基于Sentinel-1A数据获取美国纳帕MW6.1地震同震形变场及断层滑动反演

左荣虎　屈春燕　张国宏　单新建　宋小刚　温少妍　徐小波

(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)



基于Sentinel-1A数据获取美国纳帕MW6.1地震同震形变场及断层滑动反演

左荣虎屈春燕张国宏单新建宋小刚温少妍徐小波

(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)

利用欧洲空间局新发射的Sentinel-1A卫星获取的第1对同震SAR影像， 采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM数据去除地形效应， 应用枝切法解缠， 得到了2014年8月24日美国加利福尼亚州纳帕地震的地表同震形变场。为了获取最优同震形变场， 对比使用了90m×90m分辨率的SRTM数据去除地形相位， 以及最小费用流方法进行相位解缠。结果显示此次地震造成形变场在LOS方向(Line Of Sight)的最大抬升量和最大沉降量分别达到了0.1m和0.09m。基于获取的同震形变场， 采用限制性最小二乘算法进行敏感性迭代拟合， 获取了此次地震的断层滑动分布及部分震源参数。反演结果表明发震断层的走向为341.3°， 倾角为80°， 破裂以右旋走滑为主， 平均滑动角为-176.38°， 最大滑动量达0.8m， 位于地表下约4.43km处。此次地震累计释放地震矩1.6×1018N·m， 约合矩震级MW6.14。

Sentinel-1A纳帕地震D-InSAR同震形变反演

0　引言

2014年8月24日， 在美国加利福尼亚州的纳帕(Napa)地区发生了MW6.1地震， 地震位于太平洋板块(Pacific Plate)与北美板块(North America Plate)边界带， 属于圣安德烈斯断层(San Andreas Fault， SAF)系统(图1)。太平洋板块(Pacific Plate)相对于北美板块(North America Plate)的N向运动， 导致圣安德烈斯断层系统内部的主要断层均为右旋。地震位于圣巴勃罗湾(San Pablo Bay)东岸， 处于2个活断层系统的中间区域， 这2个断层系统是： 位于西边的Hayward-Rodgers Creek断层系统和位于东边的the Concord-Green Valley断层系统(图1)， 距离地震发生地(震中)较近的断层是著名的West Napa断层。在地震区域的若干断层中， 只有在West Napa断层发现了全新世沉积物， 这就表明West Napa断层表面的破裂发生在11,000a,BP左右(Bryant， 1982)。在历史上， 这个区域曾发生多次破坏性地震(Buddingetal.， 1991)， 如1868年Hayward发生MW6.8地震， 1906年San Andreas发生MW7.8地震， 以及1898年Mare Island发生MW6.3地震。

图1　纳帕地区构造背景图Fig. 1　Tectonic background of Napa region.红线是该地区的主要断层； 白色直线为本文反演的纳帕地震地表破裂带； 黑色虚线框是Sentinel-1A InSAR数据空间覆盖区域； 红色五角星表示USGS给出的纳帕地震震中； 背景为ASTER GDEM

震后不久， 加利福尼亚大学采用地震波反演断层模型， 得出部分断层参数: strike=155°， dip=82°， rake=-172°， 平均滑移量为44cm， 滑移量峰值为100cm， 地表偏移量是25cm， 滑移从震源向上传播到2km深度的地方， 且从震源向NW延伸12km。美国地质调查局(USGS)与JPL/ARIA项目组开展了震后应急响应， JPL/AIRA项目组获取了COSMO-SKYMED同震干涉图(20140726-20140827)。基于大地测量数据， 初步的滑动反演结果也随之公布： strike=341°， dip=80°， rake=-176°。地震学数据反演结果显示最大滑移位于地下10km处， 而大地测量学数据反演的结果显示最大滑移位于地表以下约5km处(http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/nc72282711#scientific_finitefault)。因此， 有必要对本次地震的滑动特征进一步确认。本研究利用欧洲空间局最近发射成功并刚刚投入使用的Sentinel-1A卫星获取的雷达影像对该地震的同震形变场进行成像， 利用GAMMA软件进行形变量的提取， 采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM去除地形效应， 得到了2014年8月24日美国加利福尼亚州纳帕地震的地表同震形变场， 并基于该数据集和限制性最小二乘算法进行敏感性迭代拟合， 获取了此次地震的断层滑动分布及部分震源参数。

