基于MT-InSAR技術的城市活動斷層定位與監測
——以美國休斯敦地區為例

曲菲霏，楊成生,2*，張 勤

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054;2. 自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇 南京 210049)

0 引 言

隨著經濟發展和城市規模的日益擴大，地表變形及與之相關的城區/近城區斷層活動危害也日趨顯著。斷層可能會造成不可逆的地質災害，其活動會加劇區域地表高程的差異性變化，造成建筑物地基下沉、基礎開裂，導致線狀工程(如地鐵、公路和輸水輸油管線等)遭到破壞，損壞城市排水系統，嚴重制約城市經濟可持續發展，危害人民生命財產安全?；顒訑鄬蛹捌洚a生裂縫的有效定位和監測是抗災規劃、防災減災工作的基本前提。然而，地底活動斷層常隱伏于第四紀松散沉積物之下，在地表無明顯位移或開裂，使斷層定位研究陷入了瓶頸。傳統的斷層定位及變形監測技術包括地球物理勘探(如探地雷達(GPR)、重力、電阻率成像等)、LiDAR、精密水準儀、測距儀、分層標、GPS和無線檢測系統等，通過點、線、剖線或組網的方式來獲取地層磁力、電阻率等以及地表形變測量信息。這些技術雖然具有較高的精度，但需耗費較大的人力、物力，空間分辨率低且難以重復。

合成孔徑雷達(InSAR)技術，以其全天時、全天候、大范圍覆蓋、高分辨率、高精度以及可重復觀測等優點為地球科學諸多領域的研究提供了大空間尺度形變信息監測的手段，具有其他地面及空間測量技術無可比擬的優勢。尤其是多時相InSAR(MT-InSAR)技術，如永久散射體InSAR(PS-InSAR)技術、短基線集(SBAS)技術和分布式散射體(DS-InSAR)技術等，更是能獲得地表毫米級長時間序列形變結果，為區域斷層調查和精確定位提供了極大的可能性。InSAR技術以其高精度、大范圍覆蓋的特性，在同震形變和震間形變等地震斷層監測領域具有無可比擬的優勢。然而，InSAR技術對變形量級較小的抗震正斷層蠕動形變研究則較少，僅限于測量已知斷層兩側的形變速率，在新斷層的定位上更是鮮有應用。

活動斷層兩側存在明顯的差異性形變，具有典型的空間不連續性。相較于大尺度地面沉降、地震等災害，城市斷層形變有其明顯的特殊性，斷距小、形變影響范圍相對較小，形變量級小但斷層兩側形變梯度大，僅在斷層或裂縫兩側千米甚至幾十米或上百米范圍內表現為非均勻沉降，差異沉降大小與其活動性相關。因此，高精度、高密度的InSAR監測點是實施蠕滑斷層運動定位及監測的前提條件。本文選取墨西哥灣盆地休斯敦地區為研究區，以變形長度長、寬度窄且形變梯度大的城市/近城區活動斷層災害為研究對象，基于PS-InSAR與SBAS技術聯合的MT-InSAR技術對已有斷層和潛在斷層進行定位與監測。本文不僅獲取了已知斷層的時空演變過程，還探測到了新的活動斷層；通過InSAR不同軌道的獨立觀測值和GPS數據，對InSAR測量形變精度進行了驗證，并利用LiDAR、地球物理探測、現場地質調查等方法確認了斷層位置，驗證了InSAR探測斷層跡線的可靠性；最后，還對休斯敦北部地區斷層活動的主要誘發因素進行了分析。本文研究成果為利用MT-InSAR技術開展城市活動斷層定位與監測提供了研究思路和重要參考。

1 研究區域背景

本文以墨西哥灣盆地休斯敦地區斷層為主要研究對象，開展城市/近城區的斷層活動定位與監測實驗。休斯敦地區位于平坦低洼的海灣沿岸平原，域內覆蓋了大量第四紀松散沉積物。在構造演化和沉積疊加作用下，該地區發育著大量平行于海岸線、NW—SE向正斷層，其分布、構造和巖性均十分復雜。1926年，在休斯敦以東約20 mi處的Goose Creek油田首次發現了與人類活動相關的、嚴重的地表沉降和斷層運動。然而，直到20世紀70年代，公眾才開始意識到該現象對周圍環境及建筑的破壞性。20世紀后期，美國地質調查局(USGS)在休斯敦地區展開了廣泛的斷層調查研究，發現了300多條活動斷層，總長度可達500 km。該地區斷層主要為鏟狀正斷層，以60°～75°傾角的抗震斷層蠕變方式運動，典型的蠕變速率為4～27 mm·年，其水平運動分量速率僅為垂直分量的1/4。

