引言

喀什-乌恰交汇区位于天山褶皱带、帕米尔弧形构造与塔里木地块3个构造单元的交界,是青藏高原块体边缘地带新构造运动与形变最为强烈的地区之一(张先康等,2002)。新生代以来,印度板块以40—50mm/a的速率挤入欧亚板块(Burtman等,1993;Molnar等,1975),导致欧亚大陆地壳形变运动强烈,40—50mm/a的地壳运动速率中的10—15mm/a形变量在中帕米尔高原被吸收(Yang等,2008;Zubovich等,2010;Ischuk等,2013),引起帕米尔高原等区域地壳隆升,尤其是帕米尔高原、西南天山及塔里木盆地的交汇区构造变形强烈,地震频繁。地质构造研究表明,该区域是第四纪及现今的活动变形主要集中区之一(陈杰等,2011),也是我国强震活动高发区。历史上在这个区域经常发生中强以上地震,如1902年在阿图什发生的8级大地震、1974年乌恰西南的7.3级地震、1985年乌恰7.4级地震、1990年疏附6.4级地震、1996年阿图什6.8级地震、2003年巴楚-伽师6.8级地震和2008年10月5日乌恰6.8级地震等。此外,1997年1月至5月短短的4个月时间里,在伽师地区先后发生了7次6.0—6.9级地震,这种强震群在我国极为少见。从历史地震情况来看,喀什-乌恰交汇区是新疆境内破坏性地震发生最多的区域(图1)。

大量GPS研究表明,塔里木盆地西北边缘与南天山西段之间由逆冲和褶皱变形引起的地壳缩短速率达为6—8mm/a(Abdrakhmatov等,1996;Wang等,2001),虽然喀什-乌恰交汇区有大量GPS研究成果,但GPS 仅给出了水平速度场,而研究断层的褶皱变形和逆冲作用,垂直形变同样具有很重要的意义,乔学军等(2011)利用GPS和InSAR技术研究了喀什坳陷及邻区的地壳垂直运动特征。本文在前人的研究基础上,利用InSAR技术获取近几年该地区高精度、高时空分辨率的LOS(雷达视线方向)向形变场,从形变场的角度来分析该地区的褶皱变形和逆冲作用运动特征,并在此基础上与其他已有的研究成果进行分析对比,开展相应的构造活动研究。

1 InSAR技术基本原理

合成孔径雷达测量(InSAR)技术是指卫星在相邻或相同轨道上飞行过程中,在不同时间对地面同一区域发射电磁波来获取同一地区不同角度的两幅SAR图像,对两幅SAR影像进行干涉处理,再对干涉相位解缠来获取SAR图像对应区域的高程信息(寇程等,2013)。差分干涉雷达测量技术(D-InSAR)是合成孔径雷达测量技术的发展,是指利用同一地区形变前后的两幅SAR图像获取该地区的干涉图像,然后通过两幅干涉图像进行差分处理来获取地表在卫星视线方向的形变量的测量技术。合成孔径雷达与普通光学遥感测量的最主要区别是,合成孔径雷达主动发射电磁波,具有不受天气气候影响,全天候作业等优势,与水准测量等其它形变测量手段相比,具有空间连续性,覆盖面广等优势。根据地形相位的消除方式,D-InSAR方法主要分为二轨法(双轨法)、三轨法和四轨法。

图 1 喀什-乌恰交汇区地形、地震分布、InSAR数据分布图 Fig. 1Map showing the topography, earthquakes and InSAR data area of Kashgar-Wuqia intersection zone
2 InSAR数据与处理方法

本文利用欧空局(ESA)提供的喀什-乌恰交汇区的42景ENVISAT数据,时间跨度为2004年到2010年,全部为降轨数据,空间位置在东经74.4°—76.3°和北纬38.3°—40.4°之间(图1中黑色矩形区域),采用二轨法进行干涉处理,即利用美国宇航局发布的SRTM(90m分辨率)DEM数据去除地形,其绝对垂直精度为16m(http://srtm.usgs.gov/Mission/ missionsummary.php)。干涉处理前,根据空间基线和时间基线最优选择方法,选择参加干涉处理的影像对;为了提高干涉的相干性并降低大气延迟的影响,确保处理结果的可靠性,干涉像对尽量选择在同一季节,时间基线介于150—560天(允许有个别影像对时间基线超过560天),空间基线<150m,最终选出共20对干涉影像组合(表1)。

