2018, Vol. 38
当雄地区位于青藏高原腹地，对其进行研究能为揭示整个青藏高原的构造运动模式及应力状态提供有效参考。目前众多学者已经对当雄地区作出深入研究，其中包括对活动断层的研究，但是相关的研究成果不够完备。活动断层[1]是地壳运动的表征，与地震存在紧密的关系。但当雄地区地理条件恶劣，传统的活动断层研究手段难以有效实施[2-3]。本文在前人基础上，选择当雄地区的亚东-谷露断裂和嘉黎断裂为研究对象(图 1)，采用多种遥感图像处理方法[4-5]，对目标断层进行遥感解译，并进一步结合地震资料和震源机制解数据分析解译结果的地震学和地球动力学意义。
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图 1 研究区目标断裂解译后展布及地震震中分布图 Fig. 1 Distribution of active faults after interpretation and earthquake epicenters |
本文收集了多种类型、多种分辨率的遥感及DEM数据(表 1)，其中包括成像于2000年左右的多光谱波段分辨率为30 m、全色波段15 m的ETM数据，用于断层构造展布及交切关系宏观分析; 多光谱分辨率10 m、全色波段2.5 m的ALOS数据，用于断层细节特征的分析; 分辨率达到cm级的Google Earth影像，用于定量分析断层水平位移量; 具有较强穿透力的Sentinel-1雷达图像，其能有效减少高原地区冰雪层的影响; 空间分辨率为25 m的ASTER数字高程模型数据(即DEM)，用于辅助遥感数据进行地貌分析以及断层三维可视化信息提取。
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表 1 数据源信息 Tab. 1 Information about data source |
本文使用的图像处理手段主要包括彩色合成、比值分析、主成分分析以及影像融合。
2 结果分析 2.1 亚东-谷露断裂亚东-谷露断裂位于研究区西侧，总体走向NE，全长约200 km，可以分成3段(图 1)，其中北段走向NNE，长约40 km，断层部分隐伏，遥感图像中没有明显的破裂痕迹。图 2(a)为断层经过处的一个拉分盆地，附近可见河流水系弯曲，其应形成于右旋走滑断层构造背景，是两条走滑断层相互运动形成的拉张构造。对该区进一步解译后发现，局部还存在明显的水系同步转折(图 2(b))，且近乎直角，应为右旋走滑活动断层的标识。在图 2(b)的东南部，可见水系沿着一条平直的陡坎汇集，而这种陡坎处的地形逆差往往形成于正断层地貌。北段局部地区还可以发现断层三角面(图 2(c))，在该断层三角面处形成近200 m的地势高差，进一步表明该处存在明显的拉伸断陷活动。可以确定，亚东-谷露北段是正断层与右旋走滑断层相结合的结果。
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图 2 亚东-谷露断层北段遥感解译图 Fig. 2 Remote sensing interpretation of the northern segment of Yadong-Gulu fault |
亚东-谷露中段走向NE，长约120 km，断层裸露，沿断层可见一条明显的大型线性破裂带(图 3)，长达20 km。图 3中可见一条明显的地表裂缝，切割多条河流和沟谷。断层的水平运动可能会使断层两侧的上下游河沟发生分离，在上游形成断尾河或断尾沟，下游形成断头河或断头沟。断尾河或断尾沟失去的下游河段，往往会在错断的端点处积累而形成断塞塘，如图 3。如果河流的上下游没有完全分离，则往往会因断层的水平运动而出现同步转折的现象，这种同步转折明显揭示了亚东-谷露断层中段的左旋走滑性质。通过使用0.6 m超高分辨率的Google Earth影像可以对断层的水平位移量作出估算。如图 3，本文沿该地震地表破裂带挑选10个代表性位置点进行水平位移量计算。在一些研究点处使用河道两侧的前缘或者后缘陡坎作为定量计算的参考线，以减少计算误差，如图 3中黄色实线所示。经过测量，该地震地表破裂带的水平位移量在6~66 m，考虑到研究区附近8级历史强震所能造成的最大地表水平位错在12 m左右[6-7]，故判断该破裂带处的水平位移不可能由一次强震所产生，而是多次历史强震继承叠加的结果。经测算，该处存在6 m、7 m及12 m左右的水平位移量，应是最近一次历史强震即1411年当雄南8级地震的结果，而12 m可能标定了该次地震的最大水平位移量，这个结果同前人成果[6]一致。而22 m至66 m的左旋水平位移量则表明，该处在1411年之前已经发生过多次强震，并且这些强震同1411年当雄南8级地震所造成的地表破裂在位置上和运动方式上具有良好的继承性，这个结论与吴章明等[6]的研究成果一致。由于该处存在持续性的左旋运动，所以发育丰富的错断地貌，在图 4中的三维Google Earth影像中能明显看到地表破裂使得山下冲积平原出现地貌上的错断和不连续现象，而同一位置的野外照片也进一步验证了这类错断地貌的存在。
