D-INSAR OBSERVATION OF EARTH SURFACE DEFORMATION IN THE MS7.1 YUSHU EARTHQUAKE
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摘要: 采用玉树MS7.1级地震前后两期PALSAR雷达数据(震前2010年1月15日, 震后4月17日)进行了“两轨+DEM”的InSAR处理, 获得了高质量的差分干涉雷达条纹图像和同震变形场。参考该区的基本构造格局, 根据干涉图像的变形范围、变形量和变形梯度可以初步判断:(1)玉树地震诱发了总体上NWW走向, 全长约70km地表陡变带, 陡变带南段位错及陡变梯度较大, 会在地表产生地表破裂；而西北部4段位错及陡变梯度较小, 不易在地表诱发破裂, 但可能在地下一定层位产生了隐伏破裂带；(2)陡变带两侧的雷达视线向运动方向预示发震断裂以左旋走滑运动为主；(3)宏观震中位于玉树县城西北约16km的地表陡变带上。D-InSAR解译结果与中国地震台网中心震源机制解、野外发震断裂调查结果及地貌特征吻合较好, 证明了干涉雷达解译成果的可靠性, 可以为准确定位玉树地震发震断裂地表行迹和快速评定震害损失提供有力的技术支持。Abstract: A "Two Paths+DEM" interferometric process was made for the PALSAR SAR data before (Jan. 15, 2010) and after (Apr. 17, 2010) the Yushu MS7.1 Earthquake, which yielded a high-quality co-seismic InSAR strip image and absolutely surface deformation. Based on the deformation scale, deformation magnitude and deformation gradient, in combination with tectonic setting of the area, the following conclusions can be drawn: (1) Yushu earthquake triggered a 70-km NWW-extending mutation belt, with a southern section Showing greater dislocation and deformation gradient, which will induce surface raptures, and No. 4 segment in northwestern part showing weaker deformation and no ruptures on the ground surface. (2) The SAR motive directions from both sides of mutation belt indicate a dominant sinistral movement of seisgenic faults. (3) The macro-epicenter is located on the mutation belt 16km northwest of Yushu County. The present InSAR interpretations match well with the seismic mechanics, field investigations and geomorphology features from the China Earthquake Networks Center, and can provide better support for rapid evaluation to earthquake hazard and accurately ing surface track of seismogenic fault.
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Key words:
- Yushu Earthquake /
- InSAR /
- Surface Rupture /
- Coseismal seismic Deformation
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0. 前言
继昆仑山口地震(2001年8.1级)、汶川地震(2008年8级) [1~8]之后, 于2010年4月14日07时49分40.7秒, 青海省玉树藏族自治州玉树县发生MS 7.1级地震[9~11]。中国地震台网中心(CENC)测得这次地震的震中位置为33.2°N, 96.6°E, 震源深度14km。美国地质调查局(USGS)公布的震中位置(±6.6km)为33.271°N, 96.629°E, 震源深度为10km, 震级MW6.9。截至4月21日17时, 地震造成2220人遇难, 失踪84人。地震造成连续的地表破裂, 大量民房倒塌, 其中重灾区玉树县州府结古镇房屋倒塌最为严重。
