新疆尼勒克1812年地震地質災害遙感解譯研究①

王俊鋒, 韓立欽, 過 磊, 蘇英明, 李 彬, 張 軍

(1.甘肅工業職業技術學院,甘肅 天水 741025; 2.河南師范大學,河南 新鄉 453007; 3.中國地質調查局西安地質調查中心,陜西 西安 710100; 4.西安地質礦產勘查開發院有限公司,陜西 西安 710100)

1812年3月8日新疆尼勒克8級地震發生在博羅科努山脈和阿吾拉勒山脈腹地—伊犁河谷走廊地帶,震中位于博羅科努地層小區與伊寧地層小區的結合部位。尼勒克8級地震是新疆天山3個8級地震之一,也是新疆伊犁谷地最大的地震[1-4]。文獻[5-9]在航片解譯基礎上,對尼勒克地震烈度區、有關地震參數進行評估。楊章[7]就尼勒克地震深斷裂與深斷裂格局、深斷裂格局同地震活動的關系進行討論。文獻[10-12]對尼勒克地震斷層平面分組特點、活動性質、分段特征進行討論,并確定了地震斷層最大位移,對地震烈度區重新圈定,對等震線進行必要修改,進而對地震宏觀觀測中心進行修改。本研究在前人工作基礎上梳理地震地質災害解譯標志,綜合應用遙感影像并結合野外考察,對研究區地震地質災害、地溫異常、斷層特征等進行初步討論和研究,希望多學科綜合探測技術應用對進一步認識伊犁河谷地溫異常、航磁異常等有所裨益。

1 區域概況

喀什河中上游博羅科努山與阿吾拉勒山腹地以高山地夾河谷地貌特征為主,結合遙感影像和DEM將伊犁河谷分為中高山地貌、山前臺地地貌、河谷盆地地貌。中高山地貌主要位于博羅科努山與阿吾拉勒山主脊一帶,地形陡峭海拔2 000～4 500 m,主要以酸性侵入巖、火山碎屑巖、深變質巖為主。常見巖性為石英二長巖、二長花崗巖、花崗斑巖、凝灰巖、含凝灰質流紋巖、綠簾角閃二長片麻巖等。山前臺地地形較為平緩,為厚約10～30 m的古近系、新近系、第四系沉積物組成,主要有紅色泥巖、沙礫、冰磧物、粘土粉沙礫石等為主,部分河谷地帶出露中生代砂巖、礫巖等。研究區受塔里木、準格爾穩定地塊南北夾持,形成受逆斷裂控制的山間擠壓盆地,盆地邊緣伴生有活動斷裂并地震多發[13]。伊利河谷氣候濕潤雨量充沛,山前臺地古近系、新近系、第四系沉積物較厚,在降雨及地震作用下極易發生滑坡災害。研究區地震斷層與近東西向的喀什河斷裂走向一致,沿斷裂兩側密集呈帶展布[12]。主要解譯斷層如圖1,近東西向斷層、北北東向斷層、北北西向斷層在巴勒克特能佼納—門克廷達坂一帶交匯呈“人”字型,1812年尼勒克地震大致幾何中心[2]位于巴勒克特能佼納西側。

圖1 研究區主要斷層解譯略圖Fig.1 Interpretation map of main faults in study area

2 主要地震地質災害

研究區地質災害頻發,主要類型包括滑坡、崩塌、泥石流等。地表調查基礎上,利用資源三號、高分一號、Aster、Sentlinet-2、天地圖平臺進行目視解譯,并對部分解譯標志和解譯結果進行修正和驗證,初步繪制研究地震地質災害分布圖(圖2)。

