青藏高原西部湖泊与构造背景关系遥感研究

刘 刚， 燕云鹏， 刘建宇

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

青藏高原西部地区是指E79°～92°,N28°～37°之间的我国境内高原区域。其北缘为昆仑山，南缘为喀喇昆仑山和喜马拉雅山，除雅鲁藏布江谷地等局部地区外，大部分属于平均海拔5 000 m左右的高原寒带、亚寒带的干旱、半干旱气候带，人畜饮水困难。为保障该区域经济、国防建设需要和人畜生活用水，中国地质调查局利用遥感技术宏观、快速的特点，部署了区域性1∶25万水文地质背景调查，为后期水文地质普查提供基础数据和决策依据。

由于水具有非常好的迁移性，无论地表水还是地下水，其运移路径、储存空间都与所在地区的应力场和地貌有关。新近纪和第四纪的强烈隆升及地壳物质大规模水平运移[1]，对高原地貌和构造进行了强烈改造[2-4]。遥感图像显示，遍布高原的湖泊在形态和空间分布规律上与区域构造关系密切，基本反映了区域应力场的现状。前人对高原湖泊的研究，主要集中于古湖泊的演化[5-6]或与某时期气候变化间的关系上[7-9]，对湖泊与现代区域应力场的关系及其对地下水调查的意义论述不多。本文尝试利用遥感技术研究湖泊分布的规律性，探讨构造背景与湖泊成因的关系，为现代区域应力场分析和水文地质背景遥感调查提供一种新思路。

1 区域构造背景

青藏高原是世界上最年轻的高原，在古近纪，印度板块和欧亚板块发生碰撞[1,10-12]，之后印度板块持续向北挤压，并沿喜马拉雅和帕米尔2个构造结呈一巨大的“M”型挤入欧亚板块，在青藏高原的南北边缘形成了2个巨型走滑-剪切系统： 在青藏高原西南边缘喀喇昆仑山、冈底斯山和喜马拉雅山一带，形成以喀喇昆仑—雅鲁藏布断裂带为核心的巨型反“S”形右行走滑构造体系[13-15]； 在青藏高原东北边缘阿尔金山和昆仑山一带，形成以阿尔金—康西瓦断裂和东昆仑断裂为主的巨型左行剪切-走滑构造体系[16-22]。青藏高原中部岩石圈物质以2大走滑体系为边界向东运动[23-24]。虽然目前对该构造运动的开始时间和模式还存在争论[1,24-28]，但这种现象在现代遥感图像中仍有清晰的反映，并被中国地壳运动观测网络(crustal movement observation network of China,CMONOC)的GPS测量结果所证实[23-24,27](图1)，说明强烈的构造作用仍在继续。岩石圈物质的大规模运移，对青藏高原的区域应力场产生了巨大的影响，形成了一系列活动性非常强的走滑断层[24]、剪切带[28-29]和拉分盆地，对现今地下水和地表水的运移路径、储存方式和空间分布等具有重要的控制作用。

F1： 阿尔金—康西瓦断裂； F2： 海原断裂； F3： 东昆仑断裂； F4： 玉树—鲜水河断裂； F5： 日土—嘉黎断裂； F6： 喀喇昆仑—雅鲁藏布断裂

图1青藏高原整体固定框架下的高原内部水平形变速度场(修改自甘卫军等[23])

Fig.1HorizontalmovementratefieldwithinQinghai-TibetPlateauundertheoverallfixedframeworkofQinghai-TibetPlateau

2 湖泊与构造背景的相关性

2.1 湖泊总体特点

青藏高原是千湖之源，大大小小的湖泊星罗棋布。一般情况下，湖泊的形态近于圆形，但由构造控制的湖泊往往呈长条形、多边形和椭圆形等，且湖泊的空间分布及变化与构造活动具有对应性[30]。遥感图像显示，青藏高原的大部分湖泊与构造背景高度相关： 湖泊形态、大小、数量及空间分布受制于区域构造应力场； 在不同构造部位，湖泊的发育程度、形态、排列方向和性质都有所区别； 性质相同的湖泊成带分布，在形态上也具有相似性。所以，利用遥感技术对湖泊形态、性质和分布等规律的研究，可以了解现代区域构造应力场方向及性质，对水文地质背景分析具有重要的指导作用。

通过遥感分析，发现喀喇昆仑—雅鲁藏布右行走滑构造体系和阿尔金、东昆仑左行走滑构造体系及其间地壳物质向东南地区的持续运动，形成了大量的拉分盆地、断陷盆地和部分凹陷盆地(图2)。