1　Sentinel-1A数据

欧洲太空局在2014年4月3日发射Sentinel-1A卫星， 该卫星采用C波段， 图像分辨率最高可达5m， 有4种不同的观测模式(Interferometric Wide Swath: IW； Extra Wide Swath: EW； Strip Map: SM； Wave Mode: Wave)， 前3种观测模式可以使用4种不同的极化方式HH/VV/HH+HV/VV+VH， 但是Wave模式只能使用HH或VV方式中的1种； 同时， HH/HH+HV极化方式主要应用于极地与海冰区域， 而VV/VV+VH极化方式主要在大陆地区使用。Sentinel-1卫星包含了2颗子卫星： Sentinel-1A、 Sentinel-1B(预计于2016年发射)， 它们共享1个轨道， 单颗卫星的运行周期为12d， 双星运行周期为6d， 在赤道地区的重访频率为3d， 而在高纬度地区的重访频率为仅1d左右。在大陆地区预先设定的观测模式是IW模式， 南、 北极地区以及海洋观测区域预先设定的观测模式是EW或者IW模式， 只有在紧急情况下才会改变预先设定好的观测模式， 比如使用Strip Map(SM)模式。Sentinel-1A卫星的设计目的是接替和改进已经退役了的ENVISAT卫星， 它是ERS和ENVISATE卫星的延续， 其任务之一是对大型板块和火山活动的地区进行成像观测， 中国的重点观测区域主要为青藏高原、 新疆地区、 以及南北地震带。ESA现在对Sentinel-1A雷达卫星数据免费开放(https: ∥scihub.esa.int/)， Sentinel-1A 雷达卫星的主要参数见表1。

表1　Sentinel-1A卫星的主要参数

Table1　The main parameters of Sentinel￣1A satellite

卫星参数参数值载波波段C波段轨道高度693km轨道太阳同步轨道,重访周期12d成像模式条带模式(SM),干涉宽模式(IW),极宽模式(EW),波模式(Wave)幅宽SM幅宽80km,IW幅宽250km,EW幅宽400km,Wave幅宽20km×20km分辨率SM分辨率5m×5m,IW分辨率5m×20m,EW分辨率20m×40m,Wave分辨率5m×5m入射角SM入射角18.3°～46.8°,IW入射角29.1°～46.0°,EW入射角18.9°～47.0°,Wave入射角21.6°～25.1°/34.8°～38.0°极化方式SM、IW、EW极化方式为双极化HH+HV/VV+VH或单极化HH/VV,Wave极化方式为单极化HH/VV

2　美国加利福尼亚州纳帕地区MW6.1地震InSAR同震形变场

自Massonnet等采用卫星SAR图像成功绘制了美国加利福尼亚州1992年LanderMW7.3地震的同震形变场后(Massonnetetal.， 1993)， InSAR因为能够提供高精度、 高空间分辨率的地表位移图像而备受青睐。在各大类形变观测中， 地震同震形变场的获取成为InSAR技术应用最为成功的领域之一。一系列的地震均获得了较好的InSAR同震形变场(Feigletal.， 2002; Lasserreetal.， 2005; Funningetal.， 2007; Shenetal.， 2009)。2014年8月24日， 美国加利福尼亚州纳帕地区(38.22°N， 122.31°W)发生MW6.1地震， 此次地震是该地区25a来震级最大的1次地震， 发震断层属于西纳帕断裂带， 震中离太平洋板块(Pacific Plate)与北美板块(North America Plate)的边界转换带圣安德列斯断层(San Andrease Fault)很近(图1)。西纳帕断层全长57km， 被认为是晚更新世与全新世时期的右旋走滑活断层(Foxetal.， 1973)。2014年8月7日Sentinel-1A卫星到达该地区， 拍摄了第1幅SAR图像， 震后不久(2014年8月31日)Sentinel-1A卫星又拍摄了第2幅影像(图2)。利用获取的SAR图像， 获取了纳帕地震的同震形变场， 这是Sentinel-1A卫星获取的第1幅同震形变场； 形变场条纹清晰(图3a)， 干涉效果较好， 它对验证Sentinel-1A卫星在地震观测方面的应用具有重要意义。

图2　纳帕地震前后SAR的强度图Fig. 2　Map of SAR intensity before and after the Napa earthquake.