表1 参加干涉处理的影像配对表 Table 1 SAR pairs for interferometric processing

采用美国喷气推进实验室(JPL)和加州理工学院研发的开源软件ROI_PAC 3.0(Rosen等,2004)对以上原始数据进行处理,相位解缠采用斯坦福大学的统计费用网络流算法程序SNAPHU(Chen等,2000;2001;2002)完成。该算法以统计方法为基础,以最大后验概率求解最佳相位模糊度,可以完成整幅干涉图的相位解缠。获取研究区各时段的干涉图以后,采用层叠InSAR技术(Ivana,2006;Chang等,2011)获取研究区在总时间段内的LOS向形变速度场。层叠InSAR技术能够有效地降低大气延迟误差(Massonnet等,1995;Biggs等,2007),是一种获取地表形变速度场的有效方法。所有干涉结果进行叠加分析,可得到整个时间段LOS向总形变量;然后,统计各像素点形变量所代表的时间长度;最后,总形变量除以时间长度可得到每个像素点的形变速率。其计算公式为:

(1)
Vij= nk=1[(Los)ij]k
nk=1[(Time)ij]k

式中,Vij为第ij个像素点的形变速率;[(Los)ij]k为第k个差分干涉图像中第ij个像素点在LOS方向的形变量;[(Time)ij]k为第k个差分干涉图像中第ij个像素点的时间长度。

为了获取每一个像素点准确的形变速度,叠加的各干涉图像中像素点必须一一对应,而且每一个像素点必须代表地面上的同一地点。因此,生成干涉图时,以第一个干涉图像对(20040112—20050620)的主图像作为基准,将其他所有SAR图像进行偏移量估算,配准到主图像,并生成干涉图。在消除平地效应和地形的时候,也使用第一干涉图像对所采用的数据进行处理,从而提高形变速度场的精度。同时,为了确保形变速度场的准确性,在计算每个像素点的形变速率时,给时间长度限定一个下限,本文所采用的SAR数据总时间跨度为7年,因此,时间长度限定设为3年,即时间长度小于3年的像素点不参与形变速度场的计算。

3 InSAR数据处理结果与分析

因塔里木盆地中部是沙漠,边缘是绿洲带,南天山西段和西昆仑海拔较高区域常年降雪覆盖,其相干性很差,无法获取这些区域的垂直形变干涉结果。本文获取的LOS向形变场主要分布在塔里木盆地和南天山西段以及帕米尔高原交界地带(见图2)。所采用的SAR数据全部为ENVISAT卫星降轨右视模式的ASAR数据,ENVISAT卫星在Image常规模式下生成SAR图像的入射角为23°。由于LOS向形变量是水平和垂直2个分量的矢量和,而大量GPS监测结果(图3)显示(王琪等,2000;王晓强等,2005;李杰等,2012),本文所涉及的研究区水平形变速率方向为近NNW向、NNW向水平形变对卫星LOS向(23°入射角)的形变贡献非常小,因此笔者认为本研究所获取的LOS向形变量可基本代表该区域的垂直形变特征。


①迈丹断裂;②塔拉斯-费尔干纳断裂;③托特拱拜孜-阿尔帕雷克断裂;④阿图什南翼断裂;⑤卡兹克阿尔特断裂
图 2 喀什-乌恰交汇区LOS向形变速率和剖面图 Fig. 2LOS velocity map and profiles of Kashgar-Wuqia zone

