基于多源遙感數(shù)據(jù)的西藏羌多地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造解譯

劉新星，陳建平，曾 敏，代晶晶，裴英茹，任夢(mèng)依，王 娜

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037;3.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059;4.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

0 引言

1972年，第一顆地球資源技術(shù)衛(wèi)星(ERTS，后改稱Landsat1)進(jìn)入預(yù)定軌道，開(kāi)啟了利用衛(wèi)星圖像解譯地質(zhì)信息的新時(shí)代，遙感技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。遙感作為一種先進(jìn)的空間技術(shù)，具有較好的綜合性、宏觀性及直觀性，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造解譯具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1－2］。受構(gòu)造控制或影響的地質(zhì)體、水體和植被等地物，其反射來(lái)自太陽(yáng)的電磁波輻射的能力存在差異，在遙感影像上表現(xiàn)為不同的色調(diào)和形態(tài)特征，可用于直接或間接解譯地質(zhì)構(gòu)造。但是，遙感圖像通常都是為解決特定問(wèn)題而設(shè)置空間分辨率等參數(shù)的，然而地質(zhì)構(gòu)造形跡從區(qū)域到手標(biāo)本可劃分為不同尺度，因而單一遙感數(shù)據(jù)并不能滿足多尺度構(gòu)造解譯的要求。本文在研究多源遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮其不同傳感器的波譜分辨率和空間分辨率等綜合優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了對(duì)地質(zhì)構(gòu)造解譯方法的研究。

近年來(lái)的國(guó)土資源大調(diào)查和專題研究發(fā)現(xiàn)，班公湖—怒江成礦帶不僅是一條重要的板塊縫合帶，而且對(duì)其南、北兩側(cè)南羌塘南緣和岡底斯北部的巖漿活動(dòng)及構(gòu)造演化也具有直接的控制作用，同時(shí)也是一條重要的成礦帶［3］。本文的研究區(qū)位于班公湖—怒江成礦帶西段的羌多地區(qū)，平均海拔5 000 m左右，5 800 m以上的山峰為冰雪覆蓋區(qū);自然條件惡劣，交通不便，開(kāi)展常規(guī)地質(zhì)工作困難，因而地質(zhì)工作程度較低。但是，當(dāng)?shù)刂脖桓采w極為稀疏，基巖出露較好，為遙感地質(zhì)調(diào)查提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件。為此，本文開(kāi)展了基于 ETM+，ASTER，WorldView2及DEM等多源遙感數(shù)據(jù)的地質(zhì)構(gòu)造解譯，為野外詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查做好準(zhǔn)備，亦可彌補(bǔ)野外常規(guī)地質(zhì)填圖之不足。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)羌多地區(qū)位于西藏自治區(qū)西部，在行政區(qū)劃上東部和北部分屬日土縣及革吉縣管轄，地理范圍在 E81°45'～82°30'，N33°10'～33°30'之間，總面積約2 500 km2。其大地構(gòu)造位置處于班公湖—怒江縫合帶西段北麓，縫合帶呈NWW向從研究區(qū)西南部通過(guò)，縫合帶以北為喀喇昆侖—南羌塘—左貢陸塊。縫合帶及陸塊均屬研究區(qū)內(nèi)的Ⅰ級(jí)大地構(gòu)造單元，經(jīng)歷了古特提斯階段、新特提斯階段和陸內(nèi)匯聚高原隆升階段的發(fā)展與演化，各階段的地史演化、構(gòu)造和巖漿活動(dòng)均與板塊運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)［4］。受古特提斯洋和新特提斯洋演化的影響，研究區(qū)內(nèi)形成了NWW向展布的班公湖—怒江縫合帶、晚侏羅世－早白堊世殘余海盆、晚三疊世前陸盆地和早－中二疊世活動(dòng)大陸邊緣盆地等。在陸內(nèi)匯聚的作用下，大區(qū)內(nèi)的構(gòu)造變形由南向北呈現(xiàn)由強(qiáng)變?nèi)醯内厔?shì)，并且南部以近EW向右行走滑變形構(gòu)造為主，北部以NE和NW向構(gòu)造變形為主。NE和NW向構(gòu)造多為拉張斜滑變形，形成古近紀(jì)－新近紀(jì)斷陷盆地［3－5］。

