基于InSAR技术的同震形变获取、地震应急监测和发震构造研究应用进展
赵德政1), 屈春燕,1),*, 张桂芳1), 龚文瑜1), 单新建1), 朱传华2), 张国宏1), 宋小刚1)
1)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2)深圳大学, 建筑与城市规划学院, 大湾区地理环境监测重点实验室, 深圳 518060
摘要：随着大地测量观测理论、观测平台和观测技术的发展与进步, InSAR作为一种新型的遥感地质观测途径和数据源, 在同震形变获取、地震应急监测、抗震救灾和发震构造科学研究中发挥了越来越重要和不可替代的作用。其中, InSAR在同震形变监测中的应用最为广泛, 能够在重要灾害性地震事件发生后及时响应, 在识别隐伏断层、确定发震断层、监测地表破裂、研究发震断层的运动学特征、获取三维形变以及厘定发震构造等问题中能提供有效的地表观测数据和模型约束。InSAR观测以其大范围、高精度、及时性等技术和数据优势, 在地震应急观测方面的科技支撑作用逐渐凸显, 能解决防震减灾的实际需求并逐渐趋于业务化。梳理近年来InSAR技术在不同活动构造区和地震危险区地震周期形变监测中的应用、分析基于InSAR同震形变观测的断层运动学特征和发震构造研究、讨论InSAR技术的前沿发展趋势, 能更好地服务于当前青藏高原及周边广大地区的防震减灾事业, 有助于实现活动断层的地震危险性评估等科学目标。基于此, 文中简要综述了近20年来InSAR技术在同震形变获取、应用中的现状、业务化、科学认识和存在的问题。
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赵德政, 屈春燕, 张桂芳, 龚文瑜, 单新建, 朱传华, 张国宏, 宋小刚. 基于InSAR技术的同震形变获取、地震应急监测和发震构造研究应用进展[J]. 地震地质, 2023, 45(2): 570-592 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2023.02.016
0 引言
InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术作为近20年来发展起来的新兴大地测量观测方法和手段, 在青藏高原乃至全球不同时空尺度的活动构造、地震、火山、冰川、冻土、裂谷、极地、矿区、滑坡、城市沉降等领域的形变监测和相关运动学、动力学研究中发挥着越来越重要和不可替代的作用。时间动态性、空间连续性与低成本是InSAR技术相对于其他大地测量方法的突出优势。随着新一代SAR卫星(Sentinel、ALOS-2)、国产SAR卫星以及未来不同SAR卫星星座的发射和加入, InSAR的新数据、新理论和新技术在地学综合研究中的应用将越来越广泛, 发展也将越来越成熟。
InSAR技术是多尺度地壳形变监测不可或缺的基本手段。地壳形变是地球板块构造活动性的体现, InSAR最重要的用途就是获取地壳形变, 进而为研究形变的时空动态演化过程及其发生机理提供重要的数据支撑。地壳形变具有不同的时空尺度, 多平台、短周期、大面积连续观测的InSAR技术为研究形变的时空效应及其基本特征提供了数据保证。地壳形变反映了地表以下浅部、深部地壳介质的物理过程和物理属性, InSAR技术获取的地表形变信息为深入认识和研究地下断层几何结构、地震破裂和滑动分布、活动构造单元的活动性和物理性质、岩石圈流变、断层周围地壳结构提供了基本的观测依据。同时, InSAR数据在地震, 尤其是大地震的应急形变观测中发挥着越来越重要的作用。InSAR数据的短周期(6~12d)、空间大范围覆盖和形变监测的高精度为快速获取地震形变、指导震后野外科学考察、识别地震地表破裂带、判定未来震情等工作提供了重要的形变信息, 为防震减灾工作提供了科技支撑。
InSAR技术在青藏高原活动构造和断层周期形变监测研究中的应用也越来越广泛。青藏高原及周边地区是国内地学研究的热点与前沿阵地, InSAR技术在青藏高原的地壳形变动态监测中发挥着越来越重要的作用, 和点位精度更高的GPS、水准等空间稀疏数据互为验证和补充, 有助于更好地研究和认识青藏高原大尺度的岩石圈变形模式与规律及小尺度的地壳应变积累与分配状态。断层、山脉、冻土和湖泊是青藏高原主要的地质、构造和地理单元。这些单元的活动性和相互作用将产生可探测和记录的地壳形变信号。这些形变信号是否能够潜在地影响人类生产和生活、是否具有一般的规律性和普遍的时空发展特征、是否反映了地壳更深部或更加综合的构造过程, 是InSAR形变研究的重要着力点, 相关成果为地震、地质灾害动力学机理的深入认识和预防提供了一手研究资料。另一方面, 这些地壳形变信号通常是微小的形变信号(0~50mm/a量级), InSAR数据本身的相位噪音和各种相位误差干扰了InSAR获取形变信息的精确性。近年来发展起来的多种时序InSAR技术和相位误差校正方法、各种大气校正模型等进一步提升了InSAR技术监测形变应用的广泛性、时效性和精确性, 可为地震灾害的准实时响应和快速救灾决策、灾害预警中提供关键资料。
