银川盆地位于我国南北地震带北段，东接鄂尔多斯盆地西缘冲断带，西以贺兰山东麓断裂带与贺兰山山体过渡相连，构造上属于鄂尔多斯块体西缘断陷带。新生代以来强烈的构造活动导致银川盆地及其周围地区地震频繁，是我国西部地震活动的主要场所之一^[1-2]。黄河断裂与贺兰山东麓断裂是银川盆地东西2条大型边界断层(图 1)，控制着整个盆地新生界的沉积，判定其现今活动状态有助于研究银川盆地的演化以及认识鄂尔多斯地块西缘的地震危险性。

银川盆地现有的大地测量形变监测结果主要来自GPS和水准观测数据^[3-4]。数据显示，整个银川盆地以西相对鄂尔多斯地块存在显著的右旋差异运动，量级约3 mm/a^[5]，但是由于观测点位分布稀疏，银川盆地的精细形变特征仍然未知。InSAR作为一种新兴的大地测量技术，不需要地面控制点就可以获取地球表面高分辨率、高精度形变场，2014年欧空局Sentinel-1 SAR卫星数据的免费发布使InSAR在大范围形变监测中的应用更为广泛。因此，本文基于InSAR技术，使用Sentinel-1卫星数据对银川盆地进行形变监测，进而认识银川盆地精细化变形特性。

1 InSAR数据处理

查询并获取研究区域的Sentinel-1卫星数据，其基本参数见表 1。首先对SAR影像进行拼接和裁剪^[6]，然后借助30 m空间分辨率的外部SRTM DEM对裁剪后的SAR影像进行配准，生成差分干涉图的时间基线要求不少于300 d，空间基线不超过100 m(图 2)。为提高相干性，对得到的差分干涉图进行Goldstein滤波。相位解缠采用最小费用流算法，最终获得141幅解缠图。

由于干涉测量不可避免地会受到大气误差及轨道误差的影响(图 3(a))，本文使用GACOS在线气象模型^[7]估计并去除大气误差(图 3(b))。去除大气误差后，差分干涉图上的误差主要为趋势性误差，通过二次多项式拟合的方法即可去除(图 3(c))。

对去除各项误差后的141幅解缠图采用干涉图堆叠算法进行计算，得到银川盆地2014~2019年LOS向(雷达视线方向)平均地壳形变速率场(图 4，图中绿色及蓝色区域代表靠近卫星运动，黄色和红色区域代表远离卫星运动)。整体上看，本文获取的平均形变速率场具有较高的点位密度，银川盆地整体存在下沉趋势，贺兰山东麓断裂和黄河断裂两侧存在一定的差异性运动，盆地内部的芦花台隐伏断裂和银川隐伏断裂两侧差异运动则不明显。此外，局部区域存在明显的地面隆升和沉降漏斗。

为对比InSAR与GPS结果，将Liang等^[8]2013年公开发布的三维GPS速率投影到LOS方向，计算其差值分布如图 5所示。可以看出，差值大多在0~2 mm/a，少部分点超过2 mm，这可能是由于局部地表变形在不同监测时间段的运动速率差异所导致的，统计表明，差值的均方根误差为2.28 mm/a。

2 主要断裂现今活动性分析

银川盆地中发育多条断裂，其中黄河断裂规模最大, 倾角较陡；贺兰山东麓断裂规模次之，是一条东倾的铲型正断层^[9]。此外，盆地内还发育银川和芦花台2条以张性为主的隐伏断裂。为分析这几条主要断裂的现今活动状态，分别沿图 4中AA′、BB′、CC′ 3条剖线提取InSAR LOS向形变速率(图 6)。

2.1 贺兰山东麓断裂

地质调查显示，贺兰山东麓断层为右旋走滑正断层, 全新世垂直滑动速率为1.2±0.4 mm/a^[10]。GPS水平运动速率显示，贺兰山东麓断裂是银川盆地北部的主控断裂，断裂右旋走滑速率为1.7±0.8 mm/a，拉张运动速率为0.9±0.8 mm/a^[3]，水准测量显示断裂垂直运动速率为1.5±0.6 mm/a^[3]。从本文InSAR速率图以及图 6(a)的剖线可以看出，贺兰山东麓断裂两侧存在较明显的差异性运动，盆地内侧远离卫星运动的趋势较为显著，结合雷达视线方向和贺兰山东麓断裂的走向认为，该运动主要由盆地的继承性下沉引起。

