新疆尼勒克1812年地震地质灾害遥感解译研究①

王俊锋, 韩立钦, 过 磊, 苏英明, 李 彬, 张 军

(1.甘肃工业职业技术学院,甘肃 天水 741025; 2.河南师范大学,河南 新乡 453007; 3.中国地质调查局西安地质调查中心,陕西 西安 710100; 4.西安地质矿产勘查开发院有限公司,陕西 西安 710100)

1812年3月8日新疆尼勒克8级地震发生在博罗科努山脉和阿吾拉勒山脉腹地—伊犁河谷走廊地带,震中位于博罗科努地层小区与伊宁地层小区的结合部位。尼勒克8级地震是新疆天山3个8级地震之一,也是新疆伊犁谷地最大的地震[1-4]。文献[5-9]在航片解译基础上,对尼勒克地震烈度区、有关地震参数进行评估。杨章[7]就尼勒克地震深断裂与深断裂格局、深断裂格局同地震活动的关系进行讨论。文献[10-12]对尼勒克地震断层平面分组特点、活动性质、分段特征进行讨论,并确定了地震断层最大位移,对地震烈度区重新圈定,对等震线进行必要修改,进而对地震宏观观测中心进行修改。本研究在前人工作基础上梳理地震地质灾害解译标志,综合应用遥感影像并结合野外考察,对研究区地震地质灾害、地温异常、断层特征等进行初步讨论和研究,希望多学科综合探测技术应用对进一步认识伊犁河谷地温异常、航磁异常等有所裨益。

1 区域概况

喀什河中上游博罗科努山与阿吾拉勒山腹地以高山地夹河谷地貌特征为主,结合遥感影像和DEM将伊犁河谷分为中高山地貌、山前台地地貌、河谷盆地地貌。中高山地貌主要位于博罗科努山与阿吾拉勒山主脊一带,地形陡峭海拔2 000～4 500 m,主要以酸性侵入岩、火山碎屑岩、深变质岩为主。常见岩性为石英二长岩、二长花岗岩、花岗斑岩、凝灰岩、含凝灰质流纹岩、绿帘角闪二长片麻岩等。山前台地地形较为平缓,为厚约10～30 m的古近系、新近系、第四系沉积物组成,主要有红色泥岩、沙砾、冰碛物、粘土粉沙砾石等为主,部分河谷地带出露中生代砂岩、砾岩等。研究区受塔里木、准格尔稳定地块南北夹持,形成受逆断裂控制的山间挤压盆地,盆地边缘伴生有活动断裂并地震多发[13]。伊利河谷气候湿润雨量充沛,山前台地古近系、新近系、第四系沉积物较厚,在降雨及地震作用下极易发生滑坡灾害。研究区地震断层与近东西向的喀什河断裂走向一致,沿断裂两侧密集呈带展布[12]。主要解译断层如图1,近东西向断层、北北东向断层、北北西向断层在巴勒克特能佼纳—门克廷达坂一带交汇呈“人”字型,1812年尼勒克地震大致几何中心[2]位于巴勒克特能佼纳西侧。

图1 研究区主要断层解译略图Fig.1 Interpretation map of main faults in study area

2 主要地震地质灾害

研究区地质灾害频发,主要类型包括滑坡、崩塌、泥石流等。地表调查基础上,利用资源三号、高分一号、Aster、Sentlinet-2、天地图平台进行目视解译,并对部分解译标志和解译结果进行修正和验证,初步绘制研究地震地质灾害分布图(图2)。

2.1 滑坡

研究区滑坡主要发育在喀什河两岸山前台地新生界地层中,从乌拉斯台—乔尔玛分布较广。遥感影像可识别其滑坡壁、封闭洼地、滑坡台阶、裂隙、滑坡舌等,依据高分及立体影像确定其边界、规模、活动状态等[14]。喀什河北岸孟克德—寨口沟段滑坡数量多、规模大、分布集中,多见呈密集滑坡群状(图3b),喀什河南侧喀阔库勒一带、科克萨依(图3h)有一定规模滑坡发育。河谷两侧滑坡多见为滑坡群,部分滑坡规模为中—大型,如图5a和c为典型滑坡群解译标志。依据典型滑坡在高分辨率卫片上直接解译标志、间接解译标志进行滑坡解译和调查,滑坡解译结果如图2。喀什河谷及山前台地滑坡或地震断裂后有利于松杉等高大植物根系固定,成片或成排松杉为可作为古滑坡和断层的解译标志,图5b为滑坡后松杉典型特征,图5f为典型滑坡壁解译标志。

