基于PS-InSAR的怀来地震台钻孔体应变异常机理研究

doi:10.6046/zrzyyg.2022171

基于PS-InSAR的怀来地震台钻孔体应变异常机理研究

高晨^,¹^,², 马栋¹^,², 屈曼¹^,², 钱建国^,³, 尹海权⁴, 侯晓真¹^,²

1.河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站,邢台 054000

2.河北省地震局,石家庄 050021

3.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院,阜新 123000

4.中国地震局第一监测中心,天津 300180

Exploring the anomaly mechanism of borehole strain at the Huailai seismic station based on PS-InSAR

GAO Chen^,¹^,², MA Dong¹^,², QU Man¹^,², QIAN Jianguo^,³, YIN Haiquan⁴, HOU Xiaozhen¹^,²

1. Hebei Hongshan National Observatory on Thick Sediments and Seismic Hazards, Xingtai 054000, China

2. Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China

3. School of Geomatics, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

4. The First Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China

通讯作者: 钱建国(1976-),男,博士研究生,副教授,主要从事大地测量学与测量数据误差理论研究。Email:fyglngd@163.com。

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2022-04-28 修回日期: 2022-12-22

基金资助:

中国地震局震情跟踪定向工作任务“基于InSAR的张家口伸缩仪NS向构造异常特征分析”(2022010210)
河北地震科技星火计划项目“基于GPS和InSAR的阳原盆地主要断裂活动特性研究”(DZ202108100002)
“GPS和PS-InSAR联网监测张家口—渤海断裂带西段断层活动性研究”(DZ20190424079)

Received: 2022-04-28 Revised: 2022-12-22

作者简介 About authors

高晨(1989-),男,硕士研究生,工程师,主要从事InSAR形变监测与地球动力学研究。Email: gaoch_simlab@163.com。

摘要

钻孔体应变仪是地震前兆观测与研究的主要仪器,该仪器优点是基于点的观测、观测精度高和直接观测浅层地壳应力应变信息; 缺点是难以获得空间连续形变信息和易受抽水等场地环境等因素干扰。PS-InSAR方法结果为空间连续形变场和时序形变量,累计形变量与地下水位变化具有一致性。为弥补钻孔体应变监测地表形变缺陷和准确分析其观测数据中的异常信息,以怀来地震台为例,基于Sentinel-1影像,使用PS-InSAR方法对研究区地表进行沉降分析并研究2020—2021年钻孔体应变观测数据拉张异常机理。结果表明: 怀来地震台附近区域的形变中心位于义合堡村东侧抽水井处; 区域沉降发生时间和钻孔体应变观测异常时间与义合堡村用于供热的抽水井供暖期抽水时间相同; 怀来地震台钻孔体应变观测数据拉张异常机理与附近用于供热的抽水井抽水引起的地表变化机制相一致。因此,怀来地震台钻孔体应变拉张异常变化是由义合堡村用于供热的抽水井抽水引起,同时诠释了在受地下水抽水较为明显地区内,PS-InSAR在地震前兆观测仪器观测异常机理研究的应用示范作用。

关键词： PS-InSAR; 钻孔体应变; 异常; 地面沉降; 抽水

Abstract

As a principal instrument for observing and researching earthquake precursors, a borehole strain meter allows for point-based observation, high-accuracy observation, and the direct observation of shallow crustal stress-strain information. However, it fails to obtain information on spatial continuous deformation and is susceptible to interference by site environments such as pumping. The persistent scatterer interferometric synthetic aperture Radar (PS-InSAR) method can derive spatial continuous deformation fields and time-series deformation, with the cumulative deformation consistent with groundwater level changes. Using the PS-InSAR method, this study analyzed the land subsidence near the Huailai seismic station based on Sentinel-1 images, aiming to counteract surface deformation in the monitoring of borehole strain and to accurately analyze the anomalous information in the observational data. This study also investigated the mechanism of extension anomalies in the 2020—2021 observational data of the borehole strain. The results are as follows: The deformation center in the area near the Huailai seismic station was situated at the pumping well east of Yihebu Village. The time of the regional subsidence and that of the observed borehole strain anomalies were consistent with the pumping time of the pumping wells for heating in Yihebu Village. The extension anomalies in the borehole strain observational data of the Huailai seismic station shared consistent mechanisms with the surface changes caused by the pumping of the nearby pumping wells for heating. Therefore, the extension anomalies of borehole strain at the Huailai seismic station resulted from pumping the pumping wells for heating in Yihebu Village. This study shows that, in areas significantly affected by groundwater pumping, PS-InSAR plays a role of application demonstration in research on the anomaly mechanism through observation using observation instruments for earthquake precursors.