2.1 滑坡

研究區滑坡主要發育在喀什河兩岸山前臺地新生界地層中,從烏拉斯臺—喬爾瑪分布較廣。遙感影像可識別其滑坡壁、封閉洼地、滑坡臺階、裂隙、滑坡舌等,依據高分及立體影像確定其邊界、規模、活動狀態等[14]?？κ埠颖卑睹峡说隆跍隙位聰盗慷?、規模大、分布集中,多見呈密集滑坡群狀(圖3b),喀什河南側喀闊庫勒一帶、科克薩依(圖3h)有一定規?；掳l育。河谷兩側滑坡多見為滑坡群,部分滑坡規模為中—大型,如圖5a和c為典型滑坡群解譯標志。依據典型滑坡在高分辨率衛片上直接解譯標志、間接解譯標志進行滑坡解譯和調查,滑坡解譯結果如圖2?？κ埠庸燃吧角芭_地滑坡或地震斷裂后有利于松杉等高大植物根系固定,成片或成排松杉為可作為古滑坡和斷層的解譯標志,圖5b為滑坡后松杉典型特征,圖5f為典型滑坡壁解譯標志。

圖3 典型地震遺跡圖(a) 雪后滑坡影像特征 (b) 巴勒克特能佼納滑坡群 (c) 喀闊庫勒滑坡遠景照片 (d) 烏蘭薩德克諾爾堰塞湖 (e) 哈夏廷郭勒泥石流 (f) 門克廷達坂—蒙科特薩依堰塞湖 (g) 積雪后斷層 (h) 科克薩依滑坡群 (i) 孟克德斷層組Fig.3 Typical Seismic Relics Map

喀什河河谷兩側滑坡與泉水或積水洼地相伴發育,泉水或積水洼地是斷層和滑坡的良好解譯標志。泉水的解譯依照地形資料、Sentlinet-2遙感影像光譜角法、監督分類等方法提取。部分老滑坡積雪后解譯效果較好,因此采用歐空局Sentlinet-2冬季積雪后遙感影像完成解譯(圖3a)。巴勒克特能佼納一帶滑坡群地表面積最大可達3～12 km2,滑坡壁長約2～4 km,局部滑坡壁高約4～10 m,依遙感目視解譯及自動方法提取滑坡信息[15-16],滑坡紋理如圖3b。烏蘭薩德克一帶發育少量石質滑坡和冰磧物滑坡,石質滑坡最大面積滑坡約0.2 km2;冰磧物等滑坡形成堰塞湖,堰塞湖壩體面積約0.6 km2(圖3d),蓄水面積約0.4 km2;烏蘭薩德克溝口見滑坡群及滑坡舌前端鼓包,河流交匯處見0.2 km2塌陷現象;四棵樹河上游一帶河流兩側階地滑坡后解體涌入河道,面積約4 km2。

喀闊庫勒位于喀什河南岸,典型滑坡如圖4?；卤陂L度1～5 km,滑坡壁高1～7 m?；卤谂c滑坡體間可識別東西向封閉洼地,洼地因積水呈串珠狀湖泊,高分辨率影像中滑坡臺階、鼓張裂隙、滑坡舌特征明顯;滑坡體中可見泉水、積水洼地大量發育;喀闊庫勒東側東西向發育多組斷層,斷層呈東西向負地形狀,斷層組北側呈明顯的坎狀或臺階狀,可解譯出重力方向滑動特征。圖3c為喀闊庫勒一帶典型滑坡,滑坡單體寬0.5 km、長2 km,滑坡壁高約2～7 m, 推測單體滑坡體體積約4×106m3?？κ埠颖卑堕_英布拉克等地溝口附近發育滑坡(圖4),滑坡壁高約10 m,滑坡體面積約0.5 km2,推測滑坡體體積約為5×106m3,可歸為大型滑坡體。

圖4 喀闊庫勒滑坡特征及斷陷湖Fig.4 Characteristics of Kakuokule Landslide and fault Lake

依據各滑坡群面積的計算統計結果,喀什河沿線烏拉斯臺—喬爾瑪遙感方法可識別的滑坡群基本為中大型。新源縣吐爾根鄉北側解譯出274余處“山扒皮”式小型“新滑坡”,幾何中心位于吐爾根鄉北側,與喀什河沿岸古滑坡相比規模和牧草覆蓋狀況區別明顯。

2.2 崩塌

崩塌在研究區巖石堅硬且陡峻侵入巖、變質巖地貌發育集中。高分三維影像中,崩塌堆積區常發育在谷底或較為平緩斜坡,影像表面紋理粗糙,部分巨石可直接判譯。崩塌堆積區植被發育較少與未堆積草地對比明顯,影像中期輪廓清晰。崩塌堆積區典型解譯標志如圖5d。