Ⅰ： 北部左行拉分湖盆区； Ⅱ： 南部右行拉分湖盆区； Ⅲ： 东部断陷湖盆区； Ⅳ： 中部断-凹陷湖盆区；F1： 阿尔金—康西瓦断裂； F2： 东昆仑断裂； F3： 玉树—鲜水河断裂； F4： 日土—嘉黎断裂； F5： 喀喇昆仑—雅鲁藏布断裂

其中，走滑剪切应力场对现代湖泊(冰川湖除外)的形成、发展具有举足轻重的作用。湖泊在不同空间位置的集中成群发育，反映了湖泊群所在地区的构造特征。在喀喇昆仑—雅鲁藏布右行走滑构造体系所在的青藏高原南部区域和阿尔金—东昆仑左行走滑构造体系影响范围内的北部区域，大部分湖泊与走滑作用产生的拉分张力有关； 而在地壳物质向东南地区高速运移的中间部位，则以位于速度最快的前缘(东部)区域的断陷盆地和位于速度较慢的后缘(中部)区域的凹陷盆地为主。因此，我国境内青藏高原西部湖泊集中区(昆仑山以南，喜马拉雅山以北)大致可分为4个区域： 北部近EW向拉分湖盆区、南部NW—NWW向拉分湖盆区、东部断陷湖盆区和中部断-凹陷湖盆区。

鉴于大量的湖泊与走滑作用所形成的拉张作用有关，因此有必要将拉分盆地进行简单介绍： 拉分盆地(pull-apart basin)的概念最早由Burchfiel在研究美国圣安德列斯走滑断层控制的死谷中心地带时提出，是指走滑断裂系在局部地段形成的断陷盆地，具有特殊的构造背景和形成方式。左旋走滑断层的左阶部位或右旋走滑断层的右阶部位处于一种拉张应力状态，发育拉伸和断陷； 而左旋走滑断层的右阶部位或右旋走滑的左阶部位则处于一种挤压应力状态，发育挤压和断隆[31]。拉分盆地形似菱形，形态上可分为S型和Z型。左行左阶雁列式走滑断层控制下形成的拉分盆地为S型(图3(a))，右行右阶雁列式走滑断层控制下形成的拉分盆地为Z型(图3(b))。

(a) S型拉分盆地 (b) Z型拉分盆地

图3走滑断裂系形成的S型和Z型拉分盆地模式

Fig.3SandZmodesofpull-apartbasinscreatedbystrike-slipfaults

2.2 北部近EW向拉分湖盆区

北部近EW向拉分湖盆分布区(图2中Ⅰ)西起阿克塞钦地区的郭扎错，向东经可可西里，至青海境内的不冻泉一带。总体位于阿尔金山和东昆仑山以南、喀喇昆仑山以北，包括羌塘北部和可可西里地区，呈略向北突出的近EW向狭长带状，南北宽约120 km、东西长约1 000 km，属于阿尔金和东昆仑左行走滑断裂体系的影响范围。

遥感图像显示，本小区内分布有近EW向的中型、大型湖泊几十个，小型湖泊不计其数。经解译发现湖泊的大小、形态及分布具有如下规律： 在位移量很大的主干走滑断裂附近，常形成数量少但个体面积较大的拉分湖泊(盆地)，湖泊形态一般为长条状或菱形，长边方向与主干断裂近于一致； 中小型断层一般形成小型湖泊，面积在数km2左右，形态大部分为菱形(图4)，部分为长条状或多边形，边界多为断裂控制，长边走向与走滑断裂一致，或以小角度与之斜交； 在剪切带内，常形成数量众多但面积小于1 km2的微型湖泊(图5)，其形态大部分为透镜状和椭圆状，湖泊长轴方向大部分以小角度与剪切带的走向(C面理)斜交。

图4 左行走滑断裂系形成的雁列式拉分湖泊、S型褶曲

图5 受剪切带控制的透镜状微型湖泊群

本小区内受断层和剪切带控制的典型湖泊(群)成因机制的遥感分析如下：

1)走滑断层形成的拉分湖泊。图4是一个受左行走滑断裂系控制的小型湖盆遥感影像。2个湖泊呈S型左阶雁列式分布，形态均为拉长的菱形，与图3所示左行S型拉分盆地模式极为相似。2个湖泊的边界严格受EW向主干走滑断裂及其派生的次级NE向左行走滑(张性)断裂控制。同时，在2个湖泊的北侧还发育EW向左行走滑作用形成的S型第四系褶曲(根据高空间分辨率遥感影像测量计算，第四系褶曲的地层缩短(位移)量为703 m)，同时在褶曲内部亦发育长轴(对角线)NE向的菱形洼(盆)地，洼地中还残存干涸的微型湖泊。洼地形态、方位与外围的2个湖泊相似，说明洼地与湖泊成因一致。湖泊、褶曲、洼地三位一体，相互印证，说明EW向左行走滑作用产生的张性应力场是其形成的力学机制。

