基于“吉林一号”高精度遥感数据研究华北地区最新构造变形样式

Original 地震地质测绘学术资讯 2022-06-30

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摘要：文中利用高分辨率“吉林一号”卫星影像数据, 获得了夏垫断裂沿线高精度DEM数据(1.0m)。基于高精度地形数据对夏垫断裂开展了定量研究, 揭示出1679年三河-平谷地震地表破裂由5条大致呈左阶平行展布的、长约3km的分支断层组成, 地表破裂的总长度约为12.3km。位错测量揭示出断裂垂直位移沿断层呈不对称三角形分布, 存在2个明显波峰。断裂沿线的平均位移值为1.8m, 约3.2m的最大位移值分布在潘各庄附近。位错模拟分析表明, 其可能代表了2次地震事件的累积位错。根据夏垫断裂上代表华北地区最新构造变形的地表破裂带相关定量参数估算的震级(约 MW6.3 或 MS6.25 ), 与1679年三河-平谷地震的历史震级(约M8.0或 MS8.0 )存在较大差异。这可能与华北地区现今剪切走滑构造变形与早期分布于上地壳的断陷拉张构造在孕震层存在的解耦作用, 或华北地区巨厚的第四纪覆盖层对构造变形的吸收作用相关, 这种假设也被浅层地震反射剖面揭示的断层切割关系和现今走滑型的震源机制所印证。

0 引言

随着大地测量技术的不断发展, 高精度地形数据的获取越来越方便快捷, 对地形地貌刻画也越来越精细, 为活断层探查和地震灾害评估带来了极大便利(Zielke et al., 2010; Klinger et al., 2011; Ren et al., 2016; Chen et al., 2018; Wei et al., 2020)。前人针对全世界主要活动断裂开展了大量基于高精度地形数据的活动断裂定量研究, 如Zielke等(2010)依据高精度地形数据半自动提取美国圣安地烈斯断裂的断层活动形成的累积位移特征, 发现圣安地烈斯断裂活动可能遵循特征滑动模型。在中国, 研究者针对阿尔金断裂(Kang et al., 2019)、海原断裂(Ren et al., 2016; Chen et al., 2018)、郯庐断裂(Jiang et al., 2017)、富蕴断裂(Klinger et al., 2011)和河西走廊(Bi et al., 2018)及天山地区(Wei et al., 2020)分布的主要活动断裂开展了大量相关定量研究, 这些研究为理解断裂活动习性和地震灾害风险评估带来了重要的科学参考。因此, 基于高精度地形数据的活动断裂定量研究能够极大扩展活断层的研究视野, 对于精细刻画断层几何结构、定量研究断层活动参数以及对断裂进行地震灾害风险评估有重要意义。

前人开展的研究工作主要集中在人为改造相对较少、断错地貌发育典型的活动构造区(Zielke et al., 2010; Klinger et al., 2011; Ren et al., 2016; Kang et al., 2019; Wei et al., 2020), 但对于人为改造相对较多的城镇地区关注相对较少。同时, 前人开展的定量研究主要基于成本相对较高的LiDAR(Light Detection and Ranging)技术, 这对于高精度地形数据在活动断层探测中的广泛作用有一定限制作用。北京地处华北构造区(张培震等, 2003, 2013), 区内发育大量沿NNE—NE向和NW—EW向交会展布的活动断裂, 这些构造带的交会部位往往是中强以上地震的孕育地, 如南口-孙河断裂与夏垫断裂交会部位发生过1679年的三河-平谷8级地震(徐锡伟等, 2002; Liu et al., 2011)(图 1), 而京津冀腹地内极具地震灾害风险的活动断裂——夏垫断裂即为此次强震的发震断裂。因此, 对夏垫断裂开展精细的活动断层探测对于理解断裂的活动行为具有重要意义。虽然前人针对夏垫断裂开展过丰富的研究工作(彭一民等, 1981; 孟宪梁等, 1983; 向宏发等, 1988; 冉勇康等, 1997; 江娃利等, 2000; 徐锡伟等, 2002; 张先康等, 2002; 刘保金等, 2009, 2011; 高战武等, 2010)(图 2), 但这些工作均基于大尺度活断层探测方法, 对于断层高精度精细几何结构和位移分布关注相对较少, 没有完整地建立1679年三河-平谷地震的破裂范围和位移分布特征。因此, 本文试图利用高精度卫星影像数据采用立体相对技术方法制作研究区高精度地形数据(1.0m), 并对发育在夏垫断裂上约12km长的地表破裂进行精细定量研究, 揭示1679年三河-平谷地震的同震破裂位移分布和破裂范围, 并对相应的地震事件进行位移模拟恢复, 从而对夏垫断裂的孕震构造进行初步讨论。

