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地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场

温扬茂 冯怡婷

温扬茂, 冯怡婷. 地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
引用本文: 温扬茂, 冯怡婷. 地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
WEN Yangmao, FENG Yiting. Three-Dimensional Deformation Field of Ali Earthquake from InSAR Observations and Earthquake Rupture Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
Citation: WEN Yangmao, FENG Yiting. Three-Dimensional Deformation Field of Ali Earthquake from InSAR Observations and Earthquake Rupture Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450

地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场

doi: 10.13203/j.whugis20160450
基金项目: 

川滇国家地震监测预报实验场项目 2017CESE0103

地震监测预报领域项目 2018010103

国家重点基础研究发展计划(973计划) 2013CB733304

国家自然科学基金 41431069

国家自然科学基金 4151101233

国家自然科学基金 41774011

详细信息
    作者简介:

    温扬茂, 博士, 副教授, 主要从事InSAR数据处理及其地学解释研究。ymwen@sgg.whu.edu.cn

  • 中图分类号: P237;P315

Three-Dimensional Deformation Field of Ali Earthquake from InSAR Observations and Earthquake Rupture Model

Funds: 

The National Earthquake Prediction Experiment Site in the Sichuan-Yunnan Region Program 2017CESE0103

the Earthquake Monitoring and Forecasting Areas Project 2018010103

the State Key Development Program for Basic Research of China (973 Program) 2013CB733304

the National Natural Science Foundation of China 41431069

the National Natural Science Foundation of China 4151101233

the National Natural Science Foundation of China 41774011

More Information
    Author Bio:

    WEN Yangmao, PhD, associated professor, specializes in InSAR data processing and its geophysical interpretation. E-mail:ymwen@sgg.whu.edu.cn

图(5) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-14
  • 刊出日期:  2018-09-05

地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场

doi: 10.13203/j.whugis20160450
    基金项目:

    川滇国家地震监测预报实验场项目 2017CESE0103

    地震监测预报领域项目 2018010103

    国家重点基础研究发展计划(973计划) 2013CB733304

    国家自然科学基金 41431069

    国家自然科学基金 4151101233

    国家自然科学基金 41774011

    作者简介:

    温扬茂, 博士, 副教授, 主要从事InSAR数据处理及其地学解释研究。ymwen@sgg.whu.edu.cn

  • 中图分类号: P237;P315

摘要: 利用环境卫星(Environmental Satellite,Envisat)的升、降轨数据在地震破裂模型约束下获取2007年阿里地震的高质量同震地表三维形变场。首先,对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)影像进行差分干涉处理,得到地震造成的视线向同震地表形变场;然后,以地震破裂模型为约束条件,采用赫尔默特方差分量估计法来解算阿里地震的高质量地表三维同震形变场。结果表明,震中区域最大下沉达约4.7 cm,东西向位移较小,南北向呈挤压趋势。总体上,三维形变的特征表明阿里地震是一个以正倾滑为主兼少量右旋走滑运动的地震事件。

English Abstract

温扬茂, 冯怡婷. 地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
引用本文: 温扬茂, 冯怡婷. 地震破裂模型约束的中国阿里地震三维形变场[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
WEN Yangmao, FENG Yiting. Three-Dimensional Deformation Field of Ali Earthquake from InSAR Observations and Earthquake Rupture Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
Citation: WEN Yangmao, FENG Yiting. Three-Dimensional Deformation Field of Ali Earthquake from InSAR Observations and Earthquake Rupture Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(9): 1369-1375. doi: 10.13203/j.whugis20160450
  • 合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)具有空间连续覆盖、全天候、全天时、高空间分辨率、长波长微波穿透性等优势,被广泛应用到地震形变、火山运动、地面沉降以及山体滑坡等监测中。因为InSAR技术属于非接触测量方式,尤其适合于对没有地面控制点的地震地表形变等进行监测。其不足之处是仅能够获取雷达视线向(line of sight,LOS)上的一维地表形变,是东西向、南北向、垂直向形变在LOS向的投影[1],其中垂直向占绝大部分,东西向次之,南北向则占很小一部分。因此, 仅依靠单方向的InSAR观测无法准确地反映地表的三维形变,需要借助于其他技术才能建立三维地表形变场。

