臨沂地區(qū)斷裂構(gòu)造遙感解譯

蔣科迪， 羅生龍， 周 立， 蔡冬荃， 肖紅吉

(1.淮海工學(xué)院 測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，連云港 222000；2.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)

0 引言

20世紀(jì)70年代初美國(guó)海軍科學(xué)研究局的Evelyn Pruitt[1]首次提出遙感(Remote Sensing)一詞。而后遙感憑借著其宏觀、高效、實(shí)時(shí)、海量數(shù)據(jù)、低成本等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展并日趨成熟，被廣泛運(yùn)用于科學(xué)調(diào)查、資源勘探、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、國(guó)防安全等[2-3]。原始遙感影像在經(jīng)過(guò)PCI Geomatica、ERDAS、 ENVI等專業(yè)遙感影像處理軟件處理后，通過(guò)解譯可呈現(xiàn)出與地質(zhì)作用相關(guān)的直線、弧線、折線性(狀)，由此可分析區(qū)域發(fā)育的線性構(gòu)造，判斷地下斷層的存在。

自1957年航磁大調(diào)查發(fā)現(xiàn)郯廬大斷裂后，前人通過(guò)綜合物探、地震層析及GPS等方法對(duì)其進(jìn)行了深入研究，并取得了諸多成就。同時(shí)，部分學(xué)者基于TM、ETM+影像對(duì)沂沭斷裂帶北段地區(qū)進(jìn)行了斷裂構(gòu)造遙感解譯。筆者選擇沂沭斷裂帶南段的臨沂地區(qū)作為解譯區(qū)，通過(guò)對(duì)該區(qū)OLI影像進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像拉伸、邊緣增強(qiáng)、多重主成分分析以及紋理分析等，提取并解譯該區(qū)的斷裂構(gòu)造，進(jìn)而為區(qū)域地質(zhì)和地震研究提供遙感資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沂沭斷裂帶不僅是中國(guó)東部非常重要的構(gòu)造帶，更是地震集中帶。史料記載，安丘、郯城等地先后發(fā)生過(guò)多次里式7級(jí)以上大地震[4]。研究區(qū)為山東省南部，郯廬斷裂帶中段的臨沂地區(qū)(圖1)，是中生代以來(lái)環(huán)太平洋構(gòu)造-巖漿活動(dòng)帶的一小部分。部分學(xué)者認(rèn)為臨沂地區(qū)境內(nèi)發(fā)育4條NNE走向平行主斷裂，表現(xiàn)為“兩塹夾一壘”的斷層組合形式[5-6]。自東向西依次為昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、沂水-湯頭斷裂和鄌郚-葛溝斷裂[4]。其中昌邑-大店和安丘-莒縣兩條斷裂在第四紀(jì)活動(dòng)性較強(qiáng)，以兼具逆沖活動(dòng)的右旋走滑為主[7]。兩斷裂之間發(fā)育有一系列斜列式活動(dòng)斷層，與1668年郯城大地震發(fā)震斷層區(qū)相一致[8]。前人研究表明，沂沭斷裂帶自第四紀(jì)以來(lái)就是一條主要的活動(dòng)斷裂帶[9]，整體上表現(xiàn)為東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)[10-11]。

圖1 山東沂沭斷裂帶區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖[15]Fig.1 Geological sketch map of the area of Yishu fault in Shandong province[15]

沂沭斷裂帶貫穿臨沂地區(qū)并將其分隔成華北地臺(tái)魯東地塊和魯西地塊兩個(gè)II級(jí)大地構(gòu)造單元。魯西地塊具有雙層結(jié)構(gòu)，由前寒武系結(jié)晶基底和其上的沉積蓋層組成?；字饕獮樘庞罨旌匣◢弾r、片麻巖等變質(zhì)巖，蓋層由古生界、中生界、新生界碳酸鹽和碎屑巖組成[12]。魯西自遷西期至喜馬拉雅期均有巖漿發(fā)育，但以早前寒武紀(jì)侵入巖為主[13]。魯東地塊以前寒武系結(jié)晶基地為主，蓋層不發(fā)育[14]，基底主要是黑云變粒巖、黑云片巖和淺粒巖等變質(zhì)巖。魯東巖漿活動(dòng)的鼎盛時(shí)期為燕山期，多中酸性侵入巖和火山巖。依據(jù)侵入的先后順序，同位素年齡和巖石礦物成分將研究區(qū)巖漿巖劃分為10個(gè)超單元、37個(gè)單元。

