基于InSAR技术天山乌吐劲河谷同震形变遥感研究

doi:10.6046/gtzyyg.2019.01.25

基于InSAR技术天山乌吐劲河谷同震形变遥感研究

汪东¹^,², 来风兵^,¹^,², 陈孟禹³, 陈蜀江¹^,², 黄铁成¹^,², 贾翔¹^,²

1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054

2.乌鲁木齐空间遥感应用研究所,乌鲁木齐 830025

3.苏州科技学院外国语学院,苏州 215009

Research on coseismic deformation in Ukraine River Valley of Tianshan Mountains based on InSAR technology

WANG Dong¹^,², LAI Fengbing^,¹^,², CHEN Mengyu³, CHEN Shujiang¹^,², HUANG Tiecheng¹^,², JIA Xiang¹^,²

1.College of Geographical Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054,China

2.Urumqi Institute of Spatial Remote Sensing Applications, Urumqi 830025, China

3.School of Foreign Languages, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

通讯作者: 来风兵(1977-),男,副教授,主要研究方向为干旱区资源与环境遥感。Email:laifengbing@163.com

责任编辑: 陈理

收稿日期: 2017-07-26 修回日期: 2017-11-27 网络出版日期: 2019-03-15

基金资助:

国家自然科学基金项目"塔克拉玛干西部别里库姆沙漠胡扬沙堆发育模式及其在荒漠监测中的作用". 41661002
新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室开放基金项目" 塔克拉玛干西部别里库姆沙漠胡扬沙堆发育机制研究". XJDX0909-2015-04

Received: 2017-07-26 Revised: 2017-11-27 Online: 2019-03-15

作者简介 About authors

汪东(1993-),男,硕士研究生,主要研究方向为资源环境遥感和空间信息提取。Email:wang_d1209@163.com。。

摘要

基于ALOS/PALSAR雷达卫星影像,采用合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术,重建地震形变前后的数字高程模型(digital elevation model,DEM),经RTK校验后利用差值算法反演天山乌吐劲河谷地震同震场形变特征。研究结果表明: ①去尖三角状崩塌形变面积为104.47万m ²,崩塌量为1 461.60万m ³,起始端高程为3 225 m,平均坡度为48°,坡向为NNW; ②喇叭状堆积形变面积为78.61万m ²,堆积量为1 424.27万m ³,掩埋深度为3580 m; ③河道南岸堆积形变将河床向北推进了100 m、向东推进了300 m; ④崩塌形变阻塞河道后导致水体形变,形成堰塞湖水面面积在30 d内由原有的0.039 km ²增大至0.059 km ²,并在2010年湖面面积出现峰值0.146 km ²; ⑤形变原因不仅是由于其处在地震活动带上,还有石灰岩岩性、地形坡度和断裂构造等综合因素作用的结果。

关键词： InSAR ; 同震形变 ; 天山 ; 遥感 ; 堰塞湖

Abstract

In this paper, the authors studied the coseismic deformation in Ukraine River valley in Tianshan Mountains, and reconstructed digital elevation modle (DEM) graph of 12.5 m spatial resolution for the study area before and after the earthquake using the ALOS / PALSAR data by InSAR remote sensing technique. Then the authors obtained the remote sensing characteristics of seismic collapse of earthquake by difference method of the DEM after the field verification by RTK calibration. The results show that: ①The area of the collapse of the triangle is 104.47 million m ², the collapse is 1 416.60 million m ³, the starting elevation is 3 225 m, the average slope is 48°, and slope direction is NNW. ②The trumpet-shaped accumulation body area is 78.61 million m ², the accumulation is 1 424.27 million m ³, and the buried depth is between 35 m and 80 m. ③The river bed was pushed northward by 100 m, and the eastward advance reached 300 m, due to the accumulation body of the south of the river channel. ④Collapse of the body led to the the formation of quake river. The surface area of the lake increased from 0.039 km ² to 0.059 km ² within 30 days and the lake area reached the peak of 0.146 km ² in 2010. ⑤The factors responsible for the collapse included not only seismic activity but also limestone lithology, terrain slope, fault structure and other comprehensive factors.

