基于“吉林一號”高精度遙感數(shù)據(jù)研究華北地區(qū)最新構造變形樣式
——以夏墊斷裂1679年三河-平谷地震地表破裂為例

李占飛 徐錫偉 孟勇琦 趙 帥 孫佳珺 程 佳 李 康 康文君

1)中國地震局地質(zhì)研究所， 活動構造與火山重點實驗室， 北京 100029 2)北京市地震局， 活動構造研究室， 北京 100080 3)應急管理部國家自然災害防治研究院， 北京 100085

0 引言

隨著大地測量技術的不斷發(fā)展， 高精度地形數(shù)據(jù)的獲取越來越方便快捷， 對地形地貌刻畫也越來越精細， 為活斷層探查和地震災害評估帶來了極大便利(Zielkeetal.， 2010； Klingeretal.， 2011； Renetal.， 2016； Chenetal.， 2018； Weietal.， 2020)。前人針對全世界主要活動斷裂開展了大量基于高精度地形數(shù)據(jù)的活動斷裂定量研究， 如Zielke等(2010)依據(jù)高精度地形數(shù)據(jù)半自動提取美國圣安地烈斯斷裂的斷層活動形成的累積位移特征， 發(fā)現(xiàn)圣安地烈斯斷裂活動可能遵循特征滑動模型。在中國， 研究者針對阿爾金斷裂(Kangetal.， 2019)、 海原斷裂(Renetal.， 2016； Chenetal.， 2018)、 郯廬斷裂(Jiangetal.， 2017)、 富蘊斷裂(Klingeretal.， 2011)和河西走廊(Bietal.， 2018)及天山地區(qū)(Weietal.， 2020)分布的主要活動斷裂開展了大量相關定量研究， 這些研究為理解斷裂活動習性和地震災害風險評估帶來了重要的科學參考。因此， 基于高精度地形數(shù)據(jù)的活動斷裂定量研究能夠極大擴展活斷層的研究視野， 對于精細刻畫斷層幾何結構、 定量研究斷層活動參數(shù)以及對斷裂進行地震災害風險評估有重要意義。

前人開展的研究工作主要集中在人為改造相對較少、 斷錯地貌發(fā)育典型的活動構造區(qū)(Zielkeetal.， 2010； Klingeretal.， 2011； Renetal.， 2016； Kangetal.， 2019； Weietal.， 2020)， 但對于人為改造相對較多的城鎮(zhèn)地區(qū)關注相對較少。同時， 前人開展的定量研究主要基于成本相對較高的LiDAR(Light Detection and Ranging)技術， 這對于高精度地形數(shù)據(jù)在活動斷層探測中的廣泛作用有一定限制作用。北京地處華北構造區(qū)(張培震等， 2003， 2013)， 區(qū)內(nèi)發(fā)育大量沿NNE—NE向和NW—EW向交會展布的活動斷裂， 這些構造帶的交會部位往往是中強以上地震的孕育地， 如南口-孫河斷裂與夏墊斷裂交會部位發(fā)生過1679年的三河-平谷8級地震(徐錫偉等， 2002； Liuetal.， 2011)(圖 1)， 而京津冀腹地內(nèi)極具地震災害風險的活動斷裂——夏墊斷裂即為此次強震的發(fā)震斷裂。因此， 對夏墊斷裂開展精細的活動斷層探測對于理解斷裂的活動行為具有重要意義。雖然前人針對夏墊斷裂開展過豐富的研究工作(彭一民等， 1981； 孟憲梁等， 1983； 向宏發(fā)等， 1988； 冉勇康等， 1997； 江娃利等， 2000； 徐錫偉等， 2002； 張先康等， 2002； 劉保金等， 2009， 2011； 高戰(zhàn)武等， 2010)(圖 2)， 但這些工作均基于大尺度活斷層探測方法， 對于斷層高精度精細幾何結構和位移分布關注相對較少， 沒有完整地建立1679年三河-平谷地震的破裂范圍和位移分布特征。因此， 本文試圖利用高精度衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)采用立體相對技術方法制作研究區(qū)高精度地形數(shù)據(jù)(1.0m)， 并對發(fā)育在夏墊斷裂上約12km長的地表破裂進行精細定量研究， 揭示1679年三河-平谷地震的同震破裂位移分布和破裂范圍， 并對相應的地震事件進行位移模擬恢復， 從而對夏墊斷裂的孕震構造進行初步討論。

圖 1 北京地區(qū)活動斷裂及歷史地震分布Fig. 1 Distribution of active faults and historical earthquakes in Beijing area.