2 遙感解譯可行性分析

遙感圖像是按一定比例縮小的地面立體模型，遙感線性構(gòu)造解譯主要依據(jù)斷裂等線性構(gòu)造在遙感圖像上的空間結(jié)構(gòu)特征和光譜特征。研究表明，遙感圖像上的直線、弧線、折線(狀)，其成因與地質(zhì)作用有關(guān)，能間接地反映地下斷層的存在。斷裂是構(gòu)造應(yīng)力的產(chǎn)物，構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的差異和巖性的變化會(huì)導(dǎo)致差異侵蝕和差異分化，從而斷裂帶在遙感圖像上會(huì)形成獨(dú)特色調(diào)、紋理等光譜特征[16]。同時(shí)，地下斷裂的存在會(huì)導(dǎo)致地表河流改向，溫泉以及泉眼、湖泊的規(guī)律性分布，這些都使得遙感解譯線性構(gòu)造成為可行[17]。郯廬斷裂帶中段的臨沂地區(qū)，發(fā)育有規(guī)模較大的活動(dòng)斷裂，控制了晚新近紀(jì)-第四紀(jì)的沉積及同期的巖漿作用，沿?cái)嗔研纬闪烁鞣N構(gòu)造地貌，造成斷層兩側(cè)的地貌差異、扭動(dòng)變形及水系的同步轉(zhuǎn)折等[18]，這些地質(zhì)現(xiàn)象可在圖像處理后的遙感影像上清晰地表示出來(lái)。

3 遙感影像質(zhì)量

原始遙感影像是2015年6月5日Landsat-8 OLI影像，具體波段信息見(jiàn)表1、表2，本研究選取其中的7、5、4波段解譯臨沂地區(qū)發(fā)育的線性構(gòu)造。

表1 Landsat-8 OLl陸地成像儀各波段參數(shù)Tab.1 Landsat-8 OLl land imager band parameters

表2 Landsat-8 TIRS載荷參數(shù)Tab.2 Landsat-8 TIRS load parameters

4 遙感影像處理

原始影像受遙感衛(wèi)星探測(cè)器靈敏度、衛(wèi)星軌道高度、軌道傾角、偏移系數(shù)、大氣等影響將在遙感影像上產(chǎn)生一定誤差，且解譯單波段影像時(shí)，解譯標(biāo)志不夠明顯。研究使用ENVI 5.1圖像處理軟件對(duì)原始影像進(jìn)行校正、線性構(gòu)造增強(qiáng)，紋理分析等來(lái)增強(qiáng)遙感線性解譯標(biāo)志，最終解譯臨沂地區(qū)發(fā)育的主要線性構(gòu)造。

4.1 遙感圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要分為輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、波段合成、圖像裁剪、影像融合等六部分。經(jīng)Radiometric Calibration工具輻射定標(biāo)后，無(wú)量綱DN值轉(zhuǎn)換成具有實(shí)際物理意義的大氣頂層輻射亮度或反射率。依據(jù)影像成像時(shí)間和區(qū)域緯度位置，選擇“Mid-Latitude Summer”大氣模型進(jìn)行FLAASH大氣校正，并選用Rural氣溶膠模型和K-T氣溶膠反演法進(jìn)行大氣校正。選用1∶50 000地形圖6度帶高斯投影實(shí)現(xiàn)幾何校正，波段合成后以7波、5波、4波段進(jìn)行彩色合成(圖2),裁剪后影像范圍是 118°00′～119°00′E、34°40′～35°20′N(圖3)。選用Gram-Schmidt Spectral Sharping工具將低分辨率的多光譜影像和高分辨率的單波段(Band 8)影像重采樣，實(shí)現(xiàn)影像融合，其分辨率提高至15 m。

圖2 臨沂地區(qū)-(7、5、4)彩色合成Fig.2 Color composition(Band7、5、4) of Linyi area

圖3 臨沂地區(qū)遙感影像(OLI 7、5、4)Fig.3 Remote sensing image of Linyi area (OLI 7、5、4)

圖4 臨沂地區(qū)-線性拉伸Fig.4 Linear stretch image of Linyi area

4.2 遙感影像線性構(gòu)造增強(qiáng)

不同尺度的線性體單元構(gòu)成了一幅空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)造景觀圖像。通過(guò)研究構(gòu)造線性體結(jié)構(gòu)樣式 可建立具有構(gòu)造幾何學(xué)意義的構(gòu)造線性體模式，獲得形象逼真連續(xù)的空間信息[19]。基于線狀構(gòu)造信息兩側(cè)不同的顏色、地貌、形狀等特征解譯并提取出主要斷裂構(gòu)造。

改變波段中單個(gè)像素值可以實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，結(jié)合圖像直方圖特征和實(shí)際解譯需要，這里采用線性對(duì)比度拉伸。經(jīng)Interactive stretching工具擴(kuò)大原始圖像的灰度值的范圍后，圖像灰度值直方圖趨于飽和，5條NNE向的線性構(gòu)造信息得到增強(qiáng)(圖4)。

