左榮虎　屈春燕　張國宏　單新建　宋小剛　溫少妍　徐小波

(中國地震局地質(zhì)研究所， 地震動力學國家重點實驗室， 北京　100029)

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基于Sentinel-1A數(shù)據(jù)獲取美國納帕MW6.1地震同震形變場及斷層滑動反演

左榮虎屈春燕張國宏單新建宋小剛溫少妍徐小波

(中國地震局地質(zhì)研究所， 地震動力學國家重點實驗室， 北京100029)

利用歐洲空間局新發(fā)射的Sentinel-1A衛(wèi)星獲取的第1對同震SAR影像， 采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)去除地形效應， 應用枝切法解纏， 得到了2014年8月24日美國加利福尼亞州納帕地震的地表同震形變場。為了獲取最優(yōu)同震形變場， 對比使用了90m×90m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)去除地形相位， 以及最小費用流方法進行相位解纏。結果顯示此次地震造成形變場在LOS方向(Line Of Sight)的最大抬升量和最大沉降量分別達到了0.1m和0.09m。基于獲取的同震形變場， 采用限制性最小二乘算法進行敏感性迭代擬合， 獲取了此次地震的斷層滑動分布及部分震源參數(shù)。反演結果表明發(fā)震斷層的走向為341.3°， 傾角為80°， 破裂以右旋走滑為主， 平均滑動角為-176.38°， 最大滑動量達0.8m， 位于地表下約4.43km處。此次地震累計釋放地震矩1.6×1018N·m， 約合矩震級MW6.14。

Sentinel-1A納帕地震D-InSAR同震形變反演

0　引言

2014年8月24日， 在美國加利福尼亞州的納帕(Napa)地區(qū)發(fā)生了MW6.1地震， 地震位于太平洋板塊(Pacific Plate)與北美板塊(North America Plate)邊界帶， 屬于圣安德烈斯斷層(San Andreas Fault， SAF)系統(tǒng)(圖1)。太平洋板塊(Pacific Plate)相對于北美板塊(North America Plate)的N向運動， 導致圣安德烈斯斷層系統(tǒng)內(nèi)部的主要斷層均為右旋。地震位于圣巴勃羅灣(San Pablo Bay)東岸， 處于2個活斷層系統(tǒng)的中間區(qū)域， 這2個斷層系統(tǒng)是： 位于西邊的Hayward-Rodgers Creek斷層系統(tǒng)和位于東邊的the Concord-Green Valley斷層系統(tǒng)(圖1)， 距離地震發(fā)生地(震中)較近的斷層是著名的West Napa斷層。在地震區(qū)域的若干斷層中， 只有在West Napa斷層發(fā)現(xiàn)了全新世沉積物， 這就表明West Napa斷層表面的破裂發(fā)生在11,000a,BP左右(Bryant， 1982)。在歷史上， 這個區(qū)域曾發(fā)生多次破壞性地震(Buddingetal.， 1991)， 如1868年Hayward發(fā)生MW6.8地震， 1906年San Andreas發(fā)生MW7.8地震， 以及1898年Mare Island發(fā)生MW6.3地震。

圖1　納帕地區(qū)構造背景圖Fig. 1　Tectonic background of Napa region.紅線是該地區(qū)的主要斷層； 白色直線為本文反演的納帕地震地表破裂帶； 黑色虛線框是Sentinel-1A InSAR數(shù)據(jù)空間覆蓋區(qū)域； 紅色五角星表示USGS給出的納帕地震震中； 背景為ASTER GDEM

震后不久， 加利福尼亞大學采用地震波反演斷層模型， 得出部分斷層參數(shù): strike=155°， dip=82°， rake=-172°， 平均滑移量為44cm， 滑移量峰值為100cm， 地表偏移量是25cm， 滑移從震源向上傳播到2km深度的地方， 且從震源向NW延伸12km。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)與JPL/ARIA項目組開展了震后應急響應， JPL/AIRA項目組獲取了COSMO-SKYMED同震干涉圖(20140726-20140827)?；诖蟮販y量數(shù)據(jù)， 初步的滑動反演結果也隨之公布： strike=341°， dip=80°， rake=-176°。地震學數(shù)據(jù)反演結果顯示最大滑移位于地下10km處， 而大地測量學數(shù)據(jù)反演的結果顯示最大滑移位于地表以下約5km處(http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/nc72282711#scientific_finitefault)。因此， 有必要對本次地震的滑動特征進一步確認。本研究利用歐洲空間局最近發(fā)射成功并剛剛投入使用的Sentinel-1A衛(wèi)星獲取的雷達影像對該地震的同震形變場進行成像， 利用GAMMA軟件進行形變量的提取， 采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM去除地形效應， 得到了2014年8月24日美國加利福尼亞州納帕地震的地表同震形變場， 并基于該數(shù)據(jù)集和限制性最小二乘算法進行敏感性迭代擬合， 獲取了此次地震的斷層滑動分布及部分震源參數(shù)。

