季靈運(yùn) 許建東 趙 波 萬(wàn) 園 申歡歡

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054

3)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

0 引言

阿什庫(kù)勒火山群位于新疆于田縣以南250km處的阿什庫(kù)勒盆地內(nèi)部(圖1)。阿什庫(kù)勒盆地位于康西瓦斷裂和阿爾金斷裂的交會(huì)處，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，中強(qiáng)地震頻繁發(fā)生(圖1)。阿什庫(kù)勒火山群由10余座主火山和數(shù)十個(gè)子火山組成，區(qū)域海拔超過(guò)4 600m，是世界上海拔最高的火山區(qū)之一，熔巖面積達(dá)200km2(劉若新，2000)。新疆日?qǐng)?bào)曾報(bào)道阿什庫(kù)勒火山群于1951年5月27日爆發(fā)過(guò)(新疆日?qǐng)?bào)，1951)，但存在爭(zhēng)議(鄧萬(wàn)明，1989;劉嘉麒等，1990;劉若新，2000)。2011年5月中國(guó)地震局地質(zhì)研究所和新疆維吾爾自治區(qū)地震局對(duì)阿什庫(kù)勒火山群開展了科學(xué)考察，在阿什火山北側(cè)火口沿發(fā)現(xiàn)了疑似1951年噴發(fā)遺留的噴氣孔(許建東等，2011)。如果1951年的噴發(fā)事件真的存在，那么阿什庫(kù)勒火山群現(xiàn)今是否還在活動(dòng)?是否具有潛在的噴發(fā)危險(xiǎn)性?另外，2008年3月21日，阿什庫(kù)勒火山群南部山區(qū)發(fā)生了MS7.3強(qiáng)烈地震(陳學(xué)忠等，2008;圖1)，本文稱之為2008年于田地震，此次強(qiáng)震事件對(duì)火山活動(dòng)是否有影響?

圖1 阿什庫(kù)勒火山群區(qū)域構(gòu)造與地震震中分布圖Fig.1 Tectonic and epicentral distribution map around Ashikule volcanic group.

阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)自然條件極其惡劣，研究程度較低，目前的研究主要集中在火山地質(zhì)與年代學(xué)方面(Liu et al.，1989;劉嘉麒等，1990;許建東等，2011)，迄今為止，還沒有地表形變方面的報(bào)道。惡劣的氣候環(huán)境使得人類難以接近，因而以地面控制點(diǎn)為基礎(chǔ)的常規(guī)地表形變監(jiān)測(cè)手段如GPS、水準(zhǔn)測(cè)量很難實(shí)施。近年來(lái)，作為一種全新的空間對(duì)地觀測(cè)手段，InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)技術(shù)因其具有不需要地面控制點(diǎn)，且能夠以高精度、低成本、快速度的優(yōu)勢(shì)完成大范圍、高空間分辨率的“面”的地表形變信息，而廣泛應(yīng)用于地學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域(Massonnet et al.，1993，1995;單新建等，2006;孫建寶等，2008)。

本文基于Envisat ASAR和ALOS PALSAR衛(wèi)星影像資料，利用干涉圖堆疊技術(shù)(Stacking)和短基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(SBAS-InSAR，Small BAseline Subsets-Interferometric Synthetic Aperture Radar)提取阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)的地表形變，了解并分析其在2008年于田地震前后的活動(dòng)特征，填補(bǔ)該火山群現(xiàn)今活動(dòng)性未知的空白，進(jìn)而為該火山群的噴發(fā)預(yù)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估等工作提供基礎(chǔ)資料。

1 SAR影像資料與InSAR數(shù)據(jù)處理

1.1 SAR影像簡(jiǎn)介

為了檢測(cè)阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)在2008年3月于田地震前后可能存在的形變信息，我們購(gòu)買和收集到了Envisat ASAR和ALOS PALSAR兩種衛(wèi)星影像資料。其中Envisat ASAR影像共41景(1個(gè)航跡，降軌)，其中于田地震之前20景，震后21景，時(shí)間跨越2003—2010年;ALOS PALSAR影像共8景(1個(gè)航跡，升軌)，其中震前3景，震后5景，時(shí)間跨越2007—2009年。

1.2 InSAR數(shù)據(jù)處理方法

首先，對(duì)于所有影像，不指定公共主影像，進(jìn)行自由組合干涉?？紤]到阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)地處高原無(wú)人區(qū)，地表無(wú)植被覆蓋，長(zhǎng)時(shí)間間隔仍能保持較高的相干性，但山區(qū)地形起伏較大，宜采用較短垂直基線的干涉圖，所以給定干涉限制條件為:時(shí)間間隔短于5a，垂直基線＜300m(Envisat ASAR)與＜3 000m(ALOS PALSAR)。

