趙強(qiáng) 蘇琴

摘要：冕寧跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地1-1C測(cè)段觀測(cè)曲線從2016年6月開(kāi)始出現(xiàn)大幅度突降，這是自汶川8.0級(jí)地震后四川地區(qū)出現(xiàn)的顯著巨幅異常。針對(duì)該異常，使用Sentinel-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，利用SBAS技術(shù)對(duì)冕寧跨斷層場(chǎng)地進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)SBAS-InSAR技術(shù)獲取了變空間范圍和幅度以及形變時(shí)間序列曲線。結(jié)果表明：（1）從空間看，形變中心位于西康溫泉井附近；（2）從形變時(shí)間序列曲線上可以看出，沉降發(fā)生的時(shí)間與西康溫泉井活動(dòng)一致。因此，認(rèn)為此形變是由西康溫泉井抽水引起的。

關(guān)鍵詞：冕寧；跨斷層場(chǎng)地；InSAR；地面沉降

中圖分類號(hào)：P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）03-0361-07

0 引言

InSAR技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的空間大地測(cè)量技術(shù)，具有全天候、無(wú)接觸、大范圍、高空間分辨率、高精度等優(yōu)勢(shì)。與以往的監(jiān)測(cè)手段相比，InSAR技術(shù)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、大尺度范圍、高精度等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法只能監(jiān)測(cè)有限離散點(diǎn)的不足，在地面形變監(jiān)測(cè)方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)（張磊等，2017；季靈運(yùn)等，2015）。其中SBAS-InSAR技術(shù)，是一種時(shí)序分析技術(shù)，能夠克服時(shí)空失相干和大氣效應(yīng)的影響，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間間隔的地表形變，獲得研究區(qū)域的沉降規(guī)律和演化特征，而且SBAS技術(shù)對(duì)影像數(shù)量的要求較低，在地表形變監(jiān)測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用（陳志謀等，2017）。

2016年6月，冕寧跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地1-1C測(cè)段觀測(cè)曲線開(kāi)始出現(xiàn)大幅度突降，經(jīng)過(guò)四川省地震局測(cè)繪工程院（以下簡(jiǎn)稱測(cè)繪院）、四川省地震預(yù)報(bào)研究中心、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心等多家單位10余次的實(shí)地調(diào)查核實(shí)和討論，認(rèn)為冕寧跨斷層短水準(zhǔn)場(chǎng)地2-1測(cè)段地表未見(jiàn)斷層通過(guò)，表明該段未跨安寧河主干斷裂；3-2和4-3測(cè)段跨安寧河主干斷裂。短水準(zhǔn)異常變化最大段為1-1C段，對(duì)該測(cè)段所有端點(diǎn)和過(guò)渡點(diǎn)相對(duì)于2016年1月的高程變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在1號(hào)點(diǎn)附近至少有1.1 km范圍出現(xiàn)形變，跨主干斷裂的3-2測(cè)段沒(méi)有監(jiān)測(cè)到明顯變化。形變與滑坡、降水、房屋荷載等環(huán)境因素關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，可能與距離1號(hào)點(diǎn)約215 m的西康溫泉鉆井、出水有關(guān)，或者是由1-1C測(cè)段附近的隱伏斷層活動(dòng)所引起①。該形變究竟是地震前兆還是由于抽水引起的值得深入研究。

由于傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量是基于點(diǎn)的觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)分布稀疏，難以在宏觀上揭示整個(gè)形變區(qū)域的形變規(guī)律（李寧等，2017）。因此，本文采用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)冕寧跨斷層場(chǎng)地形變，確定形變的空間范圍，判斷形變的原因。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)歷史資料（圖1），冕寧短水準(zhǔn)觀測(cè)曲線從1998年開(kāi)始出現(xiàn)趨勢(shì)性下降壓性變化，水準(zhǔn)場(chǎng)地100 km范圍內(nèi)4.0級(jí)以上地震活動(dòng)增多，反映出川滇塊體附近斷層受到了區(qū)域的擠壓應(yīng)力作用。在2001年雅江6.0級(jí)（震中距134 km）、2008年汶川8.0級(jí)（震中距216 km）、2013年蘆山7.0級(jí)（震中距184 km）地震前后，曲線下降趨勢(shì)明顯減弱，持續(xù)2～3 a后再繼續(xù)下降。由此認(rèn)為：在區(qū)域強(qiáng)震發(fā)生前后，冕寧跨斷層水準(zhǔn)觀測(cè)曲線存在破年變現(xiàn)象。2014年9—12月，觀測(cè)曲線有近6 mm的上升變化（圖1中矩形方框所示），轉(zhuǎn)折過(guò)程中發(fā)生了金口河5.0級(jí)地震，震后曲線一直在低值波動(dòng)變化，表明該處斷層未完成年變，有“閉鎖”痕跡，2016年在恢復(fù)正常年變的過(guò)程中曲線出現(xiàn)大幅度突降（最大幅度16.87 mm），分析歷史資料，沒(méi)有類似的震例可以參考。2016年6月以前單期變化最大值為2.98 mm，而7月突降5.63 mm，之后持續(xù)下降，主要由1-1C段變化所致。