图3 典型地震遗迹图(a) 雪后滑坡影像特征 (b) 巴勒克特能佼纳滑坡群 (c) 喀阔库勒滑坡远景照片 (d) 乌兰萨德克诺尔堰塞湖 (e) 哈夏廷郭勒泥石流 (f) 门克廷达坂—蒙科特萨依堰塞湖 (g) 积雪后断层 (h) 科克萨依滑坡群 (i) 孟克德断层组Fig.3 Typical Seismic Relics Map

喀什河河谷两侧滑坡与泉水或积水洼地相伴发育,泉水或积水洼地是断层和滑坡的良好解译标志。泉水的解译依照地形资料、Sentlinet-2遥感影像光谱角法、监督分类等方法提取。部分老滑坡积雪后解译效果较好,因此采用欧空局Sentlinet-2冬季积雪后遥感影像完成解译(图3a)。巴勒克特能佼纳一带滑坡群地表面积最大可达3～12 km2,滑坡壁长约2～4 km,局部滑坡壁高约4～10 m,依遥感目视解译及自动方法提取滑坡信息[15-16],滑坡纹理如图3b。乌兰萨德克一带发育少量石质滑坡和冰碛物滑坡,石质滑坡最大面积滑坡约0.2 km2;冰碛物等滑坡形成堰塞湖,堰塞湖坝体面积约0.6 km2(图3d),蓄水面积约0.4 km2;乌兰萨德克沟口见滑坡群及滑坡舌前端鼓包,河流交汇处见0.2 km2塌陷现象;四棵树河上游一带河流两侧阶地滑坡后解体涌入河道,面积约4 km2。

喀阔库勒位于喀什河南岸,典型滑坡如图4。滑坡壁长度1～5 km,滑坡壁高1～7 m。滑坡壁与滑坡体间可识别东西向封闭洼地,洼地因积水呈串珠状湖泊,高分辨率影像中滑坡台阶、鼓张裂隙、滑坡舌特征明显;滑坡体中可见泉水、积水洼地大量发育;喀阔库勒东侧东西向发育多组断层,断层呈东西向负地形状,断层组北侧呈明显的坎状或台阶状,可解译出重力方向滑动特征。图3c为喀阔库勒一带典型滑坡,滑坡单体宽0.5 km、长2 km,滑坡壁高约2～7 m, 推测单体滑坡体体积约4×106m3。喀什河北岸开英布拉克等地沟口附近发育滑坡(图4),滑坡壁高约10 m,滑坡体面积约0.5 km2,推测滑坡体体积约为5×106m3,可归为大型滑坡体。

图4 喀阔库勒滑坡特征及断陷湖Fig.4 Characteristics of Kakuokule Landslide and fault Lake

依据各滑坡群面积的计算统计结果,喀什河沿线乌拉斯台—乔尔玛遥感方法可识别的滑坡群基本为中大型。新源县吐尔根乡北侧解译出274余处“山扒皮”式小型“新滑坡”,几何中心位于吐尔根乡北侧,与喀什河沿岸古滑坡相比规模和牧草覆盖状况区别明显。

2.2 崩塌

崩塌在研究区岩石坚硬且陡峻侵入岩、变质岩地貌发育集中。高分三维影像中,崩塌堆积区常发育在谷底或较为平缓斜坡,影像表面纹理粗糙,部分巨石可直接判译。崩塌堆积区植被发育较少与未堆积草地对比明显,影像中期轮廓清晰。崩塌堆积区典型解译标志如图5d。

图5 典型地质灾害解译标志(a) 喀什河南典型滑坡群 (b) 滑坡和杉树 (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—门克廷达坂一带崩石沿陡坡、陡崖发育明显,局部可见崩落巨石淤塞河道,崩塌区马匹及人员通行困难。规模较大的崩塌主要集中在门克廷达坂—蒙科特萨依堰塞湖(图3f)一带。崩塌沿陡峭山崖崩落堰塞成湖,堰塞湖面积约0.4～0.5 km2,淤塞河道石质崩塌物推测体积约2×106～5×106m3;后壁最大的崩塌位于门克廷达坂西南5 km处,崩塌处发育温泉,经地形资料、卫片、DEM解译,崩塌后壁北东向长约2 km,崩崖高约200 m,崖下崩塌物堆积面积约0.1 km2。

