利用高分影像识别门源MS6.9地震地表破裂带

刘 璐, 刘兴旺,2, 张 波,2, 何文贵,2, 朱俊文,2, 蔡艺萌,2

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000 2. 甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

北京时间2022年1月8日1时45分27秒,青海省海北藏族自治州门源县发生MS6.9地震,震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km[1],是继1986年8月26日门源6.4级地震[2-3]和2016年1月21日门源6.4级地震[4-5]后,该地区发生的又一次强度较大的地震。地震造成10人受伤,并伴有房屋损坏、部分道路、桥梁等基础设施被破坏或受损。此次地震震中5 km范围内平均海拔约3 674 m,震中位于冷龙岭断裂西端与托勒山北缘断裂交界处,附近人口较为稀疏。震源机制解表明本次地震发震断层节面参数为:走向290°,倾角81°,滑动角16°,显示为近乎直立断层面的左旋走滑型地震[6]。据中国地震局发布的地震烈度图[7]显示这次地震的极震区烈度为Ⅸ度(9度),等震线长轴呈北西西走向。

地震发生后,中国地震局各单位迅速反应,组成现场工作队,对门源MS6.9地震的相关地震构造和震害特征进行考察。中强地震的发生往往与该地区活动构造密切相关,因此地震现场的一些宏观特征,尤其是地震地表破裂带的出现,可为地震发震构造的判定及动力学特征研究提供直接的、可靠的证据。经野外实地调查[8],此次门源MS6.9地震形成了长约22 km的地表破裂带,主要沿冷龙岭断裂西段分布。地震发生当天,中国航天科技集团有限公司所属中国资源卫星应用中心安排高分四号卫星、高分六号卫星、高分七号卫星、高分一号04卫星对灾区进行5次观测,同时,紧急共享灾区历史存档和灾后监测数据。利用震前、震后高分数据的对比,可以清晰识别破裂带的存在。本文基于震后亚米级分辨率的高分七号影像,对门源MS6.9地震破裂带进行详细解译,并与野外地质调查结果进行对比,在此基础上对比冷龙岭断裂东段存在的地震破裂带,并对本区地震危险性作初步判定。

1 构造背景

新生代以来,印度板块与欧亚大陆的持续碰撞使青藏高原不断向周边扩展和增生[9-11],随着高原的不断扩展,并与北侧稳定的塔里木地块和阿拉善地块的相互挤压,造成了以左旋走滑为显著特征的阿尔金断裂和祁连—海原断裂带的形成,而在两条大型走滑断裂的构造转换区则形成以逆冲为主要的祁连山北缘断裂带(图1),同时造成了祁连山的快速隆升[12-14]。祁连—海原断裂带西起哈拉湖,东至六盘山,自西向东包括哈拉湖断裂、托莱山断裂、冷龙岭断裂、金强河断裂、老虎山—毛毛山断裂及海原断裂[15-16],该区域在北东向构造应力作用下,发生了强烈的挤压缩短、顺时针旋转及南东东方向的挤出变形[17]。本次门源MS6.9地震就发生在冷龙岭断裂西端与托莱山断裂交汇部位。

冷龙岭断裂东起红腰岘一带,向西经讨来柴陇、宁缠丫豁、假墙丫豁、冷龙岭主峰、西端止于硫磺沟西北(图2),全长约110 km,整体走向N60°～70°W,倾向NE,倾角50°～60°[18]。根据前人的研究[19],断裂可以分为三段,假墙丫豁以东为东段,假墙丫豁至硫磺沟为中段,硫磺沟以西为西段。冷龙岭断裂东端为天桥沟—黄羊川断裂及金强河断裂,西端则为肃南—祁连断裂、托莱山北缘断裂及托莱山断裂,断裂两端构造转换均表现出较为复杂的特征(图2)。冷龙岭断裂为一条全新世活动断裂,表现出以左旋走滑为主兼正断性质。早期对于断裂左旋走滑速率的限定量级较大,可达约15～20 mm/a[20-21];近年来,通过地貌的精细测量及年代测试,越来越多的研究表明断裂左旋走滑速率集中在4～7 mm/a[22-24]。冷龙岭断裂在全新世以来发生过多次古地震事件,根据断裂东段古地震探槽的研究,断裂东段全新世以来有6次古地震事件[25],最近一次古地震距今约几百年,至今仍有地震地表破裂带保存[19,26]。近些年来,门源地区先后发生1986和2016年两次6.4级地震[2-5],这也使得对冷龙岭断裂带活动特征的详细研究显得更加重要。