Keywords： PS-InSAR; borehole strain; anomaly; land subsidence; pumping

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本文引用格式

高晨, 马栋, 屈曼, 钱建国, 尹海权, 侯晓真. 基于PS-InSAR的怀来地震台钻孔体应变异常机理研究[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 153-159 doi:10.6046/zrzyyg.2022171

GAO Chen, MA Dong, QU Man, QIAN Jianguo, YIN Haiquan, HOU Xiaozhen. Exploring the anomaly mechanism of borehole strain at the Huailai seismic station based on PS-InSAR[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2023, 35(3): 153-159 doi:10.6046/zrzyyg.2022171

0 引言

钻孔体应变仪作为地震前兆观测和研究的主要仪器,基于点观测能够连续监测地壳形变并记录到丰富的小空间尺度上的浅层地壳应力应变信息,对于认识和研究地震孕育过程中的动力学过程具有重要意义^[1-2]。钻孔体应变观测仪器探头通常被安装在钻孔下数十米的基岩(或土层)中,因此能够显著降低地面人类活动及降雨等非构造因素的影响,有助于获取高质量的观测结果^[3-4]。由于钻孔体应变观测分辨率可达到10^-9~10^-11,地面荷载(河流、水库和人工建筑物等)变化、气象因素(气压、降雨和温度)的变化和地下水位等可以对其产生明显干扰,因此钻孔体应变仪的观测数据既包含来自震源的前兆信息,也同时包括干扰信息^[5-6]。所以,深入研究体应变观测异常变化机理是准确识别观测数据中地震前兆异常信号并做出准确地震预报的重要基础。

由于体应变是基于点的观测,测点分布稀疏,对于大范围地表形变监测往往难以获得空间连续形变场; 同时部分研究区内地质构造复杂,环境干扰因素较多,异常原因调查较为困难。合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术是近些年来发展起来的一种新型大地测量手段,与传统的监测技术相比,具有全天候、全天时、覆盖广、空间分辨率高和测量精度高等优势,能够获得空间连续的地表形变场^[7-8]。永久散射体干涉测量技术(permanent scatterer-InSAR,PS-InSAR)是在InSAR技术基础上继续发展和创新的结果,该技术通过选取那些自身散射特性较强并且相位信息较为稳定的地面目标点作为地表形变信息的表征,利用长时间序列影像从稳定的PS点上获得高空间分辨率、毫米级的地表连续形变场,被广泛用于高精度的地表形变监测和地下水开采监测^[6,9-10]。

因此,为了弥补体应变观测缺陷和诠释PS-InSAR方法在体应变仪器观测异常机理研究的应用示范作用。由于怀来地震台(以下简称怀来台)位于晋冀蒙交界年度地震危险区,同时台站所在区域地震活动水平较高; 同时台站周围存在较为明显的人为干扰,因此本文以怀来台为例,基于Sentinel-1A影像使用PS-InSAR技术揭示怀来台及其周边区域的地表形变,确定形变空间范围和形变原因,进而对怀来台体应变观测异常机理进行深入分析,对于此后该台再次出现类似观测异常进行准确识别,以及对于环首都圈和晋冀蒙交界地区的地震危险性判断具有一定参考意义。

