青藏高原西部湖泊與構(gòu)造背景關(guān)系遙感研究

劉 剛， 燕云鵬， 劉建宇

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

青藏高原西部地區(qū)是指E79°～92°,N28°～37°之間的我國境內(nèi)高原區(qū)域。其北緣為昆侖山，南緣為喀喇昆侖山和喜馬拉雅山，除雅魯藏布江谷地等局部地區(qū)外，大部分屬于平均海拔5 000 m左右的高原寒帶、亞寒帶的干旱、半干旱氣候帶，人畜飲水困難。為保障該區(qū)域經(jīng)濟、國防建設(shè)需要和人畜生活用水，中國地質(zhì)調(diào)查局利用遙感技術(shù)宏觀、快速的特點，部署了區(qū)域性1∶25萬水文地質(zhì)背景調(diào)查，為后期水文地質(zhì)普查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

由于水具有非常好的遷移性，無論地表水還是地下水，其運移路徑、儲存空間都與所在地區(qū)的應(yīng)力場和地貌有關(guān)。新近紀和第四紀的強烈隆升及地殼物質(zhì)大規(guī)模水平運移[1]，對高原地貌和構(gòu)造進行了強烈改造[2-4]。遙感圖像顯示，遍布高原的湖泊在形態(tài)和空間分布規(guī)律上與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系密切，基本反映了區(qū)域應(yīng)力場的現(xiàn)狀。前人對高原湖泊的研究，主要集中于古湖泊的演化[5-6]或與某時期氣候變化間的關(guān)系上[7-9]，對湖泊與現(xiàn)代區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系及其對地下水調(diào)查的意義論述不多。本文嘗試利用遙感技術(shù)研究湖泊分布的規(guī)律性，探討構(gòu)造背景與湖泊成因的關(guān)系，為現(xiàn)代區(qū)域應(yīng)力場分析和水文地質(zhì)背景遙感調(diào)查提供一種新思路。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

青藏高原是世界上最年輕的高原，在古近紀，印度板塊和歐亞板塊發(fā)生碰撞[1,10-12]，之后印度板塊持續(xù)向北擠壓，并沿喜馬拉雅和帕米爾2個構(gòu)造結(jié)呈一巨大的“M”型擠入歐亞板塊，在青藏高原的南北邊緣形成了2個巨型走滑-剪切系統(tǒng)： 在青藏高原西南邊緣喀喇昆侖山、岡底斯山和喜馬拉雅山一帶，形成以喀喇昆侖—雅魯藏布斷裂帶為核心的巨型反“S”形右行走滑構(gòu)造體系[13-15]； 在青藏高原東北邊緣阿爾金山和昆侖山一帶，形成以阿爾金—康西瓦斷裂和東昆侖斷裂為主的巨型左行剪切-走滑構(gòu)造體系[16-22]。青藏高原中部巖石圈物質(zhì)以2大走滑體系為邊界向東運動[23-24]。雖然目前對該構(gòu)造運動的開始時間和模式還存在爭論[1,24-28]，但這種現(xiàn)象在現(xiàn)代遙感圖像中仍有清晰的反映，并被中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(crustal movement observation network of China,CMONOC)的GPS測量結(jié)果所證實[23-24,27](圖1)，說明強烈的構(gòu)造作用仍在繼續(xù)。巖石圈物質(zhì)的大規(guī)模運移，對青藏高原的區(qū)域應(yīng)力場產(chǎn)生了巨大的影響，形成了一系列活動性非常強的走滑斷層[24]、剪切帶[28-29]和拉分盆地，對現(xiàn)今地下水和地表水的運移路徑、儲存方式和空間分布等具有重要的控制作用。

F1： 阿爾金—康西瓦斷裂； F2： 海原斷裂； F3： 東昆侖斷裂； F4： 玉樹—鮮水河斷裂； F5： 日土—嘉黎斷裂； F6： 喀喇昆侖—雅魯藏布斷裂

圖1青藏高原整體固定框架下的高原內(nèi)部水平形變速度場(修改自甘衛(wèi)軍等[23])