    目前,利用InSAR数据重建地表三维形变场的方法主要包括以下几类:(1)升、降轨多视向InSAR观测[2];(2)升、降轨InSAR观测结合方位向多孔径干涉观测(multiple aperture InSAR,MAI)[3-4];(3)升、降轨InSAR观测结合方位向偏移量观测(azimuth offset,AZO)[5];(4)InSAR数据结合外部数据(全球卫星导航系统(global navi-gation satellite system,GNSS)数据)或外部形变模型[4, 6-8]。其中,直接利用多种不同LOS形变观测构建三维形变解算模型进行解算的方法,其优势是具有较高的可信度,避免了模拟、假设等方法带来的不确定因素,但是同时获取3种以上不同视角的LOS形变场通常比较困难,且南北向形变解算精度也无法保证[9]。升、降轨InSAR观测结合方位向形变量观测,降低了对数据的要求,但其监测精度和空间分辨率都相对较低[4]。使用MAI技术来监测卫星飞行方向形变,其优点是无需相位解缠,并且不受大气延迟相位影响,但MAI测量精度依赖于相干性,在相干性较高的情况下,结果较精确, 分辨率较高[10]。而InSAR观测结合外部数据或模型,可以对结果进行约束,更合理地确定各类观测值的权重,从而减少观测误差的影响。但不同的测量方式存在时空尺度、参考框架上的差异。

    2007年5月5日16时51分,中国西藏阿里地区日土与改则县交界处(81.99°E,34.26°N)发生Mw 6.1级地震。该地震震区位于班公错-怒江断裂带以北活动构造带上,该地区的地震活动并不强烈[11]。据美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)地震目录记载,在1976年1月1日至2016年7月1日,主震震中2°范围内发生了9次Mw 5级以上的地震,2007年的中国西藏阿里地震是其中震级最大的。由于此次地震所在地的大部分区域为无人区,因此野外地质调查和地球物理数据的采集都非常困难。本文通过Envisat卫星的升、降轨数据在地震破裂模型约束下来获取2007年的阿里地震的高质量三维同震地表形变场,进而分析地震的地表形变特征。

    • 地震发生前后,欧洲空间局(European Space Agency,ESA)环境卫星(Environmental Satellite, Envisat)的C波段先进合成孔径雷达(advanced synthetic aperture radar,ASAR)传感器对阿里地震地区进行了观测。综合覆盖范围和时空基线的考虑,选取了两组像对(其中升、降轨各一组)来进行干涉处理,干涉像对的基本信息如表 1所示。

      表 1  研究中使用的Envisat卫星数据的基本信息

      Table 1.  Details of Envisat Satellite Images Used in this Study

      干涉像对 轨道 主影像 从影像 垂直基线/m 时间基线/d 中误差/mm 衰减距离/km
      第1组 T155A 2007-04-13 2007-06-22 365 70 3.8 2.3
      第2组 T205D 2007-02-06 2007-07-31 94 206 4.3 2.6

      InSAR数据干涉处理使用的平台为瑞士GAMMA软件[12]。基于该软件,采用二通法对获取的卫星SAR影像进行差分干涉处理来获取同震地表形变场。首先对两幅SAR影像进行配准和重采样,配准精度达到亚像元级,然后生成干涉图。在数据处理过程中,使用ESA提供的DOR精密轨道和美国国家航空和宇宙航行局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供的90 m分辨率的航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据[13]来去除地形相位的影响。同时,为了降低干涉相位的噪声水平,提高干涉图的信号质量,采用基于能量谱的局部自适应滤波对干涉图进行滤波。最后,采用枝切法来解缠得到差分干涉相位。为了进一步削弱干涉相位中的大气相位贡献,还根据地形与大气相位的相关性来拟合去除与地形相关的大气相位[14], 最终得到了地理编码后的阿里地震的升、降轨高精度同震地表形变场(见图 1)。