研究區(qū)內(nèi)從晚古生代以來(lái)，地層發(fā)育較齊全，巖漿活動(dòng)較頻繁，褶皺、斷裂及推、滑覆構(gòu)造較發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征亦較明顯，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜［5－7］。通過(guò)研究已有地質(zhì)資料了解到，區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造形跡為近EW向，SN向及NE或NW向。其中，EW向構(gòu)造主要為逆沖推覆構(gòu)造及相關(guān)的褶皺構(gòu)造，NE與NW向構(gòu)造多為走滑性質(zhì)，NS向構(gòu)造多為南北擠壓、東西伸展所形成［8］。值得注意的是，SN向正斷層及NE與NW向走滑斷層是區(qū)內(nèi)當(dāng)前地貌特征最重要的控制因素。

2 遙感數(shù)據(jù)源的選擇與處理

隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的種類不斷增多，其空間分辨率、波譜分辨率、輻射分辨率及時(shí)間分辨率都有大幅度提高。綜合考慮數(shù)據(jù)成本及數(shù)據(jù)的幾何精度，本文選擇存檔的ETM+圖像數(shù)據(jù)作為優(yōu)選數(shù)據(jù)。由于ETM+圖像存檔數(shù)據(jù)豐富、經(jīng)過(guò)正射糾正且云雪覆蓋率低，故可供在區(qū)域上解譯宏觀大型構(gòu)造。與ETM+圖像相比，ASTER遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率有很大提高，在短波紅外光譜區(qū)設(shè)置了更多波段，可提取多種礦物及礦物組合的遙感信息;并能間接反映構(gòu)造信息，其熱紅外波段還可以很好地反映含水?dāng)嗔选orldView2具有0.5 m的高空間分辨率，對(duì)地層產(chǎn)狀及小型地質(zhì)構(gòu)造具有良好的識(shí)別效果，甚至可以結(jié)合高精度的DEM數(shù)據(jù)定量提取地層產(chǎn)狀［9］。

在進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯之前，對(duì)原始遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射校正、大氣校正、幾何糾正、數(shù)據(jù)融合、圖像鑲嵌和RGB彩色合成等圖像預(yù)處理，為地質(zhì)構(gòu)造的目視解譯提供了影像清晰、位置準(zhǔn)確、信息豐富及可解譯性強(qiáng)的基礎(chǔ)遙感圖像。

3 基于ETM+和ASTER的構(gòu)造解譯

3.1 線性構(gòu)造

線性構(gòu)造在遙感圖像中比較直觀醒目，信息量也相對(duì)豐富。線性構(gòu)造解譯可分為直接解譯和間接解譯2種方法。直接解譯法可依據(jù)巖性、地層或構(gòu)造等不連續(xù)影像特征，解譯出線性構(gòu)造［10］。圖1中，F(xiàn)1斷裂西北與東南兩側(cè)地層的走向不同，西北側(cè)地層走向大致近EW方向，東南側(cè)地層走向?yàn)镹W方向，說(shuō)明地層明顯受斷裂錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生不連續(xù);且F2斷裂被F1斷裂切斷，因此可直接解譯出F1斷裂。

圖1 根據(jù)地層及構(gòu)造不連續(xù)直接解譯線性構(gòu)造Fig.1 Linear structures interpreted according to discontinuity of stratum and structure

間接解譯法主要是依據(jù)影像的色調(diào)、地貌、水系、土壤植被、巖漿巖、蝕變帶分布及綜合景觀特征間接推斷線性構(gòu)造。圖2(a)中，斷裂兩側(cè)地貌及色調(diào)特征均有明顯差異，并且分布有SN走向的陡崖，據(jù)此解譯出SN向斷裂。圖2(b)中，依據(jù)水系受斷裂控制呈直角轉(zhuǎn)彎的特征，可解譯出NNW向斷裂。圖2(c)中，依據(jù)水系受斷裂控制和影響呈直線狀分布的特征，解譯出NW向斷裂。圖2(d)中，由于構(gòu)造隆升，沖積扇在山口呈線狀排列，據(jù)此解譯出NW向斷裂。