冕寧跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)位于西昌市冕寧縣城廂鎮(zhèn)枧槽村六組，處于2017年道孚—川滇交界東側(cè)7.0級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，跨越川滇菱形塊體東邊界安寧河斷裂，是短臨跟蹤的重點(diǎn)區(qū)域。該水準(zhǔn)場(chǎng)地跨越的近S-N向安寧河斷裂帶是川滇塊體東邊界活動(dòng)斷裂帶之一。在冕寧附近，安寧河活動(dòng)斷裂帶由主干斷裂、西支斷裂和彝?！笊綌嗔眩ㄏ喈?dāng)于東支斷裂）組成（圖2），伴有若干平行或次平行的低級(jí)分支，總體的新活動(dòng)性質(zhì)為逆-左旋走滑；在主斷裂、分支斷裂和次級(jí)斷裂之間的巖塊，除了走滑運(yùn)動(dòng)外，還伴有不等的相對(duì)垂直升降運(yùn)動(dòng)（聞學(xué)澤，2000）。

冕寧跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地共設(shè)有1，1C，2，2B，3共5個(gè)固定點(diǎn)（場(chǎng)地選埋時(shí)認(rèn)為1至2、2至3測(cè)段跨過(guò)斷層，考慮到測(cè)線較長(zhǎng)，1C，2B作為相對(duì)固定的過(guò)渡點(diǎn)），其中1號(hào)點(diǎn)位于斜坡小樹(shù)林中；1C，2B位于農(nóng)田旁；2號(hào)點(diǎn)位于小河溝旁邊；3號(hào)點(diǎn)位于馬尿河邊，視野開(kāi)闊，周圍無(wú)大型工礦企業(yè)，觀測(cè)環(huán)境良好，交通方便（圖2）。冕寧水準(zhǔn)場(chǎng)地原設(shè)計(jì)是跨越安寧河斷裂帶的主干活動(dòng)斷裂，但由于位于主干斷裂上盤(pán)的4號(hào)點(diǎn)1993年停測(cè)，3號(hào)點(diǎn)又位于主干斷裂破碎帶上，使得本場(chǎng)地自1993年以來(lái)不能有效跨越安寧河主干活動(dòng)斷裂。

2 技術(shù)方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 SBAS-InSAR技術(shù)簡(jiǎn)介

SBAS技術(shù)是Berardino和Lanari等研究人員提出的一種長(zhǎng)時(shí)間序列InSAR分析方法（Berardino et al，2002；Mora et al，2003；嚴(yán)建國(guó)，李雙平，2002），是基于高相干散射體上穩(wěn)定可靠的相位信息，通過(guò)相位模型迭代擬合的方法來(lái)估計(jì)和去除各類誤差項(xiàng)，達(dá)到提取微小形變信號(hào)的目的（劉一霖，2016）。其原理是將小于給定的垂直基線和時(shí)間基線閾值條件內(nèi)的所有SAR影像進(jìn)行干涉組合，由于在影像自由組合干涉時(shí)對(duì)時(shí)空基線進(jìn)行了限制，因此能獲得若干幅獨(dú)立、高相干性的干涉圖。然后對(duì)所有干涉對(duì)進(jìn)行去除地平相位、地形相位和解纏處理。在此基礎(chǔ)上，高程（DEM）誤差與線性形變相位，并將其從原始干涉相位中去除，然后對(duì)殘余相位進(jìn)行相位解纏并通過(guò)時(shí)空域?yàn)V波分離出地表形變相位與大氣延遲相位，最終可獲取到完整的地表形變時(shí)間序列。在對(duì)多個(gè)干涉圖子集進(jìn)行聯(lián)合求解時(shí)，SBAS采用矩陣奇異值分解（Single Value Decomposition，簡(jiǎn)稱SVD）算法對(duì)干涉對(duì)組合較好的基線集進(jìn)行最小二乘求解，增加了時(shí)間采樣，提高干涉對(duì)的時(shí)空相干性，獲取最終形變時(shí)間序列結(jié)果（屈春燕等，2014）。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)設(shè)定的小基線原則自由組合影像干涉對(duì)，使時(shí)空失相干和DEM引起的誤差大大減少，能有效利用相干的點(diǎn)目標(biāo)和分布目標(biāo)，增加觀測(cè)值，使觀測(cè)時(shí)間加長(zhǎng)，在數(shù)據(jù)量較少的情況下，也能開(kāi)展有效的干涉測(cè)量（劉一霖，2016）。