1　Sentinel-1A數(shù)據(jù)

歐洲太空局在2014年4月3日發(fā)射Sentinel-1A衛(wèi)星， 該衛(wèi)星采用C波段， 圖像分辨率最高可達5m， 有4種不同的觀測模式(Interferometric Wide Swath: IW； Extra Wide Swath: EW； Strip Map: SM； Wave Mode: Wave)， 前3種觀測模式可以使用4種不同的極化方式HH/VV/HH+HV/VV+VH， 但是Wave模式只能使用HH或VV方式中的1種； 同時， HH/HH+HV極化方式主要應用于極地與海冰區(qū)域， 而VV/VV+VH極化方式主要在大陸地區(qū)使用。Sentinel-1衛(wèi)星包含了2顆子衛(wèi)星： Sentinel-1A、 Sentinel-1B(預計于2016年發(fā)射)， 它們共享1個軌道， 單顆衛(wèi)星的運行周期為12d， 雙星運行周期為6d， 在赤道地區(qū)的重訪頻率為3d， 而在高緯度地區(qū)的重訪頻率為僅1d左右。在大陸地區(qū)預先設定的觀測模式是IW模式， 南、 北極地區(qū)以及海洋觀測區(qū)域預先設定的觀測模式是EW或者IW模式， 只有在緊急情況下才會改變預先設定好的觀測模式， 比如使用Strip Map(SM)模式。Sentinel-1A衛(wèi)星的設計目的是接替和改進已經(jīng)退役了的ENVISAT衛(wèi)星， 它是ERS和ENVISATE衛(wèi)星的延續(xù)， 其任務之一是對大型板塊和火山活動的地區(qū)進行成像觀測， 中國的重點觀測區(qū)域主要為青藏高原、 新疆地區(qū)、 以及南北地震帶。ESA現(xiàn)在對Sentinel-1A雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)免費開放(https: ∥scihub.esa.int/)， Sentinel-1A 雷達衛(wèi)星的主要參數(shù)見表1。

表1　Sentinel-1A衛(wèi)星的主要參數(shù)

Table1　The main parameters of Sentinel￣1A satellite

衛(wèi)星參數(shù)參數(shù)值載波波段C波段軌道高度693km軌道太陽同步軌道,重訪周期12d成像模式條帶模式(SM),干涉寬模式(IW),極寬模式(EW),波模式(Wave)幅寬SM幅寬80km,IW幅寬250km,EW幅寬400km,Wave幅寬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°極化方式SM、IW、EW極化方式為雙極化HH+HV/VV+VH或單極化HH/VV,Wave極化方式為單極化HH/VV

2　美國加利福尼亞州納帕地區(qū)MW6.1地震InSAR同震形變場

自Massonnet等采用衛(wèi)星SAR圖像成功繪制了美國加利福尼亞州1992年LanderMW7.3地震的同震形變場后(Massonnetetal.， 1993)， InSAR因為能夠提供高精度、 高空間分辨率的地表位移圖像而備受青睞。在各大類形變觀測中， 地震同震形變場的獲取成為InSAR技術應用最為成功的領域之一。一系列的地震均獲得了較好的InSAR同震形變場(Feigletal.， 2002; Lasserreetal.， 2005; Funningetal.， 2007; Shenetal.， 2009)。2014年8月24日， 美國加利福尼亞州納帕地區(qū)(38.22°N， 122.31°W)發(fā)生MW6.1地震， 此次地震是該地區(qū)25a來震級最大的1次地震， 發(fā)震斷層屬于西納帕斷裂帶， 震中離太平洋板塊(Pacific Plate)與北美板塊(North America Plate)的邊界轉(zhuǎn)換帶圣安德列斯斷層(San Andrease Fault)很近(圖1)。西納帕斷層全長57km， 被認為是晚更新世與全新世時期的右旋走滑活斷層(Foxetal.， 1973)。2014年8月7日Sentinel-1A衛(wèi)星到達該地區(qū)， 拍攝了第1幅SAR圖像， 震后不久(2014年8月31日)Sentinel-1A衛(wèi)星又拍攝了第2幅影像(圖2)。利用獲取的SAR圖像， 獲取了納帕地震的同震形變場， 這是Sentinel-1A衛(wèi)星獲取的第1幅同震形變場； 形變場條紋清晰(圖3a)， 干涉效果較好， 它對驗證Sentinel-1A衛(wèi)星在地震觀測方面的應用具有重要意義。