圖5 典型地質災害解譯標志(a) 喀什河南典型滑坡群 (b) 滑坡和杉樹 (c) 喀什河北滑坡群 (d) 孟克德崩塌 (e) 泥石流 (f) 滑坡壁特征Fig.5 Interpretation marks of typical geological hazards

孟克德—門克廷達坂一帶崩石沿陡坡、陡崖發育明顯,局部可見崩落巨石淤塞河道,崩塌區馬匹及人員通行困難。規模較大的崩塌主要集中在門克廷達坂—蒙科特薩依堰塞湖(圖3f)一帶。崩塌沿陡峭山崖崩落堰塞成湖,堰塞湖面積約0.4～0.5 km2,淤塞河道石質崩塌物推測體積約2×106～5×106m3;后壁最大的崩塌位于門克廷達坂西南5 km處,崩塌處發育溫泉,經地形資料、衛片、DEM解譯,崩塌后壁北東向長約2 km,崩崖高約200 m,崖下崩塌物堆積面積約0.1 km2。

2.3 泥石流

研究區泥石流多見形成于地形較為陡峭的深溝或陡峭的山壁,遙感影像中典型泥石流堆積于山前開闊地或涌入河道,泥石流堆積扇是其解譯的良好標志。泥石流物源區植被覆蓋較少且巖石破碎風化嚴重,不良地質現象發育,高分遙感影像中泥石流物源區碎屑堆積依紋理和形狀可直接解譯。雪線以下發育多期冰川泥石流,典型解譯標志如圖5e。孟克德—烏蘭薩德克—哈夏廷郭勒一帶泥石流較發育,單體面積最大約0.5 km2,泥石流多見由粒徑不等未經磨圓石塊裹挾泥沙涌入河道(圖3e)。

3 斷層

3.1 高分辨率斷層解譯

斷層解譯主要采用高分辨率影像,部分活動斷層大雪覆蓋后影紋特征較為明顯,解譯依靠Sentinel-2雪后影像解譯獲得,如門克廷達坂北4 km處雪后解譯地震斷層(圖3g)。蒙科特薩依堰塞湖位于崩塌密集區,堰塞湖東側1 km處花崗巖巖體中發育長約4 km走向334°活動斷層(圖3f),斷層北端尖滅處觀察到透水現象,斷層南段尖滅處發育溫泉,沿斷層走向南10 km 處為發育溫泉。沿孟克德薩依發育若干雁行狀北東向斷層組,水系受北東向斷裂作用明顯發生轉折或急彎(圖3i)。

3.2 基于DEM坡向分析的斷層增強方法

相對傳統地質斷層,研究區地震斷層等線性特征較明顯,DEM坡向分析后斷層線狀紋理明顯增強。利用地震斷層幾何特征和坡向分析方法抑制斷層無關信息,增強新斷層線性和坡向特征。主要過程如下[17]:

圖6a,像元e在x方向上的變化率將通過以下算法進行計算,

圖6 DEM坡向分析增強(a) 柵格示意圖 (b) DEM圖 (c) DEM坡向分析后斷層特征 (d) 研究區增強結果Fig.6 Enhancement of DEM aspect analysis

[dz/dx]=((c+2f+i)-(a+2d+g))/8.

(1)

像元e在y方向上的變化率將通過以下算法進行計算,

[dz/dy]=((g+2h+i)-(a+2b+c))/8 .

(2)

坡向計算,

aspect=57.295 78×atan2 ([dz/dy], -[dz/dx]).