Keywords： InSAR ; coseismic deformation ; Tianshan Mountains ; remote sensing ; dammed lake

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本文引用格式

汪东, 来风兵, 陈孟禹, 陈蜀江, 黄铁成, 贾翔. 基于InSAR技术天山乌吐劲河谷同震形变遥感研究. 国土资源遥感[J], 2019, 31(1): 187-194 doi:10.6046/gtzyyg.2019.01.25

WANG Dong, LAI Fengbing, CHEN Mengyu, CHEN Shujiang, HUANG Tiecheng, JIA Xiang. Research on coseismic deformation in Ukraine River Valley of Tianshan Mountains based on InSAR technology. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2019, 31(1): 187-194 doi:10.6046/gtzyyg.2019.01.25

0 引言

新疆是我国地质灾害较为严重的地区之一,地震灾害时有发生^[1]。地震崩塌大多地处高山峡谷或坡陡,地形复杂,交通不便,所形成的堰塞湖极易溃决^[2]。地震同震形变场诱发的山体崩塌及其形成的堰塞湖,是主要的次生灾害之一^[3]。对同震形变场包括崩塌形变、堆积形变及水体形变特征进行研究,阐明同震形变的地理条件和水体形变的危害,及时预警形变区域,对防灾减灾以及灾后重建都具有重要的理论和实践意义^[4,5]。

国内外对同震形变的研究主要集中于监测崩塌体造成的堰塞湖动态变化和空间格局的分布^[6,7,8]。Mckillop等^[9]将加拿大British Columbia西南部山区的175个冰碛物堰塞湖作为研究对象,借助航空遥感技术,运用Logistic回归分析方法判别影响堰塞湖溃决的可能因子; 王治华等^[10]以高空间分辨率影像为主,结合6种中等空间分辨率影像,监测帕里河中段堰塞湖的发生至溃决的全过程; 范建容等^[11]将不同数据源的遥感数据叠加数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据及地形矢量数据得到汶川地震灾区堰塞体、滑坡体的分布特征和地震同震形变场分布范围、山区河流的分布形态及水流走向之间的关系。合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术在地形测绘、地面沉降、矿山形变、火山活动、地震形变和大型线性工程形变监测等领域已经开展了大量研究^[12,13]。而在地广人稀、地震多发的新疆,InSAR技术在地震形变监测中的应用仍缺少针对性研究。

本文利用InSAR技术,以新疆乌吐劲地震形变为研究对象,得到研究区域的地表形变干涉相位,构建震前震后2期DEM,结合野外RTK实测数据进行校正,采用差值分析方法对震后崩塌形变、堆积形变和水体形变特征进行研究,分析确定崩塌位置、岩石崩塌量和土方堆积量,并对崩塌形变和堆积形变形成的诸多要素进行充分辨析,为新疆地震研究工作提供思路和参考。

1 研究区概况

研究区位于天山北支中部的婆罗科努山区的乌吐劲河道上,行政隶属新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州精河县,地理位置为N44.15°44.17°,E83.22°83.25°,东侧为腾格尔大阪,西邻色勒特果勒沟,上游是婆罗科努山,下游是精河汇合口。四周为封闭的山地,中间是由冰川作用形成的"U"型谷,大致呈EW走向。地震发生前坡度均在40°以上。乌吐劲河下游与冬都劲河、沃门精河汇合流入精河,是精河水量最大的一条支流,全长约57 km。研究区域内,乌吐劲河由西向东流过谷地,南侧有茂密的森林分布,大片雪岭云杉纯林分布于海拔为2 100~2 700 m地带,林区面积约10 467 hm²,森林覆盖率为16.8%。北侧主要是草地,当地牧民的夏季牧场。研究区Google Earth影像如图1所示。

