基于升降軌ASAR的于田Ms 7．3級地震同震形變場信息提取與分析

洪順英，申旭輝，單新建，劉智榮，戴婭瓊，荊 鳳

(1．中國地震局地質研究所，北京 100029;2．中國地震局地震預測研究所，北京 100036;3．防災科技學院，北京 101601)

基于升降軌ASAR的于田Ms 7．3級地震同震形變場信息提取與分析

洪順英1，2，申旭輝2，單新建1，劉智榮3，戴婭瓊2，荊 鳳2

(1．中國地震局地質研究所，北京 100029;2．中國地震局地震預測研究所，北京 100036;3．防災科技學院，北京 101601)

升降軌干涉測量可以更好地反映地震同震形變場特征。利用歐空局ASAR數據通過二軌法差分干涉測量提取了新疆于田縣Ms 7．3級地震升降軌同震形變場信息。結果顯示:升軌同震形變場最大視線向(LOS)隆升形變量約+13．3 cm，沉降形變量約－83．9 cm;降軌同震形變場最大LOS向隆升形變量約+36．5 cm，沉降形變量約－66．5 cm。于田地震以NNE向正斷層破裂為主，并伴隨左旋走滑運動，西北盤為正斷層破裂的上盤(沉降盤)，東南盤為正斷層破裂的下盤(隆升盤)。升降軌同震形變場存在一定差異，但其變化趨勢與特征非常相似，其差異主要是由于兩種不同觀測模式所造成的。

于田地震;升降軌;D－InSAR;同震形變場;視線向

0 引言

據中國地震臺網(CENC)測定，2008年3月20日在新疆維吾爾自治區和田地區于田縣發生Ms 7．3級地震(震中 35．64°N，81．54°E)。這是繼 2001 年11月青海與新疆交界昆侖山口西8．1級地震后，中國大陸發生的最大一次地震，打破了中國大陸7級以上地震平靜6 a多的現象。

SAR干涉測量技術具有全天候、全天時、觀測范圍大、穿透性好、動態性強以及不受區域限制等優勢。其觀測結果與離散點測量技術相比，具有空間連續覆蓋的優勢，可有效彌補常規地面形變測量手段的不足?；贒－InSAR技術的優勢，國內外學者相繼開展了一系列地震同震、震后及震前形變場特征及孕震構造機理研究［1－9］。于田地震區地質環境惡劣，缺少GPS測量和水準測量資料。雖然震后進行了臨時考察與觀測，但受地域局限性與圖像空間分辨率的制約，無法獲取覆蓋整個地震形變區的高分辨率的地殼形變信息。因此，本文利用歐空局升降軌的ASAR雷達數據進行差分干涉處理，獲取于田地震同震形變場信息，并對同震形變特征進行分析，為進一步的于田地震發震構造模型與孕震機理研究奠定基礎。

1 地質背景

新疆阿爾金地區是目前我國地震臺網監控能力最弱的地區之一，而于田地震恰好發生在西昆侖斷裂帶和阿爾金山斷裂帶的交匯部位。據CENC測定，震中位于阿什庫勒盆地南緣，恰好處于NE向左旋走滑的阿爾金斷裂與NW向右旋走滑的康西瓦斷裂的過渡帶(圖1)，地震構造較復雜。阿爾金斷裂西南端有3條分支［10］，呈向西撒開的“帚狀”構造:北面一支分布在硝爾庫勒盆地;中間一支分布在阿什庫勒盆地，是這次地震主要的發震斷裂;南面一支一直延伸到郭扎錯盆地，限制了余震的分布范圍。美國國家地震信息中心(NEIC)提供的震源機制解釋為，于田地震破裂是以拉張為主略帶走滑的正破裂，是阿爾金深斷裂左旋扭錯的結果［11］。

圖1 于田地震區地震構造Fig．1 Seismotectonic diagram of the Yutian earthquake region

于田地震主震之后又發生了若干次5級以上強余震，根據雷達數據的覆蓋范圍與成像時間進行查詢，位于研究區之內的5級以上強余震如表1所示。

表1 于田地震主震及強余震(據NEIC)Tab．1 Yutian earthquake mains hock and strong aftershock(by NEIC)

