念青唐古拉山东南麓断裂带构造地貌特征与活动性遥感研究

焦其松 张景发 姜文亮

1)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150090

2)中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京 100085

0 引言

青藏高原晚更新世以来经历了强烈的隆升运动，中部地壳变形以EW向伸展为主，发育一系列近SN向构造带，其中包括念青唐古拉山东南麓断裂带。断裂带的强烈活动在地表形成独特的构造地貌，河流作为构造地貌研究中重要的地貌标志之一，持续记录了地貌演化过程中的构造活动信息，而且对流域内断裂活动的响应极为敏感，因此，研究河流纵剖面形态及坡度异常变化可以获得该地区构造活动的特征(Hack，1973;Marple et al.，1993;Brookfield，1998)。

前人对该断裂带几何学、运动学特征进行了比较系统的研究并进行了详细的地震地质调查工作(Armijo et al.，1986，1989;吴章明等，1992，1994;吴中海等，2006)。近年来，利用遥感图像及DEM进行与地震活动断层有关的构造地貌研究受到国内外学者广泛关注，开辟了构造地貌研究的新领域(曹凯等，2007;付碧宏等，2008;Kirby et al.，2008;徐岳仁等，2013)。本文主要选用高分辨率ALOS和中等分辨率ETM+图像，采用信息增强处理以及图像融合方法，突出图像中的各类构造地貌单元特征，对图像中裂谷系纹理、色调及含水性特征进行研究，建立遥感图像解译标志，结合野外调查结果，重点对念青唐古拉山东南麓断裂带的分布与发育情况进行解译;同时引入河长标准化坡降指标参数(SL/K)和Hack剖面2个构造地貌参数，分析其对区域构造活动的指示意义，进而修正遥感解译的断裂位置，提高解译精度。

1 研究区简介

念青唐古拉山东南麓断裂带位于青藏高原中部西藏当雄地区，全长约240km。受亚洲板块和印度洋板块碰撞的影响及地壳底部来自地幔的负浮力作用，青藏高原中部地区垂直方向上的应力不断增强，并超过水平应力强度，应力场由水平挤压逐渐转变为近垂直挤压及水平扩张为主，导致该区产生强烈伸展变形(徐纪人等，2005)。断裂带发育在该应力场控制下的伸展走滑构造环境中，形成剖面上为高角度正断层兼具走滑性质的断裂组合模式，从遥感图像上可以看出主断裂位于基岩与第四系冰碛物接触带附近，偏冰碛物一侧，为当雄－羊八井盆地边界主干断裂，沿断裂带两侧地貌差异显著，明显呈三段式(F1，F2，F3)展布，次级断裂发育(图1)。该断裂在中更新世以来向盆地方向迁移过程中发生多期强烈活动，沿断裂带发育了高度不同的多期断层崖、多期泉华台地等构造地貌单元。根据不同时期的断层崖高度判断，其垂直活动速率应为0.4～2mm/a。其中，第四纪期间的长期平均垂直活动速率为(1.1±0.3)mm/a，而全新世期间的垂直活动速率明显增大，为(1.4±0.8)mm/a(吴珍汉等，2002，2003，2005;吴中海等，2006)。

2 图像处理及构造地貌活动性分析方法

现今可用于活动断裂解译的遥感数据种类很多，可根据研究对象加以选择。中低分辨率遥感资料可用于大区域构造格架的解译;高分辨率的遥感资料可精细地分析断层的交切关系及构造地貌。ENVI是目前应用广泛的一款遥感图像处理软件，其提供的HSV融合方法可进行RGB图像到HSV色度空间的变换，用高分辨率的图像代替颜色亮度值波段，自动用最近邻、双线性或三次卷积技术将色度和饱和度重采样到高分辨率像元尺寸，然后再将图像变换回RGB色度空间并输出与高分辨率数据的像元大小相同RGB图像，实现遥感图像信息的增强。将Landsat ETM+图像全色波段与多光谱波段融合得到15m分辨率的图像，用于分析断裂的空间展布特征，解译拉分盆地、断层崖以及地堑－地垒等较大尺度的活动断裂地貌单元;将ALOS图像全色波段和多光谱波段融合得到2.5m分辨率的图像，用于解译断裂活动形成的断塞塘、冲洪积扇及冰碛物错断等微地貌特征。此外，本文还引用了利用DEM进行构造地貌分析的Hack方法。

