1. Introduction

Hainan island is located near the southeast boundary of the Eurasian plate, where the Philippine Sea plate converges and co-forces with the Eurasian plate. Therefore, the Hainan island area is a tectonic active region, accompanied by many tectonic activities[1] (Figure 1). For example, first, as one of the active volcanoes in China, Qiongbei volcano situated at the northern part of Hainan island,

 has erupted many times since the Eocene[1]. Second, an M=7.5 earthquake struck the northeastern Hainan island (see Figure 1 for location), causing a broad area of land collapse. 

This was the most destructive earthquake happened in South China in the historical record[2]. Third, some recent studies indicated that the low velocity anomalies beneath the Hainan island were imaged as a mantle plume[3-5]. Finally, from 1970 to 2013, a lot of small to moderate size earthquakes occurred around the Hainan island area. Particularly, a north-south trending seismic belt shown in the eastern part suggests an active tectonic background (Figure 1).

Figure 1 Shaded relief topographic map of the Hainan island and vicinity. The dashed-line box outlines the ALOS PALSAR footprint. Black lines represent faults (same in Figures 3a, 5b). Open circles are local earthquakes 

with size proportional to magnitude happened between 1970 and 2013 (same in Figures 3a, 5b). Black and white arrows show the radar’s LOS and flight 

directions, respectively. The star denotes the 1605 (M 7.5) Qiongshan earthquake. White box in inset map shows the study region.Usually, tectonic activities 

are accompanied by crustal surface deformation. Therefore, surface deformation measurements are important for understanding tectonic processes and hazards and 

can provide important insights into the mechanism of the tectonic activities. However, the current deformation pattern around the eastern Hainan island, important 

to understand the seismic activities, is not known. This makes the deformation monitoring around eastern Hainan island highly desirable.

Interferometric Sythetic Aperture Radar (InSAR) has been proved to be a very powerful remote sensing technique for measuring earth deformations, such as seismic

 and volcanic deformations[6], as well as anthropogenic deformations caused by mining and oil/gas or groundwater extraction [7]. Although measuring tectonic movements with low magnitude is challenging using InSAR because of the small displacement signal, a few studies have proved that it 

is possible to observe low-strain tectonic deformation at a level of millimeters per year by using multiple interferograms to increase the signal-to-noise ratio. For instance, Peltzer et al. studied the transient strain accumulation and fault interaction in the Eastern California shear zone using the InSAR measurement[8]. For this study, we used InSAR technique to detect the potential deformation fields around eastern Hainan island based on ALOS PALSAR images acquired from 2007 to 2011. 

A maximum relative surface deformation velocity of

 9 mm/yr in the satellite's line-of-sight (LOS) direction was mapped. Our preferred explanation was that a magma-filled dike intruded beneath the eastern Hainan island, causing a broad pattern of surface deformation and accompanied by small to moderate size earthquakes.

2 InSAR data and processing strategy

We collected SAR images covering the eastern Hainan island from ALOS satellite, operating L band. Between January 2007 and March 2011, ALOS acquired 21 radar 

images covering eastern Hainan island region, providing 4 years

 of continuous observations. We used the two-pass InSAR approach[9] to form deformation interferograms. Effects of topography were removed from the interferograms using a filled 3 arc sec (~90 m) resolution SRTM DEM[10] obtained from the Consultative Group on International Agricultural Research’s Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI, http://srtm.csi.cgiar.org). To improve the signal-to-noise ratio, interferograms were downsampled to 6 looks in range and 29 looks in azimuth (90 m × 90 m) and were filtered twice using an adaptive filter function based on the local f

ringe spectrum11]. For the interferograms obviously contaminated by atmospheric artifacts, we discarded those images with large atmospheric variation at the

 beginning of InSAR processing by pair-wise comparison of interferograms, assessing the atmospheric variations for a specific radar acquisition without much quantitative analysis[12]. 