圖2 線性構(gòu)造的間接解譯標(biāo)志Fig.2 Indirect interpretation keys of linear structure

利用ASTER數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像處理及系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)假彩色合成圖像可以清晰地反映研究區(qū)的巖性單元(圖3)。

圖3 研究區(qū)ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)假彩色合成圖像Fig.3 False color composition image of the study area composed with ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)

結(jié)合用ASTER數(shù)據(jù)解譯出的巖性單元和用WorldView2高分辨率圖像解譯出的地層產(chǎn)狀，可以解譯出研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在一定程度上會(huì)產(chǎn)生一系列的破碎帶，同時(shí)也會(huì)有構(gòu)造蝕變帶的存在。利用ASTER短波紅外波段數(shù)據(jù)提取的遙感蝕變信息中［11－13］，發(fā)現(xiàn)有粘土蝕變呈線性分布，指示了線性構(gòu)造的存在。

3.2 環(huán)形構(gòu)造

環(huán)形構(gòu)造指在遙感圖像中具有地質(zhì)意義的環(huán)形影像，包括基底穹窿及各時(shí)代沉積巖系的圓形、橢圓形構(gòu)造(陸核、古潛山、油氣構(gòu)造及鹽丘等)，隱伏的隆起、坳陷，穹窿構(gòu)造及向斜構(gòu)造，以及火山機(jī)構(gòu)、環(huán)形侵入體、爆破巖筒、各種蝕變暈圈、環(huán)形斷裂和熱液通道等［14］;在遙感圖像上通過(guò)色調(diào)環(huán)、地貌環(huán)、水系環(huán)、植被環(huán)、影紋環(huán)或復(fù)合類型的環(huán)狀特征表現(xiàn)出來(lái)。在地貌上，環(huán)形構(gòu)造往往形成獨(dú)特的高地或洼地，發(fā)育環(huán)形或放射形向心型、背心型水系［10］。圖4中出現(xiàn)的深褐色色環(huán)，地貌為環(huán)形高地，可綜合解譯為環(huán)形構(gòu)造。

圖4 環(huán)形構(gòu)造形成的色調(diào)環(huán)及地貌環(huán)Fig.4 Tone ring and geomorphic ring formed by ring structure

圖5中紅褐色的地質(zhì)體呈現(xiàn)出橢圓狀色環(huán)，且部分水系呈背心放射狀，據(jù)此解譯為環(huán)形構(gòu)造。

圖5 環(huán)形構(gòu)造形成的色調(diào)環(huán)及放射狀水系Fig.5 Tone ring and radial drainage formed by ring structure

4 基于WorldView2的構(gòu)造解譯

4.1 基于WorldView2數(shù)據(jù)的地層產(chǎn)狀解譯

在遙感圖像中，同一傾斜巖層地表露頭線上的任意山脊點(diǎn)和與其相鄰的2個(gè)河谷點(diǎn)相連接可以構(gòu)成三角形面(即“巖層三角面”)。因巖層具有一定的延伸性，故該三角形面在一定程度上能夠反映地層的產(chǎn)狀。利用遙感圖像進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯，其中最基礎(chǔ)的工作是利用WorldView2高分辨率數(shù)據(jù)解譯地層走向，并在基巖出露區(qū)利用“巖層三角面”解譯地層產(chǎn)狀。水平巖層或近水平巖層一般指傾角小于5°的巖層，這類巖層的傾向與傾角很難用肉眼識(shí)別。水平巖層的影像特征與地層切割程度有關(guān)，在平坦地區(qū)，由于切割不深，圖像中只反映水平巖層頂部特征，因而水平巖層的影像都顯得單一而均勻。傾斜巖層是指傾角在5°～80°之間的巖層，這類巖層較為常見(jiàn)。受巖性與地層切割的影響，遙感圖像中的巖層三角面不一定都是三角形，還可呈熨斗形、半圓形或梯形等形狀。多個(gè)巖層三角面常沿巖層傾向形成疊瓦狀影像特征，沿巖層走向斷續(xù)相連形成鋸齒狀、波浪狀或不規(guī)則的折線狀影像特征。據(jù)此，通過(guò)對(duì)WorldView2高空間分辯率數(shù)據(jù)的目視解譯，可以初步解譯研究區(qū)的地層產(chǎn)狀［15－16］。如圖6所示，巖層三角面底邊的延伸方向(SN)即為地層的走向，巖層三角面的傾向(W)即為地層的傾向。