圖1為休斯敦地區地質圖，其中粉色虛線框標記為本文主要研究區域，黑色實線為已知斷層位置。休斯敦東部和北部森林茂密，主要由松散的砂土、黏土頁巖和黏土構成，新生代沿墨西哥灣累積的沉積物深達幾千米。不同地質結構邊界的接壤地帶，內聚力較低，易轉化為正斷層，而休斯敦地區很多斷層位于地質結構接壤區。本文主要研究對象Hockley斷層位于以黏土為主的Willis層(上盤)和以砂土為主的Lissie層(下盤)的接壤區。除復雜的地質環境外，隨著城市逐漸向北擴展，研究區域內地下水開采量大幅度增加，大部分水源井已鉆探到地下含水層300～700 m的深度。大量抽取地下水會造成地下水位下降，從而引起含水層內的細顆粒黏土層壓實，最終導致地面沉降。地表的持續非均勻沉降可能會激活已有斷層活動或產生新的斷層。此外，受鹽殼(圖1中綠色多邊形)活動影響，休斯敦地區80%的斷層都分布于鹽殼上部地表，并以鹽殼為中心成放射狀分布(圖1)。

圖1 美國休斯敦地區地質圖Fig.1 Geologic Map of Houston Area, USA

眾多學者曾采用多種方法(包括地球物理勘探、探井、航空攝影測量、野外調查等)繪制休斯敦地區的斷層分布。地球物理勘探技術(包括地震波,電阻率成像、電導率、磁共振成像、GPR以及重力等)在休斯敦地區的斷層測繪中有所應用，其中以GPR應用最多；該類技術精度高，但測量范圍較小且成本高，并且需要斷層活動的先驗信息。油氣鉆井及地下水監測井日志文件亦可提供深部斷層的深度、走向等信息；但與地球物理勘探技術類似，該方法僅可獲取測井位置處斷層信息。航空攝影測量方法可在特定區域內實現大范圍斷層的準確定位；與LiDAR技術相同，該方法定位斷層是基于高精度地形地貌數據，僅能探測有明顯地貌特征的斷層。休斯敦地區斷層識別方法中應用最廣泛的是野外調查，該方法通過實地考察區域地形地貌及斷層對周遭環境影響判斷其位置。航空攝影測量方法和野外調查方法都基于斷層位置已有一定的地形起伏和/或地貌變化，然而休斯敦地區部分斷層活動性較小且無明顯地表特征。Khan等于2001～2002年采用LiDAR技術測繪的斷層(結合已發表斷層信息)是迄今為止休斯敦地區最新且最詳盡的斷層分布圖。上述探測方法雖然具有較高的精度，但需耗費較大的人力、物力，空間覆蓋率低且難以重復。InSAR技術不僅可以提供斷層活動的歷史影像，還可實現低成本、較快速更新，達到對斷層活動時空變化規律及特征的多維監測。

休斯敦地區地處墨西哥灣沿岸，受海灣環境的影響，采用SAR數據獲取緩慢斷層儒滑運動速率受電離層、大氣等誤差相位影響嚴重。多位學者研究討論了利用InSAR技術監測休斯敦地區地表形變，但還沒有學者專門利用InSAR技術探討該區域內斷層活動特征。Stork等利用C波段ERS-1/2數據測量了Harris縣域的地面沉降特征，并結合GPS和Extensometer數據著重討論了最大沉降中心Jersey Village的變形情況，其中文獻[36]和[37]提到了沿Long Point斷層的差異性變形。Khan等采用PS-InSAR技術獲取了覆蓋Harris地區55×5 km長方形區域的地表形變場。上述InSAR成果或覆蓋區域較小，或采用單干涉圖差分處理技術，均含有較大的相位誤差，未達到對監測區域形變的有效測量。Qu等綜合獲取了休斯敦地區1993～2011年的地表形變圖，并在多處斷層處探測到5～20 mm·年的活動速率。