Figure 2 Baselines and InSAR combinations for the ALOS PALSAR data. Images are denoted by solid circles. Lines connecting circles represent perpendicular baselines

 of the corresponding interferograms. Red solid lines represent long-term interferograms, while blue dotted lines represent short-term interferograms. Open circles are images excluded during interferograms stacking.

Following the data processing strategy described above, a total of 30 interferograms with reasonably good coherence and negligible atmospheric artifacts were 

produced, as indicated by the connecting lines in Figure 2. 8 PALSAR images were removed in further processing due to obvious atmospheric noises (Figure 2). 

Considering   the potential orbital ramp, DEM errors and other uncertainties that were not fully removed, we then used the stacking approach[13-15] to extract the deformation signal. Stacking is a technique that has evolved to extract small deformation signals out of multiple repeat InSAR data sets. By 

averaging many interferograms over the same area, random noise such as atmospheric signals can be subdued and small, consistent motions (such as those expected

 for tectonic deformation) can be reinforced and cumulative trends can be extracted. Stacking N short-baseline and long-timespan interferograms can reduce the variance of atmospheric errors by a factor N1/2  13,15]. On the other hand, our goal is to detect any possible deformation, so the most efficient strategy is to make interferograms spanning long time periods so 

that the magnitude of the deformation is as high as possible. Therefore, we finally stacked 20 geocoded and unwrapped interferograms with time interval longer than 2 years (red lines shown in Figure 2), and achieved the average deformation velocity of the eastern Hainan island in LOS (Figure 3a).

3 InSAR observations

Figure 3 (a) Color-coded mean LOS InSAR velocity field between 2007 and 2011. Positive rates indicate movement towards the satellite. The blue line represents Puqian-

Qinglan fault (same in Figure 5b). Dashed line is profile with white circle indicating the origin of horizontal axe of plot shown in Figure 4. Brackets show the sampling 

width for InSAR data. (b) LOS velocity obtained from short-term interferograms (see text for detail). Note the different color scales for (a) and (b).

Figure 3a shows the average deformation rate derived from stacking-InSAR. Firstly, we analyze the reliability of the observed deformation rate from the data processing point of view. On one hand, that signal is unlikely to be atmospheric artifacts, because those 

interferograms obviously contaminated by atmospheric artifacts were removed during the stacking processing. Also, the deformation is not correlated with the local topography (Figure 4). On the

 other hand, the signal cannot be attributed to DEM error because the baselines of the interferograms are short, making them insensitive to any plausible errors in the DEM. Therefore, following 

an elaborative data processing procedure, the deformation rate is believed to be reliable.

Moreover, based on quantitative analysis, we carried out the strategy proposed by Gourmelen and Amelung to test whether the observed signal is real deformation or a processing artifact[16]. First, we generated another stack using 10 interferograms (dotted lines in Figure 2) spanning shorter time periods, i.e. from a month to several months. Because no deformation is expected f

rom such a stack, a residual signal would reveal processing, atmospheric, or orbital artifacts. Then, to achieve comparable LOS velocities, we divided the cumulative LOS displacement of the short-term stack by the cumulative time of the long-term stack (about 45 years) (Figure 3b). The stacked LOS velocities based on long-term interferograms show a trough pattern, running north-south, but the short-term stack does not show this signal (Figures 3, 4). This result indicates that the observed signal shown in Figure 3a represents real ground deformation other than artifacts. 

From Figures 3 and 4, we can make the following observations:

1. Interferometric coherence is good at most regions except the east coast, showing an example that L-band SAR data is capable of detecting deformation signal in vegetated areas.

2. The overall deformation pattern is clearly elongated along the seismic active belt and looks like a trough, with uplift in western and eastern sides and subsidence in the central part. And the 

maximum relative motion of the central and both sides is estimated up to 9 mm/yr. 