1 构造背景

北京地区发育了大量交会展布的活动断裂。延矾盆地北缘断裂、黄庄-高丽营断裂和夏垫断裂为NNE—NE向, NWW向的张家口-渤海构造带斜穿上述NNE—NE向断裂带, 断裂带之间的这种交接组合形式共同构成了首都圈新生代构造的基本格局(高文学等, 1993; 徐锡伟等, 2002)(图 1)。研究表明, 发育程度不同的2组交叉或共轭断层在孕震过程中存在相互触发作用(高文学等, 1993), 北京地区的这些NWW向和NE向断裂的交会部位似乎具有更强的地震危险性(高文学等, 1993; 徐锡伟等, 2002)。

夏垫断裂带是影响北京东部地区的主要活动断裂, 前人已经对其开展了多学科的充分研究。基础地质调查揭示夏垫断裂是华北平原区北部一条重要的NE向隐伏活动断层, 走向N50°E, 倾向SE, 倾角50°~70°, 是分割大厂凹陷和通县凸起2个第四纪构造单元间的边界断裂(北京市地质矿产局, 1991)。在地震活动性方面, 通过精定位揭示华北地区的震源深度主要集中在中上地壳(深度约为20km)(于湘伟等, 2010), 地震分布与断层结构有很大的相关性, 呈“#”字形分布(李乐等, 2007), 地震多沿活动断裂呈线状分布或在断裂交会区呈面状分布(陈成沟等, 2017), 夏垫断裂是华北地区小地震集中分布的断裂之一。

在活动构造研究方面, 有研究表明夏垫断裂是1679年三河-平谷8级地震的发震断裂, 在地表形成西起东柳河屯、经夏垫镇北、东至东兴庄的长约12km的同震地表破裂带, 最大垂直位移约为3.16m(向宏发等, 1988; 徐锡伟等, 2002)(图 2), 表现出正断兼具右旋走滑的运动性质(彭一民等, 1981; 孟宪梁等, 1983; 向宏发等, 1988)。断裂全新世时期的垂直滑动速率约为0.34mm/a(徐锡伟等, 2002), 距今20ka以来断裂存在4次古地震事件, 平均复发间隔为(6.56±0.69)ka(冉勇康等, 1997); 断裂同震位移达(1.4±0.5)m(江娃利等, 2000)。断层浅表的几何形态存在空间切割关系, 记录了晚更新世中期以来华北地区的构造转换过程(徐锡伟等, 2002)。但是, 关于1679年三河-平谷地震的同震破裂长度还存在争议, 位错沿断层的精细分布尚不清楚。孟宪梁等(1983)认为夏垫断裂带目前勘查最清楚的一段为自西南东柳河屯经潘各庄南向E延伸至大胡庄以南的段落, 长约5km, 总体走向N45°E。高战武等(2001)基于1926年顺直水利委员会测绘的1︰5万三河幅地形图, 认为夏垫断裂同震破裂带的地形陡坎西起兴都村, 东至东兴庄, 长约18km, 最大垂直位移达3.5m。另外, 毛昌伟等(2010)利用GPS高精度实时动态测量技术得到断层陡坎的延伸长度≥30km的结果。夏垫断裂上1679年三河-平谷大地震形成的地貌上显著分布的同震地表破裂带, 为高精度地形数据在该活动断层上的精细探测试验研究提供了良好载体。

2 数据处理

2.1 高精度影像数据获取

本研究针对1679年三河-平谷地震前期研究揭示的地表破裂带分布范围, 对研究区进行了高精度卫星影像拍摄。拍摄采用“吉林一号”星座中的高分02A星, 共计拍摄卫星影像20幅, 其中10幅多光谱影像、 10幅全色影像, 可构成10对立体像对。影像拍摄侧摆角9.7°, 前、后视拍摄角度分别为-25°和25°, 基高比达0.9, 影像重叠率达100%, 完整覆盖了研究区域。采集的数据类型主要包括彩色多光谱(MSS)和全色影像(PAN), 其中多光谱影像的分辨率为3m, 全色影像的分辨率为0.5m。