2.2 SBAS時(shí)序分析

本文使用歐空局的哨兵1A和1B（Sentinel-1雷達(dá)探測(cè)衛(wèi)星）雷達(dá)影像，成像波段為C波段，該影像可以免費(fèi)下載，具有雙極化、短重訪周期、多模式等優(yōu)點(diǎn)。

哨兵1A和1B影像的具體參數(shù)如下：影像幅寬250 km，空間分辨率為5～20 m。為減少計(jì)算量，對(duì)影像統(tǒng)一做了裁剪，得到范圍為 （102.170°～102.248°E），（28.525°～28.595°N）的小區(qū)域。影像時(shí)間跨度為2016年1月至2017年3月，共14景，TOP模式IW（干涉寬幅模式）影像如表1所示。其極化方式為VV極化，軌道號(hào)為135（降軌）。

為了更好地進(jìn)行干涉測(cè)量，消除軌道誤差，本文使用Sentinel-1衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)。另外，選取90 m采樣間隔SRTM V4 DEM作為外部DEM數(shù)據(jù)，以去除地形相位的影響。本文選取2016年1月25日的影像，即第一景影像為超級(jí)主影像，以此影像作為統(tǒng)一的配準(zhǔn)基準(zhǔn)，同時(shí)以此影像作為時(shí)間參考點(diǎn)。由于冕寧跨斷層場(chǎng)地附近植被覆蓋茂密，使得時(shí)空基線較大的干涉對(duì)會(huì)存在嚴(yán)重的失相干，因此設(shè)置時(shí)間基線和空間基線閾值分別為90～400 d和45～200 m，共獲得28對(duì)干涉影像對(duì)，如圖3所示。在28對(duì)影像組合中，最大時(shí)間間隔為378 d，最長(zhǎng)垂直基線為128.443 m，表1列出了所有影像的成像日期及相對(duì)于超級(jí)主影像的時(shí)間基線和垂直基線。

首先將所有影像與超級(jí)主影像進(jìn)行配準(zhǔn)處理，然后對(duì)由小基線原則得到的28對(duì)影像對(duì)進(jìn)行干涉處理。采用Goldstein濾波法和Delaunay MCF解纏方法，因?yàn)檫@2種方法可以很好地處理2個(gè)較孤立的相干性高的區(qū)域，只對(duì)相干性高的部分進(jìn)行解纏，不受低相干像元的影響，對(duì)于有大量相干性低的地物存在時(shí)，如潮濕或植被濃密區(qū)域等，最小化相位突變的影響，得到去平和濾波后的干涉圖、相干系數(shù)圖和解纏結(jié)果。然后對(duì)干涉結(jié)果進(jìn)行軌道精煉和重去平。在進(jìn)行時(shí)序分析時(shí)，通過(guò)查看相干系數(shù)圖，得知研究區(qū)域植被未覆蓋部分的相干系數(shù)基本都大于0.2，覆蓋區(qū)域大部分相干系數(shù)小于0.2，因此設(shè)定相干系數(shù)閾值為0.2。第一次估計(jì)位移速率和殘余地形，對(duì)合成的干涉圖進(jìn)行去平，重新做相位解纏和精煉，二次解纏，生成更優(yōu)化的結(jié)果。在第一步得到的形變速率基礎(chǔ)上，進(jìn)行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，在進(jìn)行大氣濾波時(shí)假設(shè)大氣在空間上是具有高相關(guān)性，因?yàn)榇髿饪臻g相關(guān)距離為1～2 km，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)為1 200 m，時(shí)間上是低的相關(guān)性，設(shè)置參數(shù)時(shí)365天，最后得到更優(yōu)的時(shí)間序列上的形變量和形變速率（圖4）。

3 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基于Sentinel-1A，TOPS模式數(shù)據(jù)，采用SBAS時(shí)序分析方法，對(duì)冕寧跨斷層場(chǎng)地進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，得到該地區(qū)2016年1月至2017年2月的最新沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果（圖4）。

沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，西康溫泉井周邊存在較為嚴(yán)重的沉降，且西康溫泉井位于形變中心，以該點(diǎn)為中心形變場(chǎng)呈橢圓狀分布，形成了監(jiān)測(cè)區(qū)域最大的沉降漏斗，沿衛(wèi)星視線方向沉降速率最大達(dá)到27 mm/a，沉降范圍沿橢圓長(zhǎng)軸方向約為1.2 km，沿短軸方向約0.4 km。分別沿形變中心向外選取5個(gè)點(diǎn)（圖5），得到沉降時(shí)間序列結(jié)果（圖6）。圖6顯示整個(gè)形變場(chǎng)同步沉降，2016年2—9月，為整個(gè)區(qū)域沉降期，沉降速率最大。9月之后，形變中心西康溫泉附近的沉降量平穩(wěn)變化，遠(yuǎn)離西康溫泉井處于形變區(qū)域邊緣開(kāi)始有所回升。

從獲得的1-2支線、1-3支線和2-3支線的水準(zhǔn)觀測(cè)值曲線（圖7）可以看出，沉降主要由于1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)的變化引起。對(duì)比2組沉降曲線（圖6和圖7），利用SBAS-InSAR獲得的沉降時(shí)間序列曲線和水準(zhǔn)觀測(cè)值曲線形態(tài)類似，沉降主要發(fā)生在2016年6—9月。由于1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)位于小樹(shù)林里，受樹(shù)木的遮擋嚴(yán)重，未能在用SBAS技術(shù)獲得的形變場(chǎng)中提取到1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)的形變時(shí)間序列，但是1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)距離西康溫泉僅215 m，此處已查明沒(méi)有明顯的活動(dòng)斷層，西康溫泉井的抽水活動(dòng)必然影響1號(hào)點(diǎn)的觀測(cè)。由此可以判斷西康溫泉的開(kāi)采是引起監(jiān)測(cè)區(qū)域沉降的主要原因。

4 結(jié)論

本文利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)冕寧跨斷層場(chǎng)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，得到該場(chǎng)地2016年1月至2017年2月期間沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

（1）整個(gè)形變場(chǎng)形變范圍沿東北方向約1.2 km，沿西南方向約0.4 km，沉降中心位于西康溫泉井附近，且沉降速率沿視線方向（LOS）最大約為27 mm/a。整個(gè)形變場(chǎng)同步沉降，在9月達(dá)到最大沉降量。

（2）形變場(chǎng)的范圍較小，且未經(jīng)過(guò)斷層，離斷層距離較遠(yuǎn)，形變范圍不受斷層控制，形變范圍和斷層位置沒(méi)有明顯的相關(guān)性。對(duì)比SBAS技術(shù)獲得的形變場(chǎng)時(shí)間序列曲線與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)獲得的1-3和1-2支線沉降曲線，兩組曲線形態(tài)類似，沉降都主要發(fā)生在6—9月。同時(shí)，西康溫泉的抽水活動(dòng)也發(fā)生在6—9月之間，因此，判斷此形變是由于西康溫泉井抽水活動(dòng)引起的。雖然因?yàn)樾?shù)林的遮擋，未能獲取1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)的形變時(shí)間序列，但1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)距離西康溫泉僅215 m，也可以判斷1號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)的形變是由西康溫泉的抽水引起的。

（3）對(duì)比1-2和1-3支線的形變曲線與SBAS獲得的形變曲線，2組曲線形態(tài)類似，但是在沉降量大小上有所差異，這包含水準(zhǔn)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)誤差、SBAS監(jiān)測(cè)誤差和地面沉降的時(shí)空差異。

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Abstract The section 1-1C of the Mianning cross-fault site began to undergo a sharp drop in June 2016.It is a significant anomaly that occurred in the Sichuan region since the Wenchuan M8.0 earthquake.In response to the anomaly，this paper uses Sentinel-1 image data to monitor the subsidence of the cross-fault site in Mianning with the SBAS technology.The spatial extent and amplitude of the topographic variations and the time series curves of the deformation in the Mianning cross-fault field are obtained.InSAR deformation field results show that，first，from the perspective of space，the deformation center is located near the well of Xikang Hot Spring.Second，from the time series curve of deformation，it shows that the subsidence time coincides with the Xikang hot spring well activity.Therefore，we believe that the deformation should be caused by the pumping of the Xikang Hot Spring well.

Keywords：mianning；cross-fault site；InSAR；land subsidence