Fig.1HorizontalmovementratefieldwithinQinghai-TibetPlateauundertheoverallfixedframeworkofQinghai-TibetPlateau

2 湖泊與構(gòu)造背景的相關(guān)性

2.1 湖泊總體特點

青藏高原是千湖之源，大大小小的湖泊星羅棋布。一般情況下，湖泊的形態(tài)近于圓形，但由構(gòu)造控制的湖泊往往呈長條形、多邊形和橢圓形等，且湖泊的空間分布及變化與構(gòu)造活動具有對應(yīng)性[30]。遙感圖像顯示，青藏高原的大部分湖泊與構(gòu)造背景高度相關(guān)： 湖泊形態(tài)、大小、數(shù)量及空間分布受制于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場； 在不同構(gòu)造部位，湖泊的發(fā)育程度、形態(tài)、排列方向和性質(zhì)都有所區(qū)別； 性質(zhì)相同的湖泊成帶分布，在形態(tài)上也具有相似性。所以，利用遙感技術(shù)對湖泊形態(tài)、性質(zhì)和分布等規(guī)律的研究，可以了解現(xiàn)代區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向及性質(zhì)，對水文地質(zhì)背景分析具有重要的指導(dǎo)作用。

通過遙感分析，發(fā)現(xiàn)喀喇昆侖—雅魯藏布右行走滑構(gòu)造體系和阿爾金、東昆侖左行走滑構(gòu)造體系及其間地殼物質(zhì)向東南地區(qū)的持續(xù)運動，形成了大量的拉分盆地、斷陷盆地和部分凹陷盆地(圖2)。

Ⅰ： 北部左行拉分湖盆區(qū)； Ⅱ： 南部右行拉分湖盆區(qū)； Ⅲ： 東部斷陷湖盆區(qū)； Ⅳ： 中部斷-凹陷湖盆區(qū)；F1： 阿爾金—康西瓦斷裂； F2： 東昆侖斷裂； F3： 玉樹—鮮水河斷裂； F4： 日土—嘉黎斷裂； F5： 喀喇昆侖—雅魯藏布斷裂

其中，走滑剪切應(yīng)力場對現(xiàn)代湖泊(冰川湖除外)的形成、發(fā)展具有舉足輕重的作用。湖泊在不同空間位置的集中成群發(fā)育，反映了湖泊群所在地區(qū)的構(gòu)造特征。在喀喇昆侖—雅魯藏布右行走滑構(gòu)造體系所在的青藏高原南部區(qū)域和阿爾金—東昆侖左行走滑構(gòu)造體系影響范圍內(nèi)的北部區(qū)域，大部分湖泊與走滑作用產(chǎn)生的拉分張力有關(guān)； 而在地殼物質(zhì)向東南地區(qū)高速運移的中間部位，則以位于速度最快的前緣(東部)區(qū)域的斷陷盆地和位于速度較慢的后緣(中部)區(qū)域的凹陷盆地為主。因此，我國境內(nèi)青藏高原西部湖泊集中區(qū)(昆侖山以南，喜馬拉雅山以北)大致可分為4個區(qū)域： 北部近EW向拉分湖盆區(qū)、南部NW—NWW向拉分湖盆區(qū)、東部斷陷湖盆區(qū)和中部斷-凹陷湖盆區(qū)。