      图  1  2007年阿里地震的同震地表形变场

      Figure 1.  Coseismic Interferograms Associated with the 2007 Ali Earthquake

      图 1清晰地显示了2007年阿里地震的干涉形变图,干涉条纹清晰明显,从蓝色到红色的一个周期代表相位差从0到2π的变化,对应雷达波的半个波长2.8 cm。两幅图的中央都表现为一个近椭圆状的主形变区域,其北北西向长轴长约为40 km,北东东向短轴长约为20 km,震中周围存在一些由于陡峭地形和积雪造成的失相干区域。在升轨T155A的形变图(图 1(a))中,LOS形变达到5.8 cm;而在降轨T205D(图 1(b))中,LOS的最大位移为6.2 cm。

    • InSAR数据处理后得到的形变量不是地表的真实三维形变[15],而是东(E)、北(N)、垂向(U)3个方向形变在LOS方向上的投影(图 2)。如果定义目标视线向形变dLOS靠近雷达时为正,远离时为负,则dLOS与由E、N、U 3个方向地表形变所组成的形变矢量$\mathit{\boldsymbol{d = }}\left[\begin{gathered} {d_{\text{N}}} \hfill \\ {d_{\text{E}}} \hfill \\ {d_{\text{U}}} \hfill \\ \end{gathered} \right]$之间的关系可以表示为[15]

      $$ {\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{LOS}}}} =-\mathit{\boldsymbol{ud}} $$ (1)

      式中,u = [uN uE uU]为LOS单位矢量,与卫星方位向和入射角有关。以阿里地区Envisat ASAR数据为例,其升轨观测单位矢量为[0.081 0.382 -0.921];降轨观测单位矢量为[0.082 -0.387 -0.919]。从图 2中可以看出,E、N、U 3个方向形变对LOS形变的影响是不一样的,其中以北方向影响最小,垂直方向影响最大,这一结果主要与雷达的成像几何有关。Envisat以较小视角向垂直于卫星飞行方向的右下方发射雷达脉冲,因而相对水平形变,其对垂直向形变敏感得多。同时,由于Envisat卫星的飞行方向为近南北向,因此较东西方向,南北向形变更不敏感。当形变方向与卫星飞行方向完全一致时,干涉将无法得到该形变的任何信息。由式(1)还可以看出,如果要解算出E、N、U 3个形变量至少需要3个不同视角的观测值,单纯仅有升轨或降轨的观测结果是不够的。

      图  2  InSAR观测值与地表形变的关系示意图[16]

      Figure 2.  Diagram of InSAR Observation and Surface Deformation

    • 如果对地表形变场有一定的先验认知,则可以在该认知条件下,基于升、降轨InSAR观测值来给出地表形变的三维分量。具体来说,研究中以地震破裂模型作为地表形变的先验知识,即根据地震破裂模型给出东西向、南北向和垂直向形变作为约束条件,然后联合升、降轨InSAR观测来给出地震造成的高质量三维地表形变场,其方程为:

      $$ \left[\begin{array}{l} \mathit{\boldsymbol{u}}\\ {\lambda ^2}\mathit{\boldsymbol{I}} \end{array} \right]\mathit{\boldsymbol{d = }}\left[\begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{LOS}}}}\\ {\mathit{\boldsymbol{d}}_m} \end{array} \right] $$ (2)

      式中,dm为根据地震破裂模型给出的三维形变约束条件;λ2为InSAR升、降轨观测与地震破裂模型之间的权重,本文采用赫尔模特方差分量估计准则[17]来确定,即通过两类数据的验后单位权中误差来确定地震破裂模型与InSAR观测值之间的权比大小;I为3×3的单位阵。