圖2　納帕地震前后SAR的強度圖Fig. 2　Map of SAR intensity before and after the Napa earthquake.

表2　納帕地震Sentinel-1A干涉像對參數(shù)

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

成像時間垂直基線/m觀測模式分辨率/m衛(wèi)星絕對軌道入射角/(°)方位角/(°)2014-08-072014-08-313條帶模式(StripMap)5×500183500218523.187623.2322-166.741073-166.688507

圖3　納帕地震Sentinel-1A SAR衛(wèi)星同震干涉形變場Fig. 3　The coseismic interferogram of Napa earthquake derived from Sentinel￣1A data.a 形變干涉紋圖； b解纏的同震形變場

數(shù)據(jù)處理采用GAMMA軟件， 利用30m×30m分辨率的ASTER GDEM進行地形效應去除； 在利用枝切法進行解纏之前， 采用自適應濾波的方法減少相位噪聲。形變場中包含的殘余軌道信息引起的趨勢條紋， 采用二項式擬合的方法進行去除。同時， 為了獲取最優(yōu)的同震形變場結果， 對比使用了90m×90m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)去除地形相位， 以及對比了枝切法和最小費用流法解纏結果。

圖4　視線向(LOS)形變剖面圖Fig. 4　Profiles of LOS displacement of the Napa MW6.1 earthquake.a a—a1處LOS向形變剖面圖； b b—b1處LOS向形變剖面圖(剖線位置見圖3)

圖5　用2種不同相位解纏方法得到的解纏干涉位移Fig. 5　Unwrapped interferograms derived from two different phase unwrapping methods.a 枝切法； b最小費用流法； 虛線橢圓為低相干區(qū)域

圖6　2種不同DEM數(shù)據(jù)去除地形相位的形變場結果Fig. 6　Unwrapped interferograms with topographic phase removed using different DEM data.a 利用30m×30m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)去除地形相位； b 利用90m×90m分辨率的SRTM 數(shù)據(jù)去除地形相位； 虛線橢圓區(qū)域為SRTM負值區(qū)； 虛線矩形區(qū)域為遠場非地震形變區(qū)

干涉像對的垂直基線為3m， 時間間隔為24d， 空間與時間基線都較小， 得到的干涉圖相干性較高。從納帕地震Sentinel-1A SAR衛(wèi)星同震干涉形變場(圖3)， 可以看出Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)很好地記錄了此次地震的同震形變場； 從形變場的4象限蝴蝶狀分布特征可以大致得出斷層位置， 及分析出此次斷層活動類型為走滑型。SN向剖面圖(圖4a)顯示破裂帶東南側(cè)地表運動為在LOS向抬升超過8cm， 在斷裂帶東北部地表運動為在LOS向下沉達到10cm； EW向剖面圖(圖4b)顯示斷層西部的形變量相對較小， 西南部的LOS向最大沉降約為4cm。通過對比利用90m×90m SRTM DEM 和30m×30m ASTER GDEM2種不同外部DEM數(shù)據(jù)去除地形效應后獲取的同震形變場， 發(fā)現(xiàn)獲取的解纏相位圖基本一致， 不同的是采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM去除地形效應后獲取的解纏區(qū)域更大， 分析認為這是由于90m×90m SRTM在近海岸線區(qū)域為負值， 這些區(qū)域無法進行去地形處理(圖6 中的虛線橢圓區(qū))； 通過對比最小費用流法獲取的解纏結果， 發(fā)現(xiàn)枝切法解纏在搭橋區(qū)域的相對相位應在1個周期內(nèi)， 不需要加相位的整數(shù)倍， 從而解纏出孤立區(qū)域的相位值。對比枝切法與最小費用流法解纏結果， 發(fā)現(xiàn)2種方法解纏出的形變場結果基本一致， 區(qū)別在于低相干區(qū)域最小費用流法采用內(nèi)插處理而枝切法是用空值表達(圖5 中的虛線橢圓區(qū))?？傊貌煌饫p方法和利用不同DEM去除地形相位， 獲取的地震同震形變場基本一致。38°N以南顯示出量級在1.5cm以內(nèi)的形變區(qū)域(圖6 中的虛線矩形區(qū))， 可能是由大氣誤差造成的， 距離震中較遠， 對本次地震同震形變場沒有影響。

