比较明显的形变分界线, 西北盘均呈负值形变量, 表现为LOS向沉降形变, 且形变曲线形态非常相似均呈“ U” 字形; 东南盘虽然升降轨观测到的LOS形变值存在很大差异(降轨为正值, 升轨为负值), 但其形变曲线形态非常相似, 均呈“ 弓” 形。而且, 从整个剖面线形态来分析, 虽然升降轨观测得到的LOS向形变值存在一定的差异(甚至相反), 但是整个形变剖面线的形态与变化趋势非常相似。升轨观测时虽然东南盘为负值LOS向形变, 但相对于其西北盘来说, 总体趋势还是隆升的, 与降轨观测反映的结果是吻合的, 都是对同一个地震形变场的如实反映, 只不过是由于采用了两种不同的观测模式, 产生了不同的视线向形变量观测结果而已。

4 结论

(1)升降轨观测到的视线向沉降形变量均远大于隆升形变量, 反应了于田地震破裂主要以正断层破裂方式为主。以NNE向分界线为界, 整个形变场可分为西北沉降盘(上盘)与东南隆升盘(下盘)。

(2)西北盘升降轨观测均表现为视线向沉降形变特征; 东南盘降轨观测时表现为视线向隆升形变特征, 而升轨观测时表现为视线向沉降形变特征, 揭示了于田地震破裂除以正断裂破裂方式为主外, 还伴随左旋走滑运动。

(3)造成升降轨同震形变场视线向形变量差异的原因是升降轨两种不同的观测模式。

(4)升降轨观测获取的同震形变场形变量值存在差异, 但是其形变分布与变化趋势特征相似, 两者的观测结果并不矛盾, 均是可靠的。

升降轨同震干涉形变场的获取极大地弥补了形变资料不足的现状, 加深了对于田地震同震变形特征、震源机制等问题的认识, 并为进一步的地震破裂模拟研究提供更好的约束条件。

致谢: 本文中所利用的ASAR数据由欧空局(ESA)提供(项目编号C1P.5623)。

The authors have declared that no competing interests exist.

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