对于玉树地震, 地震波形数据计算的震中位置与地震地质调查的宏观震中存在较大差别。野外可观察到的地表破裂长度只有20~30km, 余震的分布与地震波形数据及野外调查结果的相关性也比较低, 这些观察调查结果都很难全面的约束发震断层的几何特征, 而这是深入理解发震构造的重要信息。InSAR形变场的全面覆盖有望提供详细的断层几何参数和滑动参数, 多种数据源的联合反演可能会提供更加准确的地震构造信息。
震后第3天(2010年4月17日)日本ALOS卫星系统拍摄了震中附近约4000km2范围内的雷达数据, 这样的覆盖对于深入了解玉树MS 7.1级地震是十分必要和及时的。本文利用干涉雷达技术(InSAR)对ALOS雷达数据进行了处理, 获得了玉树地震的同震形变场, 为深刻理解此次地震的形变过程和发生机理, 以及未来地震灾害的演化趋势提供了重要的实测资料。
1. 地质概况与发震断裂
1.1 地质概况
玉树县地处玉树藏族自治州东部, 境内地形以高海拔、低起伏山地为主, 平均高程4548m。研究区内主要水系包括通天河、扎曲、巴曲等。玉树县下辖结古、隆宝、下拉秀、巴塘、安冲、仲达、上拉秀、小苏莽五乡三镇。基本形成以结古镇为中心, 国道214线、玉树—治多、玉树—杂多公路为依托的公路网络体系。在大地构造上, 玉树县处于巴颜喀拉(松潘-甘孜)地块, 与羌塘地块毗邻(图 1)。巴颜喀拉地块与羌塘地块的接触带从玉树地区通过, 玉树7.1级地震则是发生在巴颜喀拉块体南边界中部的甘孜-玉树断裂带上, 该断裂带为青藏高原内部的一条北西向的大型走滑活动断裂带, 同时也是川滇菱形块体的一条重要边界断裂, 它的生成、演化及新活动特征和青藏高原的动力学过程密切相关[12~13] (图 1)。
图 1 甘孜-玉树断裂带地表活动形迹图(据周荣军等[14], 1997年修改)及干涉雷达覆盖范围Figure 1. A map showing the distribution map of Gznai-Yushu active fault zone (after Zhou Rongjun, 1997) and InSAR covering area1.2 玉树地震发震断裂
青海玉树地震是甘孜-玉树活动断裂带突发错动的结果。甘孜-玉树断裂带规模巨大, 西起青海治多县那王草曲塘, 经当江、玉树、邓柯、玉隆至四川甘孜县城南, 全长约500km。甘孜-玉树断裂是在前第四纪基岩断裂带的基础上发展起来的一条全新世强烈活动断裂。老的基岩断裂破碎带一般宽数十米至百余米, 局部地段达数百米。而新的破裂面则局限于比较狭窄的范围内, 一般仅有一条新活动面[14]。甘孜-玉树断裂带晚第四纪以来的强烈左旋走滑运动在地貌上留下了非常醒目的痕迹, 沿断裂线、冲沟、洪积扇、河流阶地、冰碛垄及山脊等往往被断裂左旋错断(图 1)。沿甘孜-玉树活动断裂带, 在玉树-红土山垭口一线, 多处可见多次古地震形成的反向陡坎, 高达0.5~1.5m, 沟谷的左旋位移达35m。
甘孜-玉树断裂带具有长期活动的地质演化历史, 晚新生代以来, 该断裂带构成巴颜喀拉地块的边界带, 构造活动非常强烈, 控制了一系列强烈地震的发生①。北西段和中段走滑速率8mm/a左右, 南东段约10mm/a左右②。另据在断裂南东段甘孜一带的研究表明, 该断裂千年尺度的滑动速率达每年10mm左右, GPS观测的现代滑动速率也在每年10mm左右①。断裂带在玉树县附近的走向为N70°W, 该段曾经在1738年12月23日青海玉树及其西北发生过6.5级地震, 1896年3月在其附近的四川省石渠洛须-青海玉树间发生7.0级地震, 1979年3月29日青海玉树南东6.2级地震②, 2006年7月18、19日在青海玉树发生了5.0、5.6、5.4级地震[15], 2010年4月14日玉树7.1级地震是近年来甘孜-玉树断裂带在玉树①县附近发生的最大一次地震。
① 中国地震局地质研究所, 2010.“青海玉树7.1级地震震区地震构造分析.”http://www.eq-igl.ac.cn/
② 冉勇康, 2010.“甘孜-玉树断裂及历史大地震活动情况简介.”from internet.
2. 数据选取与初步处理
震后日本航空航天局(JAXA)启动了灾害应急观测, 于2010年4月17日晚获取了震后的第一幅PALSAR雷达数据(覆盖范围见图 1), 与震前2010年1月15日观测的数据配成跨越地震且时间基线最短的一对干涉数据。欧空局(ESA)的EnviSAT雷达卫星也制定了玉树地震的干涉雷达观测, 但由于轨道和回归周期的限制2010年4月27日才能够构成覆盖研究区的干涉像对。本文利用的干涉雷达数据对为ALOS卫星487轨道上的650与640两景PALSAR数据, 拍摄时间分别为2010年1月15日和2010年4月17日, 波长23.6cm, 入射角34.3°, 重复轨道间垂直基线距+684m。玉树地区, 高海拔、低起伏、稀疏植被覆盖的自然条件为获取高高度相关的干涉雷达像数据对提供了良好的条件, 有利于后续D-InSAR的处理和分析。
InSAR形变观测结果不能像GPS观测一样直接利用, 这与InSAR的成像特点有关。InSAR观测到的相位变化是地面各个方向形变在雷达视线向(LOS, Look of sight)的投影, 不同方向的形变贡献大小不同, 称为干涉雷达的LOS向模糊问题。根据日本航空航天局ALOS卫星的全球观测策略, 用于覆盖汶川地震的PALSAR雷达图像采用升轨观测, 垂向入射角θ为34.3°, 视线向为NE 81.84°, 计算可得相应的雷达视线向变形量与垂直、北、东变形量关系为:
(1) 式中: dLOS—视线向变形; dup—垂直变形分量; dn—北方向变形分量; de—东方向变形分量。
