大地测量与地球动力学

基于SBAS-InSAR技术的珊溪水库地区地表形变监测与分析

李环宇 ¹ , 戴陈兵 ¹^,* , 周怀斌 ¹ , 肖鹏 ¹ , 汪进波 ¹ , 张明 ¹

大地测量与地球动力学 | 地壳运动 2025,45(6): 599-604

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大地测量与地球动力学 |地壳运动 2025 , 45 (6) : 599 -604

基于SBAS-InSAR技术的珊溪水库地区地表形变监测与分析

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李环宇, 工程师, 主要研究方向为地震应急服务、地表形变监测、地震地质灾害监测与评估, E-mail: Lhyzjea@126.com

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李环宇¹, 戴陈兵¹^,*, 周怀斌¹, 肖鹏¹, 汪进波¹, 张明¹

作者信息

1 浙江省地震局, 杭州市塘苗路7号, 310013

通讯作者:

戴陈兵, 工程师, 主要研究方向为地表形变监测、地震监测设备运维, E-mail: dcbcdut@163.com

DAI Chenbing, engineer, majors in surface deformation monitoring, earthquake monitoring equipment maintenance, E-mail: dcbcdut@163.com

作者简介:

李环宇, 工程师, 主要研究方向为地震应急服务、地表形变监测、地震地质灾害监测与评估, E-mail: Lhyzjea@126.com

Surface Deformation Monitoring and Analysis of Shanxi Reservoir Area Based on SBAS-InSAR Technology

Huanyu LI¹, Chenbing DAI¹^,*, Huaibin ZHOU¹, Peng XIAO¹, Jinbo WANG¹, Ming ZHANG¹

Affiliations

1 Zhejiang Earthquake Agency, 7 Tangmiao Road, Hangzhou 310013, China

LI Huanyu, engineer, majors in earthquake emergency services, surface deformation monitoring, seismic geological hazard monitoring and assessment, E-mail: Lhyzjea@126.com

出版时间: 2025-06-15 doi: 10.14075/j.jgg.2024.07.329

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摘要

收起

为了解珊溪水库地区现今地表形变特征及应力状态，基于2022—2023年共57景哨兵1号雷达影像数据，利用SBAS-InSAR技术获取研究区跨断层形变速率场，并对珊溪水库地区地表形变影响因素进行分析。结果表明，区内地壳整体处于应变累积的缩短状态，库区附近短期地表形变主要受水库蓄水量影响，发震断裂仍处于震间应变累积阶段，应对水库区地表形变情况开展长期监测，为地震危险性评估提供判断依据。

关键词

珊溪水库 / SBAS-InSAR技术 / 地表形变 / 应变累积 / 蓄水量

Abstract

收起

In order to understand the current surface deformation characteristics and stress state of Shanxi reservoir area, we obtain the cross-fault deformation rate field in the study area based on 57 Sentinel-1 radar images from 2022 to 2023 using SBAS-InSAR technology, and analyze the influencing factors of surface deformation. The results show that the crust in the study area is overall in a state of strain accumulation, and the short-term surface deformation near reservoir area is mainly controlled by water storage. The seismogenic fault is still accumulating strain in the inter-seismic phase, and continuous monitoring of surface deformation in reservoir area should be carried out to provide a basis for seismic hazard assessment.

Key words

Shanxi reservoir / SBAS-InSAR technology / surface deformation / strain accumulation / water storage

引用本文

李环宇, 戴陈兵, 周怀斌, 肖鹏, 汪进波, 张明. 基于SBAS-InSAR技术的珊溪水库地区地表形变监测与分析. 大地测量与地球动力学, 2025 , 45 (6) : 599 -604 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.07.329

Huanyu LI, Chenbing DAI, Huaibin ZHOU, Peng XIAO, Jinbo WANG, Ming ZHANG. Surface Deformation Monitoring and Analysis of Shanxi Reservoir Area Based on SBAS-InSAR Technology[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2025 , 45 (6) : 599 -604 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.07.329

