利用InSAR和GPS形變數(shù)據(jù)反演斷層深部滑動的敏感性分析

雍 琦 高二濤 余杭洺 蘭艷萍

1 山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司，太原市新化路8號，0300322 桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，桂林市雁山街319號，541006

構(gòu)造地震的破壞性大、致災(zāi)性強(qiáng)、影響范圍廣、造成的損失嚴(yán)重[1-4]，因此清晰認(rèn)識地震的發(fā)震構(gòu)造、震源破裂機(jī)制等具有重要意義。近年來，將利用大地測量方法獲取的地表形變數(shù)據(jù)作為約束的震源參數(shù)反演理論已在多個強(qiáng)震研究中得到應(yīng)用[4-9]，主要是利用InSAR和GPS技術(shù)探測地表形變，并與斷層位錯理論相結(jié)合提取震源參數(shù)，目前已逐漸成為一種有效的震源參數(shù)反演方法[5-11]。

地震發(fā)震時的斷層破裂是從震源開始向地表和地殼深部傳播的，會造成地表的嚴(yán)重破壞，并使地殼內(nèi)部形成大面積斷層滑動區(qū)[7,10-12]。淺部地殼斷層滑動引起的地表形變能夠通過大地測量等方法被地表監(jiān)測，而深部地殼斷層滑動引起的地表形變相對不易被地表監(jiān)測[7,10,12]。已有研究通常會綜合InSAR、GPS、地震波或其他數(shù)據(jù)來反演斷層的深部滑移[5,13]，但目前對斷層滑移在深度方向上的變化規(guī)律還沒有系統(tǒng)的評價和分析。本文以常見的走滑斷層、正斷層、逆沖斷層為基礎(chǔ)，以模擬的常規(guī)精度及高精度InSAR雷達(dá)視線向(LOS)地表形變(常規(guī)精度施加30 mm噪聲，高精度施加3 mm噪聲)和高精度GPS地表三維形變(N、E、U三個方向上分別施加3 mm噪聲)為約束，反演不同深度、不同斷層類型的滑動分布，并對結(jié)果進(jìn)行交叉對比分析，探究反演結(jié)果沿深度方向的變化特征及規(guī)律。

1 斷層深部滑動敏感性分析

1.1 實(shí)驗準(zhǔn)備

為系統(tǒng)分析利用大地測量方法獲取的地表形變數(shù)據(jù)反演地殼深部斷層滑動分布的敏感性，實(shí)驗分別模擬MW7.0左右地震走滑斷層、正斷層和逆沖斷層的滑動分布模型。根據(jù)模擬滑動分布的類型，利用Okada位錯模型分別模擬GPS的N方向、E方向、U方向的形變場及雷達(dá)LOS方向的形變場(衛(wèi)星為升軌右視，軌道方向角為347°，入射角為38°)。實(shí)驗參數(shù)如表1所示。

表1 模擬斷層滑動分布參數(shù)

1.2 走滑斷層深部滑動敏感性分析

本文模擬的走滑斷層在不同深度的滑動分布及殘差如圖1(a)所示，模擬斷層的傾角為80°，走向為230°，滑動角為0°，斷層面長40 km、寬42 km，以1 km×1 km格網(wǎng)將斷層面進(jìn)行劃分，其中淺部滑動大約為7.4m；深部滑動中心在地下，并以0.98 km為間隔沿深度方向在10～30 km范圍內(nèi)變化，最大滑動量約為5.0 m。

圖1(b)為基于常規(guī)精度InSAR的LOS向形變場反演的走滑斷層在不同深度的滑動分布，圖1(c)為基于高精度InSAR的LOS向形變場反演的走滑斷層在不同深度的滑動分布，圖1(d)為基于GPS形變場反演的走滑斷層在不同深度的滑動分布。由圖可知，無論是基于InSAR還是GPS數(shù)據(jù)，都能獲得較為完整的淺部滑動結(jié)果，斷層深部滑動(圖中圓圈)的位置較深，滑動量小。在反演走滑斷層深部滑動時，基于大地測量形變數(shù)據(jù)反演的深部滑動空間分布與模擬結(jié)果相比有較大差別，出現(xiàn)隨深度的增加滑動量級變小、滑動集聚區(qū)發(fā)散等現(xiàn)象。

圖1(e)～1(g)為基于大地測量形變數(shù)據(jù)反演的斷層滑動分布與模擬結(jié)果之間的殘差，分別對應(yīng)圖1(b)～1(d)?？梢钥闯?，隨著深度的增加，深部滑動的殘差(圖中圓圈)也在逐漸變大。在相同深度下，基于高精度InSAR數(shù)據(jù)產(chǎn)生的殘差略高于基于GPS數(shù)據(jù)產(chǎn)生的殘差，但兩者都遠(yuǎn)優(yōu)于基于常規(guī)精度InSAR數(shù)據(jù)產(chǎn)生的殘差。

