合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称InSAR）技术是近年来新兴的一项空间大地测量技术，被广泛应用于地壳形变监测，具有全天候、无接触、覆盖范围广、高分辨率、高精度、强时效和具有穿透性等特点^[1-2]。其中，SBAS-InSAR（Small Baseline Subset，简称SBAS）技术是由Berardino和Lanari等人于2002年提出的一种形变时间时序分析技术^[3]，该技术能够有效降低时空失相关、大气延迟的影响，对地表进行长时间序列的缓慢形变监测^[4]。

2020年6月至12月，张家口定点形变观测场地伸缩仪NS向观测曲线开始出现大幅度加速上升的异常，呈现NS向加速拉张变化（图1a）。经过河北省地震局河北地震台、中国地震台网中心和张家口地震监测中心站联合进行现场异常核实，发现SS-Y型伸缩仪运行状态正常且周围不存在明显的地面荷载变化。将2017—2020年张家口伸缩仪NS向观测数据与降雨量、气温和气压分别做相关性分析（图1b～1d），相关性系数分别为−0.008 7、−0.209 4、0.168 2。因此，认为张家口伸缩仪NS向异常与气温、气压、降水和地面荷载等因素不具有较强的相关性，经讨论将该项异常定为异常测项进行跟踪。张家口水管倾斜仪NS向观测曲线形态在2020年6月16日至2020年9月3日期间同步出现大幅度南倾趋势变化（2019年观测数据受干扰较为明显，未使用）（图2）。由于地震前连续观测的形变测项（倾斜仪、伸缩仪等）会出现中短期前兆异常现象，且地震活动在地质上属于断裂运动的表现^[5-6]。综上所述，张家口伸缩仪NS向观测异常可能与观测仪器附近活动断裂两侧地表在垂直方向上的差异性构造运动有关。

图  1  张家口伸缩仪NS向观测曲线及其与气象三要素对比图

Figure 1.  The observation curve of tensometer in the NS direction at Zhangjiakou seismic station and it comparison with the three meteorological elements

图  2  水管倾斜仪NS向观测曲线年变对比图

Figure 2.  The annual variation contrast chart of the water pipe tiltmeter in the NS direction

本文拟使用SBAS-InSAR技术对张家口定点形变观测场地的垂直形变进行监测，采用降轨Sentinel-1 SAR影像数据，分析研究区形变空间分布特征，揭示伸缩仪NS向形变异常的原因。

张家口定点形变观测场地地处阴山EW向构造带与山西构造带北段、张家口-渤海地震带（以下简称张渤带）西北段的交汇部位，附近的主要断裂为张家口断裂^[7]。张家口断裂是张渤带西部一条重要断裂，是山西断陷带与燕山块体的构造分界之一^[8-9]，控制了张家口-宣化盆地的北部边界，受到NWW向张渤带和NNE向山西断陷带的复合作用。其北侧中生代地层抬升，形成低山丘陵；南侧下降，接受第四纪沉积多构成山间盆地^[8]。张家口断裂全长约70 km，由NWW向和近EW向两组多段断层组成的呈正断为主兼左旋走滑断裂，垂直滑动速率约为1.33 mm/a，左旋走滑速率为1.0±0.6 mm/a^[9-12]。断裂由西、中、东3段组成：西段较短，长约10 km，位于两条NE向断裂之间，沿河谷展布，隐伏于地下，构成低丘与高台的构造分界；中部主体段落起自万全镇西北，向东偏南延至西望山北东，长达 39 km，由NWW向和近EW向 2 组多条长短不等的次级断层斜列组成，为山盆之间的构造边界；东段由NWW向和NW向 2 条断裂组成，长约21 km，构造形迹不很清楚，止于其东的NE向断裂（图3）^[10]。张家口断裂的最新活动时代为晚更新世中晚期至全新世^[10,13]。

图  3  张家口定点形变观测场地附近断层分布图

Figure 3.  Fault distribution near the fixed point deformation observation site at Zhangjiakou Station

张家口地震监测中心站SS-Y伸缩仪为分钟值数字化记录方式，其基线长度：NS向基线长28.62 m，方位角0°；EW向基线长28.22 m，方位角90°； NW向基线长29.81 m，方位角45°。仪器分辨率优于1×10⁻¹⁰，漂移量1×10⁻⁶/a，标定精度优于1%。固体潮记录清晰，年变形态明显。

SBAS-InSAR技术是Berardino和Lanari等^[3]人在2002年提出的一种经典的基于多主影像的InSAR时间序列分析方法。该技术主要使用具有较短时-空基线的影像对产生干涉图提高相干性，然后对选取的干涉对进行差分干涉处理并进行相位解缠，根据相干像元相位和观测时间的关系，采用奇异值分解（SVD）方法将多个小基线集合数据联合起来求解，求得影像序列间地表形变速度的最小范数最小二乘解^[2,14]。