Hack(1973)提出用一个简单的半对数方程式定量地描述河流纵剖面坡度的变化，这里假定全河段抗蚀力相似，方程式为

式(1)中，H为河流纵剖面的高度，c为常数，k为SL参数，L为河流源头至河段中点的距离。将河流离源头的距离取对数，以河流高程H为纵轴生成的剖面即为Hack剖面。对于单位河段长度SL参数值，近似计算公式为

图1 研究区遥感与地貌简图Fig.1 Remote sensing and geomorphic sketch map of the study area.

式(2)中ΔH为单位河段的高程差，ΔL为单位河段的长度，L为河流源头至河段中点的距离。剖面从河流源头到流域出口点连成一条直线，此直线代表该河流全河段达到动力平衡时的均衡状态，其斜率称为均衡坡降指标，用K表示。不同河流的均衡坡降指标不同，因此在比较不同河流间的河长坡降指标时，需要对不同河段的SL参数进行标准化，标准化的方法是将每条河流不同小河段的坡降指标除以该河流的均衡坡降指标值(SL/K)，得到河长标准化坡降指标。SL/K值介于2～10的为陡河段，＞10的为极陡河段(Seeber et al.，1983)。文中构造地貌参数的提取以1/5万地形图等高线插值生成的DEM(水平精度25m)为数据源，利用ArcGIS水文分析及Origin软件对河流高程纵剖面数据进行处理，得到相关地貌参数。

3 遥感解译及构造地貌分析

3.1 F1段遥感解译

F1段总体走向NNE，长约50km，由多条次级断裂组成。次级断裂的走向变化于 N20°W和N30°E之间，其中NNW向的次级断裂和NNE—NE向的次级断裂相间排列(图2)。甲赤岗至抹拖多，断裂垂直错动山前冰碛物台地、河流阶地，形成阶梯状分布的多级断层崖，小型河流冲积扇呈串珠状排列。玛日布格附近多期发育的冲积扇互相切割叠置，同时受断层活动影响，扇体发育不对称，呈左旋错动，扇体面可见流水痕迹及冲沟，全新世时期活动迹象明显。该段河流多呈直线状似平行展布，并且多垂直于主干山脊，支流甚少，盆地中第四纪堆积物大多受到水流强烈切割。玛日布格附近受正断层活动影响水系呈向心状发育，其余部分未见明显水系转弯，反映断裂活动走滑分量较小。

图2 F1段遥感图像Fig.2 Remote sensing image of the section F1.

3.2 F2段遥感解译

图3 F2段遥感图像Fig.3 Remote sensing image of the section F2.

F2段长约130km，总体走向约为 N45°E，由一系列沿念青唐古拉山东南麓断续延伸的NNE、NE和NEE向的次级断裂所构成，多为正断层和走滑断层(图3)。1411年当雄南发生8级地震，形成大量地震地表破裂带。山前正断层带断续分布，其上可以观察到破碎带、断层三角面和河流阶地、洪积扇垂直错动等现象。另外，在高分辨率遥感图像上发现在年波以西及江多附近山麓地带出现古地震破裂带，破裂带以地表破裂、地震鼓包、地堑、陡坎为主，年波至达弄多段长18km，局部可见左旋错动的冲沟与河流，左旋位移量分别为150m和270m(图4 a)。江多至共多段长6km，从图像上可以观察到张剪性破裂形成的小型拉分盆地，呈“S”形，对角线长374m，盆地内发育长轴、短轴分别为90m和26m的近似椭圆形断陷湖(图4b，5c);根据Mann提出的拉分盆地连续演化模型，该盆地正处于演化的第3阶段，即主断裂连续位移形成S形盆地，说明控制该盆地的断层仍处于活跃期。曲才乡东北侧躺兵错附近观察到2条近平行的NEE向走滑断裂，共同控制了菱形躺兵错湖盆的形态，还可见明显的走滑位移，小型断塞塘及地表破裂(图4c);2013年7月对该段进行野外调查的结果也验证了解译结果的准确性(图5)。