3　納帕地震震源參數(shù)反演

3.1反演算法及形變場重采樣

本次反演研究基于彈性半空間模型(Okada， 1985， 1992)， 采用基于最大似然法則的線性最小二乘法求解問題(式(1))(Wangetal.， 2008)：

(1)

InSAR獲取的形變場是連續(xù)的， 形變場中數(shù)據(jù)點數(shù)約為108。 對于形變數(shù)據(jù)的反演問題而言， 過多的觀測數(shù)據(jù)不僅不能夠提供更多的細節(jié)信息， 而且是一般計算機系統(tǒng)所不能承受的， 同時由于觀測噪聲的存在可能會出現(xiàn)計算結果難以收斂； 因此， 我們必須對觀測結果進行重采樣(Lohmanetal.， 2005)。我們知道， InSAR數(shù)據(jù)固有的誤差因素包括大氣延遲、 DEM數(shù)據(jù)誤差等， 采樣方案的選取對于反演結果有重要的影響， 好的采樣方案可以有效抑制數(shù)據(jù)誤差， 從而突出有效信息； 差的采樣方案會引進誤差， 使反演結果難以收斂。本研究首先對InSAR形變場數(shù)據(jù)(圖3)采用了10像素×10像素的降采樣處理， 使得數(shù)據(jù)量由千萬量級下降到10萬量級， 考慮到在發(fā)震斷層附近雷達數(shù)據(jù)的嚴重失相干性， 形變值可能會嚴重地偏離實際值， 我們采用相干系數(shù)進行掩膜(Masking)， 得到了相干性>0.4的形變場數(shù)據(jù)點， 然后再對得到的數(shù)據(jù)進行四叉樹采樣(Jonssonetal.， 2002； 張國宏等， 2010)， 設定采樣的形變梯度值閾值為0.01， 即形變梯度>0.01時進行四叉樹劃分； 而形變梯度<0.01時， 不再進行劃分。 對劃分出的小塊內(nèi)部數(shù)據(jù)進行平均計算， 消除噪聲影響， 得到了4,656個觀測點； 最后再進一步去除影像邊界處的明顯噪聲點后， 剩下3,387個代表同震形變場的數(shù)據(jù)點(圖7)。

圖7　InSAR形變場下采樣后的數(shù)據(jù)點分布Fig. 7　The distribution of InSAR data after downsampling.紅色線段代表斷層； 五角星是震中位置； 白線是本文反演的斷層位置

3.2反演結果分析

在斷層滑動分布反演中， 通常利用9個參數(shù)描述斷層位錯模型， 即斷層的走向、 傾角、 滑動量、 滑動角、 起始點經(jīng)度、 緯度、 長度、 寬度、 深度； 因此， 反演過程是1個高度非線性的問題(Fukahataetal.， 2008)。斷層的位置我們可以從相干圖和干涉紋圖中初步確定， 該位置與野外地質(zhì)調(diào)查結果基本一致(http: ∥en.wikipedia.orgwikiWest_Napa_Fault)。依據(jù)斷層運動為右旋走滑型， 將初始滑動角變化范圍設定為170°～210°， 將各個子斷層內(nèi)部的滑動角與滑動量作為反演目標。在確定斷層的位置和相關參數(shù)后， 我們將斷層沿走向與傾向均離散為1km×1km的子斷層(張國宏等， 2011)， 這樣就把非線性化的求解問題轉(zhuǎn)化為線性化的求解。

從斷層滑動分布(圖8)可以看出， 斷層滑動主要分布在深度0～9km的范圍內(nèi)； 斷層運動以右旋走滑方式為主， 最大滑動量達到0.8m， 位于地下4.43km處； 整個斷層面的平均滑動角是-176.38°， 部分地區(qū)破裂到近地表。從表3 可以看出本文反演的斷層參數(shù)與USGS的結果比較接近； 反演的震級結果比GCMT的MW6.09與USGS的MW6.05都稍偏大， 達到MW6.14， 累計釋放地震矩為1.6×1018N·m。反演結果與其他學者研究結果基本一致(李永生等， 2015)。

