格仁错断裂现今地壳运动特征的InSAR监测与分析

陈巍然 朱良玉 孙 赫 张文婷 王 莺

1 中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京市苜蓿园东街1号，210007 2 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054 3 61175部队，南京市，210049

喀喇昆仑-嘉黎断裂带位于青藏高原中南部，是一条规模宏大的右旋走滑断裂带，最西端为喀喇昆仑断裂，最东端为嘉黎断裂。针对喀喇昆仑-嘉黎断裂带的活动特性与活动速率，相关专家已经基于构造地质、野外调查及传统的大地测量手段进行了一定的研究[1-3]。Airmijo等[4]根据藏北、藏南块体相对运动的不均匀性认为，喀喇昆仑-嘉黎断裂带在青藏高原内部沿着班公错-怒江缝合带进行右旋走滑运动，并给出其综合右旋滑动速率为20±10 mm/a，且为青藏高原内部运动速率不同块体的主要分界线，认为它是青藏高原主体向东挤出的南边界，同时与地表地质和GPS观测研究结果基本一致[5]。而任金卫等[6]认为，其平均右旋滑动速率为4 mm/a。沈军等[2]认为，嘉黎断裂带在第四纪早期活动性较强，全新世以来整体活动减弱。其西北段具有较强的右旋走滑特征，中更新世以来右旋走滑速率为6～8 mm/a，晚更新世晚期以来为10 mm/a左右；中段和东南段在第四纪时期右旋走滑运动不明显。而近年来野外调查表明，其东南段晚更新世以来转变为左旋走滑，速率为3.5 mm/a左右。

格仁错断裂位于喀喇昆仑-嘉黎断裂带的中段，拉萨地块北缘，与南北向申扎-定结地堑关系密切。断裂带自西北向东南延伸，由一系列雁列的北西-北西西向断裂组成，依次经过当惹雍错、戈芒错、张乃错、曲巴错、孜桂错，在瓦昂错南东继续向东延伸[7]，全长大于300 km。同时该断裂带也是地震活动性最强的一条断裂，断裂带上发生过Ms 5.0地震，而且断裂北侧还发现了1908年7级地震的地表破裂带[8]。因此，该断裂的构造展布及活动性是研究高原中南部变形机制和区域动力学模型的最佳场所。

由于格仁错断裂带海拔较高、人烟稀少，使得基于离散点观测的地壳形变观测手段难以大面积实施(图1)。而InSAR技术不需要地面控制点即可获取大范围地壳形变信息，且SAR卫星飞行方向与格仁错断裂走向近乎正交，因此InSAR技术是获取格仁错断裂带震间形变的最佳观测手段之一。

图1 格仁错断裂带地震构造背景Fig.1 The seismo-tectonic background of the Gyaring Co fault

本文使用存档的Envisat ASAR数据获取格仁错断裂带大范围震间形变场，以平均地壳形变速率场为约束，反演断层面震间的滑动速率和闭锁深度，探讨断裂带现今应力累积状态，为区域地壳危险性评估提供参考依据。

1 InSAR形变速度场

1.1 SAR影像数据与处理

通过历史资料搜集与分析，选用覆盖格仁错断裂带(图1)的Envisat ASAR存档数据，涉及305、33、262三个轨道，时间跨度为2003-03～2010-10，共93景(表1)。SAR卫星数据为C波段数据，波长为5.6 cm，适用于震间形变监测，而且时间历元分布较合理。

表1 Envisat ASAR影像参数

数据处理采用GAMMA商业软件平台[9]，使用 DORIS(doppler orbitography and radiopositioning integrated by satellite)精密轨道数据精化 Envisat ASAR数据的轨道参数，利用30 m空间分辨率的SRTM数字高程模型消除地形相位。解算中为了提高干涉图的相干性，对干涉图进行多视处理，使像元分辨率达240 m(即多视因子为12:60)，并通过滤波[10]、相位解缠、大气相位延迟误差去除、时空基线阈值设置(垂直基线小于550 m，时间间隔大于350 d)、差分干涉图选取等步骤，最终基于干涉对堆叠技术得到格仁错断裂带的平均地壳形变速率场。

1.2 形变速度场的获取与分析

图2为格仁错断裂3个相邻轨道的平均地壳形变速率结果(雷达视线方向)。形变结果显示，除水体区域存在部分失相干外，其余数据的整体相干性较好，形变场具有良好的趋势性。格仁错断裂带两侧存在明显的差异运动，其中西侧与中间区域差异运动较为明显，差异运动速率约为2～4 mm/a；东侧形变速率场的远场差异运动速率略小一些，约为1～3 mm/a。结合SAR卫星的运动方向可以判断，断层运动性质为右旋走滑，与其历史运动性质一致。