3.3 F3段遥感解译

F3总长50km，总体走向NNE—SN，由多条次级断裂组成。断裂连续性较好，以正断层为主，图像中可见线性断层崖。吉达果东侧及羊易附近水系受正断层活动控制，呈似平行树枝状展布(图6)。该地区高程剖面图可见盆地西缘地势较陡，高程落差较大;东缘起伏平缓，由于正断层活动较强，河流阶地被错动，在4 500～4 800m高度形成多级断层崖，断裂发育的以砾石及粉砂为主的全新世冰碛物沉积阶地(T1，T2，T3)被错断，与地质剖面所揭示的该地区正断层活动形成的地貌大致吻合(图7)。2008年10月6日该区羊易乡附近曾发生MS6.6地震，表明区内断裂现今仍有极强的活动性。

3.4 断裂带分段活动性分析与比较

图4 F2段高分辨率遥感图像Fig.4 High-resolution remote sensing images of F2.

研究区内念青唐古拉山为最高山脉，主要河流自NW向SE跨越念青唐古拉山东南麓断裂带汇入当雄－羊八井盆地，该断裂带活动引发1411年当雄南、1952年谷露和2008年当雄强震，选取跨越断裂带规模较大的河流(河长＞4km)计算河长坡降指标(SL)、均衡坡降指标(K)与标准化坡降指标(SL/K)。

F1段河流SL/K值有87.7%位于0～2之间(图8)，河道较平缓。河流R1位于1952年谷露地震震中附近，河道SL/K值分布极不均匀，其Hack剖面图呈明显的上凸形态(图9)，在河流中下游靠近震中位置处剖面线出现异常波动变化，并急剧下降;同时，相应河段的SL/K值出现最高达6.97的异常峰值，说明受本次地震影响，流域地区差异隆升强烈，震中附近河流梯度较高，河道高程变化剧烈，在遥感图像上也观察到河流跨越山前断层崖、断层陡坎等现象。

F2段区内4条河流(R2，R3，R4，R5)流经1411年当雄南地震震中附近，SL/K值在河流中下游距震中较近位置出现异常波动，而它们的Hack剖面图相同位置上均出现异常突变(图10箭头所示)，在遥感图像上该位置正是河流流经山前断层展布地带处，多观察到破碎带、断层三角面和河流阶地、洪积扇垂直错动等现象，其余河流亦是如此。这种异常变化不仅印证了断层活动对河床剖面的影响，而且结合该变化特征进行遥感解译可以提高断裂位置解译的准确性。

图5 F2段野外调查照片Fig.5 The field work photos of the section F2.

F3段编号R6、R7的河流Hack剖面整体呈上凸形态，但局部河段剖面出现凸－凹形变化(图11箭头处)。在河流R7的中下游地区通过断裂的位置，上凸的Hack剖面曲线出现异常凹陷，呈明显的凸－凹形变化，表明在区域强烈构造隆升背景下，构造活动的时间较新，河流在发展过程中来不及作出调整而在河道剖面上留下凸－凹形痕迹。

从全部3段SL/K值与遥感解译的断裂位置叠加图(图12)中可以看出河流SL/K值在山前盆地交接地带普遍出现峰值，各条河流在此位置的支流不多，且基岩大多为坚硬的花岗岩层，岩性变化不大，河流在通过该地带后河长坡降指标降低，同时结合遥感图像可以看出大部分交接地带地表有断层活动痕迹，因此可以判断图中坡度异常高值的出现是由断层活动引起的。其中F3段峰值出现频率较高，陡河段较多，SL/K平均值为1.63;F2段次之，平均值为1.13;F1段最低，平均值为1.01，由F1向F3总体呈增大趋势。从历史地震分布情况来看，F3段小震数量最多，分布集中，最近一次强震发生于2008年10月;而F1、F2段较平静，小震零散分布，与SL/K值变化趋势相似，这表明地震的活动对河道的改造程度由F1向F3依次增大，断裂的活动性依次增强。

图6 F3段遥感图像Fig.6 Remote sensing image of section F3.