InSAR技术应用广泛, 本文主要关注InSAR技术在同震形变监测和发震构造研究、地震应急观测中的应用、优势及其局限性。为了梳理近年来InSAR技术在青藏高原(结合在全球其他地区)同震形变获取中的关键科学认识和技术发展趋势, 本文将总结和分析过去十几年来InSAR技术的基本理论方法, 探讨这些应用中的关键科学问题和技术难点, 为进一步拓宽InSAR的应用范围、提升InSAR新技术的应用潜力提供一定的借鉴和思路。
1 InSAR同震形变监测与防震减灾的观测需求
青藏高原及其周缘地区是大地震、强震以及中强地震(震群)活动的重点研究和关注区域。阿尔金断裂带、海原断裂带、东昆仑断裂带、鲜水河断裂带、喀喇昆仑断裂带、龙门山逆冲断裂带以及南缘的喜马拉雅主逆冲前缘断裂带等大型活动断裂具有很高的孕震、发震危险性(图1, 2)。
自1997年 MW7.5 玛尼地震(Shan et al., 2004; 孙建宝等, 2007)发生以来, 相继发生了2001年 MW7.8 昆仑山地震、2008年 MW8.0 汶川地震、2008年 MW6.3 大柴旦地震、2008年 MW6.6 当雄地震、2008年 MW7.3 于田地震、2009年 MW6.4 大柴旦地震、2010年 MW7.1 玉树地震、2013年 MW6.3 芦山地震、2015年 MW7.9 尼泊尔地震、2016年 MW6.6 阿克陶地震、2017年 MW6.5 九寨沟地震、2017年 MW6.6 精河地震、2021年 MW7.3 青海玛多地震、2022年 MS6.9 青海门源地震等一系列重要地震事件(图2, 部分地震由于没有高质量的形变场数据或防止空间重叠未在图中画出, 只绘制了部分具有代表性的同震形变场), 受到了社会和学界的广泛关注
在中强地震事件发生后, InSAR同震形变场是研究地震同震形变空间范围、深部破裂滑动分布运动学反演、发震断层识别及水平、垂直位移量测、同震破裂传播动力学模拟、同震地表破裂展布特征及主要发震构造的几何特征、主震-余震触发机理、后续地震危险性等一系列科学问题的重要信息源, 是地震学研究发布的震源机制解、GPS同震位移、强震动、远震体波等数据的重要补充。对于破裂至地表并产生明显破裂带的强震事件, 如2008年 MW8.0 汶川地震, InSAR形变场能够精细地描绘出断裂带的位置和空间展布关系, 能够帮助地震野外科考迅速确定考察的范围、路线和重点关注区域。对于震级较小的地震事件, 如2017年 MW6.5 九寨沟地震, 地震破裂往往难以到达地表, 发震断层通常为盲断层, 利用InSAR形变场能够帮助科研人员厘定隐伏断裂带的走向、倾向、断裂带破裂长度、形变范围等。尤其是对于青藏高原艰苦地区的地震应急科考工作, InSAR观测结合其他数据能辅助实现部分应急科考任务。InSAR观测具有大范围、高精度、及时性等技术和数据优势, 其在地震应急观测方面的科技支撑作用逐渐凸显, 在解决防震减灾实际需求方面的地位越来越重要, 其应用也逐渐趋于日常业务化(图2)。每次地震发生后, 我们在第一时间获取InSAR形变场及其发震断层几何展布和破裂特征等重要信息, 初步判断地震破裂带的位置、极震区范围及灾害严重的区域等, 为现场应急救援和野外科考提供参考依据。
InSAR监测同震形变的技术和方法越来越成熟, 信息挖掘越来越深入, 数据越来越多元化。针对青藏高原的同震形变监测而言, 其主要的技术和数据限制因素为震区植被覆盖、地形地势、积雪和水体覆盖、极震区同震形变梯度、SAR数据的发布情况等。地震是认识区域构造的震间活动性和断层力学相互作用、研究地震破裂的影响因素和机理、断层闭锁凹凸体分布等科学问题的窗口, InSAR获取的远、近场同震形变为研究这些科学问题提供了观测数据和模型约束。单一的InSAR数据源只能提供一维视线向观测, 而三维同震形变及相关产品是重要的数据需求, 多源InSAR数据源的发布和推广为提升InSAR同震形变监测的精度、解算同震三维形变提供了数据条件。InSAR的技术原理决定了其对地震同震形变的监测能力, 能否不断推动InSAR技术在中、小地震中的应用取决于InSAR精确估计和减弱相位噪声的技术水平。近年来不断革新的大气模型和相位噪声估计、剔除技术为不断提升InSAR准确获取中、小地震的同震形变提供了技术条件。不同类型的地震、不同构造区域的防震减灾观测需求不断推动InSAR数据源、数据处理方法等的进步和长足发展。
2 InSAR同震形变与地震周期
断层在长达上百年、上千年尺度积累的弹性应变大部分在同震破裂的几秒、几十秒、几分钟内释放, 因此同震形变是地震周期内量级最显著、动态效应最明显的过程, 同震地表变形对人类生活和各种建筑物等的影响也最为显著。基于InSAR形变场研究地震运动学和动力学过程最终是研究断层对地震破裂的控制和主导作用。下文将基于地震周期形变的视角描述 InSAR 同震形变揭示的断层运动学特征和过程。
2.1 地震周期形变