2.3 泥石流

研究区泥石流多见形成于地形较为陡峭的深沟或陡峭的山壁,遥感影像中典型泥石流堆积于山前开阔地或涌入河道,泥石流堆积扇是其解译的良好标志。泥石流物源区植被覆盖较少且岩石破碎风化严重,不良地质现象发育,高分遥感影像中泥石流物源区碎屑堆积依纹理和形状可直接解译。雪线以下发育多期冰川泥石流,典型解译标志如图5e。孟克德—乌兰萨德克—哈夏廷郭勒一带泥石流较发育,单体面积最大约0.5 km2,泥石流多见由粒径不等未经磨圆石块裹挟泥沙涌入河道(图3e)。

3 断层

3.1 高分辨率断层解译

断层解译主要采用高分辨率影像,部分活动断层大雪覆盖后影纹特征较为明显,解译依靠Sentinel-2雪后影像解译获得,如门克廷达坂北4 km处雪后解译地震断层(图3g)。蒙科特萨依堰塞湖位于崩塌密集区,堰塞湖东侧1 km处花岗岩岩体中发育长约4 km走向334°活动断层(图3f),断层北端尖灭处观察到透水现象,断层南段尖灭处发育温泉,沿断层走向南10 km 处为发育温泉。沿孟克德萨依发育若干雁行状北东向断层组,水系受北东向断裂作用明显发生转折或急弯(图3i)。

3.2 基于DEM坡向分析的断层增强方法

相对传统地质断层,研究区地震断层等线性特征较明显,DEM坡向分析后断层线状纹理明显增强。利用地震断层几何特征和坡向分析方法抑制断层无关信息,增强新断层线性和坡向特征。主要过程如下[17]:

图6a,像元e在x方向上的变化率将通过以下算法进行计算,

图6 DEM坡向分析增强(a) 栅格示意图 (b) DEM图 (c) DEM坡向分析后断层特征 (d) 研究区增强结果Fig.6 Enhancement of DEM aspect analysis

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

(1)

像元e在y方向上的变化率将通过以下算法进行计算,

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

(2)

坡向计算,

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

(3)

式中:依据象限角与方位角转换关系获得方位角。

如图6b和c为古尔图河附近DEM和地震断层坡向增强后的特征图,北东向断层及断层两盘坡向信息增强效果差异明显。DEM坡向分析对农田田坎、道路路坎、山脊线、谷底线、道路等线状信息也具有明显的增强,断层解译应结合遥感方法筛选。

3.3 断层综合特征分析

坡向增强DEM数据采用ASTER GDEM,分辨率为30 m。研究区坡向增强结果如图6d,结合分析结果进行地震断层或线状构造解译,并结合多源资料进行筛选。喀什河流域解译断层主要为北东东向或北东向、北西向或北西西向、东西向等。大巴简—巴勒克特能佼纳、孟克德—门克廷达坂、科达德萨伊一带断层密集且不同走向断层交错特征明显。

沿孟克德—门克廷达坂—乌兰萨德克方向(图1,断层C-A)有一定规模地震地质灾害发育,主要为崩塌,少量为泥石流和滑坡。断层C-A方向有山脊错断特征。多源影像解译断层C-A南侧抬升特征明显。

4 地温异常解译

研究区内发育多处温泉,为获取研究区内地温异常点展布状况,开展定量和定性遥感地温解译。

4.1 地温异常目视解译

同等环境下,地温较高部位积雪有早融现象。喀什河河谷地带人迹稀少,人为因素对积雪融化的影响较少,因此可借助积雪融化特征进行地温异常目视解译。收集2013—2020年Landset8、Sentlinet-2积雪或积雪初融遥感影像20余景,目视圈定喀什河河谷两侧构造异常部位积雪初融特征。例如,大巴简一带北北西向断层多年影像连续观察到早融及断层透水现象,认定为地温异常点。

4.2 热红外地温反演

遥感地表温度反演方法一般可分为大气校正法、单通道算法、分裂窗算法[18-24]。大气校正法先估计大气对地表热辐射影响,把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去,从而得到地表热辐射强度,再把热辐射强度转化为相应的地表温度[25-26]。卫星接收热红外辐射亮度值Lλ如下[26],

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑.

(4)

式中:ε为地表比辐射率;TS为地表真实温度;B(TS)为黑体热辐射亮度,τ为大气在热红外波段的透过率,大气向上辐射亮度L↑,大气下行辐射亮度L↓。

温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)为,

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε.