表2　纳帕地震Sentinel-1A干涉像对参数

Table2　The main parameters of the Sentinel￣1A interferogram used for Napa earthquake

成像时间垂直基线/m观测模式分辨率/m卫星绝对轨道入射角/(°)方位角/(°)2014-08-072014-08-313条带模式(StripMap)5×500183500218523.187623.2322-166.741073-166.688507

图3　纳帕地震Sentinel-1A SAR卫星同震干涉形变场Fig. 3　The coseismic interferogram of Napa earthquake derived from Sentinel￣1A data.a 形变干涉纹图； b解缠的同震形变场

数据处理采用GAMMA软件， 利用30m×30m分辨率的ASTER GDEM进行地形效应去除； 在利用枝切法进行解缠之前， 采用自适应滤波的方法减少相位噪声。形变场中包含的残余轨道信息引起的趋势条纹， 采用二项式拟合的方法进行去除。同时， 为了获取最优的同震形变场结果， 对比使用了90m×90m分辨率的SRTM数据去除地形相位， 以及对比了枝切法和最小费用流法解缠结果。

图4　视线向(LOS)形变剖面图Fig. 4　Profiles of LOS displacement of the Napa MW6.1 earthquake.a a—a1处LOS向形变剖面图； b b—b1处LOS向形变剖面图(剖线位置见图3)

图5　用2种不同相位解缠方法得到的解缠干涉位移Fig. 5　Unwrapped interferograms derived from two different phase unwrapping methods.a 枝切法； b最小费用流法； 虚线椭圆为低相干区域

图6　2种不同DEM数据去除地形相位的形变场结果Fig. 6　Unwrapped interferograms with topographic phase removed using different DEM data.a 利用30m×30m分辨率的ASTER GDEM数据去除地形相位； b 利用90m×90m分辨率的SRTM 数据去除地形相位； 虚线椭圆区域为SRTM负值区； 虚线矩形区域为远场非地震形变区

干涉像对的垂直基线为3m， 时间间隔为24d， 空间与时间基线都较小， 得到的干涉图相干性较高。从纳帕地震Sentinel-1A SAR卫星同震干涉形变场(图3)， 可以看出Sentinel-1A卫星数据很好地记录了此次地震的同震形变场； 从形变场的4象限蝴蝶状分布特征可以大致得出断层位置， 及分析出此次断层活动类型为走滑型。SN向剖面图(图4a)显示破裂带东南侧地表运动为在LOS向抬升超过8cm， 在断裂带东北部地表运动为在LOS向下沉达到10cm； EW向剖面图(图4b)显示断层西部的形变量相对较小， 西南部的LOS向最大沉降约为4cm。通过对比利用90m×90m SRTM DEM 和30m×30m ASTER GDEM2种不同外部DEM数据去除地形效应后获取的同震形变场， 发现获取的解缠相位图基本一致， 不同的是采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM去除地形效应后获取的解缠区域更大， 分析认为这是由于90m×90m SRTM在近海岸线区域为负值， 这些区域无法进行去地形处理(图6 中的虚线椭圆区)； 通过对比最小费用流法获取的解缠结果， 发现枝切法解缠在搭桥区域的相对相位应在1个周期内， 不需要加相位的整数倍， 从而解缠出孤立区域的相位值。对比枝切法与最小费用流法解缠结果， 发现2种方法解缠出的形变场结果基本一致， 区别在于低相干区域最小费用流法采用内插处理而枝切法是用空值表达(图5 中的虚线椭圆区)。总之利用不同解缠方法和利用不同DEM去除地形相位， 获取的地震同震形变场基本一致。38°N以南显示出量级在1.5cm以内的形变区域(图6 中的虚线矩形区)， 可能是由大气误差造成的， 距离震中较远， 对本次地震同震形变场没有影响。

3　纳帕地震震源参数反演

3.1反演算法及形变场重采样

本次反演研究基于弹性半空间模型(Okada， 1985， 1992)， 采用基于最大似然法则的线性最小二乘法求解问题(式(1))(Wangetal.， 2008)：

(1)