地震周期的概念描述了地震往往在一个给定的活动断层上以一定的时间间隔重复发生, 但又区别于重复地震、周期地震的概念, 只定性地给出了地震的发生具有孕育、破裂、断层愈合、闭锁的周期性特征, 没有定量地比较各个地震周期的时间是否相同, 也没有说明每个地震必定都有相同周期性的特征。
地震周期主要分为3个阶段: 震间阶段(广义上包含震前阶段)、同震阶段和震后阶段(图3)。震间阶段是断层周围地壳弹性应变不断积累、断层闭锁的阶段, 时间尺度为数十年、数百年甚至数千年。在震间阶段, 断层浅部(深度<20km)局部或全部闭锁, 深部断层(深度>20km)持续稳态蠕滑驱动上覆地壳产生弹性能量积累。同震阶段是地震破裂成核、传播以及破裂终止的阶段, 时间尺度为数十秒, 同震破裂能够释放掉大部分震间的应变积累, 但也会在周边的断层施加新的应力扰动。同震破裂的断层滑动行为为黏滑。震后阶段是地震同震破裂终止后断层继续缓慢蠕动, 同震应力扰动逐渐释放、松弛的阶段, 时间尺度为数月、数年或数十年; 震后阶段的滑动特征为蠕滑。断层的蠕滑行为在震后阶段和震间阶段都有表现, 目前发现的断层蠕滑所具有的不同时空特征有: 相对恒定速率的蠕滑、变化速率的蠕滑、震后余滑、周期性地瞬态蠕滑等(Barbot et al., 2013; Jolivet et al., 2013; Tong et al., 2013)。不同地震周期的断层滑动行为可能通过应力相互影响、相互作用, 例如断层震间阶段的蠕滑可能触发同震破裂, 也可能阻止同震破裂; 同震破裂可能触发断层的震后蠕滑, 也可能影响断层震间蠕滑的滑动速率。
2.2 InSAR同震形变场中包含的震后形变
受限于InSAR数据的时间分辨率(哨兵数据大部分区域的重访周期为6~12d), InSAR数据观测记录的同震变形包含了部分早期的震后变形, 包括大部分的震后余滑形变及少部分黏弹性松弛形变(Bürgmann et al., 2008)。不同类型的地震破裂包含的早期震后形变的量级可能有区别(Wimpenny et al., 2017)。例如, 九寨沟地震的同震破裂虽然比较浅(深度≤10km)(Zhao et al., 2018; Li et al., 2020), 但震后时序InSAR未观测到显著的震后形变, 即使在断层上倾角存在显著浅层滑动亏损的区域也是如此(Li et al., 2020), 说明即使有同震库伦应力扰动, 受控于区域构造和断层成熟度, 震后也未必出现显著的震后形变。此外, 震级比较大的地震破裂往往能够贯穿整个脆性地壳层(包括发生余滑形变的速度强化区), 其震后形变在同震干涉图中乃至整个地震周期的形变贡献可能也比较小, 如2001年昆仑山地震的主要震后形变机制为下地壳的黏弹性松弛(Ryder et al., 2011)。
Wimpenny等(2017)统计了世界范围内震后余滑(震后几年乃至几十年的累积地震矩)和同震破裂释放的地震矩之比, 发现绝大部分地震两者之比的范围为0.1~1, 震后余滑释放地震矩比例较高(量级较大且持续时间较长)的区域通常为震间弱闭锁段。考虑到绝大多数情况下哨兵数据中InSAR同震形变包含震后形变的天数为几天到十几天的尺度, InSAR同震形变场中包含的主要形变贡献为同震变形, 且绝大多数研究忽略了InSAR同震形变场中震后形变的贡献。由于InSAR同震形变场中包含少量震后形变, 故常认为基于InSAR数据反演的同震破裂矩震级比基于地震学数据约束的矩震级偏大。随着InSAR数据源的逐渐丰富, InSAR技术已经逐渐成为定量研究同震-震后地震能量释放关系、空间关系、两者触发关系和摩擦性质差异的重要方法。
3 InSAR技术在发震构造研究中的应用及认识
3.1 InSAR同震形变场反映了发震断层运动变形的详细信息
大地震的发生往往涉及复杂的同震破裂传播、多断层的相互作用、断层几何对同震破裂的影响和关系、主断层破裂触发的断层浅部蠕滑和次级断层的无震滑动等过程。采用常规的GPS点位观测、同震地表破裂野外考察等技术手段往往很难详细、宏观地观测、分析和描述这些现象, 限制了人们的进一步认识。而InSAR同震形变场获取的是空间连续的形变场信号, 能够同时描述震区近场-远场、宏观-局部的形变特征, 在同震滑动分布反演计算时能提供远场和近场观测数据的约束, 更好地解算发震断层浅部和深部的滑动分布特征, 识别主要的同震障碍体破裂区(Shen et al., 2009)。在多断层破裂事件中, InSAR的空间连续形变图像及其运动学反演结果能够详细描述发震断层的形变分布与断层几何的关系, 帮助人们更好地分析发震断层位置、几何展布并识别潜在的隐伏断层, 结合地球物理、地质、构造等其他资料, 往往能帮助人们获取更加深入的认识。下文将结合InSAR在具体震例中的实际应用进行综述。