图1

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图1 研究区位置示意图

Fig.1 Diagram of the study area

表1—2为引发山体崩塌的地震信息(来自中国地震台网中心)。

表1 中国地震台(CSN)地震目录(中国新疆北部)

Tab.1 Earthquake table of China earthquake station(northern part of Xinjiang,China)

发震时刻	纬度/(°)	经度/(°)	震中距/km	深度/km	里氏震级(M_L)	短周期体波震级(m_b)	台站数目	标准偏差
2007/07/03 15∶21∶09.1	44.49 N	83.37 E	38.14	10.0	5.7	5.9	10	2.93

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表2 中国地震台(CSN)地震震相报告(中国新疆北部)

Tab.2 Earthquake seismic record of China earthquake station(northern part of Xinjiang,China)

台站	震中距/(°)	方位角/(°)	震相	到时	到时偏差/s	震级	周期/s	振幅/μm
WMQ	3.2	101.0	Pn	15: 22: 01.0	1.4	—	—	—
WMQ	3.2	101.0	Sg	15: 22: 50.0	1.0	—	—	—
WMQ	3.2	101.0	SMN	—	—	5.7	0.5	0.260 00
WMQ	3.2	101.0	SME	—	—	5.7	0.5	0.250 00

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2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 SAR数据

根据地震发生时间(2007年7月3日),采用地震同震形变前后的邻轨4期多时相HH极化升轨SAR数据,即ALOS/PALSA。传感器获取的波长为0.236 m的L波段的(中心频率1 270 MHz)Level 1.1级数据,该数据获取时间分别为2007年1月25日、2007年6月29日、2008年1月28日、2008年4月29日,时间间隔92213 d,数据覆盖了震区及周边约6 980 km²的范围。地震所导致的崩塌形变与堆积形变均分布在2期影像的交叠区域,干涉对具有良好的相干性。

2.1.2 其他数据

遥感影像选用2006年8月14日、2007年8月1日、2007年8月17日、2008年7月26日、2009年6月19日、2010年8月17日、2011年7月12日的Landsat5 TM数据和2013年8月9日、2014年8月21日、2015年7月6日、2016年8月18日的Landsat8 OLI数据。Landsat5 TM数据影像重访周期为16 d,幅宽为183 km,包含7个多光谱波段,其中波段1—5、波段7为30 m空间分辨率,波段6为120 m空间分辨率。Landsat8 OLI数据包含11个波段,其中波段1—7、波段9为30 m空间分辨率,全色波段8为15 m空间分辨率,TIRS波段10和11为100 m空间分辨率。经系统辐射校正和地面控制点几何纠正,通过DEM进行了地形校正,选取Landsat5 TM中B5(R),B4(G),B3(B)波段以及Landsat8 OLI中B6(R),B5(G),B4(B)波段分别合成假彩色影像作为本文水体形变特征分析的基础图像。

2.2 基于InSAR的DEM重建

InSAR获取DEM的工作流程如图2所示。

图2

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图2 InSAR获取DEM的处理流程

Fig.2 DEM processing flow of InSAR technology

根据图2处理流程,首先对主、辅图像做子像元级的配准处理获取可靠的干涉图像,由于本文中使用的数据频谱偏移量很小,因此直接进行图像精匹配后计算配准模型并对主、辅图像的复数值进行重采样^[14],即将相应像元的复数值进行共轭相乘,计算干涉图,复数干涉图G为

(1)G=f₁· ${f^{*}}_{2}$ =ab ${e^{j}}^{(}^{Φ_{1}}^{-}^{Φ_{2}}^{)}$

式中: f₁为主图像像元(x,y)的复数值; ${f^{*}}_{2}$ 为相应辅图像像元复数值f₂的复共轭; Φ₁-Φ₂为干涉相位图或干涉图; a和b分别为主、辅图像像元值。干涉图中相位值为相位差的主值,大小在(0,2π)区间内。