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图 3 亚东-谷露断层中段大型地表破裂带及水平位移定量分析图 Fig. 3 Large surface rupture zone in the middle segment of Yadong-Gulu fault and calculation of its horizontal displacement |
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图 4 亚东-谷露断层中段错断地貌图 Fig. 4 Offset landforms along the Yadong-Gulu fault |
亚东-谷露断层中段除分布有大型地表破裂带外，还存在局部微小地表破裂带(图 5(a))，这些微小地表破裂带正处于初级阶段，未来极有可能扩张。断层处还存在微型陡坎(图 5(b))，难以通过遥感图像识别。亚东-谷露断裂中段在地貌上存在一个典型现象，如图 5所示，其中a为山地上部的第四纪地层，主要由泥雪构成，中间有多条河沟流过; b为断层切割处裸露的基岩，在比值合成图像中形成黄色条带，其上下间距可能标志了正断层的位移量(图 5(e)); c为河沟下游的第四纪泥沙堆积地层; d为走滑断层形成的拉分盆地构造，同时也是地貌中负地形最强烈的区域，往往是河流或者湖泊的形成地; e为断层陡坎，同样为正断层形成，在高分辨率Google Earth影像中能清楚看到(图 5(d))。综合发现，亚东-谷露断裂中段是一个大型走滑式地堑结构，揭示了该区域的拉张性区域构造背景。
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图 5 亚东-谷露断层中段遥感解译图 Fig. 5 Remote sensing interpretation of the middle segment of Yadong-Gulu fault |
亚东-谷露断裂南段走向NNE转NS向，在研究区中长度约40 km，断层部分隐伏，同时次级断层发育充分。该处依然可见河沟的同步弯折现象(图 6(a))，指示该处的右旋性质。图 6(b)可以看到明显的断层陡坎，在次级断裂广泛分布的亚东-谷露断层南段属于常见现象。如图 6，该处发育有次级断层陡坎、频繁的构造活动形成的阶地以及一些正断拉伸作用形成的山前堆积。在图 6(c)中的东西两侧依然可见断层三角面，说明地堑式的结构依然延续。值得注意的是，在南段某些地区还发现一种特殊的菱形拉张构造盆地(图 6(d))。对该盆地进行地质解释后发现，其应形成于左旋走滑断层形式，说明亚东-谷露断裂南段并非单一的右旋模式，南部断层开始出现左旋运动。
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图 6 亚东-谷露断层南段遥感解译图 Fig. 6 Remote sensing interpretation of the southern segment of Yadong-Gulu fault |
嘉黎断裂分为南北两支(图 7(a))，北支长约35 km，而南支长约120 km，是嘉黎断裂的主要部分。嘉黎断裂在光学遥感图像中整体并不凸显，而在Sentinel-1雷达图像中表现为两条明显的负地形痕迹。嘉黎断裂沿易贡藏布河分布，并没有发现明显的地表破裂痕迹，不过前人在野外考察中依然发现了破碎带(图 7(b))。局部地区的遥感影像中可发现断层三角面(图 7(c))，表明嘉黎断裂具有正断层性质，曾发生过拉张运动。嘉黎断裂的走滑运动并不十分明显，这同前人判定其属于一条活动性不强的断层观点一致[8]。不过笔者在局部发现一些构造湖以及拉张构造，如图 7(d)所示，湖呈平行四边形，两侧属于断层崖，而其形状应是右旋走滑运动的结果。同时在该断层的东端进一步发现了拉张性盆地构造，如图 7(e)所示，该处拉张作用使其形成局部负地形，并使得河水在此处汇聚积累，具有明显的成湖趋势。推测该处拉分盆地产生于左旋运动背景，说明嘉黎断裂并不是整体右旋，在断裂的东南段存在左旋运动，该发现同宋键等[8]观点一致。从遥感图像中看出，亚东-谷露断裂的北段同嘉黎断裂西段的交接位置断层均已处于隐伏状态，遥感图像中并未发现两条断层相互交切的标志，故本文认为两条断层在地表并不存在交切关系，但在地壳深部是否交切还需要更多地球物理学资料的验证。