2 同震形變場信息提取

2．1 雷達數據選擇

選擇ENVISAT ASAR Image IS2的0級數據產品，中心入射角約23°，用到的4景升軌與降軌數據如表2所示，數據覆蓋范圍如圖1所示。軌道數據采用Delft大學的精密軌道數據(2008年以前)與DORIS軌道數據(2008年以后)。外部DEM采用SRTM 3″，其中的數據漏洞利用GTOPO 30數據填補。

表2 ASAR IS2 L0級數據Tab．2 ASAR IS2 L0 data

2．2 D－InSAR數據處理與信息提取

利用二軌法D－InSAR進行數據處理與信息提取。從表2可知，升軌形變像對的垂直基線距為28 m，降軌形變像對的垂直基線距為126 m，相對應的升降軌高度模糊數分別為331 m與74 m。根據Rodriguez［12］對 SRTM 的精度分析，SRTM DEM 的平均垂直精度絕對誤差約為16 m。因此，若以此誤差來分析，在忽略DEM與SAR圖像配準誤差(升軌誤差:距離向0．172像元，方位向0．133像元;降軌誤差:距離向0．190像元，方位向 0．127像元)條件下，外部DEM誤差對升降軌干涉處理影響分別約為16/331個條紋(約1．3 mm)與 16/74個條紋(約6．0 mm)，本文均忽略不計。

二軌法首先利用外部DEM，基于形變干涉像對(Defo pair)的幾何與坐標系統模擬生成一個合成的地形干涉像對(Topo pair)，然后從形變干涉像對中減去地形相位信息，得到形變相位信息［13］。主要的差分干涉處理過程如下:

(1)單視復數圖像生成。由于獲取的是0級數據產品，需要將其轉換成SLC圖像方可進行干涉處理，轉換時利用Delft大學精密軌道與DORIS精密軌道對雷達圖像本身自帶的軌道進行修正。

(2)模擬地形相位生成。利用外部DEM數據，基于主圖像的幾何坐標系統與成像特征，生成模擬的SAR圖像，再通過模擬 SAR圖像配準到真實SAR圖像，建立精確的對照表，最后生成與主圖像精確配準的模擬地形相位信息(φtpop)。

(3)形變像對干涉處理。選定主從圖像，先進行圖像的精確匹配(誤差小于0．125像元)，再進行干涉處理生成纏繞的干涉相位信息。

(4)去平地效應。基于精密軌道對纏繞的干涉相位進行去平地效應，得到去除平地效應影響的干涉相位(φflat)。

(5)形變相位信息生成。利用φflat－φtopo，在忽略大氣延遲、DEM誤差與噪聲誤差的影響下便得到反映地表形變的干涉相位(φdefo)。

(6)形變相位解纏。為了盡量得到震中區附近的形變信息，采用三角格網最小費用流法(Minimum Cost Flow)對φdefo進行相位解纏。解纏時先生成相干性掩模，對低相干區域(相干性＜0．2)進行掩模處理，對其他區域進行相位解纏，以提高解纏速度與精度。

(7)視線向形變量轉換。將解纏后的形變相位進行相位到形變量的轉換，生成雷達衛星與地球表面之間視線向方向的距離變化信息。

(8)地理編碼。將視線向形變量由雷達坐標系統向地理坐標系統轉換，并將成果導出以便分析。通過處理獲取的升降軌于田地震同震形變場如 圖2、3所示。

圖2 于田地震LOS向同震形變場(解纏)(1個條紋代表2．8 cm的LOS向形變量;紅色虛線為推測的NNE向正斷層地震破裂帶;西北沉降盤與東南隆升盤分別為正斷層破裂的上盤與下盤;黑色虛線框為圖3范圍)Fig．2 The LOS coseismic deformation field of Yutian Earthquake(unw rapped)