InSAR获取的形变场是连续的， 形变场中数据点数约为108。 对于形变数据的反演问题而言， 过多的观测数据不仅不能够提供更多的细节信息， 而且是一般计算机系统所不能承受的， 同时由于观测噪声的存在可能会出现计算结果难以收敛； 因此， 我们必须对观测结果进行重采样(Lohmanetal.， 2005)。我们知道， InSAR数据固有的误差因素包括大气延迟、 DEM数据误差等， 采样方案的选取对于反演结果有重要的影响， 好的采样方案可以有效抑制数据误差， 从而突出有效信息； 差的采样方案会引进误差， 使反演结果难以收敛。本研究首先对InSAR形变场数据(图3)采用了10像素×10像素的降采样处理， 使得数据量由千万量级下降到10万量级， 考虑到在发震断层附近雷达数据的严重失相干性， 形变值可能会严重地偏离实际值， 我们采用相干系数进行掩膜(Masking)， 得到了相干性>0.4的形变场数据点， 然后再对得到的数据进行四叉树采样(Jonssonetal.， 2002； 张国宏等， 2010)， 设定采样的形变梯度值阈值为0.01， 即形变梯度>0.01时进行四叉树划分； 而形变梯度<0.01时， 不再进行划分。 对划分出的小块内部数据进行平均计算， 消除噪声影响， 得到了4,656个观测点； 最后再进一步去除影像边界处的明显噪声点后， 剩下3,387个代表同震形变场的数据点(图7)。

图7　InSAR形变场下采样后的数据点分布Fig. 7　The distribution of InSAR data after downsampling.红色线段代表断层； 五角星是震中位置； 白线是本文反演的断层位置

3.2反演结果分析

在断层滑动分布反演中， 通常利用9个参数描述断层位错模型， 即断层的走向、 倾角、 滑动量、 滑动角、 起始点经度、 纬度、 长度、 宽度、 深度； 因此， 反演过程是1个高度非线性的问题(Fukahataetal.， 2008)。断层的位置我们可以从相干图和干涉纹图中初步确定， 该位置与野外地质调查结果基本一致(http: ∥en.wikipedia.orgwikiWest_Napa_Fault)。依据断层运动为右旋走滑型， 将初始滑动角变化范围设定为170°～210°， 将各个子断层内部的滑动角与滑动量作为反演目标。在确定断层的位置和相关参数后， 我们将断层沿走向与倾向均离散为1km×1km的子断层(张国宏等， 2011)， 这样就把非线性化的求解问题转化为线性化的求解。

从断层滑动分布(图8)可以看出， 断层滑动主要分布在深度0～9km的范围内； 断层运动以右旋走滑方式为主， 最大滑动量达到0.8m， 位于地下4.43km处； 整个断层面的平均滑动角是-176.38°， 部分地区破裂到近地表。从表3 可以看出本文反演的断层参数与USGS的结果比较接近； 反演的震级结果比GCMT的MW6.09与USGS的MW6.05都稍偏大， 达到MW6.14， 累计释放地震矩为1.6×1018N·m。反演结果与其他学者研究结果基本一致(李永生等， 2015)。

图8　Sentinel-1A数据反演的断层滑动分布Fig. 8　The fault slip model inverted by Sentinel￣1A InSAR data.a 三维显示； b 平面显示

表3　Sentinel-1A同震形变场反演的纳帕地震最优震源参数

Table3　The optimal Napa seismic parameters determined by Sentinel￣1A coseismic dataset

信息来源经度/(°)纬度/(°)深度/km走向/(°)倾角/(°)滑动角/(°)长度/km宽度/km矩震级(MW)地震矩/N·mGCMT-112.4038.321233878-174——6.091.4×1018USGS-122.3538.30534180-176——6.051.2×1018本研究-122.3438.314.43341.3080-176.3824206.141.6×1018

图9　视线向同震形变场模拟图Fig. 9　The simulated coseismic deformation in LOS(Unit/m).a 观测值； b 模拟值； c 观测值与模拟值的残差

图8 为最优滑动模型给出的模拟结果。 图9a表示InSAR观测结果， 它是由降采样后的数据内插得到的， 其目的是为了反映InSAR获取的真实同震形变场； 图9b为最优滑动模型给出的模拟同震形变场， 它是利用降采样后的数据(图7)反演得到的。图9c为模拟形变场与观测场之间的残差图， 边界噪声误差已显示出来， 而对近场区域影响不大。残差图上近场区域的蓝色及红色斑点误差， 出现在蝴蝶状同震形变场的边界， 是同震形变场的异常区域， 可能是由于数据失相干导致的结果(Funningetal.， 2007)。反演软件显示拟合度达到97%左右； 从整体看， 形变场模拟结果的残差值在0.02m以内， 模拟的同震形变场与观测值之间拟合度较好。

