长白山天池火山(以下简称天池火山)是一座坐落在中朝边界的具有潜在灾害性喷发危险的大型复合式火山[1, 2].它位于西太平洋板块俯冲带的前沿, 处在中-朝古老克拉通北缘附近; 更确切地说, 与日本海地区新生代以来的构造活动有直接的可比性[3].同时, 以依兰-伊通断裂带、敦化-密山断裂带、鸭绿江-甑峰山断裂、图们江断裂为主的几条大规模断裂或断裂带构成了长白山及邻区新生代以来的主体构造格局, 另外还有北西西、北西及近东西走向的断层切过长白山天池火山及周边地区.天池火山独特的构造背景一直为中外火山地质学家所关注.研究表明:全新世以来, 天池火山分别在距今约5000年、4000年、800年和公元1668~1702年发生过四次喷发[3].近年来的观测[4]结果推测天池火山可能具有再次喷发的危险.
伴随着火山活动会出现一些如地表形变、地球化学异常、地热异常、火山喷气、地震异常等特殊的地质现象, 而地表形变监测是判断火山活动情况的最为重要的手段之一.从2000年开始研究人员在长白山地区陆续开展了利用GPS和水准等方法的形变监测工作, 但由于观测的时间段较短, 很难认识较长时间的火山形变活动规律.而差分干涉测量技术(D-InSAR)可进行稳定的全天候、全天时观测, 能够实现高空间分辨率及大区域空间连续覆盖, 在提取地表形变信息方面比传统测量技术具有非常明显的优势.D-InSAR对地表形变观测精度理论上可达毫米级, 更为重要的是可以利用历史数据获取缺失的形变信息, 为扩展形变观测时间提供了可能.日本JERS-1 SAR卫星早在1992年就已经发射并开始获取数据, 到1998年积累了大量SAR数据, 为研究公元2000年之前的天池火山形变提供了可能.D-InSAR技术在火山监测与研究中已有若干例成功的应用, 如意大利西西里的埃特纳(Etna)火山[5]、美国阿留申群岛的尤加希克(Peulik)火山[6]、厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛的Alcedo火山[7]等.
本文利用D-InSAR技术获取了天池火山区1994~1998年的地表形变场, 在时间上延伸了常规测量方法对天池火山的形变监测时段, 为研究天池火山活动状态提供了更多的形变信息.
2 天池火山活动特征对长白山地区的科学研究始于19世纪末, 在九五"、"十五"期间开展了比较全面的研究工作.相关地质研究推断天池火山区可能存在岩浆库[2, 8].汤吉等[4, 9]用大地电磁测深观测方法对天池火山岩浆系统的研究认为, 天池火山口北部12~40 km深度的低阻体可能与地下岩浆囊有关.张先康等[10]在天池火山地区用三维人工测深研究发现天池火山的岩浆系统在地壳范围3个深度层次分布的特性, 认为天池火山的岩浆系统是处于"活动"状态的.
长白山天池火山的地震监测工作始于1985年.马明志等[11]根据1985~1995年共11年观测结果认为该段时间火山活动相对较弱.1997年6~9月, 刘一鸣等[12]在天池火山区布设数字化流动地震观测台网, 通过近震源观测, 获得大量火山地震活动信息, 分析认为长白山火山地震在该年有水平较低的活动.2002年7~9月, 吴建平等[13, 14]用15台宽频带地震仪对长白山火山区进行流动地震观测, 记录到大量天池附近的地震和多次震群活动, 地震活动大大超过以往水平.从1999年长白山天池火山固定地震台建立以后, 记录的地震发生频次一直较低, 但从2002年6月开始地震活动明显增加, 地震活动存在逐渐增强的趋势.本文从中国地震台网中心获取吉林省地震局记录的1990~2009年期间, 在N41.6°~42.4°, E127.8°~129°范围内的里氏(ML)0.0级以上地震目录.图 1、2分别为根据该地震目录所做出的地震T-M图及地震分布图.由图 1、2可知地震大多分布于天池火山周围, 且1990~2001年地震数目较少.综上, 1985~2002年天池火山的地震活动性较弱, 2002年之后活动性增强.