20世紀90年代起，休斯敦地區地下水管控使得地面沉降減緩、斷層活動相對減弱。受經費限制，休斯敦地區斷層調查工作亦開始放緩，導致了休斯敦北部異?；钴S且對周圍環境構成潛在威脅的活動斷層至今仍未完全繪制，災害機制仍模糊不清。盡管休斯敦地區的斷層運動不會引起嚴重地震災害，但其潛在風險仍然很高，準確定位活動斷層對于保護公眾生命財產和基礎設施至關重要。

2 分析方法及數據來源

2.1 InSAR形變提取方法

本文干涉圖生成由Roi-PAC、DORIS、Gamma軟件和MATLAB程序共同完成。在短基線干涉圖生成過程中，距離向和方位向分別采用自適應的頻譜濾波處理，并采用多級配準策略對從影像干涉圖進行配準和重采樣。圖2顯示了由C波段和L波段SAR數據干涉構成的干涉對基線圖，藍色圓點代表影像時間，每一條線段都表示一個干涉對。采用結合PS-InSAR技術和SBAS技術優點的MT-InSAR技術進行干涉圖時序InSAR處理分析。PS-InSAR技術根據最優多普勒和時間、空間基線選定主圖像生成干涉圖，并選取具有強反射強度、穩定后向散射特性的像素作為PS點。該技術成功應用于強散射體密集的城市地區，但在非城區存在監測點不足的局限。SBAS技術選取具有短時空基線的SAR影像數據集以最小化干涉對失相干的影響，選取頻譜濾波處理后在短時間內緩慢失相關的像素點(SFP)開展時間序列形變分析。PS和SFP點集聯合開展MT-InSAR處理，可極大地提高監測點的空間密度。本文借助StaMPS(Stanford Method for Persistent Scatterers)技術進行MT-InSAR 處理。為提高相位解纏的可靠性，需要將PS點和SFP點在解纏操作之前融合，根據Hooper提出的方法求取重合相干點目標的加權平均相位值，與其他PS點、SFP點共同構成“PS+SFP”點集。對融合點集進行三維相位解纏，獲取完整相位信息。開展時域高通和空域低通濾波來降低誤差相位影響，同時采用Toolbox for Reducing Atmospheric InSAR Noise (TRAIN)軟件包和GACOS(Generic Atmospheric Correction Online Service)進一步剔除大氣誤差及軌道殘余誤差影響。最后，由于數據處理中沒有形成孤立的干涉圖集，故采用最小二乘方法求解最終高空間密度的地表形變相位。

圖2 干涉對時空基線圖Fig.2 Spatial and Temporal Baselines of SAR Interferograms

2.2 數據來源

本文采用了兩個相鄰軌道的L波段日本ALOS-1 PALSAR數據以及C波段歐洲空間局Sentinel-1A/B數據(覆蓋范圍如圖1所示)，其中ALOS-1 PALSAR數據時間跨度為2007～2011年，Sentinel-1A/B數據時間跨度為2016～2020年。利用30 m分辨率Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) DEM輔助去除干涉圖中的地形相位分量，并采用GPS連續跟蹤站時間序列驗證、分析InSAR斷層定位結果。所用SAR數據情況見表1。