2)剪切带控制的微型湖泊。在本小区的北部东昆仑山西段区域，长达800 km的东昆仑左行走滑断裂直今仍在活动[18]。根据遥感图像中凹凸相间的微地貌(图5)和丝带状纹理特征等遥感解译标志，发现在该断裂带的两侧发育南北宽约40～50 km，东西长约400 km的左行韧/脆性剪切带和节理带，并伴有雁行状排列的褶皱束[18]。剪切带和节理带一般由系列微裂隙(脆性)或面理(韧性)组成，变形特点为局部地段位移量小，但总体累计位移量大。通过遥感图像显示，在剪切带内发育数量众多、长轴方向近于一致、个体面积很小(绝大部分在1 km2以下)的微型湖泊。湖泊形态大部分为椭圆形或透镜状(图5)，长短轴比在3～5之间，长轴方位大都在NE60°左右，与剪切带拉伸应变轴正交，说明湖泊的形成与剪切应力场有关。湖泊的大小、数量、形态和排列方向，与剪切环境下的变形特点(微裂隙、小位移)和变形机制一脉相承，显示了大自然的奇妙玄机。

2.3 南部NW—NWW向拉分湖盆区

位于高原南部日土、措勤和拉萨一带的喀喇昆仑山及冈底斯山地区(图2中Ⅱ)，处于喀喇昆仑—雅鲁藏布断裂和班公错—嘉黎断裂主导的右行走滑断裂系[19,23-24]控制之下。遥感图像显示，区内分布着长轴为NW向或NWW向的中大型湖泊十几个，在西部接近帕米尔构造结的NW向构造收敛区域，湖泊长轴方向以NW向为主，在东部构造发散区域则逐渐转向以NWW向为主，湖泊分布方向与构造线基本保持一致。

本次研究发现，与北部近EW向拉分湖盆分布区类似，本小区湖泊的大小、数量、形态和空间分布也有一定的规律性： 在靠近喀喇昆仑等主干右行走滑断裂附近，由于强烈的走滑-拉分效应，发育数量少但个体面积较大的湖泊，如著名的拉分盆地班公错[32]面积在600 km2以上，其东西2段拉分走滑距离有几十km[30]； 在位移量小的走滑断裂带上发育数量多但面积小的湖泊。图6中呈右行雁列式分布的森里错、杰萨错和打加错等3个小湖泊，便是局部应力场作用下小型湖泊群的典型代表，湖泊群的北侧和南侧分别是塔若错—措勤右行走滑断裂(F1)和雅鲁藏布右行走滑断裂(F2)。

图6 雅鲁藏布右行走滑断裂系形成的雁列式拉分湖泊

受北部岩石圈物质快速东移[23-24]的影响，北侧的塔若错—措勤右行走滑断裂水平位移大、速度快，而南侧的雅鲁藏布断裂水平位移较小[13]，在二者不对称的走滑应力作用下，夹在其间的地质体便遭受了右行(顺时针)旋转扭张作用，形成了具有拉张断陷性质的森里错、杰萨错和打加错3个湖泊(盆地)和同方向(NW)的张扭性断裂系。3个湖泊都呈Z型右行雁列式分布，均为长轴NW向的狭长形态，长短轴比大于6∶1，是典型的构造湖。其排列样式、形态与图3所示右行右阶走滑Z型拉分盆地模式相符，说明是由右行走滑作用所派生的拉分张力形成的。另外，在打加错上部还发育相同性质的拉分盆地(图6中蓝色线条范围)，也从另一个角度佐证了这个判断。

图4与图6之中湖泊的长轴方向和排列方式完全相反，原因在于它们处于性质相同但运动方向相反的2个构造体系之中。这种规律性说明青藏高原湖泊与构造背景具有耦合关系。

2.4 东部断陷湖盆区

位于冈底斯山以北的尼玛、双湖一带(图2中Ⅲ)，呈微向东突出的近SN向带状，区内集中发育长轴为NNE或SN向的中大型湖泊数十个。遥感图像显示湖泊大部分呈近SN向的长条状，东西边界一般受SN向的正断层控制，形成密集断陷湖泊群。湖泊形态、类型、长轴优选方位和总体空间分布具有明显的规律性。

图1中位于尼玛、双湖一带的近SN向断陷湖盆密集分布区，恰好处于GPS测量数据反映的日土—嘉黎断裂(F5)和玉树—鲜水河断裂(F4)之间“上地壳”物质向东高速运移的“流滑带”上[24,27]，且具有东部快、西部慢的特点[1,24]。大部分近SN向断陷湖泊的长轴方向与物质东移的方向正交，据此推测湖盆的形成可能与地壳物质东向逃逸过程中因速度或时间上的不均一性所产生的近EW向张性应力有关。