圖 2 夏墊斷裂及周緣的活動構造圖Fig. 2 Active tectonics map around the Xiadian Fault.

1 構造背景

北京地區(qū)發(fā)育了大量交會展布的活動斷裂。延礬盆地北緣斷裂、 黃莊-高麗營斷裂和夏墊斷裂為NNE—NE向， NWW向的張家口-渤海構造帶斜穿上述NNE—NE向斷裂帶， 斷裂帶之間的這種交接組合形式共同構成了首都圈新生代構造的基本格局(高文學等， 1993； 徐錫偉等， 2002)(圖 1)。研究表明， 發(fā)育程度不同的2組交叉或共軛斷層在孕震過程中存在相互觸發(fā)作用(高文學等， 1993)， 北京地區(qū)的這些NWW向和NE向斷裂的交會部位似乎具有更強的地震危險性(高文學等， 1993； 徐錫偉等， 2002)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 高精度影像數(shù)據(jù)獲取

本次衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)使用加拿大PCI公司的PCI Geomatica軟件進行處理。數(shù)據(jù)處理的主要原理是通過區(qū)域網(wǎng)平差算法消除影像中存在的系統(tǒng)誤差， 根據(jù)投影高程面核線影像重排列算法生成具有核線約束的核線影像對， 通過半全局密集匹配獲取高精度密集匹配連接點， 再經(jīng)過基于RPC(Rational Polynomial Coefficients)模型的前方交會解算得到三維點云， 內(nèi)插生成高精度DSM、 DEM成果。處理流程包括數(shù)據(jù)導入、 控制點連接點提取、 區(qū)域網(wǎng)平差解算、 核線影像生成密集匹配與DSM生成等步驟， 主要使用分辨率為0.5m的全色影像生成DSM/DEM， 最后獲得的立體測圖成果分辨率為1m， 能夠初步滿足斷層位錯測量的需求(圖 3)。

圖 3 研究獲得的高精度數(shù)據(jù)及其在GIS平臺的分析Fig. 3 High-resolution DEM and the analysis on GIS platform.a 山影圖； b 1m等高線圖； c 高程分布圖； d 坡度圖

2.2 位錯測量與分析

主要依靠ArcGIS 10.3結合MATLAB的測量程序提取測量點地形剖面進行位錯測量， 這種方法能夠充分考慮斷層兩側的參考面、 斷層位置等因素對位錯的影響， 同時能夠?qū)崿F(xiàn)垂直位錯測量的半自動化操作(Durossetal.， 2019)。在選擇位錯測量點時， 盡量使地形剖面線足夠長， 能夠完整覆蓋斷層的變形區(qū)域并獲得斷錯地貌面的完整參考線， 一般選擇的地形剖面線長度都在1.0km以上(Hetzeletal.， 2019； Weietal.， 2020)(圖 4)。同時， 為了去除侵蝕、 堆積、 地表人類活動改造等過程對斷層兩側參考地貌線的影響， 盡量選擇在侵蝕破壞、 后期加積、 農(nóng)作物和地表建筑相對較少且斷層陡坎在山影圖中相對明確的地點進行測量(Hetzeletal.， 2019； Weietal.， 2020)(圖 4)。若提取的地形剖面中存在復合陡坎， 則分別對累積和分支位錯進行測量， 并對測量結果的類型進行了標注(圖4c， d， 表1)。

圖 4 潘各莊附近典型地形剖面的位錯測量Fig. 4 Fault scarp measurements near Pangezhuang village.a 潘各莊附近地形剖面測線的分布； b—d 通過地形剖面測量獲得的斷層位錯值及復合陡坎分布； e 不同確信度值代表的剖面形態(tài)