表1 SAR數據集參數

3 結果分析

3.1 MT-InSAR監測結果與斷層識別

基于MT-InSAR技術和相應的ALOS-1 PALSAR數據及Sentinel-1A/B數據，獲取了美國休斯敦地區2007～2011年和2016～2020年地表平均形變速率，分別如圖3和4所示。圖3(a)、(b)和圖4分別為來自兩相鄰ALOS-1軌道數據(軌道176和軌道175)和Sentinel-1A/B數據獲取的休斯敦西北部區域視線向平均形變速率圖，圖示顏色代表地表不同變形量級。圖3、4中白色箭頭所指區域可見明顯的形變值突變，即該位置地面存在明顯的差異變形。圖3中最大差異變形可達10 mm·年，且兩相鄰軌道重疊區域探測突變位置完全一致，圖3(c)、(d)為兩相鄰軌道175和176數據拼接形變結果圖。 休斯敦地區斷層為抗震蠕動斷層，其影響寬度僅為幾千米甚至幾十米。若InSAR探測變形區域存在陡峭的變形梯度，且其走向與區域構造斷層方向一致，那么該變形位置極有可能存在隱伏斷層，或者已有地表裂縫但還未引起重視?；谛巫儓鎏荻榷缸兛赡苁怯蓴鄬觾蓚鹊乇淼牟町惓两狄鸬耐茢?，沿陡峭相位梯度位置描繪得到InSAR斷層跡線，如圖3(c)和圖4(b)中黑色虛線所示(下文簡稱ALOS斷層和S1A斷層)。圖3(d)中疊加了Khan等于2013年采用LiDAR技術探測斷層跡線(粉色實線，下文簡稱LiDAR斷層)，與ALOS InSAR探測的突變位置基本吻合。圖4(c)疊加了S1A斷層、ALOS斷層和LiDAR斷層，發現三者探測斷層跡線位置具有良好的一致性，證明InSAR技術在斷層定位上具有良好的實用性。相比于LiDAR技術，InSAR技術具有成本低、覆蓋范圍大、易更新等優勢。

圖3 ALOS-1 InSAR定位斷層分布圖Fig.3 Maps of the Faults Discovered by ALOS-1 InSAR

圖4 Sentinel-1A/B InSAR定位斷層分布圖Fig.4 Maps of the Faults Discovered by Sentinel-1A/B InSAR

根據圖3、4的MT-InSAR監測結果，InSAR技術探測得到的斷層為NE向和NEE向近平行斷層，有明顯的總體走向一致性，其差異變形狀態切合蠕動斷層特性，符合墨西哥灣盆地整體構造特征。斷層局部走向稍有變化，斷層沿線形變影響寬度差別較大，從幾十米到幾千米不等(圖3、4)。根據探測結果，研究區域內從南到北至少分布3條活動斷層帶(Hockley斷層帶、Big Barn斷層帶和Conroe斷層帶)，位于從Hockley向東北延伸到Conroe的Hockley-Conroe斷層系統(圖3、4)。

Hockley斷層帶全長超過40 km，是休斯敦地區最活躍的斷層之一，西起Hockley鹽殼，穿過290號高速公路，東至Hufsmith東北部；ALOS InSAR識別出5處斷層(圖3)，Sentinel-1 InSAR識別出6處斷層(圖4)，其中Sentinel-1定位結果發現Hockley斷層帶活動進一步向西南方向延伸。Big Barn斷層帶位于休斯敦以北約20 mi處，從Hockley斷層帶末端延伸至45號州際公路；ALOS和 Sentinel-1 InSAR分別識別出5處活躍斷層(圖3、4)；過去的十幾年內，該地區曾多次報道相關建筑及基礎設施遭到損壞，地質學家也在此區域開展了調研工作，但美國地質調查局在其數據庫中還未正式命名該斷層帶。

本文利用InSAR技術首次探測到位于Conroe以西的兩條長度達數十千米的斷層，即圖3、4中研究區域最北部兩條斷層，該斷層兩側形變梯度變化極為明顯。ALOS InSAR探測斷層東起Conroe，向西南延伸至Magnolia東北部，Sentinel-1 InSAR探測斷層跡線位置與ALOS InSAR探測斷層基本吻合，但其描繪跡線穿越Magnolia繼續向西南延伸約12 km。兩者探測結果的差異存在兩種可能：一是延伸段斷層僅在Sentinel-1監測時段活躍；二是延伸段斷層活動速率相對較小(<5 mm·年)，波長更短的C波段Sentinel-1A/B數據捕獲微小形變信號更有效。Khan等利用LiDAR技術探測描繪了兩段長約8 km的近平行分布斷層(圖3、4中最北部粉色實線)，但未對其進行命名和討論，美國地質調查局在其數據庫中亦未正式命名該斷層帶。但是，Norman等將其中一段[圖4(c)東北角棕色線]稱為Conroe斷層。C波段和L波段InSAR探測斷層跡線位置與Norman等繪制斷層位置吻合，因此，本文將新發現的此段斷層延續稱為Conroe斷層帶。