圖3 于田地震LOS向同震形變場(解纏)(藍色代表LOS向沉降形變區，紅色代表LOS向隆升形變區;L1、L2、L3為形變剖面線，結果如圖4所示;紅色虛線為推測的NNE向正斷層地震破裂帶，西北沉降盤為正斷層破裂上盤，東南隆升盤為正斷層破裂下盤;紅點為根據NEIC公布的5級以上于田地震主余震(表1))Fig．3 The LOS coseismic deformation field of Yutian earthquake(unw rapped)

3 同震形變場分析

3．1 形變場基本特征

于田地震是目前少數幾個可以同時獲取其升降軌同震形變場的震例。研究升降軌同震形變場可以更有效地認識地震形變特征，從而為進一步的地震機理模擬研究提供更多的約束條件。

降軌同震形變場(圖2a、3a)具有明顯的沉降形變中心與隆升形變中心，并且以NNE向地震破裂帶為分界線，西北側為視線向沉降形變區，東南側為視線向隆升形變區;從形變值統計來分析，最大沉降形變值為－66．5 cm，最大隆升形變值為+36．5 cm，沉降形變量遠大于隆升形變量。

升軌同震形變場(圖2b、3b)沉降形變區非常明顯，最大沉降形變值為－83．9 cm，最大隆升形變值為+13．3 cm，沉降形變量遠大于隆升形變量。

因此，升降軌同震形變場均以沉降形變為主，而沉降形變是正斷層破裂造成的形變特點，反映了于田地震具有正斷層破裂特征。同時，結合降軌觀測得到的視線向沉降形變區與視線向隆升形變區的位置關系(圖2a、3a)，可以初步推測NNE向地震破裂帶(可能未出露地表)主要是一條正斷層，并且其傾向西北，破裂帶西北盤為正斷層的上盤(沉降盤)，破裂帶東南盤為正斷層的下盤(隆升盤)。

按正斷層破裂模式，同震形變場的沉降形變區應位于地震破裂帶的西北盤，而隆升形變區應位于相對稱的地震破裂帶的東南盤區域。衛星觀測到的降軌同震形變場(圖2a、3a)符合這一特征，即西北盤(上盤)表現為視線向沉降，東南盤(下盤)表現為視線向隆升，而且主動盤的形變量遠大于被動盤。但是，純粹的正斷層破裂模式無法解釋升軌觀測結果(圖2b、3b)。按純粹的正斷層破裂模式，西北盤(上盤)的觀測結果應為視線向沉降，東北盤(下盤)應為視線向隆升。但是，實際的升軌觀測結果表明東南盤(下盤)的觀測結果為視線向沉降(圖2b、3b)。

因此，本研究推測于田地震除以正斷層破裂為主以外，還伴隨著左旋走滑運動。降軌觀測時由于衛星軌道為NNE向(圖2a，基本與NNE向正斷層破裂帶平行)，因此沿NNE向正斷層可能存在的走滑運動在降軌觀測模式下無法得到反映，降軌觀測主要反映的是NNE向正斷層的垂直運動，所以其得到的同震形變場非常符合正斷層破裂模式(圖2a、3a)。升軌觀測時衛星軌道為NNW向，與NNE向正斷層破裂帶呈斜交狀態，沿NNE向正斷層可能存在的走滑運動可以得到比較好的反映。此時，東南盤(下盤)的隆升形變使視線向距離縮短，然而左旋運動卻使東南盤視線向距離增加，并且左旋運動造成視線向距離增加量超過其隆升形變造成的視線向距離縮短量，因而東南盤升軌觀測時表現為視線向沉降(圖2b、3b)。

3．2 形變剖面線分析

為了進一步揭示于田地震升降軌同震形變場的特征，沿西北盤、東南盤與橫穿NNE向正斷層地震破裂帶(可能未出露地表)分別做3條形變剖面線(剖面線位置見圖3)，結果如圖4所示。