形变监测方面, 董鸿闻等[15]利用20世纪50年代以来的3期长白山西部地区的国家高精度重复水准测量数据进行分析, 认为长白山地区西部距天池较近地区在20世纪后50年中垂直运动速率约为+2.0 mm/a, 其中后20余年达到+3.0 mm/a, 处于缓慢抬升运动中.由于该水准观测密度较低, 无法获取天池附近的垂直形变信息.天池火山区域性的形变监测开始于“九五”期间, 监测网点包括由8个站点组成的GPS观测网和由洞室地倾斜仪、伸缩仪组成的定点连续形变观测台以及在长白山北坡布设的长约25 km、有13个水准点组成的水准监测剖面(图 2).崔笃信等[16]对2002~2005年5期一等水准测量结果和2000~2005年6期GPS观测资料进行分析, 认为2000年9月~2002年6月期间, 长白山天池火山形变很小; 2002~2003年间表现为明显的以天池火山口为中心的放射状水平形变和近火山口的快速隆起, 垂直形变速率平均值达到11.4 mm/a, 从空间分布来看, 从山脚至山顶上升速率迅速增大, 天池火山口处的S12水准点(图 2)上升速率最大, 达到46.0 mm/a; 2003~2004年形变范围明显变小, 总体形变率较2002~2003年也明显减小, 平均值减至3.4 mm/a, S12点位上的形变依然最大, 但速率值减小到17.0 mm/a; 2004~2005年垂直速率继续缩小, 平均值缩小到0.5 mm/a, S12点位依然有最大形变值, 减小到5.0 mm/a.
比较地震监测与形变监测两方面的研究情况, 可以认为20世纪50年代直到2002年火山活动较为微弱, 2002年6月地震活动性和地形变突然一致增大.
另外, 一些学者运用遥感的方法分析了天池火山的形变.Kim[17]运用D-InSAR技术, 假设天池火山形变源位于长白山底部, 并利用间白山的形变信息去除对流层影响后, 认为天池火山区在1992~1998年期间以3 mm/a的速率膨胀.
3 数据的收集与处理 3.1 DEM (数字高程模型)本文所引入的外部地形数据为NASA (美国航空航天局)发布的SRTM-3C波段(波长5.6 cm) DEM.国际热带农业中心(CIAT)对该DEM空缺区域进行了插值运算, 其高程基准是EGM96的大地水准面, 平面基准是WGS84.该地形数据分辨率为90 m, 标称绝对高程精度和平面精度分别是±16 m、±20 m[18, 19].
法国、德国、瑞士等国曾对SRTM3 DEM进行过地形数据质量评估.表明其在水域、高山区和峡谷地区质量不好, 常有小块的数据缺失、空白区; 在上述空白区的面积较大水域或起伏很大、很狭、很深的峡谷和高山地区的边缘区有不少数据置信度很差; SRTM3 DEM在某些地区与实际的地形有一种系统偏差[18].
3.2 SAR数据长白山天池火山地区地形复杂, 地势高峻, 积雪期长, 植被非常茂密, 仅在天池火山口有部分裸岩, 很容易造成SAR干涉图像的大范围失相干, 而JERS-1 SAR数据所采用的L波段(波长为23.5 cm)电磁波在植被覆盖地区有较好的相干性, 故本文选取JERS-1 SAR数据作为观测数据, 结果证明即使主辅图像获取时间相隔4年仍具有较好的相干性(图 4).
本文对1992~1998年之间覆盖了相似时间段的15景长白山地区JERS-1影像进行二轨法D-InSAR处理.为了保证干涉结果可靠, 最终选用4景相干性较高的JERS-1数据(表 1)获取了覆盖相似时间段的3幅D-InSAR形变图(图 4), 提取了研究区1994~1998年的地表形变场.
处理步骤主要包括:从原始SAR信号得到单视复图像(SLC)、主辅图像配准及干涉计算、外部DEM的模拟计算、基线估计、相干性估计、滤波、相位解缠、去除部分大气效应等.因为JERS-1的轨道信息不够精确, 所以基线精化显得尤为必要.本文以GAMMA软件为处理平台, 首先, 综合应用轨道状态矢量、配准偏移量与干涉相位条纹频率的多种方法进行基线初始估计, 然后基于外部DEM和干涉图的解缠相位, 通过选取一定数量的地面控制点(高相干点), 利用非线性最小二乘平差法解算出最优的基线信息.
对基线精化后的差分干涉图进行多视处理和自适应滤波处理以减弱信号噪声, 从而使相位解缠变得更加容易, 并实现了全局优化解缠, 避免了分块解缠时易出现的相位跳变.由2002~2005年的4期水准资料[16]可知远离火山口的区域相对稳定, 故选择远离火山口的平坦区域作为起始解缠区域, 利用最小费用流法进行了解缠.最后将差分干涉相位转换为视线向的形变值并投影到UTM WGS84坐标系下.