圖6 利用W orldView2圖像中的巖層三角面解譯地層產(chǎn)狀Fig.6 Stratum attitude interpreted by using lithologic triangle face in W orldView2 image

4.2 褶皺構(gòu)造解譯

褶皺的主要解譯標(biāo)志為不同色調(diào)的平行條帶呈閉合狀、巖層三角面或單面山的對(duì)稱出現(xiàn)、巖層對(duì)稱重復(fù)出現(xiàn)、轉(zhuǎn)折端及特殊水系等。利用前文中WorldView2圖像解譯的地層產(chǎn)狀解譯成果，在研究區(qū)識(shí)別出一系列軸向近EW的褶皺。如圖7所示，由巖層三角面顯示在龍格組(P2lg)灰?guī)r中存在相對(duì)的地層產(chǎn)狀(南翼向北傾，北翼向南傾)及巖層的對(duì)稱重復(fù)出現(xiàn)，可解譯為軸向近EW的向斜構(gòu)造。

圖7 根據(jù)WorldView2數(shù)據(jù)所得地層產(chǎn)狀解譯向斜構(gòu)造Fig.7 Syncline structure interpretation based on stratum attitude acquired from W orldView2 data

綜合考慮地層分布特征及產(chǎn)狀，解譯出了一些走向NWW的斷層與軸向NWW的褶皺。圖8中的背景圖像均為ASTER［(B6+B9)/B8］(R)(B1/B2+B5/B3)(G)［(B5+B7)/B6］(B)假彩色合成圖像，可較好地反映地層巖性信息。

圖8 根據(jù)巖性分布、地層產(chǎn)狀及構(gòu)造組合特征解譯向斜構(gòu)造Fig.8 Syncline structure interpretated according to lithologic distribution，stratum attitude and structural combination characteristics

根據(jù)圖8(a)中破碎帶特征，解譯出了NWW走向的逆沖斷層(F1)，其上盤(pán)(南盤(pán))為一軸向NWW向的向斜。該向斜的解譯依據(jù)為:①核部為較新的龍格組(P2lg)灰?guī)r;②兩翼分別出露吞龍共巴組(P1－2t)碎屑巖夾火山碎屑巖;③根據(jù)巖層三角面解譯所得產(chǎn)狀數(shù)據(jù)顯示兩翼地層相對(duì)而傾(野外測(cè)得的地層產(chǎn)狀同樣具有此特征)。向斜構(gòu)造在其東端向南發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，可能因其東側(cè)的SN向正斷層(F2)導(dǎo)致。圖8(b)為圖8(a)所示區(qū)域的三維地表視圖，可更直觀地顯示其發(fā)育特征。

4.3 斷裂解譯

研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育著小規(guī)模斷裂，本文以該區(qū)1個(gè)小型走滑斷裂的解譯(圖9)為例，來(lái)說(shuō)明此斷層在WorldView2圖像中有明顯的表現(xiàn)。

圖9 NW向走滑斷層在W orldView2圖像中的特征Fig.9 Characteristics of strike－slip fault in NW strike in W orldView2 image

圖9中，沿NW走向的斷層，兩盤(pán)地層的產(chǎn)狀出現(xiàn)了明顯的差異:東北盤(pán)近EW走向，西南盤(pán)近NW走向，推斷該產(chǎn)狀差異應(yīng)為走滑斷裂作用的結(jié)果。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該斷裂破碎帶規(guī)模較小(長(zhǎng)約1～2 m)，在其內(nèi)部出現(xiàn)的擦痕構(gòu)造的產(chǎn)狀近水平，表明斷層2盤(pán)發(fā)生了水平方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

