基于InSAR技术的门源Ms6.9地震形变特征分析

马文浩， 孙亚飞， 董昊宸

(河南城建学院 测绘与城市空间信息学院， 河南 平顶山 467002)

青海省位于中国西部，雄踞世界屋脊青藏高原的东北部，位于喜马拉雅-地中海地震带(又称欧亚地震带)上，主要分布于欧亚大陆，从印度尼西亚开始，一直延伸到大西洋的亚速尔群岛。欧亚地震带所释放的地震能量占全球地震能量的15%，主要为浅源地震和中源地震[1]。近年来青海地震频发，其中，2010年玉树藏族自治州7.1级地震[2]和2021年青海省果洛藏族自治州7.4级地震[3]以及最近发生的门源回族自治县6.9级地震等备受人们关注。门源回族自治县位于青海东北部，北倚祁连山，南临达坂山，地势西北高，东南低，南北高，中间低，地形复杂，高差悬殊。祁连山脉所在地区是地震的多发地带，所处位置有祁连-海原构造带，其中祁连-海原构造带由冻龙岭断裂带、西部的托莱山断裂带、祁连-肃南断裂带等诸多断裂带共同构成[4]。门源自治县北临冻龙岭断裂带，又有门源断裂带，往西还有托莱山断裂带，都属于该构造带范围。

据中国地震台网中心(China Earthquake Networks Center,CENC)测定，北京时间2022年1月8日01时45分27秒在青海海北州门源县(北纬37.77°，东经101.26°)发生Ms6.9级地震，震源深度10 km，截至2022年1月14日，青海海北州门源县地区发生余震3级以上20次，4级以上7次。美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)给出的震级为Ms6.6，震源深度13 km，其震源机制显示此次地震为冻龙岭断裂，图1给出了门源地震发生的位置。在地震后如何快速准确地进行调查分析，对抗震减灾、灾后重建和人员疏通等方面有很重要作用。

SAR干涉测量(InSAR)技术是监控地表沉降的重要手段之一，具有大范围、高精度、成本低等优点，在地震形变监测方面做出很多贡献[5]。2010年，沈强等[6]利用D-InSAR技术获取了青海玉树Mw6.9地震同震形变场。2021年，刘超亚等[7]基于InSAR技术得到新疆于田Mw6.3地震的同震形变场，采用SDM方法获得发震断层非均匀滑动分布，并分析了同震库仑应力变化和对周边断层的应力扰动。

与2016年门源地震不同的是，本次地震在冻龙岭断裂的西段发现了长约22 km的地表破裂带，地表和冰面可见连续拉张裂隙和挤压鼓包等破裂组合形式，鼓包高达1.5 m。因此本文使用InSAR技术、Sentinel-1A数据来获取震区的地震形变场和地表形变结果[8-9]，分析地震涉及范围和特征，计算地震破裂分布、长度，为灾情研判和灾后救援提供重要数据基础和决策依据。

1 研究区域及SAR卫星数据

从欧空局(ESA)网站获取覆盖2022年1月8日青海门源Ms6.9地震形变区的Sentinel-1A SAR数据，包括Sentinel-1A的升轨T026轨道和降轨T033轨道数据，使用两个短时间基线像对的整景数据进行差分干涉测量，影像的基本参数和覆盖范围分别见表1和图1。Sentinel-1A卫星的TOPSAR雷达数据采用C波段成像，由于青海地区裸露地面较多，植被对C波段的影响较小，所以在该地区具有时间和空间上的优势，能快速得到地震形变场。外部DEM采用SRTM(分辨率为30 m)DEM数据。

表1 青海门源地震SAR数据基本参数

2 数据处理技术流程

利用雷达差分干涉处理(D-InSAR)技术，采用2021年12月29日(震前)和2022年1月10日(震后)相隔12 d的雷达数据(Interferometric Wide Swath，IW)进行差分干涉处理。用干涉法求出两幅影像的相位差ψ(z)[10]为

(1)

式中：ψ(z)为两次成像的相位差；λ为雷达波长；r为天线到地面点的高度的地表斜距。利用双轨法得到的干涉图像中的相位φdint的公式为

φdint=φdisp+φtopo+φatmo+φnoise

(2)

式中：φdint为干涉测量差分处理之后的相位；φdisp为由地表形变引起的形变；φtopo为由地形起伏引起的地形相位；φatmo为两次成像期间大气延迟不同引起的相位；φnoise为由雷达目标散射特性的变化引起的噪声相位。