4 影响因素分析 4.1 失相干影响由于前述长白山独特的区域状况, 极易造成SAR图像失相干.虽然选取了L波段的JERS-1数据, 在大部分地方保持了不错的相干性, 但在距长白山天池北东向约30 km、南西向约10 km之外的林场山区及河流发育区基本失相干(图 4).失相干一方面会导致干涉相位无法解缠, 另一方面会在相位解缠时引入解缠误差, 造成相位跳变.本文在相位解缠前预先进行多视和自适应滤波处理, 在进行相位解缠时没有出现明显的相位跳变.为慎重起见, 在图像分析时仅使用了相干值大于0.25的高相干像素的形变信息.
4.2 地形误差影响我们可以根据干涉相位的高度灵敏度来分析地形误差对形变结果的影响.高度灵敏度的定义为:
(1) |
JERS-1数据从卫星到地物的斜距R为693 km, 入射角θ为35°, L波段的雷达波长λ为23.5 cm, SRTM DEM标称的垂直误差Δh为16 m, 则对于19950816/19980820干涉影像250 m的垂直基线Bh产生的影响为-0.539(弧度), 根据差分干涉对形变的敏感度, 换算成形变值约为1 cm.
4.3 大气影响分析及剔除大气对SAR差分测量的影响主要有两个方面:延迟雷达信号和使传播路径弯曲.对于JER-1SAR来说大气延迟的影响起着决定性的作用[20].
大气延迟在重轨干涉测量中主要有干延迟、湿延迟、液态水延迟和电离层延迟.其中干延迟在时域内比较稳定, 在空域内具有大尺度变化的特性, 通过空域、时域双差之后基本可忽略不计; 电离层延迟虽然在时域不稳定, 但在空域表现出大尺度变化的特性, 故空域差分也基本可以消除; 湿延迟、液态水延迟统称为对流层延迟, 对两轨法测量的影响为[21]:
(2) |
其中, σΔρ表示大气延迟引起的形变误差, σφa表示对流层延迟误差, 具有双差特性.设大气延迟造成的附加路径为ΔLdiff, 则[20]
(3) |
其中, Pgi、Ugi、Tgi分别为地表的压力、湿度和温度, 它们与高度直接相关.因为缺乏气象资料, 故无法计算大气延迟的误差影响, 但本文在D-InSAR处理过程中, 通过GAMMA软件的相关算法去除了与地形高程相关的部分大气延迟.图 3所示为应用GAMMA软件计算出的19950816/19980820差分干涉影像对中与地形高程相关的部分大气延迟量(选取相干性大于0.25的像素), 该量与地形密切相关, 在天池火山处呈围绕破火山口随高程增加而增加的特征, 在高程为2000 m之上的区域, 大气延迟量达到7 mm, 在一定程度上已经消除了大气影响.
如表 1所示, 在3对干涉图中, 第1对干涉图的垂直基线最小, 地形影响也最小.从而19950816/ 19980820干涉影像对的形变结果最为可靠.以第1幅干涉影像对为主来分析天池火山的形变情况, 同时以第2、3幅影像对作为参考进行辅助说明的方法较为可靠.
图 4(a、b、c)分别为第1、2、3幅影像对的差分干涉形变图.3对影像都覆盖有相似的时间段, 从图中可以看出3幅形变图的相干性及形变特征具有较高的一致性.形变场具有共同的形变特征:远离火山口区域形变较小、围绕长白山天池的区域整体隆升、间白山地区以上升为主以及地势高峻区域出现下沉形变.在图 4a与图 4b两幅形变图中的A区域, 都显示了局部高形变值, 但图 4c中相应区域的形变却较小, 同背景场一致.因为图 4(a、b)具有相同的主图像, 而图 4c的形变积累时间可以跨越图 4(a、b)的形变时间, 故前两图中A区的形变可能是它们共同主图像(19950816)的干扰信息.图 4a的B区域出现LOS向5~7 mm的下降形变, 而同时段的图 4(b、c)相应区域却一致表现为围绕天池的上升形变, 推测图 4a的B处形变是辅图像19980820的干扰信息.