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图 7 嘉黎断裂遥感解译图 Fig. 7 Remote sensing interpretation of the Lhari fault |
本文从文献[9]中收集到研究区1950年以来34个震源机制解，并用MSATSI应力反演程序[10]对该区部分构造应力场进行反演得到最大水平主应力(SHmax)方向的最优解，如图 8所示。
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图 8 研究区震源机制解及应力场反演图 Fig. 8 The distribution of focal mechanism solutions in the study area and results of stress field inversion |
结果表明，有效震源机制解主要分布在亚东-谷露断层、嘉黎断层以及西北角的崩错断层等大型活动断层附近，其中嘉黎断层对应构造应力场反演的R1区，亚东-谷露断层主要对应应力场反演的R2区。R1区内主要发生走滑型地震事件，震源深度在8~40 km，最大水平主应力方向为NE-SW，应力机制为走滑型。R2区的震源机制解类型较为复杂，其主要表现为存在深度差异性：在0~8 km深度范围内主要发生走滑型地震活动，最大水平主应力方向为N-S，应力机制类型未知; 而在8~15 km深度处发生正断型地震活动，最大水平主应力方向为NNE向，应力机制为正断型。这种震源机制解及应力场所反映出来的深度差异的原因有待进一步探索，推测可能与该处深部构造及地球物理化学环境有关，也可能与目前得出的该处闭锁深度为10 km的研究成果有关[11]。本文反演的最大水平主应力方向总体上同印度板块北向挤压所产生的应力效应吻合，说明本文的反演结果真实可靠。
震源机制解所反映出来的地震事件类型和应力机制类型同遥感解译结果是对应的。遥感解译得出亚东-谷露南段主要发育正断地堑结构，并伴随有走滑运动，结合震源机制解可以推测，正断型地堑结构控制着该区震源深度在8 km以下的地震事件的发生，而断层走滑运动分量则主要影响震源深度在8 km以上的浅层地震的发生。同时，近南北向的亚东-谷露断裂南段的地壳深部存在正断型应力机制，指示正在经历强烈的拉张运动，而浅部应力机制复杂，存在走滑运动，控制着该处走滑断层的发育。近东西向的嘉黎断裂在遥感图像中表现出较低的第四纪活动性，这同其整体地震活动性不强相吻合。但是受东构造结的影响，嘉黎断裂西段应力易于集中，从而地震活动性有所增强。震源机制解揭示嘉黎断裂处地震事件以走滑型为主，应力机制也主要为走滑型，这同该断层处存在大量拉分盆地的现象相吻合。
3 结语1) 亚东-谷露断裂北段断层部分隐伏，地貌特征表现为正断拉张及右旋走滑综合作用的结果。中段断层裸露，存在拉张运动与左旋走滑运动，并发育地堑。根据该处大型地表破裂带沿线的冲沟位错可以估算该处存在6~66 m的水平位移量，其中1411年当雄南8级地震在该处产生约6~12 m的水平位移。南段次级断层充分发育，总体上表现为右旋运动，往南开始表现出左旋运动特征，同时地堑充分发育。
2) 嘉黎断裂第四纪活动性差，断层无明显裸露，局部地区可观测到拉张运动，同时西段存在右旋运动，往东南则开始出现左旋运动。
3) 根据震源机制解反演结果推测，亚东-谷露南段正断型地堑结构控制着该区震源深度在8 km以下的地震事件的发生，而断层走滑运动分量则主要影响震源深度在8 km以上的浅层地震的发生。亚东-谷露断裂南段的地壳深部存在正断型应力机制，控制该处大型地堑构造的发育，而浅部应力机制复杂，存在走滑运动，控制该处走滑断层的发育。嘉黎断裂处地震事件以走滑型为主，应力机制也主要为走滑型，这同该断层处存在大量拉分盆地的现象相吻合。
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