對(duì)于每個(gè)符合條件的干涉對(duì)，進(jìn)行常規(guī)兩軌法D－InSAR處理，使用美國(guó)NASA公布的SRTM DEM(分辨率約為90m)去除地形相位部分。目標(biāo)是提取火山區(qū)可能存在的大范圍地表形變異常，所以干涉圖的多視因子選定4×20(距離向×方位向)。則對(duì)于Envisat ASAR影像生成的干涉對(duì)，每個(gè)像元約為80×80m2，對(duì)于ALOS PALSAR，每個(gè)像元約為60×60m2。干涉圖相位解纏采用最小費(fèi)用流算法(Minimum Cost Flow)，僅解纏相干系數(shù)值＞0.5的像元。對(duì)含有基線誤差的干涉對(duì)，基于高程信息和解纏相位，采用非線性最小二乘平差方法去除基線誤差(Rosen et al.，1996;Lu，2007)。對(duì)明顯含有與地形相關(guān)的大氣相位延遲(Atmospheric Phase Screen，APS)的干涉對(duì)，根據(jù)無(wú)形變區(qū)域的解纏相位和高程信息，建立大氣相位延遲模型，去除了與地形相關(guān)的大氣相位延遲干擾。

削弱各種噪聲，提取緩慢變形信號(hào)的一種常用的方法是干涉圖堆疊技術(shù)(Zebker et al.，1994，1997;Peltzer et al.，2001)。干涉圖堆疊技術(shù)通過(guò)對(duì)覆蓋同一地區(qū)的多個(gè)干涉圖進(jìn)行加權(quán)平均(一般以每幅干涉圖的時(shí)間間隔為權(quán)重)，實(shí)現(xiàn)削弱每個(gè)干涉對(duì)所含的大氣延遲相位以及軌道殘余誤差，達(dá)到提高最終形變結(jié)果可靠性的目的。

為了揭示阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)在于田地震后地表形變隨時(shí)間的演化特征，本文采用了短基線集算法求解地表形變時(shí)間序列。短基線集算法是由Berardino等(2002)提出來(lái)的，后來(lái)由Jung等(2008)進(jìn)行了精化改進(jìn)。短基線集算法以分布式散射體(DS，Distribute Scatterers)為研究對(duì)象，允許以相對(duì)短的空間基線和時(shí)間間隔對(duì)多景影像進(jìn)行自由組合干涉，增加了時(shí)間采樣率并提高了干涉圖的相干性，削弱了空間失相干的影響，降低了外部DEM引入的誤差，從而達(dá)到提高形變結(jié)果精度的目的。由于大氣延遲相位在空間域上高度相關(guān)，而在時(shí)間域則是隨機(jī)的(Ferretti et al.，2000;Berardino et al.，2002;Jung et al.，2008)，短基線集算法通過(guò)時(shí)間域的高通濾波和空間域的低通濾波來(lái)去除大氣相位延遲。精化的短基線集算法在以下4個(gè)方面提高了時(shí)間序列形變結(jié)果的可靠性:1)選取高質(zhì)量的干涉圖(不含相位解纏誤差，且相干性好)估計(jì)外部DEM誤差和線性形變相位;2)對(duì)形變時(shí)間序列和誤差進(jìn)行迭代計(jì)算;3)利用有限差分平滑方法削弱時(shí)間域的噪聲;4)對(duì)參考點(diǎn)本身存在的誤差進(jìn)行了校正(Jung et al.，2008)。

2 InSAR形變結(jié)果分析

2.1 2008年于田地震前阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)地表形變特征

通過(guò)逐一分析2008年于田地震前的所有干涉圖，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的形變信息，選取18個(gè)相干性較好的干涉圖，采用干涉圖堆疊技術(shù)，計(jì)算得到了阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)2003—2007年的平均形變速率圖(圖2)，其中黑色三角形表示各個(gè)小火山口的位置?？梢钥闯?，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)相干性較好，南部山區(qū)由于終年積雪導(dǎo)致失相干現(xiàn)象較嚴(yán)重，但溝谷地帶仍能保持較好的相干性。形變?yōu)檠乩走_(dá)視線方向(LOS，line of sight)，可以看出在2008年3月于田地震發(fā)生之前，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)沒有顯示出明顯的地表形變，表明該區(qū)在2003—2007年期間相對(duì)比較穩(wěn)定。