其次,在相位解缠前,为了减少干涉图中的相位噪声,先将干涉图做滤波处理,减小由于地面散射特性变化和系统热噪声等因素的影响,以降低相位解缠的难度,同时对干涉图进行质量评价,为干涉图滤波及相位解缠提供必要的依据^[15]。然后,采用最小L^p范数法进行相位解缠,随后采用区域网平差基线估计方法进行基线参数估计与干涉参数定标,并利用解缠后的干涉相位计算乌吐劲河谷地震同震形变场崩塌区域震前震后的地面点高程信息。最后,根据配准后震前震后多期主(辅)图像中的像点坐标及定向参数,通过间接法由SAR图像的构像模型进行DEM重建。通过InSAR重建空间分辨率为12.5 m的DEM,如图3所示。

图3

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图3 地震前后InSAR重建的DEM

Fig.3 DEM reconstructed by InSAR technology before and after the earthquake case

2.3 结果校验

选择研究区内无地表形变的区域,随机选取7个网格,网格尺寸为12.5 m×12.5 m。在每个网格内利用五点取样法求取网格的高程均值。共计建立35个地面校正点,使用Trimble 5700 RTK精确测量其三维坐标,对每个点重复测量3次,取平均值作为InSAR构建的震前震后DEM校正的数据来源。将DEM与野外实地测量的数据进行对比,重建的DEM在测量允许的误差范围内精度约为85.71%,误差精度满足测绘规范的相关要求。校验结果如图4所示,其中△H为 RTK实测高程值与本研究重建DEM高程值的误差。

图4

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图4 DEM精度校验结果

Fig.4 Results of the DEM accuracy check

2.4 差值计算

通过InSAR技术重建地震形变前后2期的DEM,经野外实测数据校正后做差值运算,计算示意图如图5所示。

图5

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图5 崩塌形变/堆积形变格网示意图

Fig.5 Sketch map of the collapse and accumulation of regional grid

图5中等号左侧每个方格内的数据为高程值,通过计算结果显示: 当△H≥0时,代表堆积形变区域; 当△H<0时,代表崩塌形变区域。利用统计分析工具计算出研究区内的栅格数量,求得研究区域崩塌形变与堆积形变的位置及规模。

3 结果与分析

2007年7月3日15时研究区周边发生里氏5.7级的地震,导致乌吐劲河上游距离婆罗科努山16 km处的南侧山体上出现了巨大的地质裂隙,随着降水渗透入山体,形变逐渐增大,最终使岩体发生大规模崩塌,大量岩石泥土堆积在山脚下的河道,将原有河床掩埋,切断河道。遂使四周漫溢的流水在低洼处聚集,形成了堰塞湖。崩塌毁坏森林面积为0.753 7 km²,草地面积为0.691 3 km²,上游来水淹没面积为0.089 0 km²。地表形变区呈近蘑菇形状,平均海拔为2 750 m。堰塞湖发生地距离下游精河汇河口处35 km。崩塌形变与堆积形变示意图如图6所示。

图6

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图6 崩塌形变与堆积形变示意图

Fig.6 Schematic diagram of the collapse body and the accumulation body

3.1 崩塌形变特征分析

对InSAR重构的震前震后2期DEM精校正后做差值计算,负值区即为崩塌形变区域,面积为104.47万m²,崩塌量达到1 461.60万m³。通过表面分析方法对崩塌形变的坡度、坡向等特征进行提取分析,结果如图7所示。

图7

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图7 研究区地震后坡度、坡向变化

Fig.7 Slope and aspect change after the earthquake case in the study area

崩塌形变位于乌吐劲河道南岸,地理坐标为: N 44.148 4°44.157 4°; E 83.231 6°83.241 8°,崩塌起始位置位于最南端,海拔为3 225 m,东西向最宽为880.71 m,南北向最长为1 071.94 m,形似"去尖三角形"。地震后坡度发生强烈变化的范围主要集中在35°~57°,即滑坡发生的区域符合较常发生滑坡的坡度范围,崩塌形变平均坡度为48°,平均厚度为12.65 m。坡向在287°~302°(N—NW)范围内,属于阴坡。