1 研究区概况与数据源

1.1 怀来台及研究区概况

怀来台地处山西断陷系北部晋冀蒙盆岭构造区最东端与张家口—渤海断裂带交汇部位的怀涿盆地^[11]。怀涿盆地沿北东向展布,构造应力场以NNW-SSE向的拉张为主要特征^[11]; 在区域构造应力的作用下,盆地新构造运动强烈,地质结构复杂,活动断层发育,主要发育着北东向、北西向和近东西向3 组活动断裂,包括延矾盆地北缘断裂、怀涿盆地北缘断裂、黄土窑—土木断裂和桑干河断裂^[12](图1(a))。该盆地地震活动水平较高,最近发生的地震为2002年8月3日怀来M_L4.4级地震(图1(a))。怀来台位于河北省怀来县义合堡村南的太山西麓,周围岩性为太古宇桑干群混合岩化花岗片麻岩,体应变探头深埋于怀来台地面以下83 m处,2022年1月1日标定重复精度为2.836%(标准为<±3%),仪器运行正常。怀来台周围视野开阔,为村庄和农田,无大型工矿企业,观测条件良好。怀来台附近主要的人为干扰源包括: 第一,农田机井抽水灌溉,灌溉时间主要集中于每年4月、7—8月; 第二,怀来台西北方向距离约0.7 km和1.1 km的5口供热抽水井,义合堡村2017年11月1日正式投入使用集中式供热系统,该系统利用当地地热能,在供暖期(每年11月1日—次年3月31日)不断通过从位于义合堡村西侧1口和村东侧4口深度约150~160 m的抽水井中抽取地下温水进入供热循环系统(图1(b))。

图1

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图1 怀来台附近构造背景和供热抽水井分布

Fig.1 Structural background and distribution of heat pumping wells near Huailai seismic station

怀来台体应变观测数据长时间序列曲线结果显示,2017—2020年10月,每年11月1日—次年3月31日期间,观测数据曲线变化基本一致,总体形态均呈现上升(挤压)形态(图2)。但是在2020年11月—2021年3月和2021年11月—2022年3月2个时段,观测曲线形态与以往历年同期相比出现趋势转折,呈下降(拉张)异常变化(图2),反映出该区域出现局部区域应力场变化,河北省地震局对怀来台体应变观测异常进行核实分析,排除了异常时段内观测系统、气象因素、农用灌溉井抽水和建筑荷载等因素对仪器观测异常的影响,分析可能与位于怀来台西北方向用于供热的抽水井在冬季供暖期抽地下水有关,或者是区域构造应变异常所引起。

图2

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图2 怀来台体应变观测日均值曲线

Fig.2 Observation curve of daily average value of borehole strain in Huailai seismic station

1.2 数据源

本文使用欧洲航天局提供的24景Sentinel-1 C波段SAR影像,时间跨度从2020年1月—2021年12月,成像模式为干涉宽幅模式(IW),影像覆盖范围如图3所示。数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据采用美国航空航天局提供的空间分辨率为30 m×30 m的SRTM DEM数据。

图3

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图3 Sentinel-1A影像覆盖范围

Fig.3 Sentinel-1A image coverage

2 研究方法与数据处理

2.1 PS-InSAR方法

PS-InSAR方法的基本原理是利用覆盖同一地区的多景SAR影像进行差分干涉处理,形成时间序列干涉影像对,提取出不受时空基线失相关和大气延迟影响的永久散射体点(PS点),通过分离并解算出这些PS点上的地形相位来提取研究区地面形变信息。

经过差分干涉处理后,每个PS点干涉相位的组分为:

(1)

φ_{I n S A R} = φ_{d e f} + φ_{t o p o} + φ_{a t m} + φ_{o r b i t} + φ_{n o i s e}

式中: $φ_{I n S A R}$ 为每个像素的干涉相位; $φ_{d e f}$ 为雷达视线向(line of sight,LOS)形变相位; $φ_{t o p o}$ 为地形相位; $φ_{a t m}$ 为大气延迟相位; $φ_{o r b i t}$ 为轨道误差相位; $φ_{n o i s e}$ 为噪声相位。

PS点的选取是PS-InSAR方法的关键技术之一,即在N+1幅影像中挑选出那些散射特性较强并且较为稳定的像素,例如人工建筑物、人工布设的角反射器和裸露的岩石等。本文采用Hooper等提出的一种新的PS点识别及相位组分分析的方法StaMPS,先采用振幅离差阈值法选择PS候选点,再根据干涉相位空间相关性筛选出最终的PS点^[13]。