InSAR是青藏高原高寒无人区同震形变监测的重要观测手段。青藏高原内部海拔高、地势复杂且气候恶劣, 一些常规的同震形变监测方法, 如GPS、强震动、地震台站等设施在青藏高原内部不仅空间分布不均, 在局部地区分布稀少或缺失, 且布站成本高、维护难度大。针对青藏高原内部地区的主要构造变形带, 如青藏高原西北缘海原断裂带、东昆仑断裂带、南北地震带等地区仍然有巨大的形变监测需求, 空间连续观测的SAR数据成为获取这些地区同震形变的重要途径和低成本方法。在青藏高原内部发生的一些重要地震事件中, InSAR能够弥补GPS台站空间分布的严重不足, 为同震滑动分布反演、后续地震危险性分析等工作提供有力的数据约束。尽管InSAR数据在青藏高原地区的同震形变监测中存在局部地区失相干、SAR数据重访周期不足、大气相位噪声等问题, 但其仍有提供准实时地震形变监测响应(6d或12d的重访周期)的技术潜力。
InSAR揭示的发震断层水平和深部分段有助于认识断层几何结构及深浅变形关系。断层水平和垂直分段是断层几何复杂性的体现, 同时这种复杂性对同震破裂传播有影响。Elliott等(2011)利用ENVISAT/ASAR SAR数据获取了2008年和2009年 MW6.3 大柴旦地震的同震InSAR形变场, 发现2次地震的同震形变场具有一定的空间互补性, 结合同震滑动分布反演和库伦应力计算, 发现2008年的同震形变发生在断层深部分支处, 而2009年地震发生在断层浅部分支处, 2008年地震事件产生的正库伦应力变化可能是2009年事件的重要静态触发成因。Daout等(2019)利用ENVISAT/ASAR SAR数据研究了2003年柴达木盆地北缘 MW5.2 和2004年德令哈 MW5.5 地震产生的InSAR同震形变以及震后形变、2008年和2009年 MW6.3 大柴旦地震的InSAR同震和震后形变的关系, 发现该地区中等震级地震的同震滑动发生在断层深部, 触发的震后余滑发生在断层未破裂的浅部, 且在震后7a仍然能够观测到震后形变信号。研究认为, 同震破裂难以破裂到地表可能与深部坡坪构造有关, 其震后形变和地表褶皱带有空间相关性, 其地震周期形变对地表地貌有一定的塑造作用。走滑型地震的同震破裂通常在水平方向上表现出分段特征, 从InSAR同震形变场方面对该现象进行解释, 可认为水平分段主要与断层的水平几何展布有关系。在2001年昆仑山地震(Lasserre et al., 2005)、2010年玉树 MW7.1 地震(Qu et al., 2013)及2017年九寨沟 MW6.5 地震(Liu et al., 2019)等事件的InSAR同震形变场中都可以观测到断层同震破裂的水平分段性特征。
3.2 InSAR同震形变场可揭示隐伏地震断层的位置和几何特征
隐伏断层指同震破裂未到地表, 因而难以断定发震断层位置和几何特征的断层, 通常指倾滑断层(逆冲断层或正断层)。InSAR在识别隐伏断层位置、研究其几何特征方面具有独特优势。最早采用InSAR数据研究隐伏断层的震例是2003年伊朗巴姆 MW6.6 地震, Funning等(2005)采用D-InSAR和offset-tracking方法对巴姆地震的三维同震形变场进行了重构并反演了断层滑动分布, 与Talebian等(2004)采用单个断层构建同震断层滑动模型相比, 该研究发现巴姆地震的InSAR同震形变可以用2个隐伏断层面最佳拟合, 同震破裂主要分布在主断层面上, 触发了浅部走滑分支断层的破裂。Liu等(2019)使用InSAR、GPS、强震动及地震波数据研究了2017年九寨沟 MW6.5 地震发震断层的几何特征和滑动分布特征。九寨沟地震发生在虎牙断裂向NW延伸的隐伏断层上, 同震破裂没有破裂至地表, 故无法通过野外考察等手段确定发震断层的几何展布特征。该研究利用精定位的余震数据确定发震断层的大致分段, 采用InSAR和GPS的静态同震位移通过搜索法限定了断层的倾角和走向, 由于该断层周围的GPS站点空间分布均匀性和密度有限, InSAR空间连续的同震形变观测数据为研究提供了有力约束。除发生于隐伏断层上的地震外, 对于一些发生于多条断层密集分布地区且未破裂至地表的地震, 同样可通过InSAR形变场确定其发震断层位置。
3.3 InSAR三维同震形变的获取、近场同震形变的监测及认识
受到SAR卫星观测几何的限制, 单幅InSAR同震形变场只能给出InSAR视线向(LOS, line-of-sight)的测量结果, 但地壳运动本身是复杂的, 即使纯走滑事件产生的地表形变在发震断层的尾端也伴随着局部拉张、挤压, 因而基于InSAR多平台观测数据进行三维形变场的解算能够更加精确地描述同震地表破裂的形变特征(Hu et al., 2014)。另一方面, 对于同震滑动分布反演而言, 探讨InSAR三维形变解算是否必要的本质问题是InSAR多平台、多视角观测对于滑动分布反演的约束能力, 直接采用解算的三维形变进行滑动分布反演会额外引入三维形变解算的误差, 但多平台和多视角InSAR形变观测能显著降低滑动角、滑动量和矩震级的折中关系, 提高模型反演的约束能力(Wright et al., 2004)。Hu等(2014)综述了InSAR三维解算的各种方法, 如Multi-pass D-InSAR、Multi-pass D-InSAR+offset-tracking、Multi-pass D-InSAR+MAI、D-InSAR+GPS方法等。Wang等(2014)采用D-InSAR结合MAI(Multiple Aperture Interferometry)技术对2010年 MW6.9 玉树地震的同震三维形变场进行了解算。对于Sentinel-1A/B SAR数据, 还可以采用沿轨和交叉轨干涉获取同震三维形变(Grandin et al., 2016)。