鑒于大量的湖泊與走滑作用所形成的拉張作用有關(guān)，因此有必要將拉分盆地進行簡單介紹： 拉分盆地(pull-apart basin)的概念最早由Burchfiel在研究美國圣安德列斯走滑斷層控制的死谷中心地帶時提出，是指走滑斷裂系在局部地段形成的斷陷盆地，具有特殊的構(gòu)造背景和形成方式。左旋走滑斷層的左階部位或右旋走滑斷層的右階部位處于一種拉張應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)育拉伸和斷陷； 而左旋走滑斷層的右階部位或右旋走滑的左階部位則處于一種擠壓應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)育擠壓和斷隆[31]。拉分盆地形似菱形，形態(tài)上可分為S型和Z型。左行左階雁列式走滑斷層控制下形成的拉分盆地為S型(圖3(a))，右行右階雁列式走滑斷層控制下形成的拉分盆地為Z型(圖3(b))。

(a) S型拉分盆地 (b) Z型拉分盆地

圖3走滑斷裂系形成的S型和Z型拉分盆地模式

Fig.3SandZmodesofpull-apartbasinscreatedbystrike-slipfaults

2.2 北部近EW向拉分湖盆區(qū)

北部近EW向拉分湖盆分布區(qū)(圖2中Ⅰ)西起阿克塞欽地區(qū)的郭扎錯，向東經(jīng)可可西里，至青海境內(nèi)的不凍泉一帶。總體位于阿爾金山和東昆侖山以南、喀喇昆侖山以北，包括羌塘北部和可可西里地區(qū)，呈略向北突出的近EW向狹長帶狀，南北寬約120 km、東西長約1 000 km，屬于阿爾金和東昆侖左行走滑斷裂體系的影響范圍。

遙感圖像顯示，本小區(qū)內(nèi)分布有近EW向的中型、大型湖泊幾十個，小型湖泊不計其數(shù)。經(jīng)解譯發(fā)現(xiàn)湖泊的大小、形態(tài)及分布具有如下規(guī)律： 在位移量很大的主干走滑斷裂附近，常形成數(shù)量少但個體面積較大的拉分湖泊(盆地)，湖泊形態(tài)一般為長條狀或菱形，長邊方向與主干斷裂近于一致； 中小型斷層一般形成小型湖泊，面積在數(shù)km2左右，形態(tài)大部分為菱形(圖4)，部分為長條狀或多邊形，邊界多為斷裂控制，長邊走向與走滑斷裂一致，或以小角度與之斜交； 在剪切帶內(nèi)，常形成數(shù)量眾多但面積小于1 km2的微型湖泊(圖5)，其形態(tài)大部分為透鏡狀和橢圓狀，湖泊長軸方向大部分以小角度與剪切帶的走向(C面理)斜交。

圖4 左行走滑斷裂系形成的雁列式拉分湖泊、S型褶曲

圖5 受剪切帶控制的透鏡狀微型湖泊群

本小區(qū)內(nèi)受斷層和剪切帶控制的典型湖泊(群)成因機制的遙感分析如下：

1)走滑斷層形成的拉分湖泊。圖4是一個受左行走滑斷裂系控制的小型湖盆遙感影像。2個湖泊呈S型左階雁列式分布，形態(tài)均為拉長的菱形，與圖3所示左行S型拉分盆地模式極為相似。2個湖泊的邊界嚴格受EW向主干走滑斷裂及其派生的次級NE向左行走滑(張性)斷裂控制。同時，在2個湖泊的北側(cè)還發(fā)育EW向左行走滑作用形成的S型第四系褶曲(根據(jù)高空間分辨率遙感影像測量計算，第四系褶曲的地層縮短(位移)量為703 m)，同時在褶曲內(nèi)部亦發(fā)育長軸(對角線)NE向的菱形洼(盆)地，洼地中還殘存干涸的微型湖泊。洼地形態(tài)、方位與外圍的2個湖泊相似，說明洼地與湖泊成因一致。湖泊、褶曲、洼地三位一體，相互印證，說明EW向左行走滑作用產(chǎn)生的張性應(yīng)力場是其形成的力學(xué)機制。