(3)

式中:依據象限角與方位角轉換關系獲得方位角。

如圖6b和c為古爾圖河附近DEM和地震斷層坡向增強后的特征圖,北東向斷層及斷層兩盤坡向信息增強效果差異明顯。DEM坡向分析對農田田坎、道路路坎、山脊線、谷底線、道路等線狀信息也具有明顯的增強,斷層解譯應結合遙感方法篩選。

3.3 斷層綜合特征分析

坡向增強DEM數據采用ASTER GDEM,分辨率為30 m。研究區坡向增強結果如圖6d,結合分析結果進行地震斷層或線狀構造解譯,并結合多源資料進行篩選?？κ埠恿饔蚪庾g斷層主要為北東東向或北東向、北西向或北西西向、東西向等。大巴簡—巴勒克特能佼納、孟克德—門克廷達坂、科達德薩伊一帶斷層密集且不同走向斷層交錯特征明顯。

沿孟克德—門克廷達坂—烏蘭薩德克方向(圖1,斷層C-A)有一定規模地震地質災害發育,主要為崩塌,少量為泥石流和滑坡。斷層C-A方向有山脊錯斷特征。多源影像解譯斷層C-A南側抬升特征明顯。

4 地溫異常解譯

研究區內發育多處溫泉,為獲取研究區內地溫異常點展布狀況,開展定量和定性遙感地溫解譯。

4.1 地溫異常目視解譯

同等環境下,地溫較高部位積雪有早融現象?？κ埠雍庸鹊貛僳E稀少,人為因素對積雪融化的影響較少,因此可借助積雪融化特征進行地溫異常目視解譯。收集2013—2020年Landset8、Sentlinet-2積雪或積雪初融遙感影像20余景,目視圈定喀什河河谷兩側構造異常部位積雪初融特征。例如,大巴簡一帶北北西向斷層多年影像連續觀察到早融及斷層透水現象,認定為地溫異常點。

4.2 熱紅外地溫反演

遙感地表溫度反演方法一般可分為大氣校正法、單通道算法、分裂窗算法[18-24]。大氣校正法先估計大氣對地表熱輻射影響,把這部分大氣影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去,從而得到地表熱輻射強度,再把熱輻射強度轉化為相應的地表溫度[25-26]。衛星接收熱紅外輻射亮度值Lλ如下[26],

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑.

(4)

式中:ε為地表比輻射率;TS為地表真實溫度;B(TS)為黑體熱輻射亮度,τ為大氣在熱紅外波段的透過率,大氣向上輻射亮度L↑,大氣下行輻射亮度L↓。

溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為,

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε.

(5)

式中:TS可以用普朗克公式的函數獲取。

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1).

(6)

式中:對于TIRS Band10,K1=774.89W/(m2×μm×sr),K2=1 321.08 K。

4.3 異常地溫提取及分析

地溫受太陽輻射、海拔高度、地貌類型、地表反射率、植被覆蓋、氣溫等因素影響。異常地溫處地下溫度場熱源供給,因此異常地溫受季節等因素影響變化率更小。不同時域獲得的地溫數據存在一定相關性,主成分分析方法是常用去相關方法,在信息總量守恒的前提下,利用線性變換的方法來實現去相關性[27]。多季節冗余地溫數據主成分分析所獲每一主分量常代表一定的地學意義。

研究區屬于高寒高原氣候,采用Landsat8影像反演獲取不同月份地溫,四幅Landset8數據分別是4月、7月、8月、11月。依據遙感地溫方法分別計算不同月份的地溫數據,反演結果不論最低、最高、平均溫度較當地氣象數據較一致。圖7地溫背景為2015年4月10日熱紅外地溫反演方法獲得。

圖7 地溫異常提取圖Fig.7 Extraction map of ground temperature anomaly

按研究區范圍進行裁剪,對研究區內常年積雪部位掩膜后完成主成分分析(PCA),通過不同月份的地溫數據PCA獲得不同類型的特征向量,不同的特征向量代表不同的地學意義。4、11月氣溫較低為冬季氣候特征,7、8月氣溫較高為本地夏季。因此,特征向量選擇4月與11月應相似、7月與8月應相似,4、11月與7、8月特征應明顯差異。表1為提取的特征向量。

表1 PCA特征向量表

依據異常切割原理[27]提取地溫異常區域如圖7。地溫異常區通常分布在斷裂周圍,并且排列方向與活動斷裂的延伸方向一致,或者分布在斷裂交叉復合部位的周圍,這兩點是區分真偽地熱區的重要判別依據[28],依照地溫提取異常與斷裂等關系排除干擾。研究區共劃分了3處地溫異常區,大巴簡—巴勒克特能佼納、孟克德、科達德薩伊地溫異常區。