F1：噶色断裂，F2：多玛-尼玛断裂带，F3：格仁错断裂带; AA′、 BB′、 CC′表示提取的剖面图2 格仁错断裂InSAR震间年均形变速率场(LOS)Fig.2 InSAR annual seismic deformation rates of Gyaring Co fault (line of sight, LOS)

图2显示，InSAR形变场内仅有8个GPS监测点[11]，点位密度与InSAR数据点相差甚远，也解释了本次研究选用InSAR技术的原因。GPS数据点虽少，但可以利用已有的GPS形变速度场来验证InSAR形变结果的可靠性。在断层F3两侧提取一个剖面BB′，尽量多地包含GPS点，然后将GPS数据转换到LOS向，并将转换后的GPS速度场与剖面内的InSAR形变统一到同一基准进行对比分析。图3显示，两类数据在整体趋势上大致相同，形变量级相差不大，InSAR数据密度明显优于GPS，可以更直观地表示出研究区域内的形变趋势。同时也表明，InSAR监测结果具有较高的可靠性。

图3 InSAR与GPS剖线结果(LOS)对比分析Fig.3 Comparison of InSAR and GPS profiles(line of sight, LOS)

重叠区域的数据可以看作存在一次多余观测的数据，因此可以通过重叠区域的数据对InSAR结果进行内部检验[12]。基于此，现分别提取相邻轨道内重叠部分的剖线形变结果(图2中AA′，BB′)进行差异分析。由图4可见，305与33轨道数据之间的差异小于轨道33与262数据之间的差异，而且通过剖线AA′的形变趋势可以看出，除个别区域存在差异外，剖线数据变化趋势整体上一致，而差异基本为参考基准的差异，在数据拼接的时候直接进行基准改正即可；但是轨道33与262之间的差异就比较复杂，除了剖线起、始端保持一致外，中间部分差异较大，部分区域还存在相反的变化，在数据处理时经过反复检查发现，主要是由于该区域内地表植被茂密，大气误差去除不彻底，另外采用的外部DEM数据是30 m分辨率的公开数据，对该区域内的地形去除也受到限制，均会给结果带来误差。因此，张勇等[13]针对该区域的重叠差异进行分析计算显示，最大中误差为1.73 mm/a，相对历史GPS解算精度还是比较高的，因此InSAR解算结果的可信度仍然是较高的，可以用于cm级的数据分析应用。

图4 相邻轨道内剖面AA′与BB′的InSAR形变场Fig.4 The InSAR deformation field of profileAA′ and BB′ in adjacent track

研究区内存在3条主要断裂：噶色断裂(F1)、多玛-尼玛断裂带(F2)、格仁错断裂带(F3)。结合InSAR形变场可以发现，各断裂带两侧均存在差异运动，但差异量级不等。为明确区域内的主要活动断裂，现分别提取图2中垂直断裂的剖面AA′、BB′、CC′上的InSAR形变速率结果(图5，红色实线表示断层的位置)进行统计分析，结果显示，3条断裂带在断层两侧均存在形变差异，但是格仁错断裂(BB′剖面)两侧有明显的形变梯度变化，且两侧形变差异大于其他两条断裂，故格仁错断裂为该区域内控制长波长信号的主断层。

图5 剖面AA′、BB′和CC′的InSAR形变场Fig.5 InSAR deformation field of profileAA′，BB′ and CC′

2 格仁错断裂带震间滑动分布

2.1 反演模型

Reinoza等[14]基于断层形变场在深部、浅部存在差异运动，提出了深浅部震间断层位错理论，即断层附近观测的形变场由深、浅两个部分叠加组成，包括深部断层运动引起的形变场和浅部断层运动的形变场。因此本文在变形速度场模拟时用深、浅两层断层模型来拟合震间形变场，其中定义距离地面20 km以内为浅部(表示弹性地壳层的断层运动)，距地面20～80 km时则为深部。另外，为了提高断层面的划分精度，本研究在表示复杂的断层曲面时采用了三角位错单元对断层面进行划分，相比于矩形位错单元，可有效地防止由于断层走向和倾角变化所产生的撕裂，很大程度地提高了模拟结果的精度。

2.2 断层几何参数

首先，根据邓起东[15]给出的格仁错断裂带地表行迹，确定反演断层地表位置，走向介于275°～305°。另外，杨攀新等[16]通过ETM+遥感影像与野外实地调查发现，格仁错断裂倾向南，倾角在45°左右，走向约为300°。结合以上资料，本次反演过程中模拟参数断层走向定为300°，倾向向南，倾角为45°。其次，为了提高模拟结果的精度，反演计算前通过分析数据拟合程度与断层滑动粗糙度曲线之间的关系，确定平滑因子的数值为0.5(图6)。然后，断层沿倾向方向的深度取80 km，距离地面20 km以内表示弹性地壳层的断层运动情况。最后，基于深浅部震间断层位错理论，按照表1中的几何参数反演断层的滑动速率和闭锁深度。