為分析跨斷裂地表形變特征，分別提取了ALOS-1(圖5中黑色和橘色實線)和Sentinel-1A/B(圖5中灰色實線)沉降速率場中跨3條活動斷層帶的剖線，其位置如圖4(c)中P1—P1′和P2—P2′所示。剖線形變結果如圖5所示，其中ALOS-1兩獨立軌道175和176提取結果具有較高的一致性。Sentinel-1A/B時期，地表沉降速率減慢，大部分斷層兩側活動速率也相應減弱。沿剖線計算相鄰像素的變形梯度值如圖5中藍色及綠色實線所示，可見斷層位于最大形變梯度位置。

3.2 斷層識別結果分析

作為目前休斯敦地區最活躍的斷層，多位學者對Hockley斷層帶進行了深入的研究，尤其是位于290號高速公路沿線的奧萊購物中心段，其位置如圖4(b)中五星標記。除LiDAR技術外，GPR、重力、磁力、電導率、電阻率成像等地球物理勘探技術也被應用到Hockley斷層帶的研究中。圖6(a)、(b)分別顯示了ALOS-1和Sentinel-1獲取的該區域平均形變速率圖，疊加了LiDAR斷層(綠色實線)及地球物理探測斷層(黑色實線)。受InSAR探測結果分辨率限制，InSAR繪制斷層在精細程度上略遜于其他探測方法。圖6(a)中，ALOS探測斷層走向與相近時期的LiDAR斷層走向基本一致，與地球物理勘探斷層略有偏差。地球物理勘探斷層來源于文獻[25]，于2018年在290號高速公路路口附近采用多種地球物理方法沿圖6(a)中粉色剖線進行勘探，并結合地表裂縫位置繪制的斷層跡線。圖6(b)中C波段Sentinel-1A/B數據像素點更為密集，能更精確地確定斷層走向，其描繪斷層跡線位置與相近時期的地球物理勘探斷層吻合良好。兩已知斷層跡線信息均驗證了本文InSAR探測斷層跡線位置的準確性。

圖5 跨斷層形變剖線圖Fig.5 Deformation Profiles Across the Faults

圖6 InSAR斷層定位結果驗證Fig.6 Validations of the InSAR-mapped Faults

圖7 Big Barn斷層帶InSAR斷層定位結果驗證Fig.7 Validations of the InSAR-mapped Faults over Big Barn Fault System

圖7(a)～(c)顯示了由ALOS-1影像獲取的Big Barn斷層帶及周邊形變圖，其中圖7(a)位于圖3(d)白色虛線框所示位置。粉色線和數字標記了Minteer進行地球物理勘探的7個現場站點中的6個，剩下1個站點超出圖7(a)顯示范圍。Big Barn斷層帶最早在休斯敦地質學會發布的地質調查指南中提及。Fugro咨詢公司(FCI)和Tolunay-Wong工程公司(TWEI)出于地下管道設計安全考慮，分別于2012和2014年對Big Barn斷層帶進行現場地質調查，繪制了區域斷層圖，如圖7(a)中藍色和棕色線所示。圖7(a)中綠色五邊形標記了兩家公司實地調查發現的地表開裂位置。InSAR探測活躍斷層跡線與這兩家公司發布斷層信息完全吻合。Minteer在Big Barn斷層帶進行綜合地球物理調查，采用電阻率和重力技術定位斷層位置，圖7(b)、(c)顯示了7個現場站點中的6個(粉色線條)。圖7(b)、(c)中標記位置斷層上、下盤間存在明顯的差異變形，即InSAR形變結果中突變位置對應于地表破裂面，可確認InSAR探測斷層位置的準確性。各項地球物理勘探技術均顯示斷層兩側具有不同的巖性特征，斷層下盤為以砂土為主的Lissie層，而上盤則是以黏土為主的Willis層，Minteer將Big Barn斷層帶歸為正斷層。