圖8　Sentinel-1A數(shù)據(jù)反演的斷層滑動分布Fig. 8　The fault slip model inverted by Sentinel￣1A InSAR data.a 三維顯示； b 平面顯示

表3　Sentinel-1A同震形變場反演的納帕地震最優(yōu)震源參數(shù)

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

信息來源經(jīng)度/(°)緯度/(°)深度/km走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)長度/km寬度/km矩震級(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

圖9　視線向同震形變場模擬圖Fig. 9　The simulated coseismic deformation in LOS(Unit/m).a 觀測值； b 模擬值； c 觀測值與模擬值的殘差

圖8 為最優(yōu)滑動模型給出的模擬結果。 圖9a表示InSAR觀測結果， 它是由降采樣后的數(shù)據(jù)內(nèi)插得到的， 其目的是為了反映InSAR獲取的真實同震形變場； 圖9b為最優(yōu)滑動模型給出的模擬同震形變場， 它是利用降采樣后的數(shù)據(jù)(圖7)反演得到的。圖9c為模擬形變場與觀測場之間的殘差圖， 邊界噪聲誤差已顯示出來， 而對近場區(qū)域影響不大。殘差圖上近場區(qū)域的藍色及紅色斑點誤差， 出現(xiàn)在蝴蝶狀同震形變場的邊界， 是同震形變場的異常區(qū)域， 可能是由于數(shù)據(jù)失相干導致的結果(Funningetal.， 2007)。反演軟件顯示擬合度達到97%左右； 從整體看， 形變場模擬結果的殘差值在0.02m以內(nèi)， 模擬的同震形變場與觀測值之間擬合度較好。

4　結論

(1)本文利用2014年4月新發(fā)射的雷達衛(wèi)星Sentinel-1A首次拍攝的高分辨率SAR數(shù)據(jù)， 獲取了2014年8月24日發(fā)生在美國納帕地區(qū)MW6.1地震的同震形變場， 并反演了斷層滑動分布。結果顯示出該衛(wèi)星在地震形變場觀測領域的實用性和良好應用前景。本文使用的條帶模式(SM)數(shù)據(jù)空間分辨率達到了5m， 能夠提供地震形變場局部變化的較多信息。

(2)本文采用最新版GAMMA軟件(2014年11月)對Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理， 比較分析了90m×90m SRTM DEM 和30m×30m ASTER GDEM兩種不同外部DEM數(shù)據(jù)去除地形效應后獲取的同震形變場。 發(fā)現(xiàn)利用2種DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位， 獲取的形變量結果基本一致； 不同的是采用30m×30m分辨率的ASTER GDEM形變場區(qū)域更大， 分析是由于90m×90m SRTM在海岸線區(qū)域為負值的原因。同時采用了枝切法和最小費用流(MCF)2種解纏方法， 結果顯示2種方法解纏出的形變場結果基本一致， 區(qū)別在于低相干區(qū)域的解纏結果不一樣： 最小費用流法采用內(nèi)插處理而枝切法是用空值表達。得到的同震形變場表明， 此次地震造成了一定的地表形變量， 在LOS(Line Of Sight)方向的最大抬升和最大沉降形變分別達到0.1m和0.09m。干涉圖中呈現(xiàn)明顯的4象限同震形變分布， 可以直接推斷此次地震是以近走滑運動為主， 從失相干位置我們可以大致確定斷層所在位置。

(3)基于獲取的InSAR同震形變場， 采用敏感性迭代算法反演了此次地震的相關參數(shù)， 最后獲取的斷層走向為341.3°， 傾角為80°， 平均滑動角為-176.38°， 最大滑動量達0.8m， 矩震級約為MW6.14， 地震矩為1.6×1018N·m。這些參數(shù)與震后USGS、 GCMT給出的基本相符。

致謝中國地震局地殼應力研究所的李永生博士幫助獲取了ESA提供的Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 德國國家地球科學研究中心(GFZ)高級研究員汪榮江提供了SBIF軟件包， 在此一并致謝。

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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。

國家自然科學基金(41374015， 41411011073)和地震動力學國家重點實驗室課題(LED2015A03， LED2013A02)共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-278-12

左榮虎， 男， 1989年生， 在讀碩士研究生， 主要研究方向為InSAR地殼形變觀測研究， 電話： 010-62009024， E-mail: rh_zuo@163.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.004