公式(1)表明干涉雷达的视线向变形主要反映地表垂直形变和近东西向变形, 这对于观测甘孜—玉树走滑型断裂运动比较有利。
本文研究中利用两路差分干涉方法, 使用SRTM DEM数据消除地形相位, 用剪枝法进行解缠, 其优点是充分利用已知地形信息, 通过最少的雷达观测, 在震后快速获得同震形变场。
3. 玉树地震同震变形场的变形特征
初步干涉获取的同震变形D-InSAR图像(图 2)是缠绕在一个相位周期(-π~π弧度)内的D-InSAR观测结果, 相当于卫星视线向(LOS)变形的等值线, 每个条纹代表 11.8cm的LOS变形。干涉条纹图像显示玉树地震产生的变形范围为一个NW—SE走向的椭圆形区域, 椭圆长轴约70km, 短轴约40km, 长轴SE端位于玉树县附近, NW端截止于隆宝乡附近, 涉及范围约2500km2, 干涉图像中可见两处明显变形区, 变形区中心分别位于玉树县城NW侧16km处(图 2A区)及CENC微观震中以南5km附近(图 2B区)。
图 2 玉树地震同震形变InSAR缠绕条纹图Figure 2. Wrapped InSAR strip image of Yushu earthquake co-seismic deformation将干涉雷达条纹图像解算为同震地表变形的绝对量值(图 3), 清晰地展现出一条NWW走向狭长的地表陡变带, 全长72km。总体上, 陡变带SW盘变形为正, 代表顺卫星视线向变形分量较大(近向东运动); NE盘变形为负, 代表逆卫星视线向变形分量较大(近西向运动)。卫星最大视线向拉伸量高值区为35cm, 缩短量高值区为25cm左右, 视线向拉伸量极值为50cm, 视线向缩短量极值为38cm, 都位于玉树县城NWW方位16km附近的区域, 如果这两个LOS最大位移都是由水平运动产生, 则根据LOS变形与地面变形的关系, 破裂带附近水平位错在1.5m以上。
陡变带基本可分为5段(A~E, 图 3中黑色虚线框分段), 对应的a-a′~e-e′五条剖面中可见A段LOS位错量最大, 其位置与现场地震地质调查确定的宏观震中一致; CENC微观震中附近B、C、D段LOS位错可达15cm, 最北段的E段LOS位错为10cm左右, 5条剖面的总体位错量由SE向NW (A~E)逐渐减少。c-c′、e-e′剖面在湿洼地部位亦有明显的形变特征, 现场调查表明沼泽相淤泥质土在地震作用下发生流变滑移, 另一方面季节水位变化会导致膨胀土和冻土的体积变形, 这些地表变形在干涉雷达图像上产生了相应的反映。D-InSAR解译结果与CENC震源机制解、野外发震断裂调查结果(图 3中地表破裂点) ③及地貌特征(图 4)吻合较好, 证明了干涉雷达解译成果的可靠性。
③ 中国地震局, 2010.玉树7.1级地震断层地表破裂带和地质灾害调查报告http://www.cea.gov.cn
图 4 干涉雷达解译地表破裂带(背景为90m SRTM制作的玉树地区地形阴影图)Figure 4. Surface ruptures based on InSAR (Background is the 90m SRTM hillshade map)4. 初步认识
参考该区的基本构造格局, 借鉴以往地震的干涉雷达解译成果特征, 根据InSAR获取的变形范围、变形量和变形梯度可初步推断: (1)玉树地震诱发了总体上NWW走向, 全长约70km地表陡变带, 陡变带南段(图 3中实线段)位错及陡变梯度较大, 会在地表产生地表破裂; 而西北部4段位错及陡变梯度较小(图 3中虚线段), 不易在地表诱发破裂, 但可能在地下一定层位产生了隐伏破裂带。(2)陡变带两侧的地表运动方向预示发震断裂以左旋走滑为主。(3)宏观震中位于玉树县城西北约16km的地表陡变带上。
通过InSAR形变观测, 本文获得了玉树地震同震地壳形变图像, 对于了解该地震的发震机理、准确定位玉树地震发震断裂地表行迹和快速评定震害损失等工作具有一定的参考作用。虽然距离得出断层破裂模型还有较长的路要走, 但是从原始的干涉形变图像上我们已经可以得出一些重要的地质和地球物理信息, 这些信息对于深入研究玉树地震以及震后重建都具有重要意义。下一步需要研究InSAR同震形变的反演, InSAR形变与GPS形变联合反演, 以及同震和震后应力应变场演化等更为重要的科学问题。
D-InSAR监测地形变具有范围大、速度快、空间分布连续、不受天气条件限制、可以对历史地质过程进行追溯研究等优势, 适合于我国西部地区形变观测不便、台网稀少, 但新构造活动发育、活动断裂密集、地震多发的基本情况, 对西部复杂构造运动问题的深入研究具有重要意义。
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图 1 甘孜-玉树断裂带地表活动形迹图(据周荣军等[14], 1997年修改)及干涉雷达覆盖范围
Figure 1. A map showing the distribution map of Gznai-Yushu active fault zone (after Zhou Rongjun, 1997) and InSAR covering area
图 2 玉树地震同震形变InSAR缠绕条纹图
Figure 2. Wrapped InSAR strip image of Yushu earthquake co-seismic deformation
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