以灰度突變?yōu)槌霭l(fā)點(diǎn)，通過(guò)一階、二階導(dǎo)數(shù)，增大邊緣與局域其他像素的灰度對(duì)比度，可獲得圖像每個(gè)像素在其鄰域內(nèi)的灰度變化。常用一階微分算子有Prewitt、Robert、Krisch、Isotropic Sobel，常用的二階微分算子有Laplace、LOG。經(jīng)Robert、Laplace算子處理后5條主干斷裂信息進(jìn)一步增強(qiáng)(圖5～圖6)。

圖5 臨沂地區(qū)-RobertFig.5 Robert operator image of Linyi area

圖6 臨沂地區(qū)-LaplaceFig.6 Laplace operator image of Linyi area

運(yùn)用中值濾波、均值濾波或同態(tài)濾波[20]后可以去除孤立點(diǎn)、去噪聲。此處采用5×5卷積核的中值濾波去噪、平滑圖像，削弱圖像中的細(xì)節(jié)特征(圖7)。

圖7 臨沂 地區(qū)-中值濾波Fig.7 Median filtering image of Linyi area

4.3 多重主成分分析

主成份分析(K-L變換或PCA)，是在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維正交線形變換[21]，所謂多重，指對(duì)主成分分析的結(jié)果與其他處理結(jié)果及原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)有針對(duì)性地選擇后，組合起來(lái)再次進(jìn)行主成分分析，也可以是幾種不同主成分分析結(jié)果的組合[22]。

研究區(qū)OLI波段間相關(guān)系數(shù)較高(表3)，輸入經(jīng)過(guò)拉伸、空間濾波處理后的臨沂地區(qū)OLI影像1-7波段。第一次主成分分析后得到PCA1(1-7)和其特征向量矩陣(表4)。彩色合成PCA1(2，3，4)影像，提取出主成分信息(圖8)。

表3 OLI-7波段間相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of OLI 1-7 band

表4 OLI 1-7 特征向量矩陣Tab.4 Eigenvector matrix of OLI 1-7 band

表5 PCA2特征向量矩陣Tab 5 Eigenvector matrix of PCA2

輸入OLI2波段、5波段、6波段、7波段，第二次主成分分析后得到PCA2(1-4)和其特征向量矩陣(表5)。彩色合成PCA1(3，2)，PCA2(3)影像，PCA2主要對(duì)專題信息的數(shù)據(jù)壓縮和信息分離(圖9)。輸入OLI5波段、6波段、7波段，PCA3一般用于提取不同巖性的信息。第三次主成分分析后得到PCA3(1-3)(圖10)和其特征向量矩陣(表6)，彩色合成PCA1(4)、PCA2(3)、PCA3(2)影像，線性構(gòu)造信息進(jìn)一步加強(qiáng)(圖11)。

表6 PCA3特征向量矩陣Tab.6 Eigenvector matrix of PCA3

圖8 臨沂地區(qū)-PCA1(2、3、4)Fig.8 PCA1(2、3、4)image of Linyi area

圖9 臨沂地區(qū)- PCA(3、2)PCA2(3)Fig.9 PCA(3、2)PCA2(3) image of Linyi are

圖10 臨沂地區(qū)-PCA(1-3)Fig.10 PCA(1-3)image of Linyi area

圖11 臨沂地區(qū)- PCA1(4)PCA2(3)PCA3(2)Fig.11 PCA1(4)PCA2(3)PCA3(2) image of Linyi area

5 目視解譯與制圖

多重主成分分析為目視解譯提供了很好的基礎(chǔ)，等為進(jìn)一步提取臨沂地區(qū)的斷層信息，在多重主成分分析后，進(jìn)行紋理分析，其主要方法有統(tǒng)計(jì)法、幾何法、模型法以及信號(hào)處理法等。

經(jīng)二階概率統(tǒng)計(jì)[23]后影像呈現(xiàn)出宏觀、清晰的線性構(gòu)造特征，解譯標(biāo)志明顯，且反映出區(qū)域發(fā)育眾多沿NNE、NW-SE、近SN、近EW向展布的小型斷裂(圖12、圖13)。結(jié)合遙感影像目視解譯標(biāo)志，可提取出臨沂地區(qū)主要線性構(gòu)造的發(fā)育及分布情況(圖14～圖15)。

綜合多重主成分分析結(jié)果和紋理分析后影像呈現(xiàn)出的宏觀、清晰的線性構(gòu)造特征(圖14)進(jìn)行目視解譯。研究區(qū)4條NNE走向的主干斷裂切割深度大、延伸范圍廣。自東向西為昌邑-大店斷裂、白芬子-浮來(lái)山斷裂、沂水-湯頭斷裂、鄌郚-葛溝斷裂[24]。但紋理分析后的影像(圖12～圖13)顯示，在昌邑-大店和白芬子-浮來(lái)山斷裂之間發(fā)育多條獨(dú)立且破碎的斷裂，其構(gòu)成了安丘-莒縣斷裂。因此，部分學(xué)者認(rèn)為的安丘-莒縣斷裂應(yīng)是白芬子-浮來(lái)山和安丘-莒縣兩條平行主干斷裂，即臨沂地區(qū)發(fā)育有5條近于平行的主干斷裂。

