曲菲霏，杨成生,2*，张 勤

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;2. 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210049)

随着经济发展和城市规模的日益扩大，地表变形及与之相关的城区/近城区断层活动危害也日趋显著。断层可能会造成不可逆的地质灾害，其活动会加剧区域地表高程的差异性变化，造成建筑物地基下沉、基础开裂，导致线状工程(如地铁、公路和输水输油管线等)遭到破坏，损坏城市排水系统，严重制约城市经济可持续发展，危害人民生命财产安全。活动断层及其产生裂缝的有效定位和监测是抗灾规划、防灾减灾工作的基本前提。然而，地底活动断层常隐伏于第四纪松散沉积物之下，在地表无明显位移或开裂，使断层定位研究陷入了瓶颈。传统的断层定位及变形监测技术包括地球物理勘探(如探地雷达(gpr)、重力、电阻率成像等)、lidar、精密水准仪、测距仪、分层标、gps和无线检测系统等，通过点、线、剖线或组网的方式来获取地层磁力、电阻率等以及地表形变测量信息。这些技术虽然具有较高的精度，但需耗费较大的人力、物力，空间分辨率低且难以重复。

合成孔径雷达(insar)技术，以其全天时、全天候、大范围覆盖、高分辨率、高精度以及可重复观测等优点为地球科学诸多领域的研究提供了大空间尺度形变信息监测的手段，具有其他地面及空间测量技术无可比拟的优势。尤其是多时相insar(mt-insar)技术，如永久散射体insar(ps-insar)技术、短基线集(sbas)技术和分布式散射体(ds-insar)技术等，更是能获得地表毫米级长时间序列形变结果，为区域断层调查和精确定位提供了极大的可能性。insar技术以其高精度、大范围覆盖的特性，在同震形变和震间形变等地震断层监测领域具有无可比拟的优势。然而，insar技术对变形量级较小的抗震正断层蠕动形变研究则较少，仅限于测量已知断层两侧的形变速率，在新断层的定位上更是鲜有应用。

活动断层两侧存在明显的差异性形变，具有典型的空间不连续性。相较于大尺度地面沉降、地震等灾害，城市断层形变有其明显的特殊性，断距小、形变影响范围相对较小，形变量级小但断层两侧形变梯度大，仅在断层或裂缝两侧千米甚至几十米或上百米范围内表现为非均匀沉降，差异沉降大小与其活动性相关。因此，高精度、高密度的insar监测点是实施蠕滑断层运动定位及监测的前提条件。本文选取墨西哥湾盆地休斯敦地区为研究区，以变形长度长、宽度窄且形变梯度大的城市/近城区活动断层灾害为研究对象，基于ps-insar与sbas技术联合的mt-insar技术对已有断层和潜在断层进行定位与监测。本文不仅获取了已知断层的时空演变过程，还探测到了新的活动断层；通过insar不同轨道的独立观测值和gps数据，对insar测量形变精度进行了验证，并利用lidar、地球物理探测、现场地质调查等方法确认了断层位置，验证了insar探测断层迹线的可靠性；最后，还对休斯敦北部地区断层活动的主要诱发因素进行了分析。本文研究成果为利用mt-insar技术开展城市活动断层定位与监测提供了研究思路和重要参考。

本文以墨西哥湾盆地休斯敦地区断层为主要研究对象，开展城市/近城区的断层活动定位与监测实验。休斯敦地区位于平坦低洼的海湾沿岸平原，域内覆盖了大量第四纪松散沉积物。在构造演化和沉积叠加作用下，该地区发育着大量平行于海岸线、nw—se向正断层，其分布、构造和岩性均十分复杂。1926年，在休斯敦以东约20 mi处的goose creek油田首次发现了与人类活动相关的、严重的地表沉降和断层运动。然而，直到20世纪70年代，公众才开始意识到该现象对周围环境及建筑的破坏性。20世纪后期，美国地质调查局(usgs)在休斯敦地区展开了广泛的断层调查研究，发现了300多条活动断层，总长度可达500 km。该地区断层主要为铲状正断层，以60°～75°倾角的抗震断层蠕变方式运动，典型的蠕变速率为4～27 mm·年，其水平运动分量速率仅为垂直分量的1/4。

图1为休斯敦地区地质图，其中粉色虚线框标记为本文主要研究区域，黑色实线为已知断层位置。休斯敦东部和北部森林茂密，主要由松散的砂土、黏土页岩和黏土构成，新生代沿墨西哥湾累积的沉积物深达几千米。不同地质结构边界的接壤地带，内聚力较低，易转化为正断层，而休斯敦地区很多断层位于地质结构接壤区。本文主要研究对象hockley断层位于以黏土为主的willis层(上盘)和以砂土为主的lissie层(下盘)的接壤区。除复杂的地质环境外，随着城市逐渐向北扩展，研究区域内地下水开采量大幅度增加，大部分水源井已钻探到地下含水层300～700 m的深度。大量抽取地下水会造成地下水位下降，从而引起含水层内的细颗粒黏土层压实，最终导致地面沉降。地表的持续非均匀沉降可能会激活已有断层活动或产生新的断层。此外，受盐壳(图1中绿色多边形)活动影响，休斯敦地区80%的断层都分布于盐壳上部地表，并以盐壳为中心成放射状分布(图1)。