圖1 走滑斷層在不同深度的滑動分布及殘差大小Fig.1 Slip distribution and residual error of strike-slip faults at different depths

為定量分析走滑斷層深部滑動的敏感性在深度方向的變化規(guī)律，本文利用滑動探測性及形變解釋度來分析不同大地測量數(shù)據(jù)的反演結(jié)果?；瑒犹綔y性是斷層面滑動區(qū)反演滑動量殘差絕對平均值與滑動量絕對平均值之比，形變解釋度是反演形變殘差絕對平均值與形變量絕對平均值之比。實(shí)驗比較了基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演深部滑動探測性及形變解釋度在不同深度的大小，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演深部滑動的探測性隨著深度的增加而逐步下降，在相同深度位置時，基于高精度InSAR及GPS數(shù)據(jù)的探測性高于基于常規(guī)精度InSAR的結(jié)果。基于常規(guī)精度InSAR數(shù)據(jù)、高精度InSAR數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)反演深部滑動的最高探測性分別為37.63%、55.94%和70.72%。

從圖2還可看出，隨著深度增加反演形變解釋度并沒有發(fā)生顯著的變化，相對穩(wěn)定?；诔Ｒ?guī)精度InSAR數(shù)據(jù)反演LOS、N、E和U方向的形變解釋度分別為92.56%、88.21%、93.47%和69.08%，而基于高精度InSAR數(shù)據(jù)的結(jié)果分別為99.06%、98.0%、99.12%、95.61%，基于GPS數(shù)據(jù)反演N、E和U三個方向的解釋度分別為99.55%、99.64%和97.60%?？梢钥闯觯幢闶窃诖蟮販y量數(shù)據(jù)反演深部滑動探測性較低的狀況下，仍能得到較好的形變解釋度，說明地殼深部斷層滑動引起的地表形變不易被大地測量等手段監(jiān)測到，基于InSAR和GPS形變反演走滑斷層時對深部滑動不敏感。

圖2 走滑斷層在不同深度的滑動探測性和形變解釋度Fig.2 Deformation explaination and deep slip detectability by inversion of slip distribution of strike-slip faults in different depths

綜上可知，3種數(shù)據(jù)反演深部滑動的探測性時，基于常規(guī)精度InSAR數(shù)據(jù)的解釋度較低，基于高精度InSAR數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的解釋度較高。由于InSAR數(shù)據(jù)只有LOS向形變(一維數(shù)據(jù))，而GPS數(shù)據(jù)有N、E、U三個方向的形變(三維數(shù)據(jù))，因此數(shù)據(jù)精度對滑動探測性的影響最顯著，維度對探測性影響相對較小。若探測到70%及以上的深部滑動則認(rèn)為反演結(jié)果可靠，那么基于GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時，在深度不超過10.8 km的情況下，能夠得到相對理想的深部滑動分布結(jié)果。

1.3 正斷層深部滑動敏感性分析

本文還模擬了斷層傾角為60°、走向為230°、滑動角為-90°的正斷層滑動分布。從圖3(a)～3(d)可以得到與走滑斷層一致的結(jié)論，即2類數(shù)據(jù)都能夠反演出較為完整的淺部滑動空間分布，而對深部滑動(圖中圓圈)同樣表現(xiàn)為反演的滑動量級隨深度的增加而變小、滑動集聚區(qū)發(fā)散的情況。從圖3(e)～3(g)可知，基于高精度InSAR形變數(shù)據(jù)和基于GPS形變數(shù)據(jù)反演的殘差較小，而基于常規(guī)精度InSAR形變數(shù)據(jù)反演的殘差較大，這也與走滑斷層的結(jié)果一致。

圖3 正斷層在不同深度的滑動分布及殘差大小Fig.3 Slip distribution and residual error of normal faults at different depths

由圖4可知，基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演深部滑動的探測性同樣隨深度的增加而逐步下降。在相同深度時，常規(guī)精度InSAR、高精度InSAR和GPS的最高探測性分別為56.06%、76.20%和76.25%，形變解釋度在深度變化時沒有顯著改變，相對穩(wěn)定?；诔Ｒ?guī)精度InSAR數(shù)據(jù)反演LOS、N、E和U方向的形變解釋度分別為86.67%、87.11%、87.84%、83.10%，而基于高精度InSAR數(shù)據(jù)的結(jié)果分別為98.09%、96.49%、96.85%、96.71%，基于GPS數(shù)據(jù)反演N、E和U三個方向的形變解釋度分別為99.38%、99.32%、98.78%。不難發(fā)現(xiàn)，基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演正斷層時同樣存在對深部滑動不敏感的問題。

圖4 正斷層在不同深度的滑動探測性和形變解釋度Fig.4 Deformation explaination and deep slip detectability by inversion of slip distributionof normal faults in different depths