InSAR断层近场形变有助于研究、限定同震破裂的浅部滑动亏损并分析地震在断层浅部终止、未形成较大地表破裂可能的物理成因。断层的同震浅部滑动亏损是在走滑地震和倾滑地震中都比较常见的现象, 表现为: 断层近地表(深度<3km)没有同震破裂, 或断层近地表的同震滑动分布及地震矩(远)小于深部(深度>3km), 目前一般认为浅层滑动亏损受到断层几何和断层摩擦的控制。Fialko等(2005)最早基于InSAR同震形变和运动学反演分析了走滑型巴姆地震中浅层滑动亏损的成因: 1)数据成因, 即断层近场InSAR严重失相干; 2)反演模型原因, 即基于弹性位错模型不能解释近场同震数据。在这2种原因的分析框架下, 得到的浅层滑动亏损是不可靠的。3)断层摩擦成因, 即断层摩擦强度到地表逐渐变小、变弱, 且表现为低剪切应力状态或速度强化的摩擦性质, 同震破裂不能在浅地表继续传播。在这种假设下浅层滑动亏损不能以余震的形式继续释放能量, 但可能在震间通过无震滑动的形式、在震后阶段通过余滑的形式或在同震破裂时以非弹性形变(滑坡、块体运动、分支断层触发的无震滑动)的形式释放能量。4)断层几何成因, 即断层在近地表呈现出更加复杂的几何展布, 如花状构造、褶皱、坡坪构造或浅层破碎带等, 从而阻止了同震地表破裂向浅地表传播。在这种假设下, 浅层滑动亏损可能继续以余震的形式释放能量。因此, 研究断层浅层滑动亏损问题的关键在于获取比较可靠的断层近场形变。但在断层近场区域, 传统的D-InSAR技术往往由于较大的同震形变梯度而造成失相干, 难以获取精确的形变信息。波长较长的L波段SAR数据的相干能力优于C波段, 但对于如汶川地震等同震位移较大的地震, 仍然很难获得近断层的形变信息。
3.4 InSAR观测揭示地表同震弹性形变与非弹性形变
自然界中活动断层的几何结构是复杂的, 这体现在3个方面: 1)复杂的深部结构(Wei et al., 2011); 2)复杂的浅部结构(Funning et al., 2005); 3)复杂的地表几何展布。其中, 活动断层复杂的浅部几何结构表现为走滑断层的花状构造或逆冲断层的拆离断层-分支断层系等与地壳结构的复杂性相耦合, 控制着深部同震滑动、破裂和弹性形变在地表产生的非弹性形变。一方面, 深部断层的破裂可能会触发浅部小分支断层的无震滑动和地表裂缝; 另一方面, 活动断层的运动也可能触发所夹持块体的刚性非弹性运动。尽管由于分辨率和相位噪音的限制, 无法通过InSAR形变场直接研究断层近场的非弹性形变, 但将其与光学遥感数据、高精度DEM数据等相结合, 仍然可在揭示断层的非弹性形变研究中发挥重要作用。例如, Hamling等(2017)研究2016年新西兰凯库拉地震的断层模型时发现, Hope断裂、Papatea断裂及Jordan thrust-Kekerengu断裂所夹持块体的同震InSAR形变无法通过弹性模型解释, 因而推断中间块体在同震运动时发生了非弹性的刚性块体旋转。Vallage等(2015)利用InSAR数据(TerraSAR-X)、光学影像数据(SPOT-5)研究2013年巴基斯坦Balochistan MW7.5 地震的同震形变时发现, 发震断层近场约1 000m内的同震形变(为1~5m)远大于基于弹性位错模型模拟的同震位错(<1m), 断层近场存在较大的逆冲缩短量, 推测可能与断层在地表100~1 000m深度内的倾角变缓及浅部较厚沉积层有关, 断层近场较大的非弹性形变贡献与光学影像解译的断层近场分布式拉张性裂纹一致。Elliott等(2016)利用InSAR形变场数据约束2015年 MW7.8 尼泊尔地震断层模型时发现, 虽然尼泊尔地震的同震破裂没有破裂至地表, 但是尼泊尔地震的同震破裂触发了Main Dun thrust断层的滑动并到达地表, 长约26km, 在InSAR形变场中表现为一定长度的形变不连续。
4 展望
4.1 中、小地震的InSAR同震形变监测潜力
InSAR技术监测地震同震形变的能力取决于地震的震级和震源深度。地震的震级越大、震源深度越浅, 地表产生的同震形变量级越大, 则InSAR干涉图中的理论信噪比越高, 越有利于获取准确的同震形变和后续的同震滑动分布。Dawson等(2007)在研究InSAR同震干涉图中的相位噪声对滑动分布反演不确定性的影响时发现, 澳大利亚MW<4.8地震的同震形变完全不能被InSAR获取到, 震级4.8范围、震源深度约小于6km的地震同震形变可用 InSAR 获取, 震级MW>6.2、震源深度在15km以深地震的同震形变可全部被InSAR干涉图记录。中小地震(MW≤6)往往不能破裂至地表, 准确可靠的InSAR同震形变场是估计震源参数、约束断层几何和发震构造研究的关键, 同时也是难点。