本次卫星影像数据使用加拿大PCI公司的PCI Geomatica软件进行处理。数据处理的主要原理是通过区域网平差算法消除影像中存在的系统误差, 根据投影高程面核线影像重排列算法生成具有核线约束的核线影像对, 通过半全局密集匹配获取高精度密集匹配连接点, 再经过基于RPC(Rational Polynomial Coefficients)模型的前方交会解算得到三维点云, 内插生成高精度DSM、 DEM成果。处理流程包括数据导入、控制点连接点提取、区域网平差解算、核线影像生成密集匹配与DSM生成等步骤, 主要使用分辨率为0.5m的全色影像生成DSM/DEM, 最后获得的立体测图成果分辨率为1m, 能够初步满足断层位错测量的需求(图 3)。

2.2 位错测量与分析

主要依靠ArcGIS 10.3结合MATLAB的测量程序提取测量点地形剖面进行位错测量, 这种方法能够充分考虑断层两侧的参考面、断层位置等因素对位错的影响, 同时能够实现垂直位错测量的半自动化操作(Duross et al., 2019)。在选择位错测量点时, 尽量使地形剖面线足够长, 能够完整覆盖断层的变形区域并获得断错地貌面的完整参考线, 一般选择的地形剖面线长度都在1.0km以上(Hetzel et al., 2019; Wei et al., 2020)(图 4)。同时, 为了去除侵蚀、堆积、地表人类活动改造等过程对断层两侧参考地貌线的影响, 尽量选择在侵蚀破坏、后期加积、农作物和地表建筑相对较少且断层陡坎在山影图中相对明确的地点进行测量(Hetzel et al., 2019; Wei et al., 2020)(图 4)。若提取的地形剖面中存在复合陡坎, 则分别对累积和分支位错进行测量, 并对测量结果的类型进行了标注(图4c, d, 表1)。

在测量过程中, 依据断层陡坎清晰度、侵蚀破坏程度、剖面线两侧坡度情况等对所获得的数据进行了确信度分级, 确信度数值按照1~5赋值(图 4), 其中5代表位移最高确信度(McGill et al., 1991; Haddon et al., 2016)。由于地表建筑物、侵蚀和堆积等过程的影响, 断层两侧参考测量线逐渐变得弯曲, 据此获得的断裂位错确信度也逐渐降低。依据室内的填图和测量结果, 对主要的位错测量点进行了野外验证。综合断层的室内地形剖面线和野外对断层陡坎的验证结果, 对断层垂直位移的确信度进行了修正。最后, 对获得的数据进行了结合位移确信度的概率模拟分析(McGill et al., 1991), 并利用Paleo_Slip-Length方法(Manighetti et al., 2020)对位移可能揭示的多期次地震事件进行了系统分析。

3 数据结果

为了更好地识别断层地表破裂带断错地貌特征, 依据获得的高精度DEM数据, 利用ArcGIS 10.3对数据进行了地貌因子渲染, 制作了断裂展布区在315°和45°光照角度下的山影图、 1m间隔等高线图、高程分布图和坡度分布图等(图 3)。虽然地表破裂展布区位于人类改造极为强烈的地区, 但不同角度渲染的山影图清晰地揭示了断层陡坎的分布, 尤其是潘各庄一带, 断层迹线极为清晰。同样, 高程分布图揭示断层两侧存在明显的高程差异。虽然人为活动能够改变断层附近的陡坎清晰度, 但长剖面下的断层多期次活动造成的高程差异很难被消除。通过坡度分布图可知研究区的坡度主要约为3°, 地表建筑物分布区域的坡度约达80°, 农田分布区域各块农田的边界和道路边界的坡度约为30°。同时, 可清晰地看到沿断层走向的呈线性展布的坡度异常带, 坡度大致约为26°, 代表了断层陡坎的位置。