崩塌是较陡斜坡上的岩体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在沟谷的地质现象。乌吐劲河南岸山体被切割的一部分沿山体崩塌,另一部分逆冲到北岸,几近堵塞乌吐劲河。该形变属于荒漠土石崩塌,由于特殊的形态特征非常容易在图像上辨别出来。新的崩塌壁面岩石和土层裸露于地层表面,分布不均匀,无植物生长; 山体崩塌面上陡下缓、略呈弧形; 崩塌后壁平面表现为典型的椭圆形,形状十分明显。崩塌的规模随着海拔变化而有所不同,中部明显稍低凹陷,两侧的边界地势较高。具体特征如下: ①崩塌体上没有植被生长,边界线明显,槽状凹陷,崩塌表面土层新鲜,分布不均匀; ②崩塌面在多光谱影像图上色彩明显不同于周边其他地物; ③乌吐劲河南岸崩塌面主崩塌方向呈NNW向,总体走向NNW287°~302°,崩塌面长约为1 435 m,宽为1 821 m,高程最高点为3 225 m,最低点则为2 401 m,崩塌的物质主要是大小不等的棱角状灰岩碎石以及原坡面的荒漠土,崩塌面积为104.47万m²,崩塌量达到了1 461.60万m³。

3.2 堆积形变特征分析

对InSAR重构的震前震后2期DEM精校正后做差值计算,正值区即为堆积形变区域,总面积为78.61万m²,崩塌量达到1 424.27万m³。利用空间分析方法及栅格邻域计算工具分析堆积形变特征。震后地形起伏变化如图8所示。

图8

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图8 研究区震后地形起伏变化

Fig.8 Topographic variation after earthquake case in the study area

图8结果显示,堆积形变呈舌状在山脚阻塞河道,在崩塌峭壁的坡脚处,形成了长约1 944.93 m、西端宽约516.41 m、东端宽约682.56 m、走向NNW292°的喇叭状堆积区,地理坐标为: N44.157 4°44.165 5°; E83.222 3°83.247 6°。乌吐劲河北岸山体相对较缓,南岸崩塌物由于惯性冲到北岸山坡的坡积物宽度达到200 m,厚度可达2~10 m。同时堆积形变将河床向东推进了300 m,掩埋原有河床,掩埋深度为3580 m。研究区的地形起伏在0~200 m之间,而发生堆积的区域起伏度在31~59 m的范围内变动。堆积于河床底部的物质块度较大,水流在其下切的作用下沿着河床底部石块间的缝隙向河下游流去,在径流作用下促进新河床在堆积物上形成。

堆积物沿河的流向形成3级地形,河槽为最低处,南岸为第三级阶地,北岸则为2级阶地。南岸的第三级阶地的高度范围在20~80 m之间; 北岸2级阶地的高度则分别为5~25 m和200 m。堆积体沿南侧山体泄入河道后,由于南北岸堆积物的颗粒较为细腻,具有一定的阻水作用,在河面5处洼地造成大小不一的积水面。堆积形变具体特征如下: ①沿着山坡崩落下的灰色、亮灰色物质呈扇形或舌形堆积在坡脚或冲沟内,色彩明显不同于周边地物; ②新形成的河道距离南岸崩塌舌部不远,有些堆积体外部已发育出河漫滩; ③南岸崩塌体在流水作用冲刷、切割出较深的沟壑,甚至有些已经达到了基岩; ④北岸堆积体斜坡较长、坡度较陡,坡面岩土分布不均匀,伴随有向下倾斜的趋势; ⑤南岸的小块岩体堆积体沿着主崩塌方向越过河床向北岸堆积,受北岸山体的阻挡,在北岸形成一个长约为1 989.36 m,宽约为254.51 m,厚约为2~10 m的长舌状堆积体,该堆积物多为颗粒直径在20 cm以下的碎石块组成; ⑥沿着河道方向的堆积体长度为2 180 m,宽度为350 m,5处大小水面结合处的堆积体厚度达到56 m,南北两岸堆积物的厚度则分别为81 m和72 m。河底沉积物主要由呈棱角状灰岩碎石和块石组成,块度较大的泥质灰岩、页岩以及原岸表部土层则堆积在南岸,块度较小的碎石和土层则堆积在北岸。

