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exicali+山谷地热开发引发地面沉降的DInSAR+分析_图文


墨西哥 Mexicali 山谷地热开发引发 地面沉降的 DInSAR 分析
O.SARYCHIKHINA1, E.GLOWACKA1, F. SUAREZ-VIDAL1, R. MELLORS2 1. Earth Sciences Division, CICESE, Carretera Ensenada-Tijuana No. 3918, Zona Playitas, 22860 Ensenada, BC, Mexico 2. Dept of Geological Sciences, San Diego State University, 5500 Campanile Drive, 92182 San Diego, California, USA

摘 要:Mexicali 山谷坐落于墨西哥 Baja-California 州的东北部,Salton Trough 构造区的南部以 及太平洋和北美板块之间的构造边界上。基于该地区的构造特性,此区域的特点是构造地震的 高活动性、热流和表面变形。除了构造变形,在 Cerro Prieto 地热田提取液体也会造成大规模的 变形。显著的地表变形(大部分为沉降)和相关地裂缝会对基础设施例如道路、沟渠以及其他 建筑造成严重破坏。本文将多基线差分雷达干涉测量技术(DInSAR)应用于在 2003 至 2006 年 间在 Mexicali 山谷为确定地面沉降信息的范围和数量而获取的 C 波段 ENVISAR ASAR 数据上。 DInSAR 结果将与历史同精度水平数据(1994~1997 和 1997~2006)和详细的地质资料做比较, 以确定该地区地面沉降的范围、沉降上限和速率。空间格局和沉降比率的变化也进行了分析。 这些变化在关于 Cerro Prieto 地热田的沉降动态和流体萃取两者关系的调查中是被允许的。 关键词:DInSAR;地面沉降;墨西哥 Mexicali 山谷;Cerro Prieto 地热田;地热流体萃取

0 引言
地 表 变 形 是 产 生 地 热 流 体 的 一 种 预 期 结 果 (Mossop 和 Segall,1997;Allis 等 , 1998),且它提取地热液体的速度高于充填速度。地热田地面沉降的识别及其模式和空 间与时间的变化监测,能提供关于这一进程的动态及其控制结构的重要信息。而地面 沉降的识别和监测则能通过一系列技术加以实现。 本文对 Mexicali 山谷的地面沉降进行了分析。以传统双程式 DInSAR 技术和叠 加技术,分析了 DInSAR 数据。叠加结果,分别以 2004 年 12 月和 2005 年 12 月,与 1994~1997 和 1997~2006 期间同水平的数据进行了比较,从而估算空间格局和沉降比率 的变化。也将观察到的沉降与该区域的构造格局进行了比较。

1 研究区域
Mexicali 山谷坐落于墨西哥 Baja-California 州的东北部(图 1),是位于太平洋— 北美构造边界的 Salton Trough 构造区的一部分。基于该地区的构造特性,此区域的特 点是构造地震的高活动性,热流和表面变形。 除了构造变形,在 Cerro Prieto 地热田(CPGF)提取液体也会造成大规模的变形 (Glowacka 等,1999)。
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在 CPGF 地 区 的 历 史 沉 降 一 直 被 很 好 地 记 录 着。Geodetic 于 1960 年 开 始 在 Mexicali 山谷进行研究。在该研究区域一直通过利用高精度仪器和 GPS 设备重复地 对地面变形进行着监测,最近利用岩土仪器网络(测斜和测距)的连续记录监测。通 过对同水平数据和 CPGF 的液体抽取历史的分析,以及建立地面沉降的构造及人为因 素的模型(Glowacka 等,2005),表明近来的变形率主要与液体的抽取有关。在地 面变形的最大处与抽取井地区间的高变形率和空间相关性已经通过 DInSAR 技术确认 (Carnec 和 Fabriol,1999;Hanssen,2001)。然而区域的观察(Gonzalez 等,1998; Glowacka 等,1999,2010;Suarez-Vidal 等,2008)和岩土仪器测量所得数据(Glowacka 等,1999,2007)显示塌陷区受构造断裂控制。
w33° w31° w116° w32°

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图 1 研究区地图

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SRTM DEM 作为背景。白色大矩形说明 Enmisat SAR 覆盖的空间图片。D 说明 下降轨迹,A 说明上升轨迹。白色小矩形代表了研究区域。最小的白色矩形区域代表 了 Cerro Prieto Geothermal 区 域。 主 要 的 构 造 断 层 说 明:Cerro Prieto 断 层(CPF), Imperial 断 层(IF),Agua Blanca 断 层(ABF),Sierra Juarez 断 层(SJF),Laguna Salada 断层(LSF)和加拿大 David Detachment(CDD)