图7所示的湖泊群是近SN向断陷湖盆的典型代表。

图7 近SN向断陷湖盆影像

遥感图像显示，该区在1 000 km2的小范围内密集分布着5个湖泊，累计面积超过100 km2。其中3个湖泊长轴方向为NNE向，1个为SN向，蓬错、懂错和达如错3个大湖盆的东西边界明显由断层控制，平均长短轴比大于5∶1，属于典型的构造断陷湖泊，其他2个小型湖盆的部分边界也与断层有关。遥感图像显示，控制3个大湖盆东边界的近SN向断层规模大、延续性好、解译标志非常清晰； 而控制湖盆西边界的断层在规模和延续性上相对较差，推测湖盆可能首先从东部开始拉张断陷，逐步向西扩展。

2.5 中部断-凹陷湖盆区

位于研究区的中部(图2中Ⅳ)，属于羌塘盆地及青藏高原的核心地带，集中分布着数十个中型湖泊。遥感图像显示本区湖泊具有以下特点： 大部分湖泊在青藏高原范围内属于中等规模，大型湖泊不发育； 形态一般近于圆形或不规则状，与上述几个湖区中的拉分断陷湖泊相比，湖泊的 “长宽比”要小得多，大部分长短轴比小于2∶1(典型拉分断陷湖泊长短轴比一般大于等于6∶1)； 湖泊空间分布或个体的长轴方向均没有优选方位(图8)。根据遥感图像及区域地质资料分析，上述特点与大地构造位置有关： 本小区位于青藏高原腹地的羌塘盆地核心地带，没有大型断裂构造，属于高原内部相对“稳定”的地区。另外，图1显示本小区属于青藏高原内部地壳物质向东运移的“根带”，与东部地区相比，运移速度及位移量已经有很大的衰减[24]，所以小区内的湖泊总体以凹陷为主，仅部分属于断陷成因，因此导致湖盆个体形态、规模及总体分布不像其他区域那样具有鲜明的规律性。

图8 中部凹陷湖盆的谷歌地球影像

3 地下水勘查方向

地下水是一种特殊的资源，与油气相似，具有极好的迁移性。所以，地下水的运移路径和储存空间都与所在地区的现今应力场和地貌息息相关，而每个地区的应力场和地貌则受区域性物质运动产生的构造作用所控制。如前文所述，青藏高原的大部分湖泊属于拉张断陷成因，其形态和空间分布规律基本反映了区域应力场的现状。所以，可根据湖泊的性质及其空间分布规律指导地下水的勘查工作。一般情况下，含水断裂是比较新的或具有继承性活动的张性构造，与控制大部分湖盆边界的断层性质相同。对湖泊发育和分布规律的研究有助于确定地下水勘查的战略方向。在高原北部近EW 向拉分湖盆区，湖泊边界一般受近EW向主干走滑断裂及其派生的次级NE向左行走滑(张性)断裂控制，找水的重点是NE向左行走滑(张性)断裂； 在青藏高原南部的NW—NWW向拉分湖盆区，湖泊边界一般受NW向主干走滑断裂及其派生的次级NNW向右行走滑(张性)断裂控制，找水的重点是NNW或NWW向右行走滑(张性)断裂； 在青藏高原东部的断陷湖盆区，找水的重点是NNE或近SN向张性断裂； 在青藏高原中部断-凹陷湖盆区，应根据工作区的局部应力场选择近SN向，或NW和NE向的共轭张性断层系。

4 结论

1)青藏高原上的大部分湖泊属于构造成因，主要受张/扭性断裂控制。湖泊的大小、形态、数量及空间分布具有非常强的规律性，是区域构造环境的直接反映。

2)受构造控制的湖泊具有明显的地域性分布特点，体现了不同地区构造背景的差异和区域应力场的现状。

3)根据成因及分布特征，研究区的湖泊在空间上可分为北部近EW向左行拉分湖盆区、南部NW—NWW向右行拉分湖盆区、东部近SN向断陷湖盆区和中部断-凹陷湖盆区。

4)记录区域微小变形的GPS测量数据和以开裂方式记录区域大变形的湖泊空间分布，均反映地表物质的相对运动方向和速度，因而可以互相印证本文研究结果的准确性。

5)印度板块与欧亚板块持续的挤压作用，导致岩石圈物质的大规模运移，可能是湖泊呈地域性有序分布的内因。

6)利用遥感技术对湖泊成因及其分布规律的研究，是对新构造运动强烈的高原艰险地区进行应力场分析的一条捷径，也是进行水文地质背景调查的一把钥匙。

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