圖4 形變剖面線Fig．4 The deformation section

由圖4a分析可知，升降軌觀測的西北盤均表現為視線向沉降形變特征，且沉降形變曲線變化趨勢基本相同，均存在兩個沉降形變中心，北沉降中心的沉降范圍與沉降形變量均遠大于南沉降中心的。根據美國NEIC公布的于田地震主余震震中位置(圖3)，2008年3月20日(UTC)Mw 7．2級主震恰好位于北沉降中心，而2008年3月21日(UTC)的Mw 5．2級余震恰好位于南沉降中心。因此，北沉降中心的形成是受Mw 7．2級主震的影響，而南沉降中心可能是受Mw 5．2級余震影響，主震引起的沉降形變量與沉降區范圍遠大于余震的。

由圖4b分析可知，升降軌觀測的東南盤大部分區域具有相反的視線向形變特征:降軌時呈“弓”形隆升，具有明顯的隆升形變中心，南北兩端隆升形變量較小，中部隆升形變量增大;升軌時東南盤大部分區域呈視線向沉降形變特征，特別是北部視線向沉降形變明顯，越往南視線向沉降形變逐漸減小，具有視線向傾斜形變的特點。東南盤升降軌觀測到的不同視線向形變特征，說明NNE向正斷層地震破裂應該還伴隨著左旋走滑運動。

由圖4c分析可知，升降軌同震形變場西北盤與東南盤均具有比較明顯的形變分界線，西北盤均呈負值形變量，表現為LOS向沉降形變，且形變曲線形態非常相似均呈“U”字形;東南盤雖然升降軌觀測到的LOS形變值存在很大差異(降軌為正值，升軌為負值)，但其形變曲線形態非常相似，均呈“弓”形。而且，從整個剖面線形態來分析，雖然升降軌觀測得到的LOS向形變值存在一定的差異(甚至相反)，但是整個形變剖面線的形態與變化趨勢非常相似。升軌觀測時雖然東南盤為負值LOS向形變，但相對于其西北盤來說，總體趨勢還是隆升的，與降軌觀測反映的結果是吻合的，都是對同一個地震形變場的如實反映，只不過是由于采用了兩種不同的觀測模式，產生了不同的視線向形變量觀測結果而已。

4 結論

(1)升降軌觀測到的視線向沉降形變量均遠大于隆升形變量，反應了于田地震破裂主要以正斷層破裂方式為主。以NNE向分界線為界，整個形變場可分為西北沉降盤(上盤)與東南隆升盤(下盤)。

(2)西北盤升降軌觀測均表現為視線向沉降形變特征;東南盤降軌觀測時表現為視線向隆升形變特征，而升軌觀測時表現為視線向沉降形變特征，揭示了于田地震破裂除以正斷裂破裂方式為主外，還伴隨左旋走滑運動。

(3)造成升降軌同震形變場視線向形變量差異的原因是升降軌兩種不同的觀測模式。

(4)升降軌觀測獲取的同震形變場形變量值存在差異，但是其形變分布與變化趨勢特征相似，兩者的觀測結果并不矛盾，均是可靠的。

升降軌同震干涉形變場的獲取極大地彌補了形變資料不足的現狀，加深了對于田地震同震變形特征、震源機制等問題的認識，并為進一步的地震破裂模擬研究提供更好的約束條件。

致謝:本文中所利用的ASAR數據由歐空局(ESA)提供(項目編號 C1P．5623)。

［1］Massonnet D，Rossi M，Carmona C，et al．The Displacement Field of The Landers Earthquake Mapped by Rader Interferometry［J］．Nature，1993，364:138 －142．

［2］Peltzer G，Frederic Crampe，Gsofmy King．Evidence of Nonlinear Elasticity of the Crust from the Mw 7．6 Manyi(Tibet)Earthquake［J］．Science，1999，286:272 －276．

［3］單新建，馬 瑾，王長林，等．利用星載D－InSAR技術獲取的地表形變場提取瑪尼地震震源斷層參數［J］．中國科學，2002，32(10):837 －844．

［4］Ryder I，Parsons B，W right T J，et al．Post－ seismic Motion Following the 1997 Manyi(Tibet)Earthquake:InSAR Observations and Modelling［J］．Geophysical Journal International，2007，169:1009－1027．