5 野外驗(yàn)證及全區(qū)解譯

經(jīng)野外驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)的斷裂帶往往伴隨有明顯的褐鐵礦化，導(dǎo)致斷裂帶露頭形成典型的紅褐色特征;雖然這種褐鐵礦化對(duì)所有的地層都有影響，但往往沿?cái)嗔褞Ц鼮閺?qiáng)烈，表觀色調(diào)特征也更為明顯，這為依據(jù)褐鐵礦化影像進(jìn)行部分?jǐn)嗔褞У慕庾g提供了條件。沿走滑斷裂帶中出露的基巖，破碎變形十分強(qiáng)烈。如圖10(a)所示的龍格組(P2lg)碳酸鹽巖，在強(qiáng)烈的走滑剪切作用下，形成了近乎平行于剪切帶的面理構(gòu)造。角礫巖化和大理巖化同樣是斷裂帶內(nèi)或附近經(jīng)常出現(xiàn)的變形特征(圖10(b))。

圖10 與走滑斷裂帶相關(guān)的面理構(gòu)造和變形構(gòu)造的實(shí)景照片F(xiàn)ig.10 Field photos of foliation deformation structures associated with strike－slip fault zone

根據(jù)對(duì)World View2圖像的初步構(gòu)造解譯及野外驗(yàn)證結(jié)果，編制了整個(gè)研究的構(gòu)造解譯圖(圖11)。

圖11 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造解譯圖Fig.11 Geological structural interpretation map of study area

從圖11可以看出，可解譯的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)量明顯增加，提高了研究區(qū)的構(gòu)造解譯程度。主要的構(gòu)造跡線有:①近EW向;②SN向;③NE或NW向。其中，近EW向構(gòu)造主要為逆沖推覆構(gòu)造及相關(guān)的褶皺構(gòu)造，此類構(gòu)造在研究區(qū)內(nèi)極為發(fā)育，且形成時(shí)間最早，是區(qū)內(nèi)地層分布的主要控制因素。近EW向構(gòu)造往往被后期的構(gòu)造活動(dòng)所改造，導(dǎo)致其局部走向或動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。NE和NW向構(gòu)造通常具走滑性質(zhì)，常與SN向正斷層相伴發(fā)育，與青藏高原EW向伸展的大地構(gòu)造特點(diǎn)相協(xié)調(diào)。SN向正斷層及NE或NW向走滑斷層是研究區(qū)內(nèi)當(dāng)前地貌特征最重要的控制因素。環(huán)形構(gòu)造主要分布在研究區(qū)北部的吞龍共巴組(P1－2t)地層內(nèi)，野外工作表明該區(qū)的環(huán)形構(gòu)造主要受巖漿作用控制明顯。

6 結(jié)論

1)利用中等分辨率的ETM+數(shù)據(jù)可以宏觀把握區(qū)域構(gòu)造展布，根據(jù)ASTER數(shù)據(jù)提供的蝕變及地質(zhì)體邊界信息也可以為構(gòu)造解譯提供依據(jù)(特別是對(duì)于構(gòu)造架構(gòu)的解譯)，還可以驗(yàn)證ETM+數(shù)據(jù)的地質(zhì)構(gòu)造解譯結(jié)果。

2)利用WorldView2高空間分辨率數(shù)據(jù)可以解譯地層產(chǎn)狀，對(duì)進(jìn)一步解譯構(gòu)造及確定構(gòu)造性質(zhì)有一定的輔助作用。

3)基于DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維場(chǎng)景，在一定程度上也有助于地質(zhì)構(gòu)造的解譯。

4)結(jié)合研究區(qū)的大地構(gòu)造背景及應(yīng)力模式，可確定地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)。

研究結(jié)果表明，綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)，基于不同分辨率遙感數(shù)據(jù)提取并分析不同尺度的地質(zhì)構(gòu)造信息，可大大提高地質(zhì)構(gòu)造解譯的可信度和準(zhǔn)確度，這是任何單一遙感數(shù)據(jù)不能做到的。

志謝:本文寫(xiě)作過(guò)程中得到了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所王登紅研究員的悉心指導(dǎo)和幫助，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)孟苗苗博士也提供了修改意見(jiàn)，在此一并表示衷心的感謝。

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