圖12 臨沂地區(qū)- Second MomentFig.12 Second Moment image of Linyi area

圖13 臨沂地區(qū)- HomogenityFig.13 Homogenity image of Linyi area

圖14 臨沂地區(qū)-OLI影像解譯Fig.14 Interpretation of -OLI image in Linyi area

圖15 臨沂地區(qū)-斷層線提取Fig.15 Fault line extraction of Linyi are

1)安丘-莒縣斷裂產(chǎn)生于全新世，自晚更新世晚期后沂沭斷裂帶的新構(gòu)造活動(dòng)主要表現(xiàn)在安丘-莒縣斷裂上，1668年郯城81/2級(jí)地震即發(fā)生在該斷裂中段[25]。

2)昌邑-大店、白芬子-浮來(lái)山這兩條主干斷裂之間是區(qū)域歷史形變破碎帶，它們均被2條近EW向斷裂切割，發(fā)生左行走滑，這與郯廬斷裂帶曾發(fā)生過(guò)大規(guī)模 “左行走滑”活動(dòng)觀點(diǎn)一致。區(qū)內(nèi)一條NW-SE向斷裂被昌邑-大店、白芬子-浮來(lái)山兩條主干斷裂切割，并發(fā)生較大距離錯(cuò)位，表明其形成時(shí)間早于昌邑-大店、白芬子-浮來(lái)山斷裂。作為沂沭斷裂帶的東部邊界，昌邑-大店主斷裂控制了膠東斷塊和泰沂蒙斷塊的發(fā)育。白芬子-浮來(lái)山斷裂是東地塹的西部邊界，控制中生代白堊系上統(tǒng)王氏群地層的發(fā)育。

3)沂水-湯頭斷裂是汞丹山地壘的西部邊界，同時(shí)也是馬站-蘇村地塹的東界。該斷裂被一條狹長(zhǎng)的NW-SE向和一條近EW向的次級(jí)斷層切割，其走向變化較大。沂水-湯頭斷裂郯城附近的東西兩側(cè)發(fā)育大量相互切割的小斷裂。

4)鄌郚-葛溝斷裂是沂沭斷裂帶的西部邊界，北段以逆斷層為主，擠壓、扭曲明顯。在鄌郚-葛溝斷裂西側(cè)，發(fā)育有多條近SN 向次級(jí)斷裂，這些斷裂延伸較短，斷層兩側(cè)巖石巖性大多不同，與沂沭斷裂帶中斷層有一定差別。鄌郚-葛溝以西的魯西地塊小斷裂眾多且互相切割，它們基本都沿著區(qū)域內(nèi)次級(jí)斷裂分布。

整體而言，5條NNE向的主干斷裂分布呈現(xiàn)“北疏南密”、“東密西疏”的特點(diǎn)。這與沂沭斷裂帶在第四紀(jì)以來(lái)整體上表現(xiàn)出東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)相一致[11,12]。此外，5條主干斷裂周圍發(fā)育大量NNE向小斷裂，充分反映出5條主干斷裂對(duì)于區(qū)域構(gòu)造的控制。

6 結(jié)論

1)基于OLI影像，經(jīng)圖像預(yù)處理、圖像拉伸、空間濾波增強(qiáng)、多重主成分分析以及紋理分析等處理后，最終解譯臨沂地區(qū)主要斷裂分布情況為,臨沂地區(qū)主要發(fā)育大量NNE向、NW-SE向、近SN向和近EW向4個(gè)方向的斷裂，斷裂間表現(xiàn)出明顯的切割錯(cuò)位關(guān)系。

2)區(qū)域主干斷裂共5條，主干斷裂走向均為NNE向。自東向西依次為昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、白芬子-浮來(lái)山斷裂、沂水-湯頭斷裂及鄌郚-葛溝斷裂。這些斷裂切割深度大、延伸范圍廣，控制著區(qū)域歷史地震和現(xiàn)代地震的發(fā)生，在遙感圖像上表現(xiàn)出明顯的線性構(gòu)造特征和清晰色調(diào)界限。

3)區(qū)域主要次級(jí)斷裂共12條，有較大的切割深度，延展范圍較廣，其中NNE向次級(jí)斷裂2條，NW-SE次級(jí)斷裂4條，近SN向次級(jí)斷裂3條，近EW向3條。

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