Norman等根據Conroe西北部一條長約1 km的地表破裂定義了Conroe斷層 [圖4(c)中棕色線]，并指出Conroe斷層在1985年和1987年處于休眠狀態，在1987年曾以18 mm·年的速率活動。Dominguez報道了位于Conroe水上運動中心的游泳池遭到地面裂縫破壞[圖4(c)中的棕色星號]，地表破裂位置與InSAR探測斷層跡線重合，表明Conroe斷層的再次活躍。

根據調查研究，休斯敦地區的多處地表裂縫與地下斷層活動有一定的相關性。針對休斯敦地區斷層探測結果，實地檢驗顯示，多處InSAR探測斷層跡線位置均發現與InSAR繪制斷層走向一致的地表開裂，部分區域甚至包含幾條小的平行裂縫。一些區域地表雖未出現明顯開裂，但地面可以看到存在明顯高程差，且差異位置走向與InSAR推斷斷層走向一致。圖7(d)～(f)為實地考察照片，其位置在圖4(b)和圖7(a)中標記為彩色星號[棕色星號為圖7(d)，淺藍色星號為圖7(e)，藍色星號為圖7(f)]。圖7(d)拍攝于Hufsmith斷層。從西南方向看去，斷層下盤存在明顯的高程落差，圖7(e)、(f)中斷層下盤相對于上盤都有明顯的向下位移。野外調查結果亦證實了InSAR技術在Hockley斷層帶和Big Barn斷層帶識別斷層的可靠性，而這兩處斷層跡線在LiDAR斷層中并未被定位。經統計，休斯敦地區InSAR探測斷層跡線與可調查裂縫的位置偏差小于100 m。

3.3 InSAR與GPS監測結果對比

本文選取位于InSAR斷層跡線兩側的3個GPS連續跟蹤站時間序列觀測值驗證InSAR探測斷層結果。GPS連續跟蹤站位置如圖7(a)中白色三角號所示，其中GSEC站位于Big Barn斷層帶以北(斷層上盤)，PWES站位于兩段Big Barn斷層帶中間(斷層下盤)，WHCR站則位于Big Barn斷層帶以南(斷層上盤)。由于InSAR測量形變方向為雷達視線向(LOS)，為便于對比監測結果，根據SAR影像入射角將三維GPS觀測值投影到InSAR觀測的 LOS方向，提取以GPS站點為中心、直徑100 m范圍內的PS點形變量，取平均得到該點InSAR形變值。由圖8時間序列對比結果可見，InSAR與GPS監測結果具有良好的一致性，兩者平均差值的均方根誤差為8 mm·年。位于斷層下盤的PWES站年平均形變速率明顯小于斷層上盤的GSEC站和WHCR站，Big Barn斷層帶在Sentinel-1A/B時期內兩側差異形變為3～5 mm·年，其在2007～2011年運動速率為5～13 mm·年。Hockley斷層帶2016～2020年形變速率為3～6 mm·年，2007～2011年運動速率為7～12 mm·年，其中LiDAR技術測量Hockley斷層帶2001～2008年運動速率約為-10.9 mm·年。由圖5、8可知，Hockley-Conroe斷層系統在Sentinel-1A/B時期活動速率明顯減小。

圖8 InSAR與GPS觀測時間序列形變對比Fig.8 Time-series Deformation Comparisons Between InSAR and GPS Observations