(5)

式中:TS可以用普朗克公式的函数获取。

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

(6)

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

4.3 异常地温提取及分析

地温受太阳辐射、海拔高度、地貌类型、地表反射率、植被覆盖、气温等因素影响。异常地温处地下温度场热源供给,因此异常地温受季节等因素影响变化率更小。不同时域获得的地温数据存在一定相关性,主成分分析方法是常用去相关方法,在信息总量守恒的前提下,利用线性变换的方法来实现去相关性[27]。多季节冗余地温数据主成分分析所获每一主分量常代表一定的地学意义。

研究区属于高寒高原气候,采用Landsat8影像反演获取不同月份地温,四幅Landset8数据分别是4月、7月、8月、11月。依据遥感地温方法分别计算不同月份的地温数据,反演结果不论最低、最高、平均温度较当地气象数据较一致。图7地温背景为2015年4月10日热红外地温反演方法获得。

图7 地温异常提取图Fig.7 Extraction map of ground temperature anomaly

按研究区范围进行裁剪,对研究区内常年积雪部位掩膜后完成主成分分析(PCA),通过不同月份的地温数据PCA获得不同类型的特征向量,不同的特征向量代表不同的地学意义。4、11月气温较低为冬季气候特征,7、8月气温较高为本地夏季。因此,特征向量选择4月与11月应相似、7月与8月应相似,4、11月与7、8月特征应明显差异。表1为提取的特征向量。

表1 PCA特征向量表

依据异常切割原理[27]提取地温异常区域如图7。地温异常区通常分布在断裂周围,并且排列方向与活动断裂的延伸方向一致,或者分布在断裂交叉复合部位的周围,这两点是区分真伪地热区的重要判别依据[28],依照地温提取异常与断裂等关系排除干扰。研究区共划分了3处地温异常区,大巴简—巴勒克特能佼纳、孟克德、科达德萨伊地温异常区。

大巴简—巴勒克特能佼纳地温异常区内地震遗迹密集发育。通过多年连续积雪早融观察,该区北部北西向断层积雪早融特征较为明显,山坡见东西向断层控制积水潭部分水温异常。孟克德地温异常区北东向发育,区内存在两处温泉与孟克德断裂方向一致,温泉东侧断层(图3f)附近山坡提取出断层走向一致的地温异常。科达德萨伊异常区北西西向断层密集发育,地温提取异常与断层走向基本一致,河流流向基本受断层走向控制。

5 航磁异常特征

1∶5万航磁ΔT剖面平面图上(图8),研究区磁场负背景北高南低,自北向南ΔT值由-25 nT降低到-125 nT,与研究区西部正背景场有着明显的差异[29]。

图8 研究区航磁ΔT图Fig.8 Aeromagnetic ΔT map in study area

5.1 巴勒克特能佼纳航磁异常区

巴勒克特能佼纳异常区以西为正背景ΔT航磁异常区,以东为负背景区,该区位于ΔT航磁正负异常区变化面上。正值异常呈楔状,ΔT航磁异常值0～122 nT。

5.2 门克廷达坂航磁异常区

在航磁ΔT剖面平面图上,门克廷达坂剖面上具有北正南负的特征,且以负值为主梯度陡幅值大,最大值达1 610 nT。在航磁ΔT等值区平面图上,异常表现为一强烈降低负异常,北侧伴生有宽度相对较窄的正异常;在航磁ΔT化极等值线平面图上,异常整体特征变化不大,仅北侧正异常强度有所降低,范围相对缩小[29]。新C-2009-2429为该处正异常,异常值高达340 nT。

6 讨论与结论

6.1 地震地质灾害特征讨论

标准差椭圆用于揭示地理要素的空间分布特征[30],该方法已经广泛应用于地学统计领域。创建标准差椭圆以概括地理要素的空间特征:中心趋势、离散和方向趋势[31-32]。地震遗迹标准差椭圆将反映遗迹的中心位置趋势、长轴方向将反映遗迹的走向规律,短轴与长轴之比值反映地理要素空间上展布主要方向的优势程度。

规模较大的崩塌共39余处,崩塌堰塞湖及崩崖数量较少按崩塌统计。标准差椭圆几何中心位于门克廷达坂一带(图2),长轴走向94°,短轴与长轴之比值0.29,表明崩塌遗迹以门克廷达坂为中心东西向发育;解译滑坡共471余处,由于塌陷、泥石流等数量较少统计按滑坡进行统计。90%以上滑坡主要位于喀什河沿岸,标准差椭圆几何中心位于巴勒克特能佼纳一带,标准差椭圆长轴走向96°,短轴与长轴之比值0.19。新源县吐尔根乡北侧小型“新滑坡”,几何中心位于吐尔根乡北侧(图2)。