因此，GPS和InSAR數(shù)據(jù)的精度對滑動探測性的影響最顯著，維度對斷層滑動探測性同樣有影響，但并不是主要影響因素。若探測到70%及以上深部滑動則認(rèn)為反演結(jié)果可靠，那么在基于GPS數(shù)據(jù)和高精度InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時，在深度不超過13.9 km和12.1 km的情況下，能夠得到相對理想的深部滑動分布結(jié)果。

1.4 逆沖斷層深部滑動敏感性分析

本文還模擬了逆沖斷層的滑動分布，模擬斷層面的傾角為60°，走向為230°，滑動角為90°，斷層面長、寬分別為40 km和100 km，其他參數(shù)與走滑斷層和正斷層相似。從圖5(a)～5(d)可以得到與走滑斷層及正斷層一致的結(jié)論，即InSAR和GPS數(shù)據(jù)都能夠反演出較為完整的淺部滑動空間分布，而對深部滑動同樣表現(xiàn)為滑動量隨著深度的增加而變小、滑動區(qū)發(fā)散的情況。圖5(e)～5(g)的殘差變化規(guī)律也與前文結(jié)果相似。

圖5 逆沖斷層在不同深度的滑動分布及殘差大小Fig.5 Slip distribution and residual error of reversethrust faults at different depths

從圖6可以看出，隨著深度的增加，逆沖斷層反演深部滑動的探測性逐步下降，其中常規(guī)精度InSAR數(shù)據(jù)、高精度InSAR數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的最高探測性分別為70.97%、87.76%、85.51%，基于常規(guī)精度InSAR數(shù)據(jù)反演LOS、N、E和U方向的形變解釋度分別為81.03%、77.45%、78.75%、56.56%，而基于高精度InSAR數(shù)據(jù)的結(jié)果分別為97.29%、95.30%、95.32%、91.42%，基于GPS數(shù)據(jù)反演N、E和U三個方向的形變解釋度分別為99.39%、99.28%、97.37%?？梢哉J(rèn)為，基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演逆沖斷層時依然存在對深部滑動不敏感的問題，若探測到70%及以上的深部滑動則認(rèn)為反演結(jié)果可靠，那么在基于GPS數(shù)據(jù)和高精度InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時，在深度分別不超過9.2 km和8.2 km的情況下，能夠得到相對理想的深部滑動分布結(jié)果。

圖6 逆沖斷層不同深度的滑動探測性和形變解釋度Fig.6 Deformation explaination and deep slip detectability by inversion of slip distribution of reverse thrust faults in different depths

2 對比分析

綜合本文實(shí)驗，利用InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演3類斷層深部滑動的敏感性對比結(jié)果如表2所示。由表可知，基于大地測量形變數(shù)據(jù)進(jìn)行3類斷層反演時，均存在對深部滑動的探測能力較弱、對地表形變的解釋度較強(qiáng)的結(jié)果，如在進(jìn)行走滑斷層實(shí)驗時，基于常規(guī)精度InSAR的形變解釋度最高可達(dá)93.47%，而滑動探測性只有37.63%。無論哪一類斷層，用于反演的InSAR和GPS數(shù)據(jù)精度越高，對深部滑動的探測能力就越好，說明InSAR和GPS數(shù)據(jù)精度越高越有助于深部滑動分布的反演。對比實(shí)驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)InSAR和GPS數(shù)據(jù)精度相同時，維度對反演走滑斷層深部滑動的探測能力影響程度更大。

表2 基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演3類斷層深部滑動的敏感性對比

因此，在進(jìn)行斷層淺部滑動分布反演時，選擇常規(guī)精度InSAR的大地測量一維數(shù)據(jù)即可獲得理想結(jié)果；在反演深部滑動分布時，由于數(shù)據(jù)精度比維度對深部滑動的探測性影響更大，可優(yōu)先選擇充足的GPS數(shù)據(jù)或高精度InSAR數(shù)據(jù)，滿足單一維度即可，多維聯(lián)合反演對實(shí)驗結(jié)果的影響并不顯著。

3 結(jié) 語

本文分別模擬了走滑斷層、正斷層和逆沖斷層在不同深度的滑動分布模型，定量分析了3類斷層反演在不同深度的深部滑動探測性和反演形變解釋度，并對基于3類斷層獲得的實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：1)無論是基于InSAR數(shù)據(jù)還是基于GPS數(shù)據(jù)都能夠得到較為完整的淺部滑動空間分布；2)隨著深度的增加滑動量級變小、滑動區(qū)域發(fā)散；3)在同一深度，基于GPS和高精度InSAR數(shù)據(jù)反演的深部滑動殘差較小，而基于常規(guī)精度InSAR數(shù)據(jù)的殘差較大；4)基于InSAR和GPS數(shù)據(jù)反演深部滑動的探測性均隨深度的增加逐步下降，相同深度下基于高精度InSAR數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的探測性高于基于常規(guī)精度InSAR的結(jié)果；5)當(dāng)InSAR和GPS數(shù)據(jù)精度相同時，維度對滑動探測性有一定的影響。