本文使用 欧空局（European Space Agency，ESA）获取的Sentinel-1共计 38景降轨SAR数据，时间跨度从2018—2020年，成像模式为干涉宽幅模式（IW），详细数据参数见表1。根据研究区范围（114.7°～115.43°E），（40.58°～41.04°N），对SLC（Single Look Complex）影像进行裁剪。本文采用欧空局发布的对应的AUX_POEORB精密轨道参数文件；DEM数据采用美国宇航局（NASA）提供的空间分辨率为30 m的SRTM DEM数据，用于针对TOPS（Terrain Observation with Progressive）模式的增强谱分集（Enhanced Spectral Diversity，ESD）配准、模拟地形相位及地形相位去除^[15]。

本文选取2018年9月11日数据作为主影像，然后按照设定时间阈值为300 d，空间基线阈值为200 m，并剔除干涉效果较差的干涉对来降低时空去相干的影响，最终共筛选出87个干涉对（图4）。图4中的黄色点代表主影像，绿色点代表从影像，灰色线代表干涉像对。其中，最大时间基线为264 d，最长空间基线为118.19 m。对所有干涉像对进行干涉处理，包括干涉图生成，干涉图去平、滤波和相位解缠，并把所有像对配准到主影像上。其中，多视处理采用方位向视数为1，距离向视数为4；通过分析相干系数图，研究区内非植被覆盖区的相干系数均大于0.2，因此将解缠相关系数阈值设置为0.2，并采用Delaunay MCF方法对阈值大于0.2的像元点进行解缠；采用SRTM DEM数据模拟地形相位，以去除地形相位误差。在解缠后的干涉图像上选取远离形变区相对稳定的点作为GCP点，并采用多项式方法进行轨道精炼和重去平。第一次SBAS反演，先估算残余地形，并通过二次解缠优化全部干涉图；第二次SBAS反演，通过时空高通滤波和低通滤波对大气影响进行估计并去除大气相位误差，把所有LOS向形变序列和年平均形变速率转换到地理坐标系下。最后根据投影关系转换为垂直向年平均形变速率图，投影转换公式为：

图  4  影像干涉对组合图

Figure 4.  Image Interference Pair Composition

式中：v_U表示垂直向年平均形变速率矢量；v_LOS表示LOS向年平均形变速率矢量。

由于研究区内缺少外部地面实测数据（水准或者GNSS），故选取相同数据的PS-InSAR垂向形变测量值结果^[16]（图5b）与SBAS-InSAR垂向形变测量值结果（图5a）进行交叉互检来评价SBAS-InSAR垂向形变反演精度及可靠性^[17]。考虑到研究区包括山地和平地地貌，在研究区范围内随机选取10个高相干点进行SBAS-InSAR年平均垂向形变速率精度定量评价（表2）。

图  5  研究区垂直形变场

Figure 5.  Vertical deformation field of the study area

研究以SBAS-InSAR反演得到的年平均垂向形变速率为参考，PS-InSAR反演得到的年平均垂向形变速率为对照，采用均方根误差来评估两者反演数据结果的一致性：

式中：y表示SBAS-InSAR年平均垂向形变速率值；x表示PS-InSAR年平均垂向形变速率值；N表示垂向形变速率值个数，i=1,2，…，N。

高相干点的年平均垂向形变速率测量差异性指标：均方根误差为1.15 mm/a，间接验证了SBAS-InSAR垂向形变反演的定量精度，且SBAS-InSAR技术在研究区范围内形变监测可达mm级。

使用SBAS-InSAR技术对张家口定点形变观测场地的地表微小形变进行监测，获得了2018—2020年期间垂直方向上的地表形变监测结果（图5a）。

地表形变监测结果显示，张家口定点形变观测场地附近区域垂直方向上未发现大范围显著的地表沉降或者隆升。张家口定点形变观测场地位于张家口断裂中段附近，因此本文重点研究张家口断裂中段。为了进一步定量分析张家口断裂中段的活动特征，绘制了4条垂直于断层走向的剖面线（图3），即图3中的A-A1～D-D1，剖面线长度分别为24 km、23 km、35 km和35 km。剖面线A-A1和B-B1位于张家口台形变观测点西侧，剖面线C-C1和D-D1位于张家口台形变观测点东侧，断层两侧地表年平均垂向形变速率几乎没有差异（图6），剖面B-B1断层两侧地表垂向形变速率与其他剖面略有差异，其南盘距离断层约5 km以外沉降速率变化较大，存在一个明显的下降趋势变化（图6b），经光学影像核实此处为居民区，形变信息为非构造信号。各剖面位置断层两侧地表垂直方向上相对速率分别约为0.38 mm/a、0.16 mm/a、0.8 mm/a、0.46 mm/a（图6a～6d），这与周月玲的结果相似^[10]。