虽然目前没有专门在青藏高原地区开展InSAR对不同震级、不同震源深度地震的同震形变探测能力的研究, 但Dawson等(2007)的研究可为我们在青藏高原地区的InSAR同震形变业务化监测提供一定的借鉴。青藏高原地区地震的矩震级(MW)为5~6.5, 采用InSAR监测震源深度较深(10~20km)地震的同震形变乃至业务化运行仍然具有一定的困难, 同震干涉图往往近场全部失相干或湮没在大气相位噪声中, 取决于当地、当时的观测条件和地表覆盖情况, 如2016年门源 MW5.9 地震, 虽然其震源深度较深(深度>15km), 但InSAR能够获取完整的形变场, 升、降轨干涉图的相干性也比好。青藏高原的强震、大地震主要发生在次级块体的大型活动边界断裂带(如鲜水河断裂带等), MW5 ~6.5的地震主要发生在块体内部小规模的活动断层、隐伏断层和大断裂的次级断层上(郑文俊等, 2016)。由于大地震、强震往往具有上千年的地震周期, 且块体边界断裂带的观测研究基础较好, 而中小地震发生的频率较高, 故基于 InSAR 数据进行中小地震同震形变的业务化监测更有必要。由于这些地震的震级较小, 采用地震学手段监测得到的震源参数往往存在较大误差(Wimpenny et al., 2021), InSAR形变近场观测的优势能够帮助确定发震断层、研究地震的震源参数和发震构造运动学特征。
InSAR对青藏高原及其周边区域中、小地震监测潜力的提升主要需要准实时减小InSAR同震干涉图中的各种相位噪声, 包括大气相位误差、失相干的影响。中小地震在青藏高原地区比较普遍, 对监测青藏高原主要活动构造区潜伏断层的活动性、认识活动断裂的强震发生潜力、研究活动断裂的相互作用等具有重要的科学意义, 探索中、小地震的InSAR监测方法是需要解决的技术问题, 主要可采用以下3种方法。
第一, 基于外部大气模型的小地震InSAR同震形变的探索。由对流层静态相位延迟和大气湍流导致的大气相位误差及地形和植被引起的相位失相干是山区条件下获取InSAR同震干涉图的主要相位误差来源。目前, 大气相位误差可以借助外部大气数据、InSAR数据内部约束校正(permanent scatter method、spatio-temporal filter、common scene stacking等)等方法进行校正, 但需要对大气误差校正的准确程度及实用性进行仔细评估, 且尚未形成统一、规范的大气误差校正技术和流程, 其难点在于大气相位误差的时间动态性和空间复杂性及研究区大气数据的获取能力和分布密度。国际上最新的外部大气数据模型为GACOS(Generic Atmospheric Correction Online Service)(Yu et al., 2017)。
第二, 基于Stacking方法的中、小地震InSAR同震形变的探索。传统上采用单一的D-InSAR方法获取的同震干涉图在山区可能包含较多的大气相位噪声且容易受到相位失相干的影响, 中小地震产生的形变往往湮没在大气相位中。Stacking方法原本被用于减弱或校正时序InSAR不同干涉图中时间域随机分布的相位噪声影响, 但对干涉图数量的需求较大, 故以往采用Stacking方法获取InSAR同震形变的研究不多。但随着近年来以Sentinel-1A/B及ALOS-2为代表的SAR数据源逐渐增多, 使得获取多个包含相同地震同震形变的小时间基线干涉图, 并利用Stacking方法对其中的随机相位噪声进行校正成为可能(Qian et al., 2019; Luo et al., 2021)。Gong等(2019)采用Stacking方法利用ALOS-2以及Sentinel-1A/B 4个不同轨道的SAR数据对2017年精河 MW6.3 地震(震源深度为11km)的同震形变场进行了提取, 结果表明Stacking方法可以一定程度减轻干涉图中随机相位噪音的影响。由于Stacking方法采用了一定数量的震后SAR影像, 因此这种方法将不可避免地引入震后形变的贡献, 其贡献大小取决于地震的震级、构造、断层摩擦及SAR数据的组对方式等。
第三, 基于时序InSAR方法研究同震形变。如PS-InSAR(Hooper et al., 2004)等的时序InSAR方法主要用于获取震后时间依赖形变(mm/a~cm/a量级)及震间微小量级形变(mm/a量级)。时序方法可通过外部大气模型及时空滤波的方法抑制相位噪声, 并获取时间序列的形变演化模型。Liu等(2021)采用时间序列方法获取了2018-2019年发生在伊朗地区的3个震级为 MW6.0 、MW6.3 、MW5.6 的地震的同震形变场, 发现时间序列方法能够显著减少InSAR同震干涉图中的相位噪声。相比于Stacking方法, Liu等(2021)发现时间序列能通过函数拟合的方式大幅减小震后形变在InSAR同震干涉图中的影响。通过时间序列或Stacking方法获取地震同震形变, 需要考虑的最重要的2个因素是采用的震后SAR影像的数量(获取时间)和是否进行大气误差校正。Liu等(2021)的研究给出的结论是采用至少14个震后SAR影像参与计算(6d的重访周期, 则约为震后3个月)能够获取比较可靠的同震形变场, 但在不同构造区仍然存在差异。