图6 粗糙度与数据拟合度关系曲线Fig.6 Trade-off curve between the model misfit with SAR data and the roughness of the slip model

2.3 震间断层面滑动速率分布反演结果

以InSAR形变场为约束，基于深浅部震间断层位错理论，获取断层的滑动速率和闭锁深度。图7为格仁错断裂震间InSAR平均形变速率的模拟与残差结果。残差结果表明，大部分残差值在 1 mm/a以内，断层近场附近残差很小，在SAR数据边缘及失相干区域残差较大，整体上模拟干涉图能够较好地拟合原始观测干涉结果。图8为反演的格仁错断裂各段的滑动速率与断层面耦合程度的空间分布结果。

图7 InSAR形变场、模拟结果及残差Fig.7 InSAR deformation field, inversed deformationresults and residuals for data

图8(a)为格仁错断裂断层面滑动分布，可以看出，断层面滑动分布不均匀，符合藏北、藏南块体相对运动不均匀的构造性质。滑动速率每年约在2～6 mm之间，断裂西北段滑动速率小于东南段。滑动速率较大的区域主要位于曲巴错以东区域，最大可达6 mm/a。另外，当惹雍错以西区域存在较大的低速区，与该断层西段分散的变形模式一致；格仁错断裂西北段受到南北方向裂谷-当惹雍错的影响，滑动速率被大量分解。图8(b)表示本文估计的断层闭锁程度，图中浅色实线所围区域表示闭锁程度较大的两个区域。其中当惹雍错与戈芒错-张乃错之间的区域闭锁范围较大，长度达80 km，深度接近20 km，具有发生强震的背景；东南段的曲巴错与孜桂错之间也存在一个较浅的闭锁区域，但其范围较小，具有发生中等地震的背景；而当惹雍错以北的区域亦存在一个较浅的闭锁区，闭锁范围较小，不具备发生强震的背景。

图8 格仁错断裂的滑动速率分布于闭锁程度Fig.8 Theslip rate and locking depth of Gyaring Co fault

3 讨 论

本文以InSAR高空间分辨率地壳形变场为约束反演了格仁错断裂带的精细断层面滑动速率与闭锁深度。高空间分辨率的InSAR形变场有效地约束了反演模型，相比GPS速度场，提高了反演结果的精度，使我们能更加深入地了解断裂深部的现今活动状态。

文中通过对比分析GPS速度场与获取的InSAR形变场的差异发现，两类数据在整体趋势上大致相同，形变量级相差不大，表明InSAR监测结果具有较高的可靠性。为判断研究区域3条主要断裂带的活动情况，分别提取垂直断裂带的剖面形变进行分析统计，明确了控制长波长信号的主断层是格仁错断裂。

另外，为了精细化分析讨论断裂带现今应力积累情况，本文参考Reinoza等[14]提出的深浅部震间断层位错理论，将断层依深浅不同进行划分，给出不同的反演介质限制条件，又采用三角位错单元来表示复杂的断层曲面，成功防止了由于断层走向和倾角变化所产生的撕裂，极大地提高了模拟结果的精度。

4 结 语

本文采用InSAR技术对存档的93景Envisat数据进行处理，得到格仁错断裂2003～2010年间的高精度形变速度场。并以此为约束，基于深浅部震间断层位错模型反演断层面震间的滑动速率和闭锁深度，探讨区域发震危险性，即北分支活动性不强、南支活动性强，为相关部门提供了有效的参考依据。具体结论如下：

1)通过InSAR数据处理，得到研究区内高空间分辨率的InSAR形变速度场。结合SAR卫星参数判断，格仁错断裂的运动性质为右旋走滑，与历史资料结论一致。InSAR形变场与GPS数据具有一致的趋势，差异在1 mm/a左右。

2)InSAR形变结果显示，研究区域内3条主要断裂带(F1、F2、F3)两侧存在差异运动，但差异量级不等。通过统计分析垂直于3条断裂带的剖面上的InSAR形变速度场，明确了区域内控制长波长信号的主断层为格仁错断裂。

3)格仁错断裂因受南北方向裂谷-当惹雍错的影响，断层滑动分布不均匀，滑动速率约为2～6 mm/a，断裂西北段滑动速率小于东南段。

4)格仁错断层闭锁程度较高的区域主要位于当惹雍错与孜桂错之间，其中当惹雍错与戈芒错-张乃错之间的区域影响范围较大，长度达80 km，深度接近20 km，具有发生强震的背景，应给予重点跟踪关注。