2)剪切帶控制的微型湖泊。在本小區(qū)的北部東昆侖山西段區(qū)域，長達800 km的東昆侖左行走滑斷裂直今仍在活動[18]。根據(jù)遙感圖像中凹凸相間的微地貌(圖5)和絲帶狀紋理特征等遙感解譯標志，發(fā)現(xiàn)在該斷裂帶的兩側(cè)發(fā)育南北寬約40～50 km，東西長約400 km的左行韌/脆性剪切帶和節(jié)理帶，并伴有雁行狀排列的褶皺束[18]。剪切帶和節(jié)理帶一般由系列微裂隙(脆性)或面理(韌性)組成，變形特點為局部地段位移量小，但總體累計位移量大。通過遙感圖像顯示，在剪切帶內(nèi)發(fā)育數(shù)量眾多、長軸方向近于一致、個體面積很小(絕大部分在1 km2以下)的微型湖泊。湖泊形態(tài)大部分為橢圓形或透鏡狀(圖5)，長短軸比在3～5之間，長軸方位大都在NE60°左右，與剪切帶拉伸應(yīng)變軸正交，說明湖泊的形成與剪切應(yīng)力場有關(guān)。湖泊的大小、數(shù)量、形態(tài)和排列方向，與剪切環(huán)境下的變形特點(微裂隙、小位移)和變形機制一脈相承，顯示了大自然的奇妙玄機。

2.3 南部NW—NWW向拉分湖盆區(qū)

位于高原南部日土、措勤和拉薩一帶的喀喇昆侖山及岡底斯山地區(qū)(圖2中Ⅱ)，處于喀喇昆侖—雅魯藏布斷裂和班公錯—嘉黎斷裂主導(dǎo)的右行走滑斷裂系[19,23-24]控制之下。遙感圖像顯示，區(qū)內(nèi)分布著長軸為NW向或NWW向的中大型湖泊十幾個，在西部接近帕米爾構(gòu)造結(jié)的NW向構(gòu)造收斂區(qū)域，湖泊長軸方向以NW向為主，在東部構(gòu)造發(fā)散區(qū)域則逐漸轉(zhuǎn)向以NWW向為主，湖泊分布方向與構(gòu)造線基本保持一致。

本次研究發(fā)現(xiàn)，與北部近EW向拉分湖盆分布區(qū)類似，本小區(qū)湖泊的大小、數(shù)量、形態(tài)和空間分布也有一定的規(guī)律性： 在靠近喀喇昆侖等主干右行走滑斷裂附近，由于強烈的走滑-拉分效應(yīng)，發(fā)育數(shù)量少但個體面積較大的湖泊，如著名的拉分盆地班公錯[32]面積在600 km2以上，其東西2段拉分走滑距離有幾十km[30]； 在位移量小的走滑斷裂帶上發(fā)育數(shù)量多但面積小的湖泊。圖6中呈右行雁列式分布的森里錯、杰薩錯和打加錯等3個小湖泊，便是局部應(yīng)力場作用下小型湖泊群的典型代表，湖泊群的北側(cè)和南側(cè)分別是塔若錯—措勤右行走滑斷裂(F1)和雅魯藏布右行走滑斷裂(F2)。

圖6 雅魯藏布右行走滑斷裂系形成的雁列式拉分湖泊

受北部巖石圈物質(zhì)快速東移[23-24]的影響，北側(cè)的塔若錯—措勤右行走滑斷裂水平位移大、速度快，而南側(cè)的雅魯藏布斷裂水平位移較小[13]，在二者不對稱的走滑應(yīng)力作用下，夾在其間的地質(zhì)體便遭受了右行(順時針)旋轉(zhuǎn)扭張作用，形成了具有拉張斷陷性質(zhì)的森里錯、杰薩錯和打加錯3個湖泊(盆地)和同方向(NW)的張扭性斷裂系。3個湖泊都呈Z型右行雁列式分布，均為長軸NW向的狹長形態(tài)，長短軸比大于6∶1，是典型的構(gòu)造湖。其排列樣式、形態(tài)與圖3所示右行右階走滑Z型拉分盆地模式相符，說明是由右行走滑作用所派生的拉分張力形成的。另外，在打加錯上部還發(fā)育相同性質(zhì)的拉分盆地(圖6中藍色線條范圍)，也從另一個角度佐證了這個判斷。