圖2 阿什庫(kù)勒火山群2003—2007年平均形變速率圖(LOS)Fig.2 Average deformation rate of Ashikule volcanic group during 2003 －2007(Line of Sight).黑色三角形與圖1相同;紅色圓點(diǎn)表示參考點(diǎn)

2.2 2008年于田地震后阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)地表形變特征

通過(guò)逐一分析2008年于田地震后的所有干涉對(duì)，發(fā)現(xiàn)阿什庫(kù)勒火山群和于田地震發(fā)震地區(qū)均存在不同程度的形變信息。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比，發(fā)現(xiàn)形變與時(shí)間呈明顯的線性關(guān)系。我們首先選取了Envisat 43個(gè)、ALOS PALSAR 6個(gè)相干性較好的干涉圖，采用干涉圖堆疊技術(shù)獲得了震后的平均形變速率圖(圖3)。可以看出，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)整體有沿雷達(dá)視線方向隆升的態(tài)勢(shì)，但量級(jí)不大，＜1cm/a。南部山區(qū)沒有明顯的形變趨勢(shì)，但是于田地震同震地表破裂帶(徐錫偉等，2011)北端地區(qū)呈現(xiàn)了明顯的沿雷達(dá)視線方向下沉的趨勢(shì)，且量級(jí)較大，最大達(dá)到約4cm/a(雷達(dá)視線方向)。

考慮到大氣相位延遲、外部DEM誤差，選擇短基線集算法求解形變時(shí)間序列，便于直觀分析和更好地揭示研究區(qū)域震后形變隨時(shí)間的演化特征。選取Envisat相干性較好的43幅干涉圖，ALOS PALSAR的6幅干涉圖，分別獲取了研究區(qū)域基于2種衛(wèi)星影像資料的形變時(shí)間序列特征。圖4給出了所使用的干涉對(duì)的時(shí)間與空間垂直基線，實(shí)線代表Envisat ASAR影像干涉對(duì)，虛線代表ALOS PALSAR影像干涉對(duì)?？梢钥闯?，2種衛(wèi)星影像資料各自生成了一個(gè)干涉圖子集。而ALOS PALSAR的時(shí)間被包含在Envisat ASAR干涉對(duì)的時(shí)間內(nèi)。圖5列出了根據(jù)Envisat影像獲取的阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)震后形變時(shí)間序列，即所有影像成像時(shí)間相對(duì)于參考影像(Envisat為20080420，ALOS PALSAR為20080711)的累積形變。從整體上看，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)震后有沿雷達(dá)視線方向隆升的態(tài)勢(shì)。值得注意的是，于田地震同震地表破裂帶北端存在明顯的震后形變，表現(xiàn)為明顯的沿雷達(dá)視線方向下沉的形變趨勢(shì)，形變與時(shí)間呈較強(qiáng)的線性關(guān)系。

圖3 阿什庫(kù)勒火山群于田地震震后平均形變速率圖(LOS)Fig.3 Average deformation rate of Ashikule volcanic group after the Yutian earthquake(Line of Sight).

為了更加清晰直觀地表現(xiàn)相應(yīng)研究目標(biāo)的形變時(shí)間序列演化，以阿什山火山以及于田地震同震地表破裂帶北端為例，研究它們的形變演化特征。圖6a，b分別列出了相應(yīng)目標(biāo)的形變時(shí)間序列，結(jié)合圖3，5，可以得到如下結(jié)論:

(1)鄰近參考點(diǎn)地區(qū)在時(shí)間上比較穩(wěn)定，表明參考點(diǎn)選擇合理。

(2)阿什山火山在Envisat(降軌，即衛(wèi)星由N向S飛行)干涉結(jié)果上顯示沿雷達(dá)視線方向隆升(即朝向衛(wèi)星方向)，而在 ALOS PALSAR(升軌，即衛(wèi)星由S向N飛行)干涉結(jié)果上則顯示沿雷達(dá)視線方向下沉(即遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向)。然而，InSAR僅能觀測(cè)到一維形變信息，即雷達(dá)視線方向形變是地表3方向(E、N、上)形變的共同貢獻(xiàn)。根據(jù)雷達(dá)入射角以及衛(wèi)星飛行方位角，可以計(jì)算得到雷達(dá)視線方向位移與地表3方向位移的幾何關(guān)系，本文中，Envisat為［0.3719，－0.080，0.922］，ALOS PALSAR 為［－0.616，－0.110，0.780］。可以看出，2種衛(wèi)星影像均對(duì)垂向位移最敏感，而對(duì)SN方向位移的敏感性最差。另外，注意到2種衛(wèi)星影像對(duì)EW方向位移的表現(xiàn)是相反的，因而可以推斷阿什山火山的形變以水平方向分量為主。通過(guò)對(duì)比圖5，6可以得出，以阿什山火山為代表的阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)在震后有整體向E運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，量級(jí)較小，累積最大約1cm。這種形變分布不屬于火山活動(dòng)的形變特征，應(yīng)為區(qū)域塊體水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的反映。

圖4 干涉對(duì)基線組合圖Fig.4 Temporal and perpendicular baselines of InSAR pairs.