4　结论

(1)本文利用2014年4月新发射的雷达卫星Sentinel-1A首次拍摄的高分辨率SAR数据， 获取了2014年8月24日发生在美国纳帕地区MW6.1地震的同震形变场， 并反演了断层滑动分布。结果显示出该卫星在地震形变场观测领域的实用性和良好应用前景。本文使用的条带模式(SM)数据空间分辨率达到了5m， 能够提供地震形变场局部变化的较多信息。

(2)本文采用最新版GAMMA软件(2014年11月)对Sentinel-1A卫星数据进行处理， 比较分析了90m×90m SRTM DEM 和30m×30m ASTER GDEM两种不同外部DEM数据去除地形效应后获取的同震形变场。 发现利用2种DEM数据模拟地形相位， 获取的形变量结果基本一致； 不同的是采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM形变场区域更大， 分析是由于90m×90m SRTM在海岸线区域为负值的原因。同时采用了枝切法和最小费用流(MCF)2种解缠方法， 结果显示2种方法解缠出的形变场结果基本一致， 区别在于低相干区域的解缠结果不一样： 最小费用流法采用内插处理而枝切法是用空值表达。得到的同震形变场表明， 此次地震造成了一定的地表形变量， 在LOS(Line Of Sight)方向的最大抬升和最大沉降形变分别达到0.1m和0.09m。干涉图中呈现明显的4象限同震形变分布， 可以直接推断此次地震是以近走滑运动为主， 从失相干位置我们可以大致确定断层所在位置。

(3)基于获取的InSAR同震形变场， 采用敏感性迭代算法反演了此次地震的相关参数， 最后获取的断层走向为341.3°， 倾角为80°， 平均滑动角为-176.38°， 最大滑动量达0.8m， 矩震级约为MW6.14， 地震矩为1.6×1018N·m。这些参数与震后USGS、 GCMT给出的基本相符。

致谢中国地震局地壳应力研究所的李永生博士帮助获取了ESA提供的Sentinel-1A卫星数据， 德国国家地球科学研究中心(GFZ)高级研究员汪荣江提供了SBIF软件包， 在此一并致谢。

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Abstract

We achieved the coseismic displacements of the NapaMW6.1 earthquake located in California US occurring on 24 August 2014 by using InSAR data from the newly launched ESA’s Sentinel￣1A satellite. The 30m×30m ASTER GDEM was used to remove the terrain effect， and phase unwrapping method of branch-cut algorithm was adopted. In order to obtain a better coseismic displacement field， we also tested 90m×90m SRTM data to remove the terrain effect and Minimum Cost Flow algorithm to unwrap the phase. Results showed that the earthquake caused a significant ground displacement with maximum uplift and subsidence of 0.1m and -0.09m in the satellite light of sight(LOS). Based on the Sentinel￣1A dataset and sensitivity based iterative fitting(SBIF)method of restrictive least-squares algorithm， we obtained coseismic fault slip distribution and part of the earthquake source parameters. Inversion results show that the strike angle is 341.3°， the dip angle is 80°， rupture is given right-lateral fault， average rake angle is -176.38°， and the maximum slip is ～0.8m at a depth of 4.43km. The accumulative seismic moment is up to 1.6×1018N·m， equivalent to a magnitude ofMW6.14.

COSEISMIC DISPLACEMENT AND FAULT SLIP OF THEMW6.1 NAPA EARTHQUAKE IN AMERICA REVEALED BY SENTINEL-1A INSAR DATA

ZUO Rong-huQU Chun-yanZHANG Guo-hongSHAN Xin-jian SONG Xiao-gangWEN Shao-yanXU Xiao-bo

(StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China)

Sentinel￣1A， Napa earthquake， D-InSAR， coseismic displacement， inversion

2015-03-30收稿， 2015-11-04改回。

国家自然科学基金(41374015， 41411011073)和地震动力学国家重点实验室课题(LED2015A03， LED2013A02)共同资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-278-12

左荣虎， 男， 1989年生， 在读硕士研究生， 主要研究方向为InSAR地壳形变观测研究， 电话： 010-62009024， E-mail: rh_zuo@163.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.004