正文

收起

自2001年建成以来，珊溪水库地区于2002年、2006年、2014年先后发生多次群震^[1-3]，其中最大为2006年M_L4.6地震，最高烈度为Ⅵ度^[4]。自2014年M_L4.2震群以来，该区地震活动一直较为平静，与以往的震群活动间隔相比，呈现出平静期过长的异常特征。为更好地分析与评估珊溪水库地区地震危险性，对发震断裂距末次较大震群离逝时间约10 a后所处的阶段进行研究具有重要意义。

合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)通过比较两次雷达波束在同一地点的反射信号来测量地表的垂直位移和形变。与传统的水准测量监测手段相比，InSAR具有实时动态、大尺度范围、高精度、低成本等优势，在地表形变监测方面具有广泛应用^[5-7]。在众多InSAR监测手段中，短基线集合成孔径雷达干涉测量技术(SBAS-InSAR)能够克服时空失相干和大气效应的影响，获得研究区长时间序列的沉降规律，该技术对影像数量的要求较低，在断裂活动性、火山岩浆房活动状态、滑坡稳定性监测等领域得到广泛应用^[7-9]。

针对珊溪水库地区地震活动性亟待解决的问题，本文选取2022-01—2023-12哨兵1号A星(Sentinel-1A)雷达影像数据，利用SBAS-InSAR技术对珊溪水库地区地表形变进行监测。通过时序InSAR技术获取库区跨断层视线向形变速率场，并将形变速率与使用仪器记录的小震编目数据及水库水位进行对比，分析地表形变的主要影响因素及发震断裂现今应力状态，为研究区地震危险性评估提供参考依据。

1 研究区简介

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珊溪水库位于浙江省南部温州市境内，处于文成县和泰顺县交界地带(图1)。区内整体海拔为21~1 143 m，属于中起伏山地^[10]。库区位于温州市飞云江干流上游山区，水库坝址位于文成县珊溪镇北西侧约1 km处的峡谷地段，水库绝对坝高156.8 m，坝长308 m，设计最高库容18.24亿m³，最大蓄水位154.75 m^[1]。区内断裂活动背景较弱，水库蓄水前地质构造相对稳定，区内无活动断裂及历史地震记录^[11]。自2001年水库建成以来，2002-05-17水位达到初始蓄水时期最高值133.8 m，2002-07-28库区首次记录到M_L3.5地震，之后每年都能记录到地震活动，共发生多次影响较大的震群活动^[1-2]，最大为2006年M_L4.6地震。

钟羽云等^[1]通过对比珊溪水库地区地震震源平均深度与华南地区构造地震震源平均深度，判断该区地震为水库诱发地震。研究区内发育一系列前第四纪断裂，库区内主要发育江口-汇溪断裂(F₁)、岩上-程坑断裂(F₂)及双溪-焦溪垟断裂(F₃)。马志江等^[4]经过现场地质调查，综合考虑断裂长度、断层破裂带宽度、岩石渗水条件等因素，认为库区内双溪-焦溪垟断裂(F₃)的分支断裂F_3-3为水库诱发地震的主要发震断裂(图1)。研究表明，库区层状岩层属于很好的隔水层，而渗透性较好的双溪-焦溪垟断层(F₃)有利于库水下渗，受控于这种特殊的岩体结构面组合方式，在水体渗透和地震活动的相互作用下，水库地震沿发震断层从SE向NW迁移且持续发生^[12]。

2 技术方法与数据处理

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2.1 SBAS-InSAR技术

SBAS-InSAR技术^[13]是在差分干涉测量(D-InSAR)和永久散射体干涉测量(PS-InSAR)技术的基础上发展而来的一种时序InSAR方法。该方法基于高相干散射体上稳定可靠的相位信息，通过相位模型迭代拟合来估计和去除各类误差项，达到提取微小形变信号的目的。计算过程中通过对形变区多年积累的大量SAR影像进行时间序列分析，可有效分离微小形变相位和轨道、大气等误差相位，从而实现对断裂带地壳形变的高精度测量。基于SBAS-InSAR技术的高精度、低成本等特点，本文使用该技术提取温州珊溪水库地区2022—2023年地壳形变速率，研究其时间演化特征，并结合其他观测资料对库区应力状态进行分析。