3. From the local view, we can discern some localized deformation signals, for instance, subsidence shown at east of Haikou and south of Wenchang, which may be caused by anthropogenic activities

 such as underground water extraction or city urbanization. Also, it is possible that residual orbital errors or some effect of atmospheric perturbations not eliminated during the data processing 

still affect the LOS displacement signal.

4. All the faults shown in Figure 3a may be not so active in the detecting period, i.e. 2007–2011. In other words, the color contrast in LOS velocity between both sides of the faults is not significant, indicating no obvious deformation occurred.

Figure 4 Profile across the eastern Hainan island from west to east, showing the displacement velocities estimated from stacking long-term (black dots) and short-term (grey dots) interferograms. The lower thin line indicates local topography.

4. Deformation modeling

In order to understand the dynamic mechanism of the InSAR-derived deformation, we used an elastic source with simple geometry to model the stacked velocity shown in Figure 3a. According to the study from tomography[4], low velocity body exists beneath the Hainan island. And Liu et al. concluded that magma intrusion should occur beneath the eastern Hainan island, triggering some small earthquakes[17]. Thus, in this study, regarding of the deformation pattern, as well as the previous geophysical results, we assumed that the deformation was caused by volume changes due to an injection of

 magmatic or hydrothermal fluids in a huge dike at depth. The uniform opening dike embedded in an elastic half-space[18] was defined by eight parameters: length, width, depth, strike, dip, opening, and location (two parameters). In the model, we introduced linear terms to account for any possible phase ramp due

 to uncertainties in satellite positions (Massonnet and Feigl, 1998). We used the down-hill simplex method and Monte Carlo simulations[19] to estimate optimal parameters and their uncertainties, and the root mean square errors (RMSE) between the observed and modeled interferograms as the prediction-fit criterion. 

In Figure 5, we show the observed (a), modeled (b), and residual (c) LOS displacement interferograms for the dike model. It is noteworthy that even with a very simple model, the uniform dike, 

the data fit is acceptable, despite some local residuals. The black box in Figure 5b represents the surface projection of the best-fit dike. The best-it model dike strikes nearly N–S, 56 km long, 8 km wide (i.e., from top to bottom), dips 70° to the west and is 25 km deep at the center of dike plane (Table 1). All the model parameters are well constrained according to the uncertainties shown in Table 1. We also tried some 

complex sources, but they did not improve the results significantly. Thus, we preferred the uniform opening dike as the best-fit model. 

Figure 5 Results from observed, modeled and its residual maps. (a) average deformation velocities from stacking-InSAR, (b) modeled deformation velocity field from the dike, (c) residual between the observation (Figure 5a) and the model (Figure 5b). Box shown in (b) marks the projection of the best-fit dike onto the surface, and the thick sideline indicates where it hits the surface. Black dashed line in (b) denotes location of hypocentral depth profile shown in Figure 6.

Table 1. Parameters for the best-fitting model dike. Uncertainties correspond to 95% confidence.

Note: The reference for the horizontal coordinates (X, Y) is the southwestern corner of the maps shown in Figure 5a.

5. Discussion

Our InSAR monitoring results show that deformation field around eastern Hainan island looks like a trough and elongates north to south. The average relative motion of the central and both sides

 of the eastern Hainan island covered by our interferograms is about 5 mm/yr in radar’s LOS direction (Figures 3a, 4). Also, the InSAR-observed signal (Figure 3a) is real deformation through analyzing two different interferograms stacks. This magnitude of deformation is comparable with other results. First, based on investigations on tombs, houses, and steles, Xu inferred that the 

Dongzhai harbor region of northeastern Hainan island was sinking at a rate of ~5 mm/yr[20]. Second, from the historical coastline records, Chen and Huang (1979) calculated that eastern Hainan island had subsided with a velocity of 3–4 mm/yr after the 1605 M 7.5 earthquake. Third, leveling results spanning 1970–1974 show that eastern Hainan island has a average vertical velocity of 4 mm/yr. Therefore, from all these deformation data, it is possible that the eastern Hainan island has deformed at least in the last several

 centuries with a low rate about 3~5 mm/yr.