4 討 論

4.1 休斯敦北部斷層活動與地面沉降關系

休斯敦地區是美國受地面沉降影響最嚴重的地區之一。自19世紀90年代以來，地下含水層開采一直是休斯敦地區生產生活的主要用水來源，過量抽汲地下水造成該地區嚴重的地面沉降。20世紀90年代，該地區最大的沉降中心位于休斯敦主城區Harris西北部。該區域斷層在1993～2000年亦非?；钴S，其中Hockley斷層系統的沉降速率約為15 mm·年，Long Point斷層系統為15～25 mm·年，Addicks斷層系統約為40 mm·年?；钴S斷層的活動與Harris西北部嚴重的地面沉降一致，而該時期Hockley-Conroe等斷層系統幾乎沒有可察覺的位移信號。20世紀70年代后期，為減小地面沉降災害的影響，Harris地區及其南部的一些區域實施了嚴格的地下水限采政策。地下水開采重心向北部更深的承壓水層(Jasper 含水層)轉移，使得Harris地區地面沉降逐漸緩解，且在東南部區域緩慢恢復。圖9顯示了休斯敦北部的Montgomery地區Jasper含水層2000～2010年地下水位變化等值線圖疊加于2007～2011年平均形變速率場，其中黑色三角標記為地下水位監測井位置。由圖9可見，2000年以后，由于地下水開采重心的北移，休斯敦北部形成了新的地下水沉降漏斗和地面沉降中心，最大沉降值位于最大水位降落漏斗處 (The Woodlands區域)，沉降量級與水位降落深度具有高度相關性，其相關測度達0.81。ALOS-1和Sentinel-1A/B InSAR探測到的強活動或較強活動斷層主要分布在Montgomery地區的沉降區，而Harris地區Long Point、Addicks斷層帶活動性明顯減弱。由此可見，斷層活動與地面沉降在空間分布上相一致，且二者在加速活動的時間上具有同步性，具有很強的時空相關性。大規模的地面沉降會誘發地裂縫及斷層活動，地裂縫及斷層活動亦會加劇局部地面沉降的發展，兩者互相促進、密不可分。

斷層兩盤內部土層的差異沉降破壞了地下水流系統的整體性，區域上阻礙了地下水下落漏斗的形成，促進了局部地下水降落漏斗和沉降中心的形成和發展。休斯敦西北部斷層將整個沉降區分割成多處沉降塊體，制約了地面沉降進一步向北擴展(圖8)。斷層兩側土層黏性、厚度及松動破裂程度上的差異會造成斷層兩側土層釋水壓實程度不一，從而進一步加強斷層的垂向運動。此外，斷層兩側差異變形還會造成地下含水層錯位，下降的水位不能得到臨近區域含水層的補償，反向加劇了區域差異性沉降?？傮w上，地下水過量開采導致了地面沉降的發生，而地面的差異性沉降會加劇斷層的垂直運動，斷層的持續活動會造成地表破裂，從而阻礙和限制地下水降落漏斗和沉降中心平面形態的形成和發展。

4.2 休斯敦北部斷層活動誘因

本文根據C波段和L波段InSAR數據，定位了Hockley和Conroe之間超過10條近平行分布的NE向和NEE向斷層，將其命名為 Hockley-Conroe斷層系統?；谛菟苟氐貐^復雜的自然地質環境和人類工程經濟活動，推斷休斯敦地區的斷層活動與墨西哥灣的發育、構造斷層活動、沉積史、鹽殼運動以及地下流體(如油氣、地下水)開采相關。

圖件引自文獻[46]圖9 Jasper含水層2000～2010年地下水位變化等值線圖Fig.9 Contoured Groundwater Elevation Changes at Jasper Aquifer from 2000 to 2010

墨西哥灣盆地內構造斷層起源于盆地內構造演化和含水層沉積，自更新世以來，隨著沉積負載物加速累積，會重新激活地下深處的休眠斷層。美國地質調查局早期發布的地形圖可見史前斷層 Eureka Heights和Long Point活動產生的地面陡坡，而考慮到這些斷層活動出現在大規模人類活動之前，學者們一致認為是構造活動激活了上述兩條斷層。目前已知至少有3條大構造斷層帶穿過休斯敦北部，即Yegua、Hitchcock和Wilcox斷層帶。大構造斷層帶會將自身應力傳遞到鄰近區域，地層在受到應力作用時，可能會在一定距離內形成新的裂縫區域，使地層沿斷裂面兩側發生相對位移。區域內深部構造斷層活動為新斷層的形成、發展提供了動力基礎，而新斷層的活躍運動亦可能刺激局部休眠構造斷層活動。InSAR定位的NE向和NEE向斷層近乎平行于海岸線，并以一定傾角向墨西哥灣方向蠕動，具有明顯的總體走向一致性特點，符合區域內構造斷層形態及活動特征。Conroe斷層帶的最東段斷層活動已被確認是由位于地下深處巖層的構造斷層誘發。休斯敦地區城市斷層的走向及活動特點具有明顯的構造特征，表明其與區域深部構造斷層的分布與發育具有一定的相關性、一致性和繼承性。