基于在ArcGIS 10.3中生成的山影图、等高线图、坡度图等对断层迹线进行了识别, 发现地表破裂的长度约为12.3km(图 5), 从东柳河屯村一直延伸到东兴庄村附近。地表破裂延伸不连续, 由多条分支断层组合而成, 分支断层的长度均约为3km, 大致呈左阶展布。断裂的迹线在潘各庄附近最清晰, 随着向断裂两侧不断延伸断层的清晰度明显降低。通过位错测量共获得44个数据(表1), 其中确信度值在3~5之间的位移数量达28个, 占测量总数的63.6%, 代表数据总体具有较高的可信度。从位移的分布来看, 位移最高点(约3.20m)出现在断裂中段的潘各庄附近(图 5), 最小位移值为0.71m, 位移值分布整体具有向断裂带两侧逐渐减小的趋势, 平均位移值为1.75m, 位移概率模拟分析揭示了1.5m和2.2m 2个丛集性特征。通过对断层位错和相应的距离进行线性拟合得到的位错变化率结果中可以看出, 不同段落的断层位错变化率存在明显不同(图 5)。在东柳河屯附近, 位错变化率为0.6m/km; 在潘各庄附近存在3个位错变化率明显不同的段落, 变化率分别为0.3m/km、 1.3m/km和0.7m/km。其中, 潘各庄附近的变化率峰值为1.3m/km, 对应于1679年三河-平谷地震的震中位置。断层东段位移变化率随位错值减小为0.2m/km, 代表破裂向两侧的传播并最终终止。

4 分析讨论

4.1 1679年三河-平谷地震地表破裂的变形特征

断裂的同震破裂特征对于理解低滑动速率、弥散分布的构造活动区断裂如何吸收和调节区域应力、应变意义重大(Sieh et al., 1993)。断层的同震位错分布以及对应的断层位错随断层走向的变化对断裂深部破裂过程和断裂地震危险性分析也具有重要的参考意义(徐锡伟等, 2002)。通过基于高精度地形数据的精细断层填图, 揭示了同震破裂由5条长约3km、大致呈左阶平行展布的分支断层组成, 断层的这种展布形式可能与断层的右旋倾滑运动性质相关(图 5)。通过沿断层的位错值分布可以看出, 位错沿断层明显呈不对称展布, 在潘各庄附近断层的最大垂直位错约为3.2m, 这也与1679年三河-平谷地震的震中位置相对应。位错沿断层的分布存在2个明显波峰, 且位移分布呈波谷位置, 与断裂分支状态有很好的对应性, 这可能与断层破裂过程的应力变化和沿断层的介质结构变化密切相关(Manighetti et al., 2015)。

断层垂直位错的这种不对称三角形分布在很多断层上均有出现, 如新西兰Wairarapa断层(Manighetti et al., 2020)、东非Afar断层(Manighetti et al., 2015)以及加州Owens Valley断层(Haddon et al., 2016)等, 这种不对称展布特征在正断层上尤其明显。基于断层垂直位错的不对称分布和复合断层陡坎分布(图4c, d)分析认为, 断层在潘各庄附近约3.2m的最大位错也可能代表了多期次断层活动。进一步利用Paleo_Slip-Length古位错分析方法(Manighetti et al., 2020)对获得的位错进行分析, 该方法能够基于最近一次断层位错分布和三角形位移分布趋势模拟断层历次破裂的同震位移分布、最大位错点及破裂范围等参数(Manighetti et al., 2020)。

依据测量获得数据, 设置模拟中的参数Ll、 LS、 DS和Lr分别为0~1km、 2~8km、 0.5~1.5m和12~14km(Ll为断层位错最小值左端点的分布范围; LS为断层历次破裂最大位移值的分布范围; DS为断层单次破裂事件的最大位移值范围; Lr为断层位错最小值右端点的分布范围)。所得模拟结果显示, 垂直位错可能包含了2次位移值分别为1.8m和1.7m的地震事件(图 6)。因此, 潘各庄附近的最大垂直位错可能代表了2次地震事件的累积位错, 这种假设也被提取的长剖面前缘中存在复合断层陡坎所验证(图4c, d)。同时, 2次地震事件的位移最大值均分布在潘各庄附近, 这也与1609年三河-平谷地震的震中位置相对应(图 5, 6)。

4.2 夏垫断裂1679年三河-平谷地震的矩震级与孕震构造评估

本次高精度数据获得断裂的平均位移值约为1.75m, 位错最大值约为3.2m, 地表破裂的长度为12.3km。位错模拟结果表明1679年三河-平谷地震的同震破裂长度约为12.3km, 断层的平均位移值约为1.8m。前人对1679年三河-平谷地震的地表破裂也进行了详细调查, 结果同样揭示出夏垫断裂的同震破裂长度为12km, 最大垂直位移为3.16m(向宏发等, 1988; 徐锡伟等, 2002), 断裂历次地震事件的同震位移可达(1.4±0.5)m(江娃利等, 2000)。因此, 依据本次高精度地形数据获得的夏垫断裂定量参数与部分前人的研究结果具有较好的一致性。但由于数据精度的限制, 前人没有给出精确的断裂几何展布形态及位错沿断层的变化状态, 而这些数据对于理解断裂的破裂习性具有重要意义(徐锡伟等, 2002; Manighetti et al., 2015)。同时, 依据本次分析表明, 虽然历次破裂事件的震中位置可能都位于潘各庄附近, 但潘各庄附近约3.2m的最大位错值可能代表了2次相同规模的地震事件。