表 1 測量獲得的位錯值Table1 Measured vertical offsets along the fault

在測量過程中， 依據(jù)斷層陡坎清晰度、 侵蝕破壞程度、 剖面線兩側坡度情況等對所獲得的數(shù)據(jù)進行了確信度分級， 確信度數(shù)值按照1～5賦值(圖 4)， 其中5代表位移最高確信度(McGilletal.， 1991； Haddonetal.， 2016)。由于地表建筑物、 侵蝕和堆積等過程的影響， 斷層兩側參考測量線逐漸變得彎曲， 據(jù)此獲得的斷裂位錯確信度也逐漸降低。依據(jù)室內(nèi)的填圖和測量結果， 對主要的位錯測量點進行了野外驗證。綜合斷層的室內(nèi)地形剖面線和野外對斷層陡坎的驗證結果， 對斷層垂直位移的確信度進行了修正。最后， 對獲得的數(shù)據(jù)進行了結合位移確信度的概率模擬分析(McGilletal.， 1991)， 并利用Paleo_Slip-Length方法(Manighettietal.， 2020)對位移可能揭示的多期次地震事件進行了系統(tǒng)分析。

3 數(shù)據(jù)結果

為了更好地識別斷層地表破裂帶斷錯地貌特征， 依據(jù)獲得的高精度DEM數(shù)據(jù)， 利用ArcGIS 10.3對數(shù)據(jù)進行了地貌因子渲染， 制作了斷裂展布區(qū)在315°和45°光照角度下的山影圖、 1m間隔等高線圖、 高程分布圖和坡度分布圖等(圖 3)。雖然地表破裂展布區(qū)位于人類改造極為強烈的地區(qū)， 但不同角度渲染的山影圖清晰地揭示了斷層陡坎的分布， 尤其是潘各莊一帶， 斷層跡線極為清晰。同樣， 高程分布圖揭示斷層兩側存在明顯的高程差異。雖然人為活動能夠改變斷層附近的陡坎清晰度， 但長剖面下的斷層多期次活動造成的高程差異很難被消除。通過坡度分布圖可知研究區(qū)的坡度主要約為3°， 地表建筑物分布區(qū)域的坡度約達80°， 農(nóng)田分布區(qū)域各塊農(nóng)田的邊界和道路邊界的坡度約為30°。同時， 可清晰地看到沿斷層走向的呈線性展布的坡度異常帶， 坡度大致約為26°， 代表了斷層陡坎的位置。

基于在ArcGIS 10.3中生成的山影圖、 等高線圖、 坡度圖等對斷層跡線進行了識別， 發(fā)現(xiàn)地表破裂的長度約為12.3km(圖 5)， 從東柳河屯村一直延伸到東興莊村附近。地表破裂延伸不連續(xù)， 由多條分支斷層組合而成， 分支斷層的長度均約為3km， 大致呈左階展布。斷裂的跡線在潘各莊附近最清晰， 隨著向斷裂兩側不斷延伸斷層的清晰度明顯降低。通過位錯測量共獲得44個數(shù)據(jù)(表1)， 其中確信度值在3～5之間的位移數(shù)量達28個， 占測量總數(shù)的63.6%， 代表數(shù)據(jù)總體具有較高的可信度。從位移的分布來看， 位移最高點(約3.20m)出現(xiàn)在斷裂中段的潘各莊附近(圖 5)， 最小位移值為0.71m， 位移值分布整體具有向斷裂帶兩側逐漸減小的趨勢， 平均位移值為1.75m， 位移概率模擬分析揭示了1.5m和2.2m 2個叢集性特征。通過對斷層位錯和相應的距離進行線性擬合得到的位錯變化率結果中可以看出， 不同段落的斷層位錯變化率存在明顯不同(圖 5)。在東柳河屯附近， 位錯變化率為0.6m/km； 在潘各莊附近存在3個位錯變化率明顯不同的段落， 變化率分別為0.3m/km、 1.3m/km和0.7m/km。其中， 潘各莊附近的變化率峰值為1.3m/km， 對應于1679年三河-平谷地震的震中位置。斷層東段位移變化率隨位錯值減小為0.2m/km， 代表破裂向兩側的傳播并最終終止。