3.3 水体形变特征分析

乌吐劲河全长约为57 km,南北平均宽约为0.08 km,平均海拔为2 401 m,河道两旁的山体是泥盆统汗吉尕地层,主要由石炭系中的页岩和灰岩组成^[16]。同震形变发生前,乌吐劲河是一条常年流水的河流,其发源于精河南部的婆罗科努山系北坡,上游有沃门精河等支流汇入,呈NW流向,最终和冬都精河会汇流入精河。水体形变位于乌吐劲上游河道,距离精河水文站40 km,距离水电站42 km,距离精河县城63 km。同震形变导致南岸原有河道被掩埋35~40 m的深度,并将河床向北推进了100 m、向东推进了300 m,河床上游形成约为300 m×30 m×5 m的回水面。5处积水面的末端为巨大的岩石块堆积体,孔隙大、透水性良好,水流在堆积体底部石块中流动,在堆积体下游处测量水流量为2.1 m³/s。图9为研究区内水体形变发生前后4个不同时相的Landsat影像上水体变化状况。

图9

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图9 2006—2016年间Landsat卫星监测乌吐劲堰塞湖湖面变化

Fig.9 Monitoring the change of Ukraine quake lake between 2006 and 2016 by Landsat satellite

利用湖面的各正射影像结合DEM获取湖面各个时期的高程及面积,结果如表3所示。

表3 2006—2016年间乌吐劲堰塞湖面积及高程变化

Tab.3 Change of lake area and elevation in Ukraine between 2006 and 2016

监测时间	湖面面积/m²	湖面高程/m
2006年8月14日	39 000	2 402.904
2007年8月1日	59 000	2 406.829
2007年8月17日	88 900	2 409.031
2007年9月18日	53 000	2 405.716
2008年7月26日	89 400	2 410.874
2009年6月19日	48 400	2 404.441
2010年8月17日	146 000	2 420.724
2011年7月12日	78 400	2 408.927
2013年8月9日	94 300	2 411.030
2014年8月21日	91 050	2 410.951
2015年7月6日	89 400	2 410.706
2016年8月18日	97 200	2 411.125

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同震形变前研究区内乌吐劲河道河面面积约为0.039 km²,2007年7月3日同震形变发生后,堵塞乌吐劲河部分河道形成堰塞湖,此后30 d湖水增多,湖面逐渐上升,湖面面积略扩大到0.059 km²; 而后,水面开始快速上涨,堰塞湖形成46 d后,2007年8月17日Landsat卫星数据显示,湖面面积达到了0.089 km²,湖面高程升高到了近2 410 m。此水位一直维持59 d,之后湖水水位开始下降,湖面直到9月18日降到0.053 km²,此后水位无较大的变化,恢复至正常水面。在2007—2016年9 a的时间中,堰塞湖的水面面积整体呈现上升的趋势,其中2009年和2010年波动比较大,2009年为6 a中水面面积最小的一年,2010年为水面最大的一年,出现了极端现象。

4 讨论

4.1 崩塌原因辨析

天山乌吐劲河谷地震同震形变场是多种不同因素相互影响、发展的复杂系统。特殊的地层岩性、地形地貌特征、地质次生构造、岩体结构、地质作用、降水、地震及地下水、植被以及人类的工程活动是造成崩塌形变发育的主要因素^[17]。结合实地调查和遥感分析,总结发现多因子变异耦合的结果造成了崩塌,地形地貌、地层岩性和次生构造等内在因子是不稳定岩石形成的基础,现就地震同震条件、岩性、地形和断裂构造对地震崩塌形变的形成进行讨论。