    • 在2007年阿里地震研究中,本文主要采用USGS给出的地震破裂模型[18],结合升、降轨InSAR视线向观测值,基于前述方法计算地震的三维地表形变场(见图 3)。从图 3中可以看出,断层上盘表现为向西运动,形变量约为1 cm,断层下盘有向东运动的趋势,形变量约为1 cm,东西向上位移较小。南北向上有向震中挤压的趋势,断层上盘有明显的向北运动,形变量约为2.5 cm;断层下盘表现为向南运动,位移量约为0.6 cm。垂直方向,震中位置有显著的地表形变,断层上盘下沉,最大下沉量约为4.7 cm;断层西北部有少量抬升,最大隆升量约为1.5 cm。

      图  3  阿里地震三维地表形变场及其精度水平

      Figure 3.  Three-Dimensional Surface Deformation Associated with Ali Earthquake and Their Precisions

      为了对三维地表形变进行精度分析,本文还计算了东西向、南北向和垂直向形变的误差分布(图 3)。从图 3中可发现这3个方向形变的误差分布模式基本类似,震中区域和北部的小片区域误差明显大于其他形变微弱区域,其中北部区域的误差可能与干涉相位的解缠误差有关,而震中区域的较大误差来自于地震破裂模型的约束。其中,在震中区域,东西向形变的中误差约为2 cm,南北向约为2 cm,垂直向约为0.5 cm,表明得到的垂直向形变精度最高,可以达到mm级,而东西向精度次之,南北向精度最差,但也可以达到cm级。

      同时,为了更直观地反映地震的形变构造特征,还分别沿平行和垂直于断层的方向作剖面(图 3中两条红色虚线AA′和BB′),结果见图 4图 4中,红色箭头代表沿剖面地表形变的大小和方向。其中, 平行于断层走向剖面(图 4(a))的东西向形变显示,断层北段呈现向西运动的形变特征,最大形变量约为1.4 cm;而断层南段的东西向形变不明显,形变量小于0.5 cm。南北向形变显示,断层上盘南段呈现向北运动的特征,最大形变量达到2 cm,断层下盘北段表现为向南运动,形变量约为0.5 cm。而垂直向形变显示,断层上盘呈现沉降特征,最大沉降量约为3.8 cm,从断层中部向两侧逐渐变小。

      图  4  阿里地震地表三维形变场剖面图

      Figure 4.  Profiles of Three-Dimensional Surface Deformation of Ali Earthquake

      垂直于断层走向剖面(图 4(b))的东西向形变显示,除断层上盘个别区域有0.5 cm左右的向东位移外,断层两侧整体呈现向西运动的趋势,且断层上盘比下盘向西位移形变量约小1 cm,说明断层东侧相对于西侧有向东运动的趋势。断层上盘的西北区域为挤压区,具有相对抬升的形变特征,东段为拉张区,向西形变量约为1 cm,表明发震断层有少量右旋走滑。南北向形变表明,在垂直于断层方向上,整体形变较小,形变小于0.5 cm,断层上盘相对于下盘有向北运动的趋势。垂直方向形变表明,断层上盘表现出下降的特点,最大形变量达到2.8 cm。从整体上看,断层上盘沉降约为3 cm,断层下盘隆升范围为0~2 cm,意味着发震断层具有正断层的构造特征。

    • 为了对得到的三维地表形变精度进行更为深入的分析,本文还计算了地震的2.5D形变场。由于Envisat是近极地卫星(卫星轨道倾角98°),所以南北方向形变分量在LOS贡献很小(式(1)),因而可以把升、降轨LOS形变分解到近东西向和近垂直向,这种两维分布的两方向地表形变被称为2.5D地表形变场[19]。即LOS形变dLOS与近东西向形变dE和近垂直向的形变dU的关系可以表示为[20]

      $$ {\mathit{\boldsymbol{d}}_{{\rm{LOS}}}} \approx \left[{{\mathit{\boldsymbol{u}}_{\rm{E}}}\;{\mathit{\boldsymbol{u}}_{\rm{U}}}} \right]\left[\begin{array}{l} \mathit{\boldsymbol{d}}{{\rm{'}}_{\rm{E}}}\\ \mathit{\boldsymbol{d}}{{\rm{'}}_{\rm{U}}} \end{array} \right] $$ (3)