4 分析討論

4.1 1679年三河-平谷地震地表破裂的變形特征

斷裂的同震破裂特征對于理解低滑動速率、 彌散分布的構造活動區(qū)斷裂如何吸收和調(diào)節(jié)區(qū)域應力、 應變意義重大(Siehetal.， 1993)。斷層的同震位錯分布以及對應的斷層位錯隨斷層走向的變化對斷裂深部破裂過程和斷裂地震危險性分析也具有重要的參考意義(徐錫偉等， 2002)。通過基于高精度地形數(shù)據(jù)的精細斷層填圖， 揭示了同震破裂由5條長約3km、 大致呈左階平行展布的分支斷層組成， 斷層的這種展布形式可能與斷層的右旋傾滑運動性質(zhì)相關(圖 5)。通過沿斷層的位錯值分布可以看出， 位錯沿斷層明顯呈不對稱展布， 在潘各莊附近斷層的最大垂直位錯約為3.2m， 這也與1679年三河-平谷地震的震中位置相對應。位錯沿斷層的分布存在2個明顯波峰， 且位移分布呈波谷位置， 與斷裂分支狀態(tài)有很好的對應性， 這可能與斷層破裂過程的應力變化和沿斷層的介質(zhì)結構變化密切相關(Manighettietal.， 2015)。

斷層垂直位錯的這種不對稱三角形分布在很多斷層上均有出現(xiàn)， 如新西蘭Wairarapa斷層(Manighettietal.， 2020)、 東非Afar斷層(Manighettietal.， 2015)以及加州Owens Valley斷層(Haddonetal.， 2016)等， 這種不對稱展布特征在正斷層上尤其明顯?；跀鄬哟怪蔽诲e的不對稱分布和復合斷層陡坎分布(圖4c， d)分析認為， 斷層在潘各莊附近約3.2m的最大位錯也可能代表了多期次斷層活動。進一步利用Paleo_Slip-Length古位錯分析方法(Manighettietal.， 2020)對獲得的位錯進行分析， 該方法能夠基于最近一次斷層位錯分布和三角形位移分布趨勢模擬斷層歷次破裂的同震位移分布、 最大位錯點及破裂范圍等參數(shù)(Manighettietal.， 2020)。

依據(jù)測量獲得數(shù)據(jù)， 設置模擬中的參數(shù)Ll、LS、DS和Lr分別為0～1km、 2～8km、 0.5～1.5m和12～14km(Ll為斷層位錯最小值左端點的分布范圍；LS為斷層歷次破裂最大位移值的分布范圍；DS為斷層單次破裂事件的最大位移值范圍；Lr為斷層位錯最小值右端點的分布范圍)。所得模擬結果顯示， 垂直位錯可能包含了2次位移值分別為1.8m和1.7m的地震事件(圖 6)。因此， 潘各莊附近的最大垂直位錯可能代表了2次地震事件的累積位錯， 這種假設也被提取的長剖面前緣中存在復合斷層陡坎所驗證(圖4c， d)。同時， 2次地震事件的位移最大值均分布在潘各莊附近， 這也與1609年三河-平谷地震的震中位置相對應(圖 5， 6)。

圖 6 利用Paleo_Slip-Length方法獲得的斷層垂直位移揭示的2次地震事件的同震位移分布Fig. 6 Extraction of co-seismic slip distribution from cumulative offsets.a 模擬分析揭示的2次地震事件對應的位錯點； b 模擬分析揭示的2次地震事件的同震位移分布

4.2 夏墊斷裂1679年三河-平谷地震的矩震級與孕震構造評估

斷裂的同震位錯值和破裂長度有助于定量評估地震震級和探索斷裂活動習性(徐錫偉等， 2002； Liu-Zengetal.， 2009； Klingeretal.， 2011)。地震的矩震級可初步由斷裂的破裂長度、 位錯值、 孕震深度等之間的相互關系進行評估， 具體公式為(Hanksetal.， 1979)

MW=2/3lgM0-6.06

(1)

M0=μDA

(2)

其中，MW為矩震級，M0為地震矩，μ為剪切模量， 一般取常數(shù)3×1011dyne/cm2，D為斷層的位移值，L為地表破裂長度，W為孕震深度。前人在夏墊地區(qū)得到的研究結果表明斷裂的傾角為70°， 1679年三河-平谷地震的孕震深度約為15km(張先康等， 2002)。因此， 依據(jù)上述公式可以計算得到1679年三河-平谷地震的矩震級約為MW6.47 。同時， 根據(jù)地表破裂長度、 破裂面積和平均位移值與MW之間的關系(Wellsetal.， 1994)獲得的矩震級如表2 所示。

表 2 利用不同方法獲得的地表破裂對應的矩震級Table2 Moment magnitude determination using various methods