利用SRTM 30 m分辨率DEM数据，以减少地形因素对形变要素带来的影响并用来地理编码；滤波采用Giodstein滤波方法[11]，消除由平地相位引起的噪声；相干性是判断干涉条纹的重要指标，相干性的计算公式[12]为

(3)

式中：M、N为估计时所采用的窗口大小参数，图像中亮度越高的值相干性越好，反之越差。本文利用12 d的影像组成像对，得到质量高的相干图。然后采用最小费用流(MCF)算法进行相位解缠[13]。为了消除大气效应对相位信息带来的影响，利用通用型卫星雷达大气改正系统(generic atmospheric correction online service for InSAR,GACOS)来消除大气中的水蒸气和气溶胶等在图像上造成的噪声[14]。另外利用创建的地面控制点文件(ground control point，GCP)来消除可能存在的斜坡相位，对卫星轨道和相位偏移进行纠正，最终获得2022年门源地震同震地表形变场和形变数据结果[15]。

3 地震形变结果与分析

InSAR技术获取的地震形变场如图2(降轨)和图3(升轨)所示，升轨数据由于视向限制，只能观测到震区一部分，而降轨数据则包含整个形变区域。降轨观测结果显示，西南部抬升明显，最大值为0.66 m，东北部地表下沉严重，最大值为0.54 m，五角星为门源Ms6.9地震震中位置。根据干涉结果显示，形变场中心分隔区沿西北向东南方向延伸，这和美国地质调查局(USGS)发布的震源参数的走向基本一致。在干涉条纹图中还可以看到，由断裂带向西北据震心约1.2 km处，还有一条有明显的断裂带(图2中A1—A1′)，与托莱山断裂带基本吻合。另外，根据中国地震台网显示，在当天2时9分5秒发生Ms5.1级地震，同一时间，沿断裂带向东南据震心约6 km处也有较为明显的地表沉降信号(图2中A3—A3′)，该地发生了Ms 3.4级地震。由此推断，本次地震形变位于托莱山和冻龙岭断裂交汇区域，可能是托莱山断裂东段与冻龙岭断裂带西段同时发生破裂，导致余震集中在冻龙岭断裂和托莱山附近。地震震心波及半径为15～50 km，主震和两次余震造成的3条破裂带如图2所示，其中A2—A2′为Ms6.9地震破裂带，约10 km左右，A1—A1′，A3—A3′分别为Ms5.1和Ms3.4余震断裂带，约3 km。

2016年1月21日门源Ms6.4级地震未造成大面积的地表破裂带[16-18]。刘云华等[17]认为门源Ms6.4地震由冻龙岭北侧的弧形次生断层引起，而2022年门源Ms6.9级地震造成了大于20 km的地表破裂；李振洪等[19]利用高分七号卫星影像进行分析，发现了较为明显的拉张裂隙、挤压鼓包等地表破裂现象。图4显示了垂直于断层的形变量剖面，从F1—F1′、F2—F2′、F3—F3′、F4—F4′、F5—F5′、F6—F6′结果显示，最大地表沉降量在A2—A2′主破裂带上，抬升量和下沉量相差不大，根据统计结果分析，抬升量较下沉量相比，抬升量比下沉量大0.12 m左右(图5)。除了F1—F1′和F5—F5′，其他剖面都呈垂直分布，F6—F6′最能反映整体的地震形变，从剖面图推断此次地震影响范围为40～60 km。

图2 青海门源Ms6.9地震地表形变场(降轨)

图3 青海门源Ms6.9地震地表形变场(升轨)

图4 青海门源Ms6.9地震形变结果

图5 视线向LOS形变量剖面线

4 结论

本文利用欧空局哨兵Sentinel-1A升降轨道卫星影像，获取了青海门源Ms6.9级地震结果，最大视线内的沉降量为-0.54 m，其降轨测得最大隆升量为0.66 m，升降轨测得的干涉条纹图基本一致，根据剖面图显示，InSAR技术获取的地表形变信号明显，其中，断层的下沉量与抬升量相近。根据震级、时间和干涉结果推断，2022年门源地震断层主要为冻龙岭断裂的西段，并且与托莱山断裂东南段接壤，导致之后在托莱山断裂上造成Ms5.1地震，如图2中A1—A1′所示，有较为明显的干涉条纹。干涉条纹图显示形变特征与左旋走滑型特征相吻合，地震震心波及半径为15～50 km，形变剖面反映出地表形变分布范围远大于垂直断层分布范围。