断裂的同震位错值和破裂长度有助于定量评估地震震级和探索断裂活动习性(徐锡伟等, 2002; Liu-Zeng et al., 2009; Klinger et al., 2011)。地震的矩震级可初步由断裂的破裂长度、位错值、孕震深度等之间的相互关系进行评估

前人的研究表明, 根据震害评估获得的震级与面波震级较为匹配(刘瑞丰等, 2015), 因此可初步认为1679年三河-平谷地震的震级约为 MS8 ; 而根据矩震级与面波震级之间的相互关系MS=1.34MW-2.19(MW<6.8)(刘瑞丰等, 2018)计算得到的面波震级则约为 MS6.25 。由此可知, 1679年三河-平谷地震的震级(约 MS8 )与依据矩震级计算获得的面波震级(约 MS6.25)存在较大差异, 这可能与华北地区特殊的孕震构造背景相关(图 7)。研究表明, 华北地区地壳结构在纵向和横向均有显著的非均匀性, 尤其是夏垫断裂两侧反射特征明显不同, 表明夏垫断裂可能是一条深浅共存的深大断裂(张先康等, 2002)。同时, 浅层地震反射剖面揭示, 夏垫断裂存在2组倾角明显不同且呈切割关系的断层, 其中缓倾角的正断层代表早期控制盆地沉积的断陷作用, 陡倾角的正断层切割了上述缓倾角断层且具有相对明显的剪切走滑变形, 代表了最新构造变形活动(高文学等, 1993; 徐锡伟等, 2002; 张先康等, 2002; 刘保金等, 2009, 2011; 赵成彬等, 2010), 这也被现今以走滑运动性质为主的地壳形变场和震源机制解所印证(Shen et al., 2000; 林向东等, 2017)。同时, 最新的研究认为, 华北地区在约80ka内存在一次明显的构造转换, 由早期的拉张断陷变为后期的右旋剪切变形(Shi et al., 2020; Bai et al., 2021)。上述研究成果表明, 华北地区浅部的上地壳变形结构与深部断裂的运动可能是解耦的, 上地壳主要经历了新生代断陷构造过程, 而深部超壳断裂的应变状态可能自距今80ka以来已转换为最新的剪切构造变形(图 7)。正是这种解耦作用, 造成了华北地区大地震的地表破裂长度相对较短, 且位错值相对较小的现象。同时, 华北地区有巨厚的第四纪沉积层覆盖(图 2), 这种巨厚的第四纪沉积层对构造变形有显著的吸收作用, 同样也可能造成华北地区这种独特的地表破裂样式。

5 主要结论

(1)依据高精度地形数据获得的夏垫断裂的同震破裂长12.3km, 由5条长约3km的分支断裂组成, 断裂垂直位错的平均值为1.75m, 最大值为3.2m, 出现在潘各庄附近, 可能代表了2次地震事件的累积位错。

(2)位错沿断层呈明显的不对称三角形分布, 断层位错由断裂中段向两侧逐渐减小, 且存在2个波峰。基于对垂直位错的模拟分析揭示这些垂直位错可能由2次位错值分别约为1.8m和1.7m的地震事件造成。

(3)依据断层的破裂长度、位错值等定量参数获得的震级约为 MW6.30 (或 MS6.25 ), 明显小于1679年三河-平谷地震的震级(约M8.0或 MS8.0 ), 这可能与华北地区独特的孕震构造背景相关, 深部的最新剪切走滑变形与早期的断陷拉张断层可能处于解耦状态。同时, 巨厚的第四纪沉积层对浅表的构造变形有很强的吸收能力。因此, 华北地区历次地震的地表破裂长度和位错都相对较小。

(4)利用高分辨率卫星影像数据能够获得高精度DEM数据, 进而揭示断裂微构造地貌特征, 并进行初步定量研究。该方法具有成本相对较低, 操作性较强的特征。这种高精度地形数据对圈定地震地质灾害范围、定量研究地震地质灾害参数等有高效的应用潜能。