2.2 黄河断裂

黄河断裂为银川盆地的东边界^[11]，以永宁为界分为南北两段，北段呈隐伏状，活动性较弱^[12]；南段即灵武段裸露地表，活动性较强^[13]，具备强震发生背景。但GPS站在断裂附近分布稀疏，难以定量获取其精细形变。本文获取的InSAR速率图(图 6(c))显示，灵武段两侧存在较明显的差异运动，在靠近断层处的形态类似于反正切曲线，可能存在震间应变积累。基于此，使用InSAR结果对灵武断裂的滑动速率及闭锁深度进行反演，分析现今活动状态及地震危险性。

本文的InSAR速率是断层真实三维形变在LOS向上的投影，而现有的震间走滑和倾滑位移数学表达式^[14]都是针对断层特定运动方向上观测值的反演，因此反演前必须基于先验信息将断层走滑或倾滑方向位移从LOS向观测中分离。但由于灵武断裂缺乏现今运动的先验信息，因此无法直接使用现有的震间走滑和倾滑位移公式进行反演。针对该问题，本文改进了一般倾角断层的震间地表形变曲线拟合公式，使其能直接基于单一轨道InSAR LOS向观测值反演断层倾角、走滑速率、倾滑速率及闭锁深度。假设断层同时存在倾滑和走滑运动，断层运动示意图如图 7所示，算法的基本原理如下。

已知原点为断层出露地表处的走滑断层震间形变数学表达式为^[14]：

$ {u_y} = \frac{{{s_1}}}{\pi }{\text{ta}}{{\text{n}}^{ - 1}}\left[ {\frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\text{tan}}\delta }}} \right)}}{d}} \right] $

(1)

原点为断层出露地表处的倾滑断层震间形变数学表达式为^[14]：

$ \begin{array}{l} {u_x} = \frac{{{s_2}}}{\pi }\left\{ {{\rm{cos}}\delta {\rm{ta}}{{\rm{n}}^{ - 1}}\left[ {\frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\rm{tan}}\delta }}} \right)}}{d}} \right]} \right. + \\ \left. {\;\;\;\;\;\;\;\frac{{{\rm{sin}}\delta - \frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\rm{tan}}\delta }}} \right)}}{d}{\rm{cos}}\delta }}{{1 + {{\left[ {\frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\rm{tan}}\delta }}} \right)}}{d}} \right]}^2}}}} \right\} \end{array} $

(2)

$ \begin{array}{l} {u_z} = \frac{{{s_2}}}{\pi }\left\{ {{\rm{sin}}\delta {\rm{ta}}{{\rm{n}}^{ - 1}}\left[ {\frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\rm{tan}}\delta }}} \right)}}{d}} \right]} \right. + \\ \left. {\;\;\;\;\;\;\;\frac{{{\rm{cos}}\delta - \frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\rm{tan}}\delta }}} \right)}}{d}{\rm{sin}}\delta }}{{1 + {{\left[ {\frac{{\left( {x - \frac{d}{{{\rm{tan}}\delta }}} \right)}}{d}} \right]}^2}}}} \right\} \end{array} $

(3)

式中，s₁为走滑方向的上下盘相对位移，s₂为倾滑方向的上下盘相对位移，u_y为平行于断层的位移，u_x为水平方向垂直断层的位移，u_z为垂向位移，x为离开断层的距离，d为断层闭锁深度，δ为断层倾角。

若将断层走滑及倾滑分量投影到空间直角坐标系下，LOS向形变u_LOS可表示为：

$ \begin{array}{l} {u_{{\rm{LOS}}}} = {u_z}{\rm{cos}}\theta - {u_y}{\rm{sin}}\theta ({\rm{sin}}\alpha {\rm{cos}}{\alpha _s} - {\rm{cos}}\alpha {\rm{sin}}{\alpha _s}) + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{u_x}{\rm{sin}}\theta ({\rm{cos}}\alpha {\rm{cos}}{\alpha _s} + {\rm{sin}}\alpha {\rm{sin}}{\alpha _s}) \end{array} $

(4)

式中，α_s为轨道方位角(顺时针与正北方向的夹角)，θ为雷达侧视角。将式(4)中u_y、u_x、u_z用式(1)~(3)等式的右边替代，即可得到u_LOS与s₁、s₂、d以及δ之间的关系。