鹽殼運動無疑也是誘發斷層活動的重要因素之一。休斯敦地區近乎80%的已知斷層位于鹽殼的底辟之上，呈放射狀分布。絕大部分鹽殼存在于美國墨西哥灣沿岸，其橫截面直徑為1～10 km，深度可達6.5 km。鹽沉積主要發生在侏羅紀，鹽巖緩慢向上流動，穿越較年輕的沉積物，促使上覆巖層隆起形成底辟構造，在一些情況下甚至可到達地面。就本文研究區域而言，Hockley斷層帶西起Hockley鹽殼，東到Tomball鹽殼，而Big Barn斷層帶位于Conroe鹽殼的西南側，表明斷層活動與鹽殼之間潛在的聯系。

近年來，地下流體開采引發地面沉降，并進一步誘發休斯敦地區斷層活動的觀點越來越受到學者們的認可。斷層周圍的應力狀態會隨地下水/碳氫化合物開采，引起含水層孔隙壓力減小而發生改變。休斯敦地區斷層活動和油氣開采之間一直存在著某種聯系。例如，Pratt等于1926年發現的、位于Goose Creek油田的斷層，是已知的最早由石油開采誘發的斷層活動。Conroe斷層帶最東段活動不僅與構造斷層相關，而且與位于Conroe西部的Grand Lake-Risher油田開采活動有關。然而，目前在休斯敦北部活躍斷層區域還未有油氣開采活動引發地面沉降、甚至誘發斷層活動的相關報道，且此區域內油氣勘探井分布較為稀疏。因此，除Grand Lake-Risher 油田外，休斯敦北部區域探測到的活躍斷層活動與油氣開采活動并不相關。休斯敦北部區域地面沉降主要是2000年以后大規模的Jasper 含水層開采活動引起。地下水過量開采使得承壓水位下降，孔隙壓力減小，土層骨架結構壓縮變形，導致地面沉降的發生，而地面的差異性沉降會誘發或加劇斷層的垂直運動，因此，地下水開采亦是休斯敦北部區域斷層活動的重要誘發因素。

休斯敦北部斷層的起源至今還沒有共識?？傮w而言，區域深部構造斷層活動、鹽殼運動以及地下水抽取是該斷層系統活動的主要觸發因素，且這3種機制在一定程度上相互作用。然而，地下水抽取與加速斷層活動之間的高度時空相關性是無可爭議的(圖9)，沿斷層跡線的陡峭位移梯度降低了局部地表土壤張力，促進斷層兩盤之間的相對運動。同時，斷層中斷了地下水的流動狀態，限制了沉降漏斗的水平擴展，加速了斷層兩側的差異運動。因此，本文一定程度上證實了休斯敦北部的地面沉降及相關的斷層活動與區域地下水開采相關。

5 結 語

本文采用結合PS-InSAR技術和SBAS技術優點的MT-InSAR技術，利用ALOS-1及Sentinel-1A/B SAR數據獲取了美國休斯敦北部區域地表形變速率圖，并通過探測形變場突變定位了區域活動斷層跡線。

(1)利用MT-InSAR技術探測到休斯敦北部區域存在3條大范圍活動斷層帶，即Hockley斷層帶、Big Barn斷層帶和 Conroe斷層帶。InSAR探測斷層沿NE向和NEE向近平行分布，符合區域內構造斷層特征，2016～2020年活動性明顯減弱。

(2)將 InSAR繪制斷層位置與LiDAR、地球物理勘察繪制斷層跡線以及現場調查照片及地表裂縫信息進行比較，所有信息均證明InSAR探測斷層位置的準確性和可靠性。

(3)地下承壓水過量開采導致了地面沉降的發生，而地面的差異性沉降會加劇斷層的垂直運動，斷層的持續活動會造成地表破裂，從而阻礙和限制地下水降落漏斗和沉降中心平面形態的形成和發展，兩者相互促進、相互制約。

(4)除地下水開采引起的地面沉降外，區域構造斷層活動、鹽殼運動亦是重要的影響因素，且這3種機制在一定程度上相互作用。

識別和監測活動斷層將有助于提供休斯敦地區更完整的斷層知識，對城市規劃和減災意義重大。本文的研究對其他區域小尺度蠕動斷層的定位及監測可提供參考。