2.2 数据处理流程

本文利用SNAP软件对覆盖研究区的升轨SAR影像进行处理,根据时空基线最优原则选取20201218采集到的SAR影像作为公共主影像,将配准后的主、辅影像形成23幅差分干涉对,每幅干涉对的垂直基线距在-52.31~125.58 m的区间范围内,具体如图4所示。利用Sentinel-1精密轨道数据和SRTM DEM数据消除干涉图中地球椭球效应和地形效应; 然后,基于StaMPS平台对经过SNAP软件处理得到的干涉对进行时序干涉叠加处理,设置振幅离差阈值为0.4,利用StaMPS方法来提取PS点,研究区内共探测出53 442个PS点; 最后,基于选定的PS点进行滤波处理,依次去除残余地形和使用从GACOS得到的高分辨率对流层延迟干涉图去除大气相位等影响,解算出各点的时间序列上的形变量和形变速率,并进行地理编码。

图4

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图4 干涉对时空基线分布

Fig.4 Spatio-temporal baseline distribution of interfergrams

3 精度评定

为了验证基于Sentinel-1升轨数据采用PS-InSAR方法得到的监测结果,收集研究区内水准点(小水峪和土木)数据,比较实测水准点得到的年均沉降速率与邻近PS点监测值的差异来评估InSAR沉降监测的精度。将PS点在LOS向形变速率投影到垂向,对比分析2种数据结果可知,小水峪点位差值为0.21 mm,土木点位差值为0.53 mm,结果表明PS-InSAR监测结果具有一定的可靠性。

4 形变监测结果分析

基于Sentinel-1升轨SAR数据,采用PS-InSAR时序分析方法,对怀来台及周边区域地面进行了形变监测研究,得到该区域2020年1月—2021年12月的地面沉降监测结果(图5(a))。由于地质构造运动引起的地面形变通常表现为断层两端,且一般是大范围并在空间上可能不连续,图5(a)显示怀来台附近活动断层两侧区域不存在大范围的面形变,因此排除区域构造活动导致的怀来台体应变观测异常^[14]。

图5

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图5 LOS向年平均形变速率场

Fig.5 Annual average deformation rate field in LOS direction

通过对怀来台和供热水井周围区域(图5(a)中黑框区域)的形变场进行放大(图5(b)),并通过使用普通克里金插值方法将区域内PS点上的形变速率进行内插^[15](图5(c)),沉降监测结果显示,怀来台西北方向距离约0.7 km和1.1 km的义合堡村东侧4口和西侧1口用于供热的抽水井附近区域存在一定程度的沉降,且村东侧4口抽水井位于形变中心,空间分布上以该点为中心的形变场呈小范围近似长方形分布,形成研究区范围内较为明显的沉降漏斗,沿LOS向沉降速率最大为6.99 mm/a,沉降区域范围沿长方形长边方向约为1.4 km,沿宽边方向约0.6 km,怀来台位于沉降区域边缘(图5(c))。分别在义合堡村东、西测抽水井附近以及怀来台附近共计选取3个PS点(图5(b)),得到沉降时间序列结果(图6)。图6显示,怀来台与义合堡村东、西侧的抽水井所在位置地表基本保持同步形变,2020年1月—2020年4月、2020年7月—2021年4月、2021年6—8月和2021年10月—2021年12月4个时间段均为整个区域的沉降期; 2020年5—7月、2021年7—10月2个时间段为整个区域明显的抬升期。根据已有研究结果,地下水的抽取和回灌引起的地面形变通常呈现空间连续性且范围较小,这与怀来台附近以用于供热抽水井为中心的沉降区域空间分布特征基本一致,目前怀来台附近缺乏井水位观测数据,但是已有研究结果表明PS-InSAR形变结果与地下水水位变化具有较好的一致性,因此本文使用PS点沉降时间序列结果可以间接反映地下水水位变化情况^[14]。同时,深井抽水可以引起附近区域地下水水位降低,进而导致土壤的孔隙压力变大和地层压缩,应变类仪器观测会呈拉张变化^[16]。怀来台周围区域内共分布有18口灌溉用水机井,每年4月和7—8月为当地集中抽水高峰期,因此第一组沉降期内2020年7—9月和2021年6—8月期间,怀来台附近地面沉降为灌溉用水机井抽水所致,且体应变观测曲线在该时间同时出现挤压趋势消失和拉张趋势明显^[17](图2)。第二组沉降期为2020年1—4月、2020年10月—2021年4月和2021年11—12月,沉降时间与体应变拉张异常发生时间具有较高的同步性; 第二组沉降期恰为怀来县冬季供暖期,期间灌溉用水机井停止抽水,经过实地调查,义合堡村2017年11月1日正式投入使用集中式供热系统,该系统虽然投入使用时间是2017年11月,但是由于推广速度慢,该套供热系统基本处于停滞状态,从2020年11月1日以后才被义合堡村及附近居民正式广泛使用。位于怀来台西北方向直线距离分别约为0.7 km和1.1 km的4口和1口义合堡村用于供热的抽水井开始抽地下水,并经过供热循环系统后回灌至井中,由于循环过程中出现水量损耗且抽水活动导致附近区域地下水水位突然降低,进而导致地面沉降和土壤的孔隙压力变大,体应变仪器能够记录到小空间尺度上的浅层地壳应力应变信息,因此观测数据曲线与2020年之前变化趋势相反,呈拉张变化。为进一步研究用于供热的抽水井抽水与怀来台体应变拉张异常变化的关系,本文分别计算体应变2020年11月—2021年3月和2021年11—12月期间的观测数据与同时段义合堡村东、西两侧抽水井附近PS点累计形变量的相关系数,计算结果如表1所示。计算结果表明,体应变观测数据与附近地面沉降之间相关性较高,间接反映了体应变拉张异常变化受抽水井抽水影响。因此可以判断义合堡村供热水井抽水是引起怀来台体应变拉张变化观测异常的主要原因。