圖5 阿什庫(kù)勒火山群于田地震震后形變時(shí)間序列(LOS)Fig.5 Deformation time series in Ashikule volcanic group after Yutian earthquake.

(3)于田地震同震地表破裂帶北端附近在2種衛(wèi)星影像資料上均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的下沉形變態(tài)勢(shì)(沿雷達(dá)視線方向)，且與時(shí)間呈較強(qiáng)的相關(guān)性?？紤]到圖5中于田地震發(fā)震斷層兩盤在震后的位移，沿垂直于斷層的走向做了一條剖面(位置見圖3)，以詳細(xì)分析其形變的空間特征。由升降軌道成像幾何關(guān)系可知，SN方向形變?cè)诶走_(dá)視線方向上最不敏感，所以假定SN方向位移為0，聯(lián)合2種衛(wèi)星的成像幾何關(guān)系(Wright et al.，2004)，求解得到于田地震同震地表破裂帶北端的E向、垂向的形變速率分量，如圖7所示。

圖6 幾個(gè)局部區(qū)域的形變時(shí)間序列(位置見圖3a)Fig.6 Deformation time series at certain areas(see Fig.3a for locations).a Envisat;b PALSAR

由圖7可以看出，于田地震地表破裂帶北端的震后形變特征為水平方向整體向E運(yùn)動(dòng)，最大約5cm/a;垂直方向下沉，且距離斷層越近下沉速率越大，最大約6cm/a。同時(shí)，形變速率分量與高程也無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。我們認(rèn)為，此局部地表下沉不屬于火山活動(dòng)的影響范圍:1)該區(qū)域距離火山群較遠(yuǎn);2)如果確屬巖漿運(yùn)移引起的地表下沉，那么在未噴發(fā)的情況下，巖漿到達(dá)新的存儲(chǔ)地點(diǎn)后，會(huì)引起局部地表隆升。因而，阿什庫(kù)勒火山群在2008年于田地震后沒有表現(xiàn)出明顯的火山活動(dòng)引起的地表形變異常。同震地表破裂帶北端的形變異常應(yīng)該是震后塊體應(yīng)力平衡調(diào)整的結(jié)果。

我們收集了阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)1970—2011年的地震目錄(圖1)，雖然區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)比較頻繁，但沒有明顯的空間分布規(guī)律。火山群內(nèi)部地震分布較少，與各個(gè)子火山也沒有空間的相關(guān)關(guān)系。這表明，研究區(qū)域的地震活動(dòng)可能與阿什庫(kù)勒火山群無(wú)直接的聯(lián)系，應(yīng)該是區(qū)域內(nèi)部發(fā)育的斷層活動(dòng)引發(fā)的構(gòu)造地震。因此，在過(guò)去的40余年間，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)沒有發(fā)生與火山活動(dòng)有關(guān)的地震事件。

圖7 于田地震地表破裂帶北端剖面(圖3)的E向與垂向速度關(guān)系曲線Fig.7 Cross section of average deformation rates along the rupture caused by Yutian earthquake.

3 結(jié)論

(1)2008年于田地震之前，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)總體形變不明顯，表明阿什庫(kù)勒火山群在2003—2007年期間相對(duì)較穩(wěn)定。

(2)2008年于田地震之后，阿什庫(kù)勒火山群地區(qū)整體有E向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，到2010年7月，累積最大位移約1cm，為震后塊體應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果，非火山活動(dòng)引起。地表同震破裂帶北端在震后顯示出了較強(qiáng)的E向水平運(yùn)動(dòng)和垂向下沉運(yùn)動(dòng)的形變態(tài)勢(shì)，累積最大約6cm，與火山活動(dòng)沒有必然的聯(lián)系。

(3)1970—2011年的地震目錄表明，阿什庫(kù)勒火山群在過(guò)去的40多年以來(lái)沒有發(fā)生火山地震活動(dòng)事件。

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