图1 美国休斯敦地区地质图fig.1 geologic map of houston area, usa

众多学者曾采用多种方法(包括地球物理勘探、探井、航空摄影测量、野外调查等)绘制休斯敦地区的断层分布。地球物理勘探技术(包括地震波,电阻率成像、电导率、磁共振成像、gpr以及重力等)在休斯敦地区的断层测绘中有所应用，其中以gpr应用最多；该类技术精度高，但测量范围较小且成本高，并且需要断层活动的先验信息。油气钻井及地下水监测井日志文件亦可提供深部断层的深度、走向等信息；但与地球物理勘探技术类似，该方法仅可获取测井位置处断层信息。航空摄影测量方法可在特定区域内实现大范围断层的准确定位；与lidar技术相同，该方法定位断层是基于高精度地形地貌数据，仅能探测有明显地貌特征的断层。休斯敦地区断层识别方法中应用最广泛的是野外调查，该方法通过实地考察区域地形地貌及断层对周遭环境影响判断其位置。航空摄影测量方法和野外调查方法都基于断层位置已有一定的地形起伏和/或地貌变化，然而休斯敦地区部分断层活动性较小且无明显地表特征。khan等于2001～2002年采用lidar技术测绘的断层(结合已发表断层信息)是迄今为止休斯敦地区最新且最详尽的断层分布图。上述探测方法虽然具有较高的精度，但需耗费较大的人力、物力，空间覆盖率低且难以重复。insar技术不仅可以提供断层活动的历史影像，还可实现低成本、较快速更新，达到对断层活动时空变化规律及特征的多维监测。

休斯敦地区地处墨西哥湾沿岸，受海湾环境的影响，采用sar数据获取缓慢断层儒滑运动速率受电离层、大气等误差相位影响严重。多位学者研究讨论了利用insar技术监测休斯敦地区地表形变，但还没有学者专门利用insar技术探讨该区域内断层活动特征。stork等利用c波段ers-1/2数据测量了harris县域的地面沉降特征，并结合gps和extensometer数据着重讨论了最大沉降中心jersey village的变形情况，其中文献[36]和[37]提到了沿long point断层的差异性变形。khan等采用ps-insar技术获取了覆盖harris地区55×5 km长方形区域的地表形变场。上述insar成果或覆盖区域较小，或采用单干涉图差分处理技术，均含有较大的相位误差，未达到对监测区域形变的有效测量。qu等综合获取了休斯敦地区1993～2011年的地表形变图，并在多处断层处探测到5～20 mm·年的活动速率。

20世纪90年代起，休斯敦地区地下水管控使得地面沉降减缓、断层活动相对减弱。受经费限制，休斯敦地区断层调查工作亦开始放缓，导致了休斯敦北部异常活跃且对周围环境构成潜在威胁的活动断层至今仍未完全绘制，灾害机制仍模糊不清。尽管休斯敦地区的断层运动不会引起严重地震灾害，但其潜在风险仍然很高，准确定位活动断层对于保护公众生命财产和基础设施至关重要。

本文干涉图生成由roi-pac、doris、gamma软件和matlab程序共同完成。在短基线干涉图生成过程中，距离向和方位向分别采用自适应的频谱滤波处理，并采用多级配准策略对从影像干涉图进行配准和重采样。图2显示了由c波段和l波段sar数据干涉构成的干涉对基线图，蓝色圆点代表影像时间，每一条线段都表示一个干涉对。采用结合ps-insar技术和sbas技术优点的mt-insar技术进行干涉图时序insar处理分析。ps-insar技术根据最优多普勒和时间、空间基线选定主图像生成干涉图，并选取具有强反射强度、稳定后向散射特性的像素作为ps点。该技术成功应用于强散射体密集的城市地区，但在非城区存在监测点不足的局限。sbas技术选取具有短时空基线的sar影像数据集以最小化干涉对失相干的影响，选取频谱滤波处理后在短时间内缓慢失相关的像素点(sfp)开展时间序列形变分析。ps和sfp点集联合开展mt-insar处理，可极大地提高监测点的空间密度。本文借助stamps(stanford method for persistent scatterers)技术进行mt-insar 处理。为提高相位解缠的可靠性，需要将ps点和sfp点在解缠操作之前融合，根据hooper提出的方法求取重合相干点目标的加权平均相位值，与其他ps点、sfp点共同构成“ps+sfp”点集。对融合点集进行三维相位解缠，获取完整相位信息。开展时域高通和空域低通滤波来降低误差相位影响，同时采用toolbox for reducing atmospheric insar noise (train)软件包和gacos(generic atmospheric correction online service)进一步剔除大气误差及轨道残余误差影响。最后，由于数据处理中没有形成孤立的干涉图集，故采用最小二乘方法求解最终高空间密度的地表形变相位。