中小地震的InSAR同震形变监测需要解决失相干和干涉图相位噪声2个问题。时间序列和Stacking方法能够提升相干性并抑制相位噪声, 但需要足够数量的震后SAR影像, 即需要足够的震后时间来积累观测影像, 使这2种方法的业务化使用仍然充满挑战, 目前仍主要被用于地震后的回溯性科学研究。为了满足震后影像数量的需求并解决其与准实时同震应急观测的矛盾, 可采用多窗口经验线性估计的方法计算单幅InSAR同震形变场地形相关的大气相位(图4), 该方法有望在后续InSAR同震形变应急观测和防震减灾中发挥作用。
4.2 将InSAR震间动态形变观测与InSAR同震形变结合深入认识发震构造的运动学特征
经过20多年的发展与数据积累, InSAR技术在青藏高原绝大多数构造区能够实现可靠的震间形变观测, 结合青藏高原及周边区域大尺度的GPS震间形变速率场(Wang M et al., 2020)及InSAR同震形变场, 可研究断裂带的震间应变积累和同震应变释放特征。已经发表的震间InSAR形变速率结果包括鲜水河断裂带北段(Wang et al., 2009)、青藏高原中北部(Garthwaite et al., 2013)、东昆仑断裂带(Zhao et al., 2022)、海原断裂带(Cavalié et al., 2008)、阿尔金断裂带(Elliott et al., 2008; Liu et al., 2018)、藏南区域(Wang et al., 2019)、喜马拉雅前缘(Grandin et al., 2012)等, 其中东昆仑断裂带的震间形变结果在2021年玛多 MW7.4 地震的 InSAR 同震形变研究中得到充分应用(Zhao et al., 2021)(图5)。
将InSAR震间动态形变观测与InSAR同震形变相结合可解决以下几个科学问题: 第一, 对于一次地震, 人们想了解发震断层到底在以什么样的规律积累应变。即使采用回溯性研究的方式, 如果有足够多的数据和案例积累, 能够发现那些经常发生中强地震的发震断层的震间应变积累模式, 即识别出可量化的震间应变积累模型, 我们就可以基于后续震间观测的震间应变积累状态可靠评估未发生地震但以一定规律在积累应变的断层的地震危险性。第二, 哪些因素在控制着断层的应变积累。目前, 尽管总体上认为断层的震间应变积累能力和断层震间滑动速率、断层规模(长度)、断层滑动行为(闭锁-蠕滑)有关, 但我们对断层震间应变积累的主控因素还不够了解。第三, 发震断层的震间应变积累是否在同震破裂中得到完全释放。断层在一次地震中可能完全释放震间积累的应变, 也可能只释放不同深度或不同分段的一部分震间积累的应变(不完全破裂), 如2015年尼泊尔地震发生后, 在断层上倾角方向仍然残余显著的震间应变(Mencin et al., 2016)。不完全释放应变的断层仍然具有一定的地震危险性, 尤其是在主震破裂造成库伦应力加载后。第四, 断层应变积累的时变性与地震发生的关系。断裂带的应变积累具有时间依赖性, 取决于周围地震的应力扰动、闭锁区域与蠕滑区域的应力相互作用等。
将InSAR震间动态形变观测与InSAR同震形变相结合, 深入认识发震构造的运动学特征仍然存在许多困难。第一, 断裂带震间形变速率小或处于震间强闭锁状态时(闭锁深度>15km), 断裂带应变率较小, 在InSAR形变速率图中表现为跨断层梯度小, 难以识别, 或形变信号可能完全湮没在大气相位噪声中。第二, 小规模(长度<100km)断裂带的断层结构成熟度较低, 震间应变积累趋于分布式模式; 花状构造、次级断裂和主断裂构成的断裂带宽度较宽, 在InSAR形变速率图中跨断层梯度也比较小, 难以通过InSAR观测到显著的应变积累。第三, 逆冲或正断型断裂带的震间形变。第四, 难以用InSAR形变场对近SN走向的走滑性断裂带(如鲜水河-安宁河-则木河断裂系)进行观测。受限于SAR卫星近极地的飞行模式, InSAR 数据本身对SN向的地壳形变不敏感, 但近期发展起来的新技术有望能够进一步提高InSAR对该类型断裂带的应用潜力, 如Burst-Overlap干涉测量技术(Li et al., 2021)。
4.3 InSAR同震形变观测服务于中小地震目录的构建