前人的研究表明， 根據(jù)震害評估獲得的震級與面波震級較為匹配(劉瑞豐等， 2015)， 因此可初步認為1679年三河-平谷地震的震級約為MS8 ； 而根據(jù)矩震級與面波震級之間的相互關系MS=1.34MW-2.19(MW<6.8)(劉瑞豐等， 2018)計算得到的面波震級則約為MS6.25 。由此可知， 1679年三河-平谷地震的震級(約MS8 )與依據(jù)矩震級計算獲得的面波震級(約MS6.25)存在較大差異， 這可能與華北地區(qū)特殊的孕震構造背景相關(圖 7)。研究表明， 華北地區(qū)地殼結構在縱向和橫向均有顯著的非均勻性， 尤其是夏墊斷裂兩側反射特征明顯不同， 表明夏墊斷裂可能是一條深淺共存的深大斷裂(張先康等， 2002)。同時， 淺層地震反射剖面揭示， 夏墊斷裂存在2組傾角明顯不同且呈切割關系的斷層， 其中緩傾角的正斷層代表早期控制盆地沉積的斷陷作用， 陡傾角的正斷層切割了上述緩傾角斷層且具有相對明顯的剪切走滑變形， 代表了最新構造變形活動(高文學等， 1993； 徐錫偉等， 2002； 張先康等， 2002； 劉保金等， 2009， 2011； 趙成彬等， 2010)， 這也被現(xiàn)今以走滑運動性質(zhì)為主的地殼形變場和震源機制解所印證(Shenetal.， 2000； 林向東等， 2017)。同時， 最新的研究認為， 華北地區(qū)在約80ka內(nèi)存在一次明顯的構造轉換， 由早期的拉張斷陷變?yōu)楹笃诘挠倚羟凶冃?Shietal.， 2020； Baietal.， 2021)。上述研究成果表明， 華北地區(qū)淺部的上地殼變形結構與深部斷裂的運動可能是解耦的， 上地殼主要經(jīng)歷了新生代斷陷構造過程， 而深部超殼斷裂的應變狀態(tài)可能自距今80ka以來已轉換為最新的剪切構造變形(圖 7)。正是這種解耦作用， 造成了華北地區(qū)大地震的地表破裂長度相對較短， 且位錯值相對較小的現(xiàn)象。同時， 華北地區(qū)有巨厚的第四紀沉積層覆蓋(圖 2)， 這種巨厚的第四紀沉積層對構造變形有顯著的吸收作用， 同樣也可能造成華北地區(qū)這種獨特的地表破裂樣式。

圖 7 夏墊斷裂深淺構造的解耦關系分布(據(jù)劉保金等， 2009)Fig. 7 Decoupling relationship between shallow and deep structure of Xiadian Fault(after LIU Bao-jin et al.， 2009).

5 主要結論

(1)依據(jù)高精度地形數(shù)據(jù)獲得的夏墊斷裂的同震破裂長12.3km， 由5條長約3km的分支斷裂組成， 斷裂垂直位錯的平均值為1.75m， 最大值為3.2m， 出現(xiàn)在潘各莊附近， 可能代表了2次地震事件的累積位錯。

(2)位錯沿斷層呈明顯的不對稱三角形分布， 斷層位錯由斷裂中段向兩側逐漸減小， 且存在2個波峰。基于對垂直位錯的模擬分析揭示這些垂直位錯可能由2次位錯值分別約為1.8m和1.7m的地震事件造成。

(3)依據(jù)斷層的破裂長度、 位錯值等定量參數(shù)獲得的震級約為MW6.30 (或MS6.25 )， 明顯小于1679年三河-平谷地震的震級(約M8.0或MS8.0 )， 這可能與華北地區(qū)獨特的孕震構造背景相關， 深部的最新剪切走滑變形與早期的斷陷拉張斷層可能處于解耦狀態(tài)。同時， 巨厚的第四紀沉積層對淺表的構造變形有很強的吸收能力。因此， 華北地區(qū)歷次地震的地表破裂長度和位錯都相對較小。

(4)利用高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)能夠獲得高精度DEM數(shù)據(jù)， 進而揭示斷裂微構造地貌特征， 并進行初步定量研究。該方法具有成本相對較低， 操作性較強的特征。這種高精度地形數(shù)據(jù)對圈定地震地質(zhì)災害范圍、 定量研究地震地質(zhì)災害參數(shù)等有高效的應用潛能。

致謝吉林衛(wèi)星技術有限公司對高精度數(shù)據(jù)進行了處理， 在此表示衷心感謝!