2.2 SBAS时序分析

本文使用欧空局Sentinel-1A升轨雷达影像数据分析珊溪水库地区地表形变，该数据成像波段为C波段，扫描模式为IW模式，具有双极化、短成像周期、多模式等特点。原始影像幅宽约250 km，空间分辨率为5 m×20 m。为降低冗杂计算量，本文对收集的影像进行统一裁剪。影像成像时间跨度为2022-01—2023-12，共57景，极化方式为VV极化，轨道号69。

为保证干涉成像效果，使用Sentinel-1A精密轨道数据消除成像轨道误差，使用30 m分辨率的SRTM DEM数据去除地形相位影响。根据影像连接情况，选取2023-01-20雷达影像(第28景)作为超级主影像，第19景影像因超出最大空间基线设置阈值2%而未参与InSAR计算。生成连接图后，平均每景影像的连接数为7.178，共生成201对干涉相对，图2中绿色代表有效数据对，黄色表示主影像，红色为丢弃的数据对。

珊溪水库库区所处位置为山地地形且植被茂盛，经初步Goldstein滤波，为减少低相干区域对解缠结果的影响，使用Delaunay MCF(三角网最小费流法)进行相位解缠^[14]；然后经过反演、地理编码等处理流程，最终得到研究区视线向形变速率。由图3可知，由于研究区地形变化较大且植被茂盛，尽管雷达影像VV极化方式渗透能力较强，但仍存在较为严重的失相干现象。虽然形变速率结果的连续性不高，但2022—2023年间小震集中分布的断层两侧区域亦能呈现出一定的断层北侧形变速率为正值、南侧为负值的现象，即断层下盘呈现抬升趋势(靠近传感器方向)，上盘相对下降(远离传感器方向)。

为更清晰地展示断层上下盘地表形变情况，跨发震断层(F_3-3)绘制3条时序形变剖面，剖面位置见图3。由于研究区内不同期影像间的相位失相干现象较为严重，因此在绘制形变剖面时沿线性剖面左右两侧各设置50 m缓冲距离，提取100 m缓冲区内形变特征点并绘制时序形变剖面。统计3条剖面的断层两侧最终形变量并计算其平均值，将平均值用红色虚线标识，以便更直观地分析断层两侧地表形变情况。由图4可知，3条跨断裂时序形变剖面均显示出一定的断层南侧地表相对下降、北侧相对上升的形变特征，表明库区内地壳整体处于应变累积的缩短状态。区内地表形变的主要影响因素还需通过特征点的时序形变分析来确定。

3 地表形变影响因素分析

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3.1 地表形变特征整体分析

为分析地表形变时序特征，在断层北侧和南侧各选取5个显著的形变特征点(图3)，并对断裂两侧的地表形变特征进行分析。由图5可知，特征点时序形变曲线与跨断裂的时序形变剖面表现出相似的变化特征，显示为北侧抬升而南侧下降，进一步表明库区内地壳正处于应变累积的缩短状态。因此，跨断层的时序形变剖面、地表形变速率及特征点时序形变曲线均显示，研究区内地壳整体处于应变积累状态。

在研究时段内，地表形变曲线共出现3次显著的波动转折，分别发生于2022-07、2023-03和2023-07。其中，2023-03转折尤为明显：北侧短暂下降后再次上升，而南侧则经历短暂抬升后开始下降。地表形变曲线中出现3个转折点(或台阶)的具体原因需结合其他观测资料进行深入分析。

本文进一步对仪器监测时段内的地震活动数据、水库水位时序数据及地表形变时序数据进行对比分析，以确定影响库区内断裂两侧地表形变的主要因素。

3.2 地表形变特征与地震活动

由研究区小震编目资料可知，库区在监测分析时间内于2022-11—12发生1期由10次小震组成的震群，最大震级为M_L2.0，其余地震震级均较小(未超过M_L1.0)。但此次M_L2.0小震震群发生后地表仅存在微小幅度抬升，其形变趋势未发生明显变化，而是延续之前的形变趋势直至2023-03出现转折。基于以上现象，本文判定区域小震与地表形变之间的关联性不强，虽伴有能量释放，但不足以改变地表形变趋势。