均衡坡降指标(K)代表河流的侵蚀能力，影响河流侵蚀能力的1个重要因素是差异性构造抬升导致侵蚀基准面下降，进而导致河流严重下切。异常高的K值表示河流具有较高的梯度，反映流域地区差异隆升强烈，相应的侵蚀能力强。反之，异常低的K值表示河流侵蚀能力较低，流域地区构造稳定，差异隆升较弱(Brookfield，1998;Chen et al.，2003)。断裂的活动性质以正断层为主兼具走滑分量，3段均同时具有水平和垂直位移，从全区河流均衡坡降指标(K)统计图(图13)来看，F1段K值集中在300左右，平均值为275.5;F2段K值集中在350左右，平均值为360.3;F3段K值集中在400左右，平均值为421.8;趋势线呈现由F1向F3递增的趋势，这表明F3段正断层活动性较强，构造抬升对河流侵蚀力影响较大，F1、F2段正断层活动性相对较弱，走滑活动增强，在遥感图像上河流出现错动的现象增多。

图7 吉达果盆地高程剖面图及地质剖面图(据吴章明等，1992)Fig.7 Elevation and geological profile of the Jidaguo Basin(after WU Zhang-ming et al.，1992).

图8 F1段SL/K统计图Fig.8 SL/K statistical chart of F1.

图9 R1 Hack剖面及SL/K曲线图Fig.9 Hack profile and SL/K chart of R1.

图10 F2段R2—5河流Hack剖面及SL/K曲线图Fig.10 R2—5 Hack profile and SL/K chart of F2.

图11 F3段R6—7河流Hack剖面图Fig.11 R6—7 Hack profile of F3.

图12 全区SL/K值与遥感解译的断裂叠加图Fig.12 SL/K overlay with the remote sensing interpreted faults of the study area.

图13 研究区河流均衡坡降指标(K)统计图Fig.13 River balanced length-gradient index statistical chart.

4 结论

文中利用Landsat ETM+和ALOS 2种不同分辨率的遥感图像并通过野外调查对念青唐古拉山东南麓断裂带空间展布和第四纪构造地貌特征进行了详细解译，计算并分析了区内河流的河长标准化坡降指标(SL/K)与Hack剖面变化特征。遥感解译发现区内植被覆盖较少，断裂带呈三段式分布，断裂活动在地表形成了断层崖、断层三角面及地表破裂带等不同地貌，盆地内部发育小型拉分盆地、断陷湖及沼泽构造，它们的分布及发育明显受到断层的控制。以上地貌标志在高分辨率图像上表现比较明显，基本反映了断裂带以正断层为主兼具走滑运动性质。

河流地貌参数的计算发现河流Hack剖面图呈明显的上凸形态，表明区内地貌差异隆升强烈，构造活动的时间较新，有的河流在发展过程中来不及作出调整而在整体上凸的Hack剖面上出现局部异常凹陷，呈明显的凸－凹形变化。河长标准化坡降指标(SL/K)异常值出现的地带与断裂活动留下的地貌痕迹有很好的一致性，这种异常变化不仅印证了断层活动对河床剖面的影响，而且结合该变化特征进行遥感解译可以提高断裂位置解译的准确性。全区SL/K平均值由F1向F3总体呈增大趋势，从历史地震分布情况来看，F3段小震数量最多，分布集中而F1、F2段较平静，小震零散分布，与SL/K值变化趋势相似，这表明地震的活动对河道的改造程度由F1向F3依次增大，断裂的活动性依次增强。代表河流的侵蚀能力的均衡坡降指标(K)的趋势线由F1向F3递增，表明F3段正断层活动性较强，构造抬升对河流侵蚀力影响较大;F1、F2段正断层活动性相对较弱，走滑活动增强，在遥感图像上河流出现错动的现象增多。念青唐古拉山东南麓断裂带及当雄－羊八井断陷盆地作为青藏高原中部重要的构造转换及吸收带，至今仍有较强的活动性，地震活动较频繁，需重点予以关注。