      图 5为根据InSAR升、降轨观测给出的阿里地震的近东西向和近垂直向形变,从图 5中可以看到,在近东西向上,断层两侧有相反运动的趋势,断层上盘表现为向西运动,形变量约为1 cm,断层下盘有向东运动的趋势,形变量约为2 cm;在近垂直向上,震中区域具有明显的沉降,最大达到5 cm。地表形变场整体呈现震中区域沉降、东西向拉张的特点。

      图  5  基于升、降轨观测得到地表近似形变

      Figure 5.  Surface Displacement Derived from Envisat Ascending and Descending Tracks

      比较图 3图 5,发现地震破裂模型约束下解算得到的东西向和垂直向形变与近东西向与近垂直向形变的分布模式类似。在震中区域,两者在东西向的差值平均值约为2.8 mm,垂直向的差值平均值为0.7 mm。

    • 本文利用升、降轨Envisat卫星SAR数据获取了2007年阿里地震的高精度InSAR同震地表形变场。在此基础上,以地震破裂模型给出的东西向、南北向和垂直向形变作为约束条件,解算得到了阿里地震的高质量同震地表三维形变场。得到以下主要结论:

      1) 在地震破裂模型约束下得到了阿里地震的三维地表形变场,其东西向位移都较小,约1 cm。南北向地表形变有向震中挤压的趋势,断层南部向北最大位移为2.5 cm,向南最大位移为0.6 cm。震中位置最大下沉为4.7 cm,在断层西北部有少量抬升,最大为1.5 cm。整体上,东西向呈现拉张的运动趋势,而南北向呈现挤压的运动趋势。精度分析表明,垂直向形变的精度可达mm级,东西向次之,南北向精度最差,但可以达到2.0 cm左右。

      2) 不考虑地震模型约束,仅利用升、降轨数据解算的近东西向和近垂直向形变同样显示震中区域具有明显沉降,最大约5 cm,在近东西向上,断层两侧有相反的运动趋势,呈现拉张的特点。与地震破裂模型约束下的三维地表形变相比,两者形变分布模式一致,东西向的差值平均值为2.8 mm,垂直向的差值平均值为0.7 mm,表明地震破裂模型约束下的三维形变结果是可靠的。

      3) 由于USGS等地震研究机构没有给出地震破裂模型参数的精度水平,本文采用控制变量法来分析地震破裂模型约束下得到的三维形变场的可靠性,即首先对USGS地震破裂模型参数一一施加扰动,然后比较扰动后地震破裂模型提取的三维形变场与扰动前的差值。结果发现,破裂模型参数中的走向角、倾角、滑动角和断层长度的误差对于三维形变场提取的影响很小。总体上,断层位置误差在3 km、滑动量误差在0.1 m和断层深度误差在3 km时,USGS地震破裂模型误差对阿里地震三维形变场的误差影响小于3 mm。

      4) 对得到的三维形变进行剖面分析,发现断层上盘有明显的沉降,从中部向两侧逐渐减小,符合发震断层为正断层的特征; 同时断层两侧整体呈现向西运动的趋势,且东侧相对于西侧有向右运动的趋势,意味着发震断层表现为少量右旋走滑。总体上,3个方向上的形变特征均表明阿里地震是一个正倾滑为主兼少量右旋走滑运动的地震。

      5) 地震发生时,可以先利用离散的形变观测数据(如GNSS观测)反演得到一个地震破裂模型,在此基础上,结合InSAR升、降轨数据,提取高质量地震的三维形变场。但是,由于阿里地震发生在西藏无人区,没有有效的近场GNSS数据来确定地震破裂模型,因此本文使用了USGS的震源机制解来作为约束。为了进一步评价USGS震源参数模拟得到的地震破裂模型误差和不确定性对阿里地震三维形变场的影响,本文还比较了其与采用InSAR反演得到的地震破裂模型[11]约束得到的形变场之间的差异,发现两者的分布模式基本相同,整体差异很小,意味着采用USGS地震破裂模型约束可以有效提取该地震三维形变场。

参考文献 (20)

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