强烈的断裂活动诱发地震,具有明显的致灾性,断裂为地质灾害提供物源及加载效应,使得地质灾害沿断裂呈线状分布[33],研究区滑坡灾害受控于喀什河主断裂走向,寨口沟—孟克德之间其数量和规模巨大;受地形坡度影响,喀什河北侧台地古近系、新近系、第四系沉积物其范围和厚度明显高于南侧,在强震、降雨、地形坡度等因素作用下极易发生滑坡,喀什河北侧滑坡灾害数量和规模多于南侧;陡峭地貌和岩性对崩塌灾害的控制比较明显,崩塌等灾害主要发育在山势陡峭且裂隙密集的侵入岩、变质岩分布区,孟克德—门克廷达坂一线崩塌较发育。

文献[13]根据历史地震震害、烈度和发震构造等资料,勾画出北天山地区历史强震破裂区域,1600年以来研究区发生的最大地震为1812年尼勒克8级地震。宏观上,遥感方法获得地震地质灾害几何中心、标准差椭圆长轴走向与文献[2]地震宏观中心、等震线长轴等走向基本一致。依据喀什河流域地质灾害与断层关系、灾害规模与集中程度、滑坡壁风化程度、植被生长特征等结合历史地震分析,本次解译获得地质灾害为1812年地震遗迹。

6.2 航磁异常讨论

航磁异常代表实测磁场总强度与背景场强度之差,客观上反映了某些重要的区域构造轮廓。不少作者曾对不同尺度的航磁异常进行解释,包括深部地质构造推断或区域构造分析。由于对各种形式异常场的成因机理理解不同,航磁异常的直接构造解释往往遇到困难或存在争议[34]。

与常见古地震不同,尼勒克地震带门克廷达坂、巴勒克特能佼纳两处发育航磁异常。原推测认为门克廷达坂新C-2009-2429等航磁异常可能与中型铁矿有关,地表工作后并不显著支持这一推测[32]。门克廷达坂、巴勒克特能佼纳航磁异常成因解释尚存在困难。结合研究区地震带背景,磁异常成因讨论宜考虑地震地质因素和参考前人实验:

(1) 为了模拟地壳中岩石在压缩断裂过程能量从积累到释放的破裂过程,并对震源孕震、发震过程中岩石内部微裂隙的应力变化与磁强的变化之间的关系进行有限条件的模拟研究,文献[35-39]用 “断裂改变磁场”解释实验室岩石试件周围磁感应强度的变化,即铁磁质岩石试件在受压过程中,岩石内部微裂隙孕育、扩展、繁衍直至贯通,导致岩石内部的裂隙增加,改变岩石的磁阻,进而改变岩石的磁导率,从而改变岩石的磁感应强度。

(2) 地热与地震的形成、发展、发生已经引起广泛的关注[40]。前人通过岩石走滑、破裂型2种不同的岩石应力加载实验观察到温度异常现象,以解释地震中机械能与热能的转化及热能通过岩石微裂隙等传输至地面的现象[40-41]。门克廷达坂正负航磁异常其走向与断层(C-A)位置耦合走向一致、与崩塌密集区位置耦合、与孟克德地温异常区及地热位置耦合等,表征上地温异常、地质灾害、航磁异常存在一定空间关系。

完整的磁性体经受断裂作用后,所引起的磁场可能发生变化[29]。由于地震作用,地震断裂附近存在温度、压力的积聚并存在瞬间激变的可能[42-46]。地震孕育和发震过程,可能改变地表热及热辐射空间分布状况,也可能引起大气层上部的电离层扰动[47-52],地震热异常与电离层扰动现象的多参数关联分析也引起了高度关注[53-56]。

(3) 地壳深部岩石通常被认为是绝缘体,但美国NASA Ames研究中心的科学家FRIEDEMANN T F从火成岩加载过程的电位观测发现,岩样远端未加载部分存在正电荷集聚现象,并构建了基于离子晶格激活迁移的P-HOLE模型以解释部分地震的电磁异常现象[57]。

伊犁尼勒克震区及其邻区的现代构造应力场引起地质体之间断裂发生新的活动并引发地震[11]。门克廷达坂、巴勒克特能佼纳一带航磁异常区地震遗迹、泉水(或温泉)、断层、地温等存在异常,航磁异常成因宜进一步开展多手段深部探测和地热资源讨论。

6.3 结论

地震遗迹标准差椭圆几何中心位于寨口沟至孟克德沟中部的巴勒克特能佼纳一带,沿孟克德沟—门克廷达坂—乌兰萨德克一带近北东向地震遗迹有一定规模发育。通过温泉、积雪早融、遥感地温定量提取等方法,孟克德—大巴简一带收到明显的地温异常信息。部分地温异常与北西向断裂关系密切。自然现象的认识和解释是富有挑战性,也是科学技术进步的永恒话题。多学科融合的综合地球深部探测技术将促进喀什河沿线航磁异常及地质研究。