为进一步分析19950816/19980820的差分干涉形变场, 在图 4a中, 我们以天池火山破火山口为中心分别选取P1O、P2O、P3O三个放射状剖面.对比分析形变场的P1O、P2O、P3O剖面图及相应高程剖面图(图 5), 可获得如下认识:
(1) 在P1O剖面上, P1D1段为上升形变, 范围为视线向(LOS)0.4~1.3 cm; D1D2段形变值变化梯度突然增大, 形变值变化范围为-0.9~1.7 cm (视线向);
(2) P2O剖面所有像素都表现为上升形变. P2D3段形变值变化不稳定, 结合图 4a的P2端形变图可知, 该区域相干性较差, 失相干可能会带入部分误差; D3D4段表现为介于0.7~1.2 cm (视线向)的稳定形变值; D4之后形变值急剧减小到0值附近;
(3) P3O剖面上表现为两种形变特征:P3D6形变量变化稳定, 介于0.7~1.6 cm (视线向)之间; D6处出现拐点, 形变值变化梯度突然增加, 视线向形变值最小达到-1.8 cm;
(4) 三剖面图中的D2O、D5O、D7O处为天池水面, 完全失相干, 无法获得形变信息, 形变剖面图 5 (a、c、e)显示分别在D1、D4、D6附近出现形变趋势拐点, 高程剖面图 5(b、d、f)显示D1、D4、D6附近高程分别为2000、2200、2000 m.从拐点开始, 高程变化梯度急剧增加, 地形变得极为陡峭.差分干涉处理中引入的SRTM3 DEM, 其精度具有很大的地形依赖性, 坡度大的地区误差大, 在水域、高山和峡谷等地形复杂区域质量不好[18, 19]; 另一方面, SRTM3 DEM获取时间为2000年2月, 该季节长白山山顶的积雪深厚, 使SRTM3 DEM精度进一步下降.如4.2节对地形误差影响的分析, 若以16 m的标称精度做保守估计, 地形误差对形变的影响约为1 cm, 与天池火山的形变值大小相近, 故拐点以上区域的形变值受地形影响较大, 难以体现真正的形变信息;
(5) 高程低于2000 m区域的形变值介于0.4~1.6 cm (视线向).该区域高程较小、地势相对平缓, 故此处SRTM3 DEM的精度参考德国的试验结果, 即山区为8 m精度[18].用4.2节的地形误差影响分析方法计算可得地形误差对形变的影响为0.5 cm左右, 所以形变结果较为可靠.因1995~1998年期间没有观测到明显的火山活动情况, 故认为这段时间长白山形变为线性形变, 由0.4~1.6 cm的形变值可得形变速率约为1~5 mm/a.
尽管缺乏2002年之前的实地测量资料, 但2002年之后的几期水准测量数据对分析本文的结论具有重要的参考价值.根据2002~2005年四期水准观测结果[3]可得到北坡水准路线上各年的垂直形变量.为了方便对比分析, 基于上文假设, 认为在1995~1998年间研究区仅发生线性形变, 把19950816/ 19980820差分干涉形变场中各水准点位的形变值换算成单年形变值在图 6中与已有的水准结果进行了比较.结合图 4a来分析, 有如下几点认识:
(1) 整体来看, 水准结果和InSAR结果都显示从S0点到S12点上升形变量逐渐变大, 说明越靠近火山口, 地表形变越明显;
(2) 由图 4a可以看出, S0~S5位置附近像元相干性较差, 在差分干涉形变场中可能引入了部分误差; S11、S12处则因地势陡峭受到较大的地形干扰; S6~S10不仅相干性好, 而且地形误差影响较小, 结果较为可靠, 其最高形变速率约5 mm/a, 与P1O、P2O、P3O三剖面结论一致.
6 结论本文选取JERS-1存档SAR历史数据, 利用二轨法D-InSAR技术获取了1995~1998年天池火山区的形变场.研究表明:(1)远离天池火山的平坦区域形变微弱; 从天池火山的山脚到2000~2200 m高程处表现为逐渐增强的隆升形变, 最高形变速率达到5 mm/a.地震统计信息(图 1)显示1995~1998年地震活动性较弱, 而2002年之后的地震活动性增强.且2002年水准点位上最高形变速率达到46.0 mm/a, 远远高于1995~1998年的形变速率.虽然缺乏实地测量数据与本文比较, 但本文形变量与4期水准结果及地震活动性具有定性的一致性, 与Kim[17]的同期InSAR结果具有定量的可比性; (2)利用历史数据获取常规测量手段缺失的形变信息, 应用D-InSAR技术填补了天池火山1995~1998年的形变监测缺失信息; (3) D-InSAR形变场揭示的缓慢地形变速率与吉林省地震台网监测的地震活动情况共同表明天池火山在1995~1998年期间较为平静.
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