图2 干涉对时空基线图fig.2 spatial and temporal lines of sar interferograms

本文采用了两个相邻轨道的l波段日本alos-1 palsar数据以及c波段欧洲空间局sentinel-1a/b数据(覆盖范围如图1所示)，其中alos-1 palsar数据时间跨度为2007～2011年，sentinel-1a/b数据时间跨度为2016～2020年。利用30 m分辨率shuttle radar topography mission (srtm) dem辅助去除干涉图中的地形相位分量，并采用gps连续跟踪站时间序列验证、分析insar断层定位结果。所用sar数据情况见表1。

表1 sar数据集参数

基于mt-insar技术和相应的alos-1 palsar数据及sentinel-1a/b数据，获取了美国休斯敦地区2007～2011年和2016～2020年地表平均形变速率，分别如图3和4所示。图3(a)、(b)和图4分别为来自两相邻alos-1轨道数据(轨道176和轨道175)和sentinel-1a/b数据获取的休斯敦西北部区域视线向平均形变速率图，图示颜色代表地表不同变形量级。图3、4中白色箭头所指区域可见明显的形变值突变，即该位置地面存在明显的差异变形。图3中最大差异变形可达10 mm·年，且两相邻轨道重叠区域探测突变位置完全一致，图3(c)、(d)为两相邻轨道175和176数据拼接形变结果图。 休斯敦地区断层为抗震蠕动断层，其影响宽度仅为几千米甚至几十米。若insar探测变形区域存在陡峭的变形梯度，且其走向与区域构造断层方向一致，那么该变形位置极有可能存在隐伏断层，或者已有地表裂缝但还未引起重视。基于形变场梯度陡变可能是由断层两侧地表的差异沉降引起的推断，沿陡峭相位梯度位置描绘得到insar断层迹线，如图3(c)和图4(b)中黑色虚线所示(下文简称alos断层和s1a断层)。图3(d)中叠加了khan等于2013年采用lidar技术探测断层迹线(粉色实线，下文简称lidar断层)，与alos insar探测的突变位置基本吻合。图4(c)叠加了s1a断层、alos断层和lidar断层，发现三者探测断层迹线位置具有良好的一致性，证明insar技术在断层定位上具有良好的实用性。相比于lidar技术，insar技术具有成本低、覆盖范围大、易更新等优势。

图3 alos-1 insar定位断层分布图fig.3 maps of the faults discovered by alos-1 insar

图4 sentinel-1a/b insar定位断层分布图fig.4 maps of the faults discovered by sentinel-1a/b insar

根据图3、4的mt-insar监测结果，insar技术探测得到的断层为ne向和nee向近平行断层，有明显的总体走向一致性，其差异变形状态切合蠕动断层特性，符合墨西哥湾盆地整体构造特征。断层局部走向稍有变化，断层沿线形变影响宽度差别较大，从几十米到几千米不等(图3、4)。根据探测结果，研究区域内从南到北至少分布3条活动断层带(hockley断层带、big barn断层带和conroe断层带)，位于从hockley向东北延伸到conroe的hockley-conroe断层系统(图3、4)。

hockley断层带全长超过40 km，是休斯敦地区最活跃的断层之一，西起hockley盐壳，穿过290号高速公路，东至hufsmith东北部；alos insar识别出5处断层(图3)，sentinel-1 insar识别出6处断层(图4)，其中sentinel-1定位结果发现hockley断层带活动进一步向西南方向延伸。big barn断层带位于休斯敦以北约20 mi处，从hockley断层带末端延伸至45号州际公路；alos和 sentinel-1 insar分别识别出5处活跃断层(图3、4)；过去的十几年内，该地区曾多次报道相关建筑及基础设施遭到损坏，地质学家也在此区域开展了调研工作，但美国地质调查局在其数据库中还未正式命名该断层带。

本文利用insar技术首次探测到位于conroe以西的两条长度达数十千米的断层，即图3、4中研究区域最北部两条断层，该断层两侧形变梯度变化极为明显。alos insar探测断层东起conroe，向西南延伸至magnolia东北部，sentinel-1 insar探测断层迹线位置与alos insar探测断层基本吻合，但其描绘迹线穿越magnolia继续向西南延伸约12 km。两者探测结果的差异存在两种可能：一是延伸段断层仅在sentinel-1监测时段活跃；二是延伸段断层活动速率相对较小(