4.1.1 地震同震形变场条件

研究区地处北天山地震带—婆罗科努山区北部,为新疆的主要地震活动带之一^[1]。地震后连续降水,可降低研究区岩体结构面力学强度,在地震同震形变场作用下,该崩塌山体上出现了数量巨大的地质裂隙张口,降水渗透入山体,大大加剧坡体的变形并发生崩塌。由于此次震级较大释放的能量高,研究区崩塌位置距离震中只有30 km,地震波传导到海拔3 225 m的崩塌区域时仍具有很大能量,地质运动幅度仍较强; 另外,崩塌山系走向平行于发震断裂带,山体的背坡面走向与地震波方向接近垂直且处于震波传播方向的临空面,这些都易造成崩塌的产生。

4.1.2 岩性因素

研究区分布有古生代的泥质粉砂岩、石英砂岩、灰岩夹硅质岩、玄武岩、火山碎岩和岩浆岩等。河床南岸滑坡后出露的地层主要以石炭系的厚层灰岩为主,夹有少量的页岩以及原岸表部土层组成,北岸的堆积物多为块度较小的碎石和土层。块径一般在100~2 000 mm,堆积形变物质孔隙较大、透水性良好。由于崩塌山体上存在冻土,在阳光照射下融化沿裂隙向下流动,此结构面与地形的不良组合使岩体存在不稳定性。该崩塌呈三台阶状地形,利于排水,有利于降雨渗透入坡体,从而使坡体重量增加,土体软化,影响坡体前缘局部的稳定性。正是地震后2日的强降雨导致了斜坡前缘的岩体崩塌。

4.1.3 地形因素

研究区所处的婆罗科努山属北天山西段,EW走向,山势南缓北陡,北坡高峻挺拔,多绝壁悬崖,境内最高峰4 366 m,高处终年白雪皑皑,横亘南天,蔚为壮观。乌吐劲河谷地为冰川作用形成的"U"型谷地,南岸山体距离河道较近,坡度陡峭,平均坡度为48°; 北岸山体距离河道较远,坡度较缓,平均坡度为32°,谷底平均宽度为821.77 m。南岸在地震同震形变及强降雨条件下极易发生崩塌。

4.1.4 断裂构造

研究区的地质构造位于别珍套山华力西褶皱带内汗吉尕复向斜与天山地槽系婆罗科努加里东褶皱带之间^[18]。该区的主要构造骨架是由发育近EW向的加里东期构造、WN向与SWW向的华力西构造层、SW向艾比湖—伊连哈比尔尕断裂和EW向的婆罗科努南北坡断裂组成。河道南岸的厚层灰岩,岩体较完整、坚硬,在石屑和流水的推动下于河南岸形成面积较大的陡壁,高约50~80 m,由于下垫面为硬度较软的岩层和断层破碎带,地震同震形变作用破坏了陡壁上灰岩体的平衡系统而发生崩塌,岩块沿坡堆积形成一长条状的岩堆,厚度大,结构松散,稳定性差,地质构造活动对崩塌形变的发育、分布有着重要的控制作用。

4.2 洪水危害

地震崩塌形成的堰塞体组成物质及其结构的不稳定性以及水量不断增加所形成洪水的破坏能力是值得关注的问题。崩塌物堵塞河道形成的坝体经流水的冲刷和侵蚀极易被淘空垮塌,导致堰塞湖溃决,可能引发更大的次生灾害。如果河流上游区域出现特大降雨、气温升高或冰雪融化加快,堰塞湖的水位就会快速上升,冲决坝体,形成洪涝灾害,危害性极大。天山乌吐劲河谷地震同震形变场内崩塌形成了堰塞湖,其下游39.7 km处的下天吉水库蓄水能力600万m³。山区夏季降雨量较大,一旦堰塞湖溃坝,下泄的洪流顷刻间积满水库,汇集后的水量将会对下游的精河县城和千亩良田带来毁灭性的危害,及时了解崩塌区域及堰塞湖的情况尤为重要。

