馬文浩， 孫亞飛， 董昊宸

(河南城建學院 測繪與城市空間信息學院， 河南 平頂山 467002)

青海省位于中國西部，雄踞世界屋脊青藏高原的東北部，位于喜馬拉雅-地中海地震帶(又稱歐亞地震帶)上，主要分布于歐亞大陸，從印度尼西亞開始，一直延伸到大西洋的亞速爾群島。歐亞地震帶所釋放的地震能量占全球地震能量的15%，主要為淺源地震和中源地震[1]。近年來青海地震頻發(fā)，其中，2010年玉樹藏族自治州7.1級地震[2]和2021年青海省果洛藏族自治州7.4級地震[3]以及最近發(fā)生的門源回族自治縣6.9級地震等備受人們關(guān)注。門源回族自治縣位于青海東北部，北倚祁連山，南臨達坂山，地勢西北高，東南低，南北高，中間低，地形復雜，高差懸殊。祁連山脈所在地區(qū)是地震的多發(fā)地帶，所處位置有祁連-海原構(gòu)造帶，其中祁連-海原構(gòu)造帶由凍龍嶺斷裂帶、西部的托萊山斷裂帶、祁連-肅南斷裂帶等諸多斷裂帶共同構(gòu)成[4]。門源自治縣北臨凍龍嶺斷裂帶，又有門源斷裂帶，往西還有托萊山斷裂帶，都屬于該構(gòu)造帶范圍。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(China Earthquake Networks Center,CENC)測定，北京時間2022年1月8日01時45分27秒在青海海北州門源縣(北緯37.77°，東經(jīng)101.26°)發(fā)生Ms6.9級地震，震源深度10 km，截至2022年1月14日，青海海北州門源縣地區(qū)發(fā)生余震3級以上20次，4級以上7次。美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)給出的震級為Ms6.6，震源深度13 km，其震源機制顯示此次地震為凍龍嶺斷裂，圖1給出了門源地震發(fā)生的位置。在地震后如何快速準確地進行調(diào)查分析，對抗震減災、災后重建和人員疏通等方面有很重要作用。

SAR干涉測量(InSAR)技術(shù)是監(jiān)控地表沉降的重要手段之一，具有大范圍、高精度、成本低等優(yōu)點，在地震形變監(jiān)測方面做出很多貢獻[5]。2010年，沈強等[6]利用D-InSAR技術(shù)獲取了青海玉樹Mw6.9地震同震形變場。2021年，劉超亞等[7]基于InSAR技術(shù)得到新疆于田Mw6.3地震的同震形變場，采用SDM方法獲得發(fā)震斷層非均勻滑動分布，并分析了同震庫侖應力變化和對周邊斷層的應力擾動。

與2016年門源地震不同的是，本次地震在凍龍嶺斷裂的西段發(fā)現(xiàn)了長約22 km的地表破裂帶，地表和冰面可見連續(xù)拉張裂隙和擠壓鼓包等破裂組合形式，鼓包高達1.5 m。因此本文使用InSAR技術(shù)、Sentinel-1A數(shù)據(jù)來獲取震區(qū)的地震形變場和地表形變結(jié)果[8-9]，分析地震涉及范圍和特征，計算地震破裂分布、長度，為災情研判和災后救援提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域及SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)

從歐空局(ESA)網(wǎng)站獲取覆蓋2022年1月8日青海門源Ms6.9地震形變區(qū)的Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)，包括Sentinel-1A的升軌T026軌道和降軌T033軌道數(shù)據(jù)，使用兩個短時間基線像對的整景數(shù)據(jù)進行差分干涉測量，影像的基本參數(shù)和覆蓋范圍分別見表1和圖1。Sentinel-1A衛(wèi)星的TOPSAR雷達數(shù)據(jù)采用C波段成像，由于青海地區(qū)裸露地面較多，植被對C波段的影響較小，所以在該地區(qū)具有時間和空間上的優(yōu)勢，能快速得到地震形變場。外部DEM采用SRTM(分辨率為30 m)DEM數(shù)據(jù)。

表1 青海門源地震SAR數(shù)據(jù)基本參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

利用雷達差分干涉處理(D-InSAR)技術(shù)，采用2021年12月29日(震前)和2022年1月10日(震后)相隔12 d的雷達數(shù)據(jù)(Interferometric Wide Swath，IW)進行差分干涉處理。用干涉法求出兩幅影像的相位差ψ(z)[10]為

(1)

式中：ψ(z)為兩次成像的相位差；λ為雷達波長；r為天線到地面點的高度的地表斜距。利用雙軌法得到的干涉圖像中的相位φdint的公式為

φdint=φdisp+φtopo+φatmo+φnoise

(2)

式中：φdint為干涉測量差分處理之后的相位；φdisp為由地表形變引起的形變；φtopo為由地形起伏引起的地形相位；φatmo為兩次成像期間大氣延遲不同引起的相位；φnoise為由雷達目標散射特性的變化引起的噪聲相位。