圖4與圖6之中湖泊的長軸方向和排列方式完全相反，原因在于它們處于性質(zhì)相同但運動方向相反的2個構(gòu)造體系之中。這種規(guī)律性說明青藏高原湖泊與構(gòu)造背景具有耦合關(guān)系。

2.4 東部斷陷湖盆區(qū)

位于岡底斯山以北的尼瑪、雙湖一帶(圖2中Ⅲ)，呈微向東突出的近SN向帶狀，區(qū)內(nèi)集中發(fā)育長軸為NNE或SN向的中大型湖泊數(shù)十個。遙感圖像顯示湖泊大部分呈近SN向的長條狀，東西邊界一般受SN向的正斷層控制，形成密集斷陷湖泊群。湖泊形態(tài)、類型、長軸優(yōu)選方位和總體空間分布具有明顯的規(guī)律性。

圖1中位于尼瑪、雙湖一帶的近SN向斷陷湖盆密集分布區(qū)，恰好處于GPS測量數(shù)據(jù)反映的日土—嘉黎斷裂(F5)和玉樹—鮮水河斷裂(F4)之間“上地殼”物質(zhì)向東高速運移的“流滑帶”上[24,27]，且具有東部快、西部慢的特點[1,24]。大部分近SN向斷陷湖泊的長軸方向與物質(zhì)東移的方向正交，據(jù)此推測湖盆的形成可能與地殼物質(zhì)東向逃逸過程中因速度或時間上的不均一性所產(chǎn)生的近EW向張性應(yīng)力有關(guān)。

圖7所示的湖泊群是近SN向斷陷湖盆的典型代表。

圖7 近SN向斷陷湖盆影像

遙感圖像顯示，該區(qū)在1 000 km2的小范圍內(nèi)密集分布著5個湖泊，累計面積超過100 km2。其中3個湖泊長軸方向為NNE向，1個為SN向，蓬錯、懂錯和達如錯3個大湖盆的東西邊界明顯由斷層控制，平均長短軸比大于5∶1，屬于典型的構(gòu)造斷陷湖泊，其他2個小型湖盆的部分邊界也與斷層有關(guān)。遙感圖像顯示，控制3個大湖盆東邊界的近SN向斷層規(guī)模大、延續(xù)性好、解譯標志非常清晰； 而控制湖盆西邊界的斷層在規(guī)模和延續(xù)性上相對較差，推測湖盆可能首先從東部開始拉張斷陷，逐步向西擴展。

2.5 中部斷-凹陷湖盆區(qū)

位于研究區(qū)的中部(圖2中Ⅳ)，屬于羌塘盆地及青藏高原的核心地帶，集中分布著數(shù)十個中型湖泊。遙感圖像顯示本區(qū)湖泊具有以下特點： 大部分湖泊在青藏高原范圍內(nèi)屬于中等規(guī)模，大型湖泊不發(fā)育； 形態(tài)一般近于圓形或不規(guī)則狀，與上述幾個湖區(qū)中的拉分斷陷湖泊相比，湖泊的 “長寬比”要小得多，大部分長短軸比小于2∶1(典型拉分斷陷湖泊長短軸比一般大于等于6∶1)； 湖泊空間分布或個體的長軸方向均沒有優(yōu)選方位(圖8)。根據(jù)遙感圖像及區(qū)域地質(zhì)資料分析，上述特點與大地構(gòu)造位置有關(guān)： 本小區(qū)位于青藏高原腹地的羌塘盆地核心地帶，沒有大型斷裂構(gòu)造，屬于高原內(nèi)部相對“穩(wěn)定”的地區(qū)。另外，圖1顯示本小區(qū)屬于青藏高原內(nèi)部地殼物質(zhì)向東運移的“根帶”，與東部地區(qū)相比，運移速度及位移量已經(jīng)有很大的衰減[24]，所以小區(qū)內(nèi)的湖泊總體以凹陷為主，僅部分屬于斷陷成因，因此導(dǎo)致湖盆個體形態(tài)、規(guī)模及總體分布不像其他區(qū)域那樣具有鮮明的規(guī)律性。