5 结论

1)基于ALOS/PALSAR雷达卫星影像,采用InSAR技术进行干涉测量,重建地震形变前后期DEM,经RTK校验后利用差值算法反演天山乌吐劲河谷地震同震场形变特征。该方法具有大范围、全天时、高精度的优势,在一定程度上弥补了传统测量方法的劣势,可成为新疆地震形变监测的有效手段。

2)天山乌吐劲河谷崩塌形变主要位于河谷南侧陡峭山坡,崩塌面积为104.47万m²,崩塌量为1 461.60万m³。堆积形变主要位于乌吐劲河谷,该形变将河床向北推进了100 m,向东推进了300 m,形变面积为78.61万m²,堆积量为1 424.27万m³。崩塌和堆积形变造成的堰塞湖面积为0.059 km²,最大达0.146 km²,严重威胁了下游绿洲和城市的安全。

3)研究区内造成剧烈形变的主要原因是岩性、坡度和断裂构造等综合作用。

由于在新疆的同震形变遥感研究较少开展,缺乏相关经验和全面的参考资料,因此,在后续的研究过程中,要广泛开展具有针对性的应用研究,不断完善地震形变监测技术。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

章鑫, 杜学彬, 王丽 , 等.

南北地震带大地电流分布与地震活动关系探讨

[J]. 地学前缘, 2017,24(2):202-211.

DOI:10.13745/j.esf.2017.02.019 URL [本文引用: 2]

利用中国南北地震带38个固定地电场台站观测数据,研究该区大地电流场流线和电流矢量的分布特点,分析了大地电流矢量场的涡度和散度,并联系动力学机制讨论了大地电流与南北地震带的关系,探讨地震活动与电流涡度时变的对应性.这是首次应用空间密度较高的地电场台站开展这方面的研究工作.结果表明:(1)大地电流线走向和汇聚特点与构造地块的运动特点具有某种一致性,在构造边界上大地电流矢量存在汇集及分异的现象;(2)大地电流汇聚和发散等现象与断裂构造相关,一般表现为流线沿断裂带走向汇集或发散,在断裂交错地区表现出较复杂的形态;(3)大地电流场涡度分布特点可作为大构造块体运移的电性指示,涡度随时间变化可能为某种地震前兆.

Zhang

, Du X

, Wang

, et al.

The spatial distribution of telluric currents and its relationship with earthquake activities in North-South Seismic Belt

[J]. Earth Science Frontiers, 2017,24(2):202-211.

[本文引用: 2]

[2]

张钰, 陈晓清, 游勇 , 等.

汶川地震后肖家沟泥石流活动特征与灾害防治

[J]. 水土保持通报, 2014,34(5):284-289.

URL [本文引用: 1]

肖家沟是汶川地震震中映秀镇近邻的一条典型泥石流沟,位于渔子溪河左侧,沟域面积7.19km^2,沟床平均纵比降为485‰。＂5·12＂地震后该沟多次暴发泥石流。2010年8月14日,肖家沟暴发特大规模泥石流,一次冲出物方量约6.50×10^5 m,堵塞渔子溪,堰塞湖溃决后造成洪水灾害。肖家沟泥石流物源条件非常丰富,地区降水充沛,危险性巨大,一旦发生泥石流,直接威胁S303映秀段公路,造成交通中断;若发生大规模泥石流堵塞渔子溪形成堰塞体,堰塞体溃决之后,大量泥沙被洪水带至下游,抬高河床,将对下游映秀镇产生严重的洪水灾害。目前肖家沟沟域内共有松散固体物源量5.22×106 m^3,可参与泥石流活动的动储量为2.01×10^6 m^3。以肖家沟泥石流形成条件为基础,分析震后连续发生的泥石流类型与活动特征,并以此为依据探讨了肖家沟泥石流治理的简要思路。

Zhang

, Chen X

, You

, et al.

Activity characteristics and disaster control of Xiaojia Gully debris flow after Wenchuan earthquake

[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014,34(5):284-289.