传统上, 构建全球、区域地震目录及获取震源机制解主要依靠地震学观测数据和多种波形反演方法(Mueller, 2019)。广泛使用的地震学目录包括GCMT(Global Centroid Moment Tensor)、USGS(United States Geological Survey)及IRIS(Incorporated Research Institutions for Seismology)等。但地震学方法对震源深度, 尤其是对浅源地震震源深度的约束力不强(Wimpenny et al., 2021), 往往需要先验约束信息。通过地震学方法约束震源参数依赖全球或局域台站密度和分布、区域地壳分层介质参数和模型, 利用远场台站约束的震源参数往往存在较大的误差, 也难以准实时地给出精细可靠的同震滑动分布模型, 更精细的中小地震目录依赖波形反演的后续精细处理(Wimpenny et al., 2021)。随着全球范围内慢地震或慢滑移事件的识别和广泛研究, 地震学手段也难以对这种不辐射地震波的地球物理过程进行可靠观测(Bürgmann, 2018)。InSAR同震形变观测以断层近场高精度观测的优势开始逐渐被用于构建中小地震目录(Mellors et al., 2004; Devlin et al., 2012; Zhu et al., 2021)。基于InSAR数据的比较成熟的地震目录开源平台有SARVIEWS①(① https://sarviews-hazards.alaska.edu/。)、LiCSAR②(② https://comet.nerc.ac.uk/。)以及Earthquake Fault Visualization③(③ http://szuinsar.club/。)等。
Zhu等(2021)基于InSAR同震形变场研究了全球范围内56个地震(MW>4.5)的震源参数(震源位置、深度、矩震级、走向、倾向、倾角), 并与GCMT、USGS等机构的地震学目录进行了比较, 发现InSAR同震形变能优化震源参数尤其是震源深度的估计, 这种情况在区域地震台站相对稀疏的区域尤为显著(图6)。然而, 尽管利用InSAR同震形变约束震源参数存在一定优势, 但也存在诸多局限性。
第一, 利用InSAR约束震源参数, 尤其是复杂多断层破裂或隐伏断裂的震源参数时, 不同的InSAR数据降采样策略、断层模型网格化策略(三角元和矩形元)、反演过程中不同正则化策略(拉普拉斯平滑等)等主观性因素都会使获取的震源参数和同震滑动分布存在一定甚至较大差异(Wang K et al., 2020)。例如, 针对2018年台湾花莲 MW6.4 地震为多断层破裂事件(Huang et al., 2018; Lee et al., 2019; Lo et al., 2019), 不同团队给出的发震断层的数量、位置和详细滑动分布等都存在显著差异。第二, InSAR对隐伏正断或逆断事件震源参数的约束能力不强, 尤其是断层倾角(Zhang et al., 2021), 这主要是由于具有不同震源参数或滑动性质的断层滑动分布模型都能很好地拟合InSAR同震形变地表观测, 这种情况下需要借助其他数据源(如远震体波数据)、余震数据、区域构造等进行联合约束(Materna et al., 2019)。第三, InSAR对于深源(>10~12km)中小地震事件的震源参数基本无约束能力(Dawson et al., 2007)。
5 结论
经过近20年的发展, InSAR作为一种全新的、有效的空间对地观测手段, 如同一台空中扫描仪, 观测并记录着地壳形变动态演化和运动过程。不断更新的InSAR数据处理方法、相位误差校正技术, 不断丰富的SAR数据源, 不断提升的SAR影像观测质量使InSAR同震形变监测逐步向准实时、业务化、流程化发展, 尤其是对于高原、多山的复杂地区, 可快速获取的形变信息能够用于指导地震应急野外科考、设计科考路线, 快速确定地震破裂长度和迹线, 辅助震情判定, 为防震减灾提供重要的科技支撑。InSAR具有大范围、高空间分辨率的观测优势, 其辅以GPS观测已被广泛用于发震构造运动学和动力学研究, 包括确定发震断层、约束断层深部几何结构、观测多断层破裂并计算不同断层的触发关系、识别未破裂至地表的盲断层、获取同震三维变形、认识断层几何对同震破裂的控制作用、分析同震形变与同震造山的关系、研究断层地表弹性和非弹性形变、厘定同震和震后形变的相对贡献和能量关系、对比同震破裂滑动量的深浅分布和差异等。InSAR技术的发展有助于了解地震和地震灾害的能量释放过程和控制因素, 有助于深入研究断层的运动学特征和机理, 有助于回答地震动力学的重要科学问题。随着时序InSAR技术和相位误差校正技术的交叉融通, 将InSAR数据用于准确获取中小地震事件的地表形变场已取得进展, 但欠缺时效性, 其业务化监测仍然存在一定的数据和技术困难。基于InSAR密集同震形变观测可构建全球中小地震目录、捕捉微弱的同震形变信息、可靠约束中小地震的震源参数, 并用于后续的强震-小地震多维对比研究和震源动力学研究。基于InSAR、GPS、光学影像、地震波、海啸波及其他数据对同震变形进行多维、综合研究, 开启了地震同震运动学和动力学研究的新时代, 并成为地震科学研究领域的一个重要发展趋势。
致谢
欧洲航空局提供免费、开源的SAR数据源, 这极大地促进了InSAR观测和技术的发展, 在此表示衷心感谢!
（原文有删减，全文请链接阅读
https://www.dzdz.ac.cn/article/2023/0253-4967/0253-4967-45-2-570.shtml）
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