圖8 中部凹陷湖盆的谷歌地球影像

3 地下水勘查方向

地下水是一種特殊的資源，與油氣相似，具有極好的遷移性。所以，地下水的運移路徑和儲存空間都與所在地區(qū)的現(xiàn)今應(yīng)力場和地貌息息相關(guān)，而每個地區(qū)的應(yīng)力場和地貌則受區(qū)域性物質(zhì)運動產(chǎn)生的構(gòu)造作用所控制。如前文所述，青藏高原的大部分湖泊屬于拉張斷陷成因，其形態(tài)和空間分布規(guī)律基本反映了區(qū)域應(yīng)力場的現(xiàn)狀。所以，可根據(jù)湖泊的性質(zhì)及其空間分布規(guī)律指導(dǎo)地下水的勘查工作。一般情況下，含水斷裂是比較新的或具有繼承性活動的張性構(gòu)造，與控制大部分湖盆邊界的斷層性質(zhì)相同。對湖泊發(fā)育和分布規(guī)律的研究有助于確定地下水勘查的戰(zhàn)略方向。在高原北部近EW 向拉分湖盆區(qū)，湖泊邊界一般受近EW向主干走滑斷裂及其派生的次級NE向左行走滑(張性)斷裂控制，找水的重點是NE向左行走滑(張性)斷裂； 在青藏高原南部的NW—NWW向拉分湖盆區(qū)，湖泊邊界一般受NW向主干走滑斷裂及其派生的次級NNW向右行走滑(張性)斷裂控制，找水的重點是NNW或NWW向右行走滑(張性)斷裂； 在青藏高原東部的斷陷湖盆區(qū)，找水的重點是NNE或近SN向張性斷裂； 在青藏高原中部斷-凹陷湖盆區(qū)，應(yīng)根據(jù)工作區(qū)的局部應(yīng)力場選擇近SN向，或NW和NE向的共軛張性斷層系。

4 結(jié)論

1)青藏高原上的大部分湖泊屬于構(gòu)造成因，主要受張/扭性斷裂控制。湖泊的大小、形態(tài)、數(shù)量及空間分布具有非常強的規(guī)律性，是區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的直接反映。

2)受構(gòu)造控制的湖泊具有明顯的地域性分布特點，體現(xiàn)了不同地區(qū)構(gòu)造背景的差異和區(qū)域應(yīng)力場的現(xiàn)狀。

3)根據(jù)成因及分布特征，研究區(qū)的湖泊在空間上可分為北部近EW向左行拉分湖盆區(qū)、南部NW—NWW向右行拉分湖盆區(qū)、東部近SN向斷陷湖盆區(qū)和中部斷-凹陷湖盆區(qū)。

4)記錄區(qū)域微小變形的GPS測量數(shù)據(jù)和以開裂方式記錄區(qū)域大變形的湖泊空間分布，均反映地表物質(zhì)的相對運動方向和速度，因而可以互相印證本文研究結(jié)果的準確性。

5)印度板塊與歐亞板塊持續(xù)的擠壓作用，導(dǎo)致巖石圈物質(zhì)的大規(guī)模運移，可能是湖泊呈地域性有序分布的內(nèi)因。

6)利用遙感技術(shù)對湖泊成因及其分布規(guī)律的研究，是對新構(gòu)造運動強烈的高原艱險地區(qū)進行應(yīng)力場分析的一條捷徑，也是進行水文地質(zhì)背景調(diào)查的一把鑰匙。

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