3.3 地表形变特征与水库蓄水量

已有研究表明，水库的蓄水量对水库诱发地震具有较明显的控制作用，其控制方式可分为以下2种：1)长期持续的高水位可诱发地震能量的集中释放，如龙滩水库诱发地震^[15]、湖北丹江口水库诱发地震^[16]等；2)水库水位上升或下降导致区域应力短时间内发生变化也可能诱发地震，如陕西石泉水库^[17]、卡里巴水库^[18]等。马志江等^[12]通过对比珊溪水库水位时序曲线与地震时间序列认为，库区内3次较大震群与水库低水位加载和高水位卸载存在对应关系。珊溪水库蓄水量的加载与卸荷可以影响地震活动，而水库蓄水量对珊溪水库地区地表形变控制作用的强弱需进行进一步对比分析。为验证水库蓄水量是否为短期内地表形变的主要影响因素，本文使用监测期内珊溪水库日均水位数据与地表形变时序曲线进行对比分析(图6)。

由图6可知，库区内地表形变与水库水位时序曲线的变化趋势基本相同，二者在断层F_3-3北侧(同时也是库区北侧)几乎呈现相同的上升、下降趋势，也具有相同的转折点(或台阶突跃点)。据此，本文初步推断珊溪水库蓄水量的大小控制着短期内库区附近地表形变。为验证该推测，本文基于Origin软件的相关性分析功能，使用Spearman方法先将时序形变数据与水位数据进行等级变换，然后捕捉时序形变数据与水位数据的单调变化趋势^[19]，并绘制两者相关性热图(图7)。

由图7可知，发震断层北侧的形变特征点A~E及南侧的形变特征点F~J具有较高的同侧正相关、异侧负相关特征，说明选取的同侧形变特征点的单调性基本一致，具有较高的地表形变特征代表性。水库水位数据与特征点形变数据的相关性在图7中也有所体现，在经过等级变换处理后，其与断层北侧特征点的相关性较高，Spearman相关性系数最高可达到0.5，平均相关系数为0.2左右，该分析结果与图5中2类曲线的初步对比结果也较为一致。相关性分析结果表明，特征点的时序形变曲线与水位数据的内部单调性较为一致，说明珊溪水库蓄水量的大小确实控制着库区附近短期地表形变。

综上可知，水库库区附近地壳形变长期处于应变累积的缩短状态，库区附近短期地表形变主要受到水库蓄水量的控制。由于研究区内发震断裂仍处于应变累积阶段，应对库区地表形变情况开展长期监测，为地震危险性评估提供地表形变依据。

4 结语

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本文利用SBAS-InSAR技术获取珊溪水库库区2 a期跨断层视线向形变速率场。通过提取跨断裂的形变特征点，绘制时序形变剖面，分析该区域的长期应力状态。此外，对比分析特征点时序形变曲线与小震编目及库区水位数据，探讨库区内短期地表形变的控制因素，得到以下结论：

1) 断层附近地表形变呈现北侧抬升、南侧下降的特点，库区内地壳整体处于应变累积的缩短状态。

2) 特征点地表形变与水库水位时序曲线的变化趋势基本相同，珊溪水库蓄水量的大小控制着库区附近短期地表形变。

3) 研究区内发震断裂仍处于震间应变累积阶段，应对库区地表形变情况开展长期监测，为地震危险性评估提供判断依据。

基金

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中国地震局地震应急青年重点任务(CEA_EDEM-20240206)

参考文献

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文献

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2025年第45卷第6期

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文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2024.07.329

接收时间：2024-07-08
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-06-15

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作者

出版历史

收稿日期：2024-07-08

基金

The Key Youth Task of Earthquake Emergency, CEA(CEA_EDEM-20240206)

中国地震局地震应急青年重点任务(CEA_EDEM-20240206)

作者信息

1 浙江省地震局, 杭州市塘苗路7号, 310013

通讯作者:

戴陈兵, 工程师, 主要研究方向为地表形变监测、地震监测设备运维, E-mail: dcbcdut@163.com

DAI Chenbing, engineer, majors in surface deformation monitoring, earthquake monitoring equipment maintenance, E-mail: dcbcdut@163.com

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ddcl/CN/10.14075/j.jgg.2024.07.329

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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