利用SRTM 30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，以減少地形因素對形變要素帶來的影響并用來地理編碼；濾波采用Giodstein濾波方法[11]，消除由平地相位引起的噪聲；相干性是判斷干涉條紋的重要指標，相干性的計算公式[12]為

(3)

式中：M、N為估計時所采用的窗口大小參數(shù)，圖像中亮度越高的值相干性越好，反之越差。本文利用12 d的影像組成像對，得到質(zhì)量高的相干圖。然后采用最小費用流(MCF)算法進行相位解纏[13]。為了消除大氣效應對相位信息帶來的影響，利用通用型衛(wèi)星雷達大氣改正系統(tǒng)(generic atmospheric correction online service for InSAR,GACOS)來消除大氣中的水蒸氣和氣溶膠等在圖像上造成的噪聲[14]。另外利用創(chuàng)建的地面控制點文件(ground control point，GCP)來消除可能存在的斜坡相位，對衛(wèi)星軌道和相位偏移進行糾正，最終獲得2022年門源地震同震地表形變場和形變數(shù)據(jù)結(jié)果[15]。

3 地震形變結(jié)果與分析

InSAR技術(shù)獲取的地震形變場如圖2(降軌)和圖3(升軌)所示，升軌數(shù)據(jù)由于視向限制，只能觀測到震區(qū)一部分，而降軌數(shù)據(jù)則包含整個形變區(qū)域。降軌觀測結(jié)果顯示，西南部抬升明顯，最大值為0.66 m，東北部地表下沉嚴重，最大值為0.54 m，五角星為門源Ms6.9地震震中位置。根據(jù)干涉結(jié)果顯示，形變場中心分隔區(qū)沿西北向東南方向延伸，這和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)發(fā)布的震源參數(shù)的走向基本一致。在干涉條紋圖中還可以看到，由斷裂帶向西北據(jù)震心約1.2 km處，還有一條有明顯的斷裂帶(圖2中A1—A1′)，與托萊山斷裂帶基本吻合。另外，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)顯示，在當天2時9分5秒發(fā)生Ms5.1級地震，同一時間，沿斷裂帶向東南據(jù)震心約6 km處也有較為明顯的地表沉降信號(圖2中A3—A3′)，該地發(fā)生了Ms 3.4級地震。由此推斷，本次地震形變位于托萊山和凍龍嶺斷裂交匯區(qū)域，可能是托萊山斷裂東段與凍龍嶺斷裂帶西段同時發(fā)生破裂，導致余震集中在凍龍嶺斷裂和托萊山附近。地震震心波及半徑為15～50 km，主震和兩次余震造成的3條破裂帶如圖2所示，其中A2—A2′為Ms6.9地震破裂帶，約10 km左右，A1—A1′，A3—A3′分別為Ms5.1和Ms3.4余震斷裂帶，約3 km。

2016年1月21日門源Ms6.4級地震未造成大面積的地表破裂帶[16-18]。劉云華等[17]認為門源Ms6.4地震由凍龍嶺北側(cè)的弧形次生斷層引起，而2022年門源Ms6.9級地震造成了大于20 km的地表破裂；李振洪等[19]利用高分七號衛(wèi)星影像進行分析，發(fā)現(xiàn)了較為明顯的拉張裂隙、擠壓鼓包等地表破裂現(xiàn)象。圖4顯示了垂直于斷層的形變量剖面，從F1—F1′、F2—F2′、F3—F3′、F4—F4′、F5—F5′、F6—F6′結(jié)果顯示，最大地表沉降量在A2—A2′主破裂帶上，抬升量和下沉量相差不大，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析，抬升量較下沉量相比，抬升量比下沉量大0.12 m左右(圖5)。除了F1—F1′和F5—F5′，其他剖面都呈垂直分布，F(xiàn)6—F6′最能反映整體的地震形變，從剖面圖推斷此次地震影響范圍為40～60 km。

圖2 青海門源Ms6.9地震地表形變場(降軌)

圖3 青海門源Ms6.9地震地表形變場(升軌)

圖4 青海門源Ms6.9地震形變結(jié)果

圖5 視線向LOS形變量剖面線

4 結(jié)論

本文利用歐空局哨兵Sentinel-1A升降軌道衛(wèi)星影像，獲取了青海門源Ms6.9級地震結(jié)果，最大視線內(nèi)的沉降量為-0.54 m，其降軌測得最大隆升量為0.66 m，升降軌測得的干涉條紋圖基本一致，根據(jù)剖面圖顯示，InSAR技術(shù)獲取的地表形變信號明顯，其中，斷層的下沉量與抬升量相近。根據(jù)震級、時間和干涉結(jié)果推斷，2022年門源地震斷層主要為凍龍嶺斷裂的西段，并且與托萊山斷裂東南段接壤，導致之后在托萊山斷裂上造成Ms5.1地震，如圖2中A1—A1′所示，有較為明顯的干涉條紋。干涉條紋圖顯示形變特征與左旋走滑型特征相吻合，地震震心波及半徑為15～50 km，形變剖面反映出地表形變分布范圍遠大于垂直斷層分布范圍。