Figure 6 Cross-section showing the depth distribution of earthquakes recorded from

2000 to 2012, which were relocated by Xu et al.[21]. Hypocenters were projected onto profile A–B (see Fig. 5b). Dashed-line rectangle below shows boundaries of best-fit dike. Open circles are local earthquakes with size proportional to magnitude.

To infer the causative source of the observed deformation, we carried out modeling test. Modeling analysis indicates that surface deformation was caused by opening of a large dike centered about

 25 km beneath the island and extending to the north and south. The depth of the modeled dike is reasonable according to the following evidences. First, based on the magnetotelluric detection results, Hu et al.[22] discovered there is a low resistive body in the deep crust around eastern Hainan island, which extends straightly from the depth of about 13 km to 80 km. Second, previous study showed that the crustal 

thickness is about 31–33km[23]. Third, the hypocentral depth distribution of the relocated earthquakes along the inferred dike trend (Figure 6) indicates that most of the earthquakes occurred below 6 km, and some of the earthquakes

 happened as deep as 28 km in the lower crust. Therefore, our dike modeling results should be reasonably. 

To learn more about the observed subtle deformation and possible dike related dynamics, we examined the pattern of earthquakes recorded by the regional seismic network around Hainan island (Figures 1, 3a, 5b).

 Swarms of earthquakes with magnitudes less than 5 struck the eastern Hainan island area during 1970–2013. Intriguingly, the epicentral distribution of recorded earthquakes is elongated N–E, approximately parallel to the subsidence belt (Figure 3a). Also, the hypocentral depth distribution of the relocated earthquakes along the inferred dike trend (Figure 6) suggests that most of the earthquakes occurred above the tip of the dike, where strain would be greatest.

 We infer that the regional stress field favors the formation of dikes beneath eastern Hainan island, and as a result the intruding magma accumulated in an elongate, dike-

like storage zone. The zone dilated progressively over time, accompanied by sporadic earthquakes and subtle surface deformation. In other words, based on our InSAR analysis and interpretation of seismicity patterns, as well as some geophysical results, we conclude that

 dike intrusion played a major role in triggering the seismic swarms. As a result, a trough deformation pattern is shown at crustal surface. 

On the other hand, we speculate the Puqian-Qinglan fault (Figures 3a, 5b) has an elevated seismic potential in the future. Figure 5b shows that the Puqian-Qinglan fault strikes approximately parallel to the best-fit dike and the small to moderate size earthquakes belt. Consequently, the possibility of future earthquakes produced by the Puqian-Qinglan fault could not be ruled out. Although the present-day deformation of the Puqian-Qinglan fault is not significant, it will probably be waked by the on-going expansion of the magma-fed dike in the future.

6. Conclusions

21 ALOS PALSAR images have been used to map the deformation of eastern Hainan island during 2007–2011. The deformation results show a trough pattern elongated N–S direction, with two sides of the trough uplifted and central part subsided. The average relative motion rate is about 5 mm/yr, which is consistent with other results. Deformation modeling tests indicate that a uniformly magma-fed dike provides a good fit to the observed large-scale deformation. The dike was continuously fed by magma, changing the local stress field. Thus, small to moderate size earthquakes occurred sporadically, accompanied by a large-scale deformation on the surface.

In this paper, we try a pilot study, which carries out the potential deformation in eastern Hainan island region. Our results outline the capabilities of InSAR-based geodesy and provide a methodology for future deformation monitoring on such broad areas. Such surveys of large regions are important for identifying trends in background deformation that can inform future hazard assessments.

 Although InSAR technique is not a substitute for field observation, it allows researchers to more easily identify deformation areas which can then be prioritized for ground-based monitoring.

References

[1] Ma, X. Lithospheric Dynamics Atlas of China. Cartographic Press, 1989, pp. 46–146.