从图2中可以看出,整个喀什-乌恰交汇区垂直形变速度场在1—2mm/a。从整体形变趋势来看,主要以隆升为主,乌恰以南的山区隆升最为明显,年均形变量达到2mm/a,喀什、阿图什等平原地区相对比较稳定,形变量在0—1mm/a之间。其中,阿图什市周围区域有局部下降,但出现下降的区域和下降量不大,最高下降量在1mm/a以内。从研究区中选出具有不同形变特征的地区画出3个垂直形变剖面图,其中,剖面Ⅰ位于乌恰以西的地壳隆升区;剖面Ⅱ位于研究区中间的隆升和稳定区交替区;剖面Ⅲ位于研究区西边喀什-阿图什一带,该区域地壳垂直形变特征为稳定或局部下降。除了剖面Ⅲ中出现局部负值以外,其他剖面垂直形变均为正值。剖面Ⅰ的量值平均为2mm/a,在卡兹克阿尔特断裂南边地区出现小范围3mm/a的变化速率;沿剖面Ⅱ由北向南从阿图什南翼断裂开始到卡兹克阿尔特断裂垂直形变速率从0mm/a增加到2mm/a,而整个剖面的平均速率在1mm/a左右;剖面Ⅲ是穿过研究区最稳定的地区,其垂直形变速率基本上在0mm/a,而在阿图什附近出现局部地壳垂直变形负值区。从3个剖面图中可以看出,研究区地壳垂直形变速率由北向南逐步增加,形变场呈西南隆升,东北比较稳定或局部下降的特征。

图 3 喀什-乌恰交汇区相对于欧亚块体水平运动速率图 Fig. 3Horizontal velocity map of Kashgar-Wuqia zone relative to Eurasian plate
4 讨论

从1970年以来,在研究区内的SAR数据覆盖范围内共发生了5次6级以上地震(见图1),其中1985年的乌恰7.1级和6.6级地震、1993年的6.6级地震就发生在研究区地壳隆升与平稳地区的交替带——卡兹克阿尔特断裂上(冯先岳等,1987)。从图2中可以看到,卡兹克阿尔特断裂和阿图什南翼断裂之间地带是乌恰-喀什交汇区地壳垂直形变从隆升变为平稳或下降的过渡地带,卡兹克阿尔特断裂是一条倾滑型的走滑逆断层,是西昆仑山前坳陷带与塔里木地块的分界断裂(冯先岳等,1987)。利用1998年至2011年10余期的“中国地壳运动观测网络”GPS数据和新疆维吾尔自治区地震局于2007至2011年观测得到的2期GPS 数据,李杰等(2012)获取了喀什-乌恰交汇区相对于欧亚块体的水平运动速率。结果显示,卡兹克阿尔特断裂至阿图什南翼断裂区域水平运动速率有明显梯度变化特征(图3),卡兹克阿尔特断裂以南水平运动速率在20mm/a以上,而断裂以北的乌恰以西地区水平运动速率减少为十几毫米,每年7—9mm/a左右的水平运动能量和1—2mm/a的垂直运动能量在这一地带被吸收。不管是从本文研究所得到的研究区垂直形变速率,还是GPS数据反映的地壳水平运动速率,从历史地震活动性来看,喀什-乌恰交汇区中地壳形变梯度变化和强震都发生在卡兹克阿尔特断裂附近,因此认为卡兹克阿尔特断裂和阿图什南翼断裂是帕米尔高原及南天山与塔里木盆地基底交界的界线。

5 结论

本文利用层叠InSAR技术获取了喀什-乌恰交汇区2004—2010年的地壳LOS向形变速率场,由于NNW向水平形变对LOS向的贡献非常小,获取的LOS向形变速率场可基本代表垂直形变特征。结果显示,研究区垂直形变速率为1—2mm/a;从整体形变量来看,主要以隆升为主,隆升最明显的区域为乌恰西南的山区,形变速率为1—2mm/a。喀什、阿图什这一带形变量比较小或比较稳定,在0—1mm/a之间,形变场呈现西南隆升,东北垂直变化比较平稳的特征。隆升变化和比较稳定区域的交界带出现在卡兹克阿尔特断裂和阿图什南翼断裂之间,1985年乌恰7.4级地震就发生在该断裂上。从水平和垂直形变速度场结果中也可以看到,喀什-乌恰交汇区中7—9mm/a左右的水平运动能量和1—2mm/a左右的地壳垂直运动能量在该区域被吸收,表明阿图什南翼和卡兹克阿尔特断裂是喀什-乌恰交汇区垂直形变能量消耗的主要地带。

致谢:本文所使用的数据是由中国地震研究所的乔学军研究员提供,在软件使用、数据处理过程中也得到乔学军研究员的帮助和指导,在此表示衷心感谢!

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