图6

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图6 PS点形变时间序列曲线(LOS向)

Fig.6 Deformation time series curves of the PS points(LOS)

表1 体应变观测数据与累计形变量相关系数

Tab.1 Correlation coefficients between borehole body observation data and cumulative deformation value

体应变观测值	与TZ1累计形变相关系数	与TZ2累计形变相关系数
2020年11月—2021年3月	0.510	0.669
2021年11—12月	0.593	0.673

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图6形变点时间序列曲线结果显示,怀来台和供热水井附近地表在2020年5—7月、2021年7—10月2个时间段内出现明显抬升。怀涿盆地为位于华北平原内部的断陷盆地,内部变形特征较弱,且以沉降运动为主,地表出现明显抬升与区域地表形变背景不同^[18]。由于Sentinel-1卫星携带C波段SAR,研究区地表在以上时段内出现明显抬升可能由于PS-InSAR处理过程中PS点相位中包含的大气效应和噪声等多种相位误差未完全消除^[18]。

5 结论

本文基于Sentinel-1的SAR数据利用PS-InSAR方法监测怀来台及周围区域2020年1月—2021年12月间地面沉降状况,并将监测结果示范性地应用于怀来台体应变异常机理研究。研究结果表明:

1)怀来台附近沉降区域范围空间分布形态上呈现沿西北方向和东南方向分别约为1.4 km和0.6 km的近似长方形,沉降区域中心位于怀来台东北方向距离约为0.7 km的义合堡村东侧4口抽水井所在位置,且沉降速率沿LOS向最大约为6.99 mm/a,怀来台位于沉降区域边缘。怀来台与义合堡村东、西抽水井所在位置地面基本保持同步沉降。

2)怀来台附近的沉降区域范围较小且空间连续,没有经过断层,且距离断层较远,形变范围不受断层控制,体应变观测异常与断层构造活动没有显著的因果关系; 怀来台体应变仪器观测异常发生在2020年11月—2021年3月和2021年11月—2022年3月,这与以义合堡村东侧4口抽水井为中心的沉降区域的供暖期间沉降期和用于供热的抽水井抽地下水活动时间完全一致; 同时,怀来台体应变观测数据异常显示附近区域地层呈拉张变化,这与深井抽水导致的区域应力呈拉张变化趋势相吻合。通过计算体应变在异常发生时间的观测数据与同时段义合堡村东、西两侧抽水井附近PS点累计形变量的相关系数,体应变观测数据与附近地面沉降之间相关性较高。由此可以判断怀来台体应变出现拉张观测异常变化是由义合堡村用于供热的抽水井抽水引起的。

3)PS-InSAR方法在受周围地下水开采干扰较为显著区域且该因素导致的体应变仪器观测异常机理研究中具备较好的应用性,该技术可以推广到地震监测台站用于地震前兆定点形变观测仪器异常原因识别与研究中。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

苏维刚, 马茹莹, 马震, 等.

钻孔应变的干扰源及其干扰机制的多方法分析

[J]. 大地测量与地球动力学, 2021, 41(8):871-876.