大巴簡—巴勒克特能佼納地溫異常區內地震遺跡密集發育。通過多年連續積雪早融觀察,該區北部北西向斷層積雪早融特征較為明顯,山坡見東西向斷層控制積水潭部分水溫異常。孟克德地溫異常區北東向發育,區內存在兩處溫泉與孟克德斷裂方向一致,溫泉東側斷層(圖3f)附近山坡提取出斷層走向一致的地溫異常?？七_德薩伊異常區北西西向斷層密集發育,地溫提取異常與斷層走向基本一致,河流流向基本受斷層走向控制。

5 航磁異常特征

1∶5萬航磁ΔT剖面平面圖上(圖8),研究區磁場負背景北高南低,自北向南ΔT值由-25 nT降低到-125 nT,與研究區西部正背景場有著明顯的差異[29]。

圖8 研究區航磁ΔT圖Fig.8 Aeromagnetic ΔT map in study area

5.1 巴勒克特能佼納航磁異常區

巴勒克特能佼納異常區以西為正背景ΔT航磁異常區,以東為負背景區,該區位于ΔT航磁正負異常區變化面上。正值異常呈楔狀,ΔT航磁異常值0～122 nT。

5.2 門克廷達坂航磁異常區

在航磁ΔT剖面平面圖上,門克廷達坂剖面上具有北正南負的特征,且以負值為主梯度陡幅值大,最大值達1 610 nT。在航磁ΔT等值區平面圖上,異常表現為一強烈降低負異常,北側伴生有寬度相對較窄的正異常;在航磁ΔT化極等值線平面圖上,異常整體特征變化不大,僅北側正異常強度有所降低,范圍相對縮小[29]。新C-2009-2429為該處正異常,異常值高達340 nT。

6 討論與結論

6.1 地震地質災害特征討論

標準差橢圓用于揭示地理要素的空間分布特征[30],該方法已經廣泛應用于地學統計領域。創建標準差橢圓以概括地理要素的空間特征:中心趨勢、離散和方向趨勢[31-32]。地震遺跡標準差橢圓將反映遺跡的中心位置趨勢、長軸方向將反映遺跡的走向規律,短軸與長軸之比值反映地理要素空間上展布主要方向的優勢程度。

規模較大的崩塌共39余處,崩塌堰塞湖及崩崖數量較少按崩塌統計。標準差橢圓幾何中心位于門克廷達坂一帶(圖2),長軸走向94°,短軸與長軸之比值0.29,表明崩塌遺跡以門克廷達坂為中心東西向發育;解譯滑坡共471余處,由于塌陷、泥石流等數量較少統計按滑坡進行統計。90%以上滑坡主要位于喀什河沿岸,標準差橢圓幾何中心位于巴勒克特能佼納一帶,標準差橢圓長軸走向96°,短軸與長軸之比值0.19。新源縣吐爾根鄉北側小型“新滑坡”,幾何中心位于吐爾根鄉北側(圖2)。

強烈的斷裂活動誘發地震,具有明顯的致災性,斷裂為地質災害提供物源及加載效應,使得地質災害沿斷裂呈線狀分布[33],研究區滑坡災害受控于喀什河主斷裂走向,寨口溝—孟克德之間其數量和規模巨大;受地形坡度影響,喀什河北側臺地古近系、新近系、第四系沉積物其范圍和厚度明顯高于南側,在強震、降雨、地形坡度等因素作用下極易發生滑坡,喀什河北側滑坡災害數量和規模多于南側;陡峭地貌和巖性對崩塌災害的控制比較明顯,崩塌等災害主要發育在山勢陡峭且裂隙密集的侵入巖、變質巖分布區,孟克德—門克廷達坂一線崩塌較發育。