图2 冷龙岭断裂及邻区活动断裂分布图Fig.2 Distribution map of the Lenglongling fault and adjacent active faults

2 研究数据与方法

本文使用的遥感影像来源于中国第一颗亚米级的高分辨率对地观测遥感卫星——高分七号卫星(GF7),也是目前高分专项系列卫星中测图精度要求最高的科研型卫星,具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率等特点。高分七号全色图像分辨率为0.65 m,多光谱图像分辨率为2.6 m,时相为2022年1月8日,波段包括近红外、红色、绿色和蓝色波段。

在数据处理中,使用ENVI5.3软件,对高分辨率遥感影像(高分七号)进行波段融合、正射校正、影像融合、镶嵌及裁剪等处理。首先,对高分七号多光谱图像进行波段合成(321),尽可能地突出地震破裂现象;然后使用Geometric Correction中RPC Orthorectification Workflow工具分别对全色和多光谱图像进行正射校正;之后启动Image Sharpening中的Gram-Schmidt Pan Sharpening Classic工具,选择正射后的高分七号全色和多光谱图像进行融合,得到地表破裂清晰的高分辨率遥感影像;最后根据地表破裂分布对遥感图像进行镶嵌、裁剪等工作。

在影像预处理操作完成后,使用人机交互的目视解译来识别地表破裂带。使用遥感影像解译时,可以利用震前、震后的遥感影像加以对比,如在硫磺沟南,利用震前、震后影像对比,可以清晰地判断出地表产生了破裂,从而准确确定地震破裂位置(图3)。整体来看,地表破裂带颜色较为灰暗,线性好,与周围山体或地表相比,易于识别,尤其破裂带分布在雪山上,与白色积雪相比,黑色破裂带尤为明显。此外,高分辨率的遥感影像可以用于识别破裂带的组合形态,判断发震断裂性质。在解译完成后,也可与野外实地调查结果进行对比。

图3 硫磺沟南震前与震后影像对比Fig.3 Comparison between images before and after the earthquake in the south of Liuhuanggou

3 研究结果

3.1 地震地表破裂带整体情况

根据遥感影像的详细解译,结果显示门源MS6.9地震产生南北两条破裂带,北侧主破裂带沿冷龙岭断裂西段分布,破裂带东起敖包附近,沿着硫磺沟向北西延伸,在一棵树沟以东主要分布于硫磺沟北岸,一棵树沟以西分布于硫磺沟南岸,过硫磺沟后破裂带继续向北西扩展,经道沟、上大圈沟,止于下大圈沟一带,整体走向北西西,长约21 km(图4)。其中东段因穿过高山、且受山上冰雪覆盖等影响,地表破裂呈零散分布;西段地形平缓,地表破裂较连续,出现了较明显的拉张裂隙、挤压鼓包等地表破裂现象。南侧的次级破裂带沿托莱山断裂东段分布,大致沿大西沟、狮子崖一线分布,走向近EW东西,长度约5 km(图4)。破裂带规模较小,断错量也小于主断裂,应为地震向西破裂的端部效应。

图4 门源地震地表破裂带分布图Fig.4 Distribution map of surface rupture of Menyuan earthquake

3.2 典型破裂段特征

通过破裂带的详细解译,发现地震破裂带显示典型的走滑断裂破裂带组合类型,剪切破裂、张剪破裂及拉张裂缝较为发育。根据这些破裂的组合形式,又有挤压鼓包及拉张凹陷发育,如剪切破裂的左旋右阶区常发育挤压鼓包,而在左旋左阶区发育拉张凹陷。破裂带沿线断层陡坎不太发育,也不易于识别。本次地震以左旋走滑为主,先期的报道揭示本次地震的同震位移量约2 m左右,但在影像上同样难以识别,未解译出有效的同震位移数据。下面以道沟附近两处研究点做详细说明,位置如图4所示。

在道沟东侧,高分影像上可以清晰看到地震破裂带的存在[图5(a)],破裂带呈明显的线性展布。经详细影像解译,可以看出破裂带的组合特征,如剪切破裂、张剪破裂及拉张裂缝及挤压鼓包[图5(b)]。剪切破裂是发育于走滑断层型地震地表破裂中常见断错地貌,遥感影像上表现为近笔直平滑延伸的直线或略微外凸的弧形特征[27],张剪破裂一般作为剪切破裂的次级破裂出现,与主剪切破裂方向一般呈10°～25°夹角,拉张裂缝在走滑型地震地表破裂中常与主剪切带大致呈45°交角,继续发展可形成正断层、地震凹陷等。在道沟东侧,拉张裂缝不太发育,以剪切破裂、张剪破裂为主,根据张剪破裂的几何形态也可以确定断裂左旋走滑的性质,各破裂带之间主要以左旋右阶为主,该组合形态下可形成大量的挤压鼓包[图5(b)中绿色椭圆区域],野外实地考察也证明了上述特征[图5(c)]。