[2] Chen, Y., Huang, Y. Preliminary discussion on the 1605 Qiongzhou earthquake and its seismogenetic structure. Seismol. Geol. 1979, 1 (4), 37–44.

[3] Lebedev, S., Nolet, G.. Upper mantle beneath Southeast Asia from S velocity tomography. J. Geophys. Res. 2003, 108.

[4] Lei J, Zhao D, Steinberger B, et al. New seismic constraints on the upper mantle structure of the Hainan plume. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2009, 173(1): 33-50.

[5] Lei J, Xie F, Fan Q, et al. Seismic imaging of the deep structure under the Chinese volcanoes: An overview. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2013, 224: 104-123.

[6] Lu, Z. and Dzurisin, D. InSAR Imaging of Aleutian Volcanoes: Monitoring a Volcanic Arc from Space. Springer, 2014, 390.

[7] Samsonov S, d’Oreye N, Smets B. Ground deformation associated with post-mining activity at the French–German border revealed by novel InSAR time series method. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2013, 23: 142-154.

[8] Peltzer, G., Crampé, F., Hensly, S., and Rosen, P. Transient strain accumulation and fault interaction in the Eastern California shear zone: Geology, 2001, 29, 975–978.

[9] Massonnet D, Feigl K. Radar interferometry and its application to changes in the Earth’s surface. Rev. Geophys, 1998, 36, 441-500.

[10] Farr, T., et al. Shuttle radar topography mission, Rev. Geophys., 2007, 45, RG2004.

[11] Goldstein R M, Werner C L. Radar interferogram filtering for geophysical applications, Geophys Res Lett, 1998, 25(21), 4035-4038.

[12] Massonnet, D., Feigl, K.L. Discriminating geophysical phenomena in satellite radar interferograms: Geophysical Research Letters, 1995, 22, 1537–1540.

[13] Zebker, H. A., P. A. Rosen, and S. Hensley. Atmospheric effects in interferometric synthetic aperture radar surface deformation and topographic maps, J. Geophys. Res., 1997, 102, 7547–7564.

[14] Wright, T., B. Parsons, and E. Fielding. Measurement of interseismic strain accumulation across the North Anatolian Fault by satellite radar interferometry, Geophys. Res. Lett., 2001, 28, 2117–2120.

[15] Biggs J, Wright T, Lu Z, et al. Multi-interferogram method for measuring interseismic deformation: Denali fault, Alaska. Geophysical Journal International, 2007, 170(3): 1165-1179.

[16] Gourmelen, N., Amelung, F. Postseismic mantle relaxation in the central Nevada seismic belt. Science, 2005, 310(5753), 1473-1476.

[17] Liu H, Hong H J, Ran H L, et al. Dynamic mechanism of volcanic belt and new understanding from earthquake evidence in Northern Hainan Island, China. Chinese J. Geophys. 2008, 51(6):1804–1809

[18] Okada Y. Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bulletin Seismological Society of America 1985, 75, 1135-1154.

[19] Press W, Teukolsky S, Vetterling W, Flannery B. Numerical Recipes in C, the Art of Scientific Computing, Cambridge Univ. Press. 1992, 994.

[20] Xu Q H. Recent sinking in the Dongzhai harbor area, northern Qiongzhou. Marine Sciences, 1986, 10(1):25-28

[21] Xu X F, H L Wang, X M Chen. Analysis on accurate location of earthquakes and fault structure in Hainan island and its adjacent areas. Journal of seismological research, 2014, 37(2): 216-221

[22] Hu J C, D H Bai, W H Wang, et al.. Deep electrical anomaly in the M7.5 Qiongzhou earthquake region and its relation with future seismicity. Acta Seismologica Sinica, 2007, 29(3): 258-264 

[23] Liu, R. Active volcanoes in China. Seismological Press, Beijing, 2000, pp. 75–80.