使用改进的公式拟合灵武断裂现今滑动及闭锁程度，其中θ及α_s按表 1中参数给定，断层倾角阈值设置为50~90°，走向设为180°。拟合得到断层右旋走滑速率为3.03 mm/a，正断倾滑速率为0.27 mm/a，闭锁深度为6.8 km，倾角为54.7°。将观测值(蓝线)与拟合值(红线)共同绘制于图 8，可以看出其一致性较好。地震危险性反演显示，灵武断裂有6.8 km左右的闭锁，具备一定的发震危险性。

2.3 芦花台隐伏断裂和银川隐伏断裂

银川盆地内地壳上部发育有银川和芦花台2条纵向张性为主的隐伏断裂^[10]。断裂都属于正断层, 其中银川断裂倾角约为70°，芦花台断裂倾角约为50°~78°^[9]。图 6(b)为沿剖线BB′提取的穿越盆地内2条隐伏断层的速率变化图，可以看出，虽然2条隐伏断层两侧存在一定的速率波动，但是没有表现出构造作用导致的整体趋势性变形特征，因此认为这2条断层现今活动性较弱。

3 银川盆地现今形变特性 3.1 银川盆地整体形变特征

水准测量显示银川盆地以下沉为主^[3]，InSAR形变速率图(图 4)也显示盆地整体呈下沉趋势。图 6(a)和(b)两条剖线显示，盆地沿LOS向远离卫星运动的整体速率约0.5~1 mm/a，与银川盆地构造变形现今仍在持续进行的认识一致^[2]。

3.2 银川市及石嘴山市地面隆升

InSAR形变速率图还揭示了石嘴山市(图 4中P₁点处)的异常隆起现象，隆起范围几乎覆盖了整个石嘴山市。为分析隆起随时间的变化情况，基于GIAnT软件^[15]，使用SBAS方法计算得到隆升速率最大的P₁点累积形变时间序列(图 9)。可以看出，自使用Sentinel-1数据监测至2019年中期，石嘴山市一直处于隆升状态，累积隆升量最大达到2.7 cm左右。

通过在石嘴山市进行实地调查了解到，隆起可能是当地近年来对地下水超采区进行治理的结果。为保护生态环境，合理开发地下水资源，石嘴山市近些年积极开展了地下水超采区治理工作：2015~2018年完成超采区压减开采量2 412.6万m³的目标任务，2011~2018年关停自备水源井140眼。地下水的大量减采有可能导致地层产生回弹，进而形成地面隆升现象。

3.3 盆地东侧地面沉降异常

除石嘴山市地面隆升外，InSAR形变速率图还显示，银川盆地东侧(图 4中P₂点处)存在一处较大沉降区，面积约为180 km²，最大沉降速率约为17 mm/a。为分析沉降随时间的变化情况，使用SBAS方法获取沉降速率最大点(P₂)的累积形变时间序列(图 10)。可以看出，自使用Sentinel-1数据监测以来至2019年中期，地面一直处于沉降状态，累积沉降量最大达到10 cm左右。

虽然InSAR结果显示有明显的沉降信号，但从卫星影像上看，该区域位于毛乌素沙漠西南缘，周边较为空旷。最终通过现场调查发现，该沉降区内有一座煤矿，其地下开采区就位于InSAR沉降中心，因此该沉降异常可能由煤矿开采引起。

4 结语

1) 基于InSAR技术获取了银川盆地2015~2019年平均形变速率图，其结果与GPS和水准测量结果相比具有更高的点位密度，能反映银川盆地的精细变形特征。

2) InSAR速率图显示，银川盆地整体呈下沉趋势，LOS向速率约0.5~1 mm/a；贺兰山东麓断裂两侧差异性运动明显；盆地内发育的芦花台隐伏断裂和银川隐伏断裂两侧差异性运动则不明显，现今活动性较弱。

3) 改进了一般倾角断层的震间地表形变曲线拟合公式，实现了基于单一轨道InSAR LOS向观测值同时反演断层倾角、走滑速率、倾滑速率以及闭锁深度。并将其用于灵武断裂现今运动状态及闭锁深度反演，计算得到断裂走滑速率约为3.03 mm/a，正断倾滑速率约为0.27 mm/a，闭锁深度约为6.8 km，说明灵武断裂现今以右旋走滑为主并兼有一定的正断倾滑分量，且断层存在一定程度的闭锁。

4) InSAR速率图显示，盆地内局部区域存在隆升及地面沉降现象，其中石嘴山市地面隆起较为显著，最大累积隆升量约为2.7 cm，可能与地下水减采有关；盆地东侧有一较大的沉降区，沉降中心最大沉降量将近10 cm，可能与煤矿开采有关。