图  6  张家口断裂剖面线形变示意图

Figure 6.  Deformation profiles of the Zhangjiakou fault

分别在张家口定点形变观测场地的北盘和南盘分别选取4个特征点（图3），S1和S2均位于张家口市区西侧八角台山，S3位于张家口市区东侧东山，S4位于翟家庄村北基岩出露点，4个点距断层直线距离分别约为4 km、6 km、3.4 km、10 km；N1和N3位于佛爷山，N2位于安家沟，N4位于石人山，4个点距离断层直线距离分别约为10 km、6.5 km、3 km、5 km。以上特征点均分布在基岩出露区域且相干系数大于0.9，得到垂直方向上累计形变时间序列结果（图7a～7b）。由于Sentinel-1卫星在2020年3月16日至7月26日期间缺少覆盖研究区的降轨数据，因此断层北盘和南盘的特征点在这个期间垂直方向上形变量数值较大，在图7a～7b中表现为折线斜率较大。图7a显示，张家口断裂北盘在2018—2020年期间地表在垂直方向上一直呈现隆升运动趋势。图7b显示，张家口断裂南盘在2018年1—9月期间地表在垂直方向上形变量不明显，2018年10月至2020年7月前运动趋势与张家口断裂北盘基本保持一致，表现为隆升运动；2020年7—12月期间，张家口断裂南盘地表运动趋势发生较为明显的转折，表现为沉降运动，该时间段南盘地表运动趋势与2018年和2019年同期的隆升运动相反，且张家口断裂南盘地表运动趋势发生转折的时间与张家口台伸缩仪NS向地表呈现加速拉张变化（图1a）和水管倾斜仪NS向出现大幅度向南倾斜（图2）异常现象的发生和持续时间基本一致。

图  7  特征点垂向形变时间序列曲线

Figure 7.  Vertical deformation time series curves of characteristic points

根据前人已有研究结果，张家口-宣化盆地现今的区域构造应力场以NEE-SWW向挤压、NNW-SSE向拉张为主要特征^[11]，张家口断裂作为张家口盆地北缘边界的主控断裂，在第四纪期间持续活动，其中部段落活动强烈^[8]；根据张家口至张北1998、2002和2006年各一期、2013年3期精密水准观测数据资料分析结果显示，水准测线整体在张家口断裂附近形成垂直高梯度带区，并以张家口断裂为界表现为北升南降趋势，且2013年以后断层两侧垂直形变速率增大，同时张家口断裂的水平运动弱于垂直运动^[9,18]。

根据上述对于张家口断裂的研究结果，2020年6—12月，张家口伸缩仪NS向观测曲线形态与往年同期呈张性趋势变化基本一致，但是曲线上升速率显著高于往年同期，出现加速张性变化趋势异常，张家口水管倾斜仪NS向观测曲线形态同时出现加速向南倾斜变化。针对上述异常，通过与利用SBAS-InSAR技术获取的张家口断裂两侧特征点垂直方向上累计形变时间序列曲线进行对比，发现在2020年6—12月，张家口南盘地表相对于北盘呈较为明显沉降运动趋势，与2018年和2019年同时间段南盘地表运动趋势相反。根据张家口断裂附近现今区域应力场主要特征并结合特征点累计形变时间序列，该断层在2020年6—12月间可能受NNW-SSE向拉张应力作用，使断层南盘地表相对于北盘在垂直方向上出现较为明显的沉降运动，因此导致了张家口伸缩仪NS向观测曲线在该时段出现张性变化加速趋势变化和水管仪NS向观测曲线出现加速向南倾斜趋势变化的异常。

基于欧空局提供的Sentinel-1降轨SAR影像数据，使用SBAS-InSAR技术对张家口定点形变观测场地地表形变进行监测研究，得到2018—2020年期间该场地及附近区域地表在垂直方向上形变结果。

1）张家口断裂两侧地表在垂直方向的相对运动速率小于1 mm/a，断层活动性较弱。

2）张家口断裂在在2020年6—12月间可能受NNW-SSE向区域拉张应力作用，使断层南盘地表相对于北盘在垂直方向出现较为明显的沉降运动趋势，导致张家口伸缩仪NS向观测出现张性加速趋势变化异常。

致谢　感谢欧空局提供的Sentinel-1雷达数据。