图5 道沟东侧地震破裂带Fig.5 Surface rupture at the eastern Daogou site

在道沟研究点,破裂带穿过道沟并向两侧延伸[图6(a)],该处破裂带形态较为复杂,影响范围较宽,宽度可达几十米[图6(b)],该处破裂带的组合特征更为丰富,除剪切破裂、张剪破裂外,张性裂缝更为发育,左旋右阶的挤压鼓包及左旋左阶的拉张凹陷均可观测到[图6(b)]。如在图6(b)的左右两侧均可识别出左旋右阶的挤压鼓包(图绿色椭圆区域),在图的左侧可见左旋左阶的区域(图中蓝色椭圆区域),该区域可发育拉张凹陷,并可能发育形成走向北东的小型正断层。野外考察发现破裂带在穿过道沟中间砂石路时造成了道路的左旋位错并形成高度不大的断层陡坎[图6(c)],该左旋位移量较小,遥感影像上并不能识别出该位移量。在道沟右侧可见左旋右阶排列的张剪破裂及这些破裂之间形成的挤压鼓包[图6(d)),与遥感影像解译结果较为一致。

图6 道沟地震破裂带Fig.6 Surface rupture at the Daogou site

4 讨论

4.1 利用高分影像识别地震破裂带

自20世纪90年代,尤其是进入21世纪以来,遥感技术得到迅猛发展和推广,大量多传感器米级/亚米级遥感数据不断涌现,这些高分辨率的遥感数据在震后地震地表破裂带快速识别定位及发震断裂性质确定等方面的作用越来越突出[27],如合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)已广泛应用于震后同震形变方面的研究[28-29]。各种不同分辨率的遥感数据具有覆盖面大、获取方便,更有震前、震后数据对比等显著特点,可以快速确定地震是否产生地震破裂带,开展地震破裂带的位置、长度及组合特征等方面的综合研究,为分析发震断层几何学、运动学特征提供证据[30-35]。

先期地震破裂带的识别也有利于震后地震应急工作的开展,用以指导地震现场抗震救灾方面的工作,如地震破裂带空间位置的快速准确确定,对判断地震破裂带是否穿过建筑物及生命线工程及可能造成的损失、重灾区的判定有重要的参考意义。如在本次门源地震中,极震区人口较少,并未造成大量的人员伤亡,但地震破裂带穿过兰新铁路(图4)造成了铁路的损坏、列车停运等后果。同时,地震破裂带的确定也可用于指导地震现场的科学考察,使野外工作有的放矢,快速准确到达破裂带位置,尤其是地震破裂带位于高海拔、交通不便的地区或不连续等情况下。

高分影像在确定地震同震位移量方面具有一定的局限性,因为影像本身的特征,在无法生成DEM数据的情况下同震位移量的识别以水平位错为主,不能识别垂直位错,而当同震位移量较小或影像分辨率不高时影像上并不能识别破裂带的定量参数。如在本次门源地震中,影像解译并未识别出同震位移量。同时,在破裂带两端,当位错量更小或以小的裂缝为主时影像也可能不能完全识别,对地震破裂带最终长度的确定和同震位移量的测量仍需借助野外实地考察和更高精度地形数据的获取。

4.2 冷龙岭断裂东段地震破裂带

在冷龙岭断裂东段,根据前人的调查研究,发现讨拉柴陇至假墙丫豁存在长约20 km的地震地表破裂带,破裂带主要由地震陡坎、地震沟槽、断塞塘及挤压脊等地貌现象组成[19],地震破裂带的表现形式和组合类型与本次门源6.9级地震相似,表明冷龙岭断裂东段存在一次时间较早的走滑型地震。对于该次地震的时间前人也有初步的研究,在讨拉柴陇,断层活动形成明显的线型影像[图7(a)],地表形成反向陡坎、冲沟左旋、断塞塘等断错地貌[图7(b)],冲沟一侧出露断层剖面[图7(c)],U1层为新近系紫红色砂岩;U2至U4层为不同时期的砾石层,根据颜色、粒径、磨圆度等特征分为3层;U5为混杂堆积的崩积楔;U6为断塞塘沉积的黑色腐殖土;U7为现代地表耕作土层,保留高度约0.5 m新鲜陡坎。根据地层沉积特征可以确定2次地震事件,第一次为U4层沉积以后,地震形成崩积楔U5,之后形成断塞塘沉积U6,根据U6底部年代,该次事件年代约为3 885 a BP;第2次地震断错至地表,形成至今保存的破裂带,根据U7底部的年代,该次事件发生在1 994 a BP以来。该年代样品可能混入了U6层沉积,使得年代偏老。在此剖面西侧的讨来柴陇西梁子剖面,利用14C测年,将断裂最新一次地震事件限定在了1 994 a BP～245 a BP之间[19]。Guo等[25]也在该段开展了古地震研究,表明全新世以来冷龙岭东段存在6次古地震事件,年代分别为636～498 a BP至今,2 951～1 155 a BP、4 016～3 609 a BP、5 325～4 476 a BP、7 284～6 690 a BP和8 483～7 989 a BP,地震复发间隔约1 000～2 000 a,与祁连山地区活动断裂地震复发间隔类似[36-40],最近一次地震同样距今几百年的时间。

