多源遙感影像在活動斷裂研究中的應用

李凱 李家存 馬曉雪 李瀟

摘 要：利用遙感技術的直觀性、時效性、受研究區(qū)野外條件限制少及多源遙感數(shù)據(jù)豐富的信息表現(xiàn)等特點，將很好的改善活動斷裂地表調(diào)查受限于研究區(qū)域野外條件的局面。文章綜合選取中等分辨率遙感影像Landsat 7 ETM+，國產(chǎn)高分辨率遙感影像GF-2、ZY-3，以及基于資源三號立體像對提取的數(shù)字表面模型（DSM）和無人機航拍獲取的DSM等資料，根據(jù)多源遙感數(shù)據(jù)的特點，系統(tǒng)總結了小江地區(qū)活動斷裂的遙感影像標志，結合前人研究成果及地表調(diào)查，宏觀與微觀結合，對小江斷裂帶的幾何展布與活動性特征進行了詳細分析與研究。研究結果表明：（1）通過遙感手段，活動斷裂特征提取效果好，確定了小江斷裂帶的幾何展布特征，根據(jù)影像特征，分析得出小江斷裂帶是以左旋走滑運動為主的大型斷裂帶，并將小江斷裂帶分為3段：巧家斷裂，嵩明-通海斷裂帶（小江斷裂帶西支），東川-建水斷裂帶（小江斷裂帶東支）。（2）通過對小江斷裂帶影像特征分析初步將小江斷裂帶按斷層活動性分為強、中、弱3個級別，總體上，小江斷裂帶活動性從北到南逐漸減弱。

關鍵詞：活動斷裂;多源遙感數(shù)據(jù);數(shù)字表面模型;小江斷裂帶;活動性

Abstract： Using the characteristics of the remote sensing technology， such as intuitiveness， timeliness， limitation from the field conditions of the study area and rich information performance of multi-source remote sensing data， it will improve the situation that the active fault surface investigation is limited by the field conditions of the study area. This paper synthetically selects Landsat 7， a medium resolution remote sensing image ETM +， domestic high-resolution remote sensing images GF-2 and ZY-3， digital surface model （DSM） based on stereo image pair of resource 3 and DSM obtained by UAV aerial photography， etc.， according to the characteristics of multi-source remote sensing data， this paper systematically summarizes the remote sensing image signs of active faults in Xiaojiang area， and combines the previous research results and surface survey， macro and micro to Xiaojiang Fault Zone. The geometric distribution and activity characteristics of the model are analyzed and studied in detail. The results show that： （1） through remote sensing， the active fault extraction effect is good， and the geometric distribution feature of Xiaojiang Fault Zone is determined. According to the image feature， the Xiaojiang Fault Zone is a large-scale fault zone dominated by left-handed strike slip movement， and it is divided into three segments： Qiaojia fault， Songming-Tonghai fault zone （the west branch of Xiaojiang Fault Zone）， Dongchuan-Jianshui fault zone （east branch of Xiaojiang Fault Zone）. （2） Based on the analysis of the image characteristics of Xiaojiang Fault Zone， it is preliminarily divided into three levels according to the fault activity： the strong， medium and weak. On the whole， the activity of Xiaojiang Fault Zone gradually weakens from north to south.

Keywords： Active fault; Multi-source remote sensing data; Digital surface model; Xiaojiang fault; activity

0 引言

隨著世界各國航空航天技術的迅猛發(fā)展，遙感技術在20世紀50年代以后得到了急速發(fā)展，以其獨特的優(yōu)勢為地學研究提供了新思路。20世紀七、八十年代，Molnar和Tappinnier開創(chuàng)性地利用Landsat MSS衛(wèi)星影像研究了東亞周邊地區(qū)（Molnar et al.，1975），尤其是“世界屋脊”青藏高原的主要活動斷裂特征，提出了著名的“大陸逃逸”動力學假說，成為應用遙感影像研究活動斷裂的奠基人。進入21世紀，活動斷裂的遙感研究進入“多源化”時代，從單一平臺到多元化平臺，從單一傳感器到多類型傳感器，從低分辨率低精度到高分辨率高精度，豐富的遙感信息極大地提高了活動斷裂遙感解譯可行性，活動斷裂遙感解譯逐步發(fā)展成為一種成熟的活動斷裂的特征提取方法。多源遙感數(shù)據(jù)不僅能從宏觀上客觀地反映活動斷裂幾何展布情況，而且高分辨率遙感產(chǎn)品的出現(xiàn)為活動斷裂細部研究提供了便捷可靠的手段?；顒訑嗔训倪b感研究從根本上改善了以往常規(guī)活動斷裂調(diào)查方法受限于研究區(qū)域地形、氣候及個人主觀意識等因素的局面，從宏觀到微觀研究斷裂的活動特征和演化規(guī)律，并協(xié)助確定斷裂關鍵段落的活動幅度或位移量，深化活動斷裂的研究，顯著提高活動斷裂地面調(diào)查的效率，為綜合分析斷裂帶的幾何學與運動學特征提供重要依據(jù)和參考。

1 區(qū)域概況

廣義的小江斷裂帶被認為是近南北走向以左旋走滑運動為特征的普渡河-玉溪斷裂帶、狹義的小江斷裂帶和曲靖斷裂帶以及其間夾雜的北東向右旋走滑斷裂在內(nèi)的斷裂系統(tǒng)。狹義的小江斷裂帶主要是指其中位于巧家至紅河斷裂帶之間、第四紀期間活動性最為顯著的活動斷裂。該斷裂帶區(qū)域上主要順揚子準地臺西南部川滇臺背斜與滇東