文獻[13]根據歷史地震震害、烈度和發震構造等資料,勾畫出北天山地區歷史強震破裂區域,1600年以來研究區發生的最大地震為1812年尼勒克8級地震。宏觀上,遙感方法獲得地震地質災害幾何中心、標準差橢圓長軸走向與文獻[2]地震宏觀中心、等震線長軸等走向基本一致。依據喀什河流域地質災害與斷層關系、災害規模與集中程度、滑坡壁風化程度、植被生長特征等結合歷史地震分析,本次解譯獲得地質災害為1812年地震遺跡。

6.2 航磁異常討論

航磁異常代表實測磁場總強度與背景場強度之差,客觀上反映了某些重要的區域構造輪廓。不少作者曾對不同尺度的航磁異常進行解釋,包括深部地質構造推斷或區域構造分析。由于對各種形式異常場的成因機理理解不同,航磁異常的直接構造解釋往往遇到困難或存在爭議[34]。

與常見古地震不同,尼勒克地震帶門克廷達坂、巴勒克特能佼納兩處發育航磁異常。原推測認為門克廷達坂新C-2009-2429等航磁異?？赡芘c中型鐵礦有關,地表工作后并不顯著支持這一推測[32]。門克廷達坂、巴勒克特能佼納航磁異常成因解釋尚存在困難。結合研究區地震帶背景,磁異常成因討論宜考慮地震地質因素和參考前人實驗:

(1) 為了模擬地殼中巖石在壓縮斷裂過程能量從積累到釋放的破裂過程,并對震源孕震、發震過程中巖石內部微裂隙的應力變化與磁強的變化之間的關系進行有限條件的模擬研究,文獻[35-39]用 “斷裂改變磁場”解釋實驗室巖石試件周圍磁感應強度的變化,即鐵磁質巖石試件在受壓過程中,巖石內部微裂隙孕育、擴展、繁衍直至貫通,導致巖石內部的裂隙增加,改變巖石的磁阻,進而改變巖石的磁導率,從而改變巖石的磁感應強度。

(2) 地熱與地震的形成、發展、發生已經引起廣泛的關注[40]。前人通過巖石走滑、破裂型2種不同的巖石應力加載實驗觀察到溫度異?，F象,以解釋地震中機械能與熱能的轉化及熱能通過巖石微裂隙等傳輸至地面的現象[40-41]。門克廷達坂正負航磁異常其走向與斷層(C-A)位置耦合走向一致、與崩塌密集區位置耦合、與孟克德地溫異常區及地熱位置耦合等,表征上地溫異常、地質災害、航磁異常存在一定空間關系。

完整的磁性體經受斷裂作用后,所引起的磁場可能發生變化[29]。由于地震作用,地震斷裂附近存在溫度、壓力的積聚并存在瞬間激變的可能[42-46]。地震孕育和發震過程,可能改變地表熱及熱輻射空間分布狀況,也可能引起大氣層上部的電離層擾動[47-52],地震熱異常與電離層擾動現象的多參數關聯分析也引起了高度關注[53-56]。

(3) 地殼深部巖石通常被認為是絕緣體,但美國NASA Ames研究中心的科學家FRIEDEMANN T F從火成巖加載過程的電位觀測發現,巖樣遠端未加載部分存在正電荷集聚現象,并構建了基于離子晶格激活遷移的P-HOLE模型以解釋部分地震的電磁異?，F象[57]。

伊犁尼勒克震區及其鄰區的現代構造應力場引起地質體之間斷裂發生新的活動并引發地震[11]。門克廷達坂、巴勒克特能佼納一帶航磁異常區地震遺跡、泉水(或溫泉)、斷層、地溫等存在異常,航磁異常成因宜進一步開展多手段深部探測和地熱資源討論。

6.3 結論

地震遺跡標準差橢圓幾何中心位于寨口溝至孟克德溝中部的巴勒克特能佼納一帶,沿孟克德溝—門克廷達坂—烏蘭薩德克一帶近北東向地震遺跡有一定規模發育。通過溫泉、積雪早融、遙感地溫定量提取等方法,孟克德—大巴簡一帶收到明顯的地溫異常信息。部分地溫異常與北西向斷裂關系密切。自然現象的認識和解釋是富有挑戰性,也是科學技術進步的永恒話題。多學科融合的綜合地球深部探測技術將促進喀什河沿線航磁異常及地質研究。