［5］Lin A M，Fu B H，Gun JM，et al．Co－ seismic Strike－ slip and Rupture Length Produced by the 2001 Ms 8．1 Central Kunlun Earthquake［J］．Science，2002，296:2015 － 2017．

［6］王 超，劉 智，張 紅，等．張北—尚義地震同震形變場雷達差分干涉測量［J］．科學通報，2000，45(23):2550 －2554．

［7］Pathier E，Frnneau B，et al．Coseismic Displacements of the Footwall of the Chelungpu Fault Caused by the 1999，Taiwan，Chi－Chi Earthquake from InSAR and GPSData［J］．Earth Planet Scicence Letters，2003，212:73 －88．

［8］劉國祥，丁曉利，李志偉，等．ERS衛星雷達干涉測量:1999年臺灣集集大地震震前和同震地表位移［J］．地球物理學報，2002，45(增刊):165 －174．

［9］洪順英，劉智榮，戴婭瓊，等．西藏改則地震升降軌同震形變場特征分析與破裂模式［J］．國土資源遙感，2010(1):44－48．

［10］尹光華，蔣靖祥，吳國棟．2008年3月21日于田7．4級地震的構造背景［J］．干旱區地理，2008，31(4):543－549．

［11］陳學忠，蔣長勝，李燕娥．2008年3月21日新疆于田7．3級地震［J］．國際地震動態，2008(4):18－28．

［12］Rodriguez E，Morris C S，Belz JE，et al．An Assessment of the SRTM Topographic Products［R］．JPL D －31639，Jet Propulsion Laboratory，Pasadena，California，2005:143．

［13］LI Zhiwei．Modeling Atmospheric Effects on Repeat－ pass InSAR Measurements［D］．Hong Kong:Department of Land Surveying and Geo －Informatics，the Hong Kong Polytechnic University，2004．

(責任編輯:刁淑娟)

The Calculation and Analysis of the Co－seismic Deformation Field of Yutian M s 7．3 Earthquake Basing on the Ascending and Descending Orbit ASAR Data

HONG Shun －ying1，2，SHEN Xu －hui2，SHAN Xin －jian1，LIU Zhi－rong3，DAIYa－qiong2，JING Feng2
(1．Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China;2．Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China;3．Institute of Disaster Prevention Science and Technology，Beijing 101601，China)

The Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar(D－InSAR)based on the ascending and descending orbit data can better reveal the feature of coseismic deformation fields．With the ASAR data from European Space Agency(ESA)and two－pass D －InSAR measurement，this paper obtained both ascending orbit and descending orbit coseismic deformation fields of Yutian Ms7．3 Earthquake．The results show that the max LOS uplifting value is about+13．3 cm and the subsiding value is about －82．0 cm in the ascending－orbit coseismic deformation field，and the max LOSuplifting value is about+36．5 cm and the subsiding value is about －66．5 cm in the descending－orbit coseismic deformation field．The Yutian Earthquake is mainly rupturing along the NNE－trending normal fault with a little left－striking，the northwest plate is the hanging－wall(subsiding)of the normal fault，and the southeast plate is the foot wall(uplifting)of the normal fault．The coseismic deformation fields of ascending and descending orbits are different from each other in some aspects，but their variable tendencies and characteristics are similar，and the difference is mainly due to the two different observation modes．

Yutian Earthquake;Ascending and Descending Orbit;D－InSAR;Coseismic deformation field;LOS

洪順英(1979－)，男，博士研究生，助理研究員，主要從事InSAR技術地震應用、遙感地質與GIS等方面的科研工作。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0098－05

2009－12－04;

2010－03－10

國家科技支撐計劃課題(編號:2008BAC35B04)、中國地震局地震預測研究所基本科研業務經費(編號:02092443，02092403)及中國地震局地震科學聯合基金(編號:C07007)聯合資助。