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2 DInSAR 数据处理
DInSAR 技术是由两幅在相同地区不同时间稍有不同的场合下获得的 SAR 图像结 合构成。这种结合的结果就是一幅被认为是干涉的新图像,其主要相组成为搬迁后的 地形,沿地表位移线雷达视线(LOS)(Gabriel 等 ,1989;Massonnet 和 Feigl,1998)。 基于 Envisat ASAR 数据的系统被用于在本文中提出的分析。在 2003 年 10 月至 2006 年 5 月期间,在研究区域通过 ESA 共获得了 17 幅从卫星下降轨道 84 和 2961 帧 的 SLC 图像,5 幅卫星上升轨道 306 和 639 帧的 SLC 图像。这些图像的空间覆盖图如 图 1 所示。 公共领域的 DORIS InSAR 包已完成了干涉处理过程 (Kampes 等 ,2003)。从荷兰代 尔夫特理工大学获得的技术精密卫星轨道资料 (Scharoo 和 Visser,1998),和一个由航测 雷达地形测绘任务 (SRTM) 在该研究区域所获得的 3 弧秒 DEM 被用于该过程的处理中。 干涉图被过滤 (Goldstein 和 Werner,1998) 和处理以改进阶段统计。干涉图在地面的水平 分辨率约为 100m。经处理后的 6 个微分干涉图如图 2 所示。

图 2 六幅研究区域的微分干涉图显示了研究区域中地表变形的空间和时间分布 低连贯性的地区(<0.1)已经被标记出来了。黑色点线标示了 COGF 的边界。 蒸发池和 Cerro Prieto 火山的边界被叠加在图片上以辨别方向。

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初步研究显示,垂直基线干涉对的强烈空间去相关长度超过了 400m,这些干涉对 包括在分析中。通过限制基线,最不相干的干涉图被摈弃了。但依旧发现,尽管存在 短垂直基线,几个微分干涉图由于暂时的解相关信号呈现出了高水平的相位噪音。有 大量植被的 CPGF 周边地区在超过 3 个月(105 天)的期间引起了显著的成对 SAR 解 相关。这就说明了 Mexicali 山谷的情形不适合进行长期的干涉分析。 为了计算年变形率,采用了一个简单的微分干涉图叠加技术。叠加的微分干涉图 涉及总结多幅微分干涉图变为一幅单一的干涉图。这有助于克服传统 DInSAR 的两个 缺点:长时间分离和大气影响的低相干性。为了视觉上减少影响,4 幅连续时期的微分 干涉图,选择时空间隔在 70 和 105 天之间(图 2(a)-(b))进行叠加。每个干涉图的阶 段首先采用统计最小代价流算法进行拆分(Chen 和 Zebker,2001),投射在垂直方向, 考虑到区域的主要变形为沉降的事实,引用一个在同水平 1997~2006 数据中的一个固 定点作为空间共同点。从 2004 年 12 月和 2005 年 12 月期间的叠加地面沉降率地图所 得结果如图 3(a) 和 (b) 所示。

图 3 通过 DInSAR 技术获得的垂直位移速率 (cm/year) (a) DInSAR 获得的 2004~2005 年的沉降速率 ; (b) DInSAR 获得的 1994~1997 年的沉降速率 ; (c) 水准测量获得的 1994~1997 年的沉降速率 ; (d) 水准测量获得的 1997~2006 年的沉降速率

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3 结果分析
DInSAR 数据揭露了总的区域受沉降影响,在 2004 年 12 月至 2005 年 12 月期间 显示为一个大致呈东北至西南走向的椭圆形,且两级具有高沉降率的特征:CPGF 生产 地区东部边界以下约为 11cm/a, 先前研究提出的被认为是补给区域 (Glowacka 等 ,1999; Sarychikhina,2003)的 CPGF 东部范围至 Saltillo 断裂带之间地区约为 17cm/a。沉降区 域的边界出现在相关的断裂和 / 或裂隙区域,将边界叠加在沉降图上,如图 3 所示。 我 们 对 从 1994~1997 年 和 1997~2006 年 同 水 平 调 查 获 取 的 数 据(Glowacka 等 ,1996,2006)以及从叠加后获得的 DInSAR 数据进行了比较,估算了在空间格局的 变化和地面沉降率(图 3)。这种以不同技术和时间间隔获取的变形率的区别说明了 平均变形率自从 1997 年以来一直在增加。在补给区下部观测到了变形率的最大增加。 在 CPGF 生产区以下的变形中心移向了东北方向。正如同 Sarychikhina 等(2007)和 Glowacka 等(2010)所提出的,地面变形格局的变化可能是由 CPGF 的生产部门在其 东部地区于 2000 年开始的一个最新生产计划(CPIV)所引起的。

4 结论
我们使用测向 ENVISAT SAR 微分干涉分析来测量墨西哥西北部 Mexicali 山谷的 地面沉降。分析 DInSAR 数据显示,尽管这种技术的应用还有几个缺陷,但雷达数据 能在该研究区域提供一个包含地面沉降振幅和空间范围的详细映射。特别地,DInSAR 映射证实构造断层控制了沉降观测的空间范围。 经地面沉降的雷达观测和 1994~1997 年以及 1997~2006 年期间同水平观测相比较, 显示了在空间格局和沉降率的变化。这些变化可能与在 CPGF 的生产部门有关,由此 说明在该研究区域的地面沉降是一个动态的过程。 致谢 : 欧洲太空总署的 ENVISAT 卫星收集了干涉数据。数据是作为 ESA Cat-1 工程 (ID-CIP3508)的一部分被获得的。这项研究在某种程度上是由 CONACYT,工程编 号 45997-F,CONAGUA,GRPBC-CICESE-01 协议和 CICESE 内部资金资助的。第一 作者是由墨西哥外交部(SRE)PhD 奖学金资助的。

参考文献
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(杨天亮 译)

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