图7 冷龙岭断裂东段讨来柴陇断错地貌Fig.7 Faulted landform at Taolaichailong site in the eastern segment of the Lenglongling fault

综合两者的研究[19,25],可以将最新一次地震事件大致限定在距今约400多年前的明朝,但翻阅各种历史地震目录均未发现与之相关的记录[41-43]。何文贵等[19]通过其他历史地震资料的考证,发现在1540年5月14日甘肃省中西部曾发生过一次强震,该地震使得当时的酒泉、武威、张掖,甚至临洮、固原都产生了强烈的震感,根据震感范围,估算得到此次地震的震级为7.2级[19]，确定此次漏记的历史大震即为断裂最新活动的结果。此次地震主要发生在冷龙岭断裂的东段,虽然目前发现地震破裂带长度仅20 km,按几百年的离逝时间及保留条件考虑,其形成的破裂带可能远大于20 km。

4.3 对地区地震危险性启示

自20世纪80年代以来,门源地区发生多次强震,分别为1986年8月26日门源6.4级地震、2016年1月21日门源6.4级地震及本次6.9级地震(图2),三次地震都发生在冷龙岭断裂附近,但三次地震震源机制解及发震断裂各不相同。

1986年门源6.4级地震的震源机制解表明该次地震发震断裂为倾滑分量占优势的正断层,是一次以北西西向拉张为主造成的地震活动[44]。2016年门源6.4级地震震源机制解则表现出纯逆冲的性质,为一条走向北西的逆断层引起[4]。上述两次断裂并未形成地表破裂带,但其发震断裂性质与以左旋走滑为主的冷龙岭断裂并不相符,其发震断裂均被认为是冷龙岭北侧的分支断裂[4-5]。该断裂与冷龙岭断裂呈平行状,断裂两端分别与冷龙岭断裂呈左阶和右阶分布,在西端形成拉张区,在东端形成挤压区,其最新活动分别形成了上述两次地震,冷龙岭主断裂并未产生破裂。本次门源6.9级地震震源机制解则表现出纯走滑的性质,根据地表破裂带也可确定其发震断裂为冷龙岭断裂西段。如前所述,冷龙岭断裂东段存在地表破裂事件,而断裂中段则未产生破裂,属于破裂的空段。因此,冷龙岭断裂中段未来地震危险性值得关注。

本次门源地震早期157次2.0级以上余震震中沿冷龙岭断裂西段呈北西西-南东东向展布,优势长轴长约30 km,宽约5 km,呈现出以本次地震为中心,双向破裂的特征[6]。根据震级-破裂关系以及剪应力结果,门源地区的应力没有得到充分释放,存在一定的应力积累,该地区仍然具有一定的强震危险性[6]。同时,门源MS6.9地震对祁连—海原断裂带有着明显的库仑应力加载作用,冷龙岭断裂两端的托莱山断裂、金强河断裂平均的累积库仑应力达到触发阈值,这些区域未来强震危险性同样不容忽视[45]。

5 结语

利用震后高分辨遥感影像可以为大地震地表破裂带快速准确的确定提供数据支持,为震后地震应急及科学考察工作的开展提供技术支撑。通过地震破裂带的精细解译,在识别地表破裂带的规模、类型及组合特征,判定断层的空间延伸及类型方面具有重要的意义。但通过高分影像解译地震破裂带在识别同震位移等方面存在短板,这些数据的获得仍需开展详细的野外调查。

致谢:兰州大学袁道阳教授领导的地震现场科考团队为本文提供了野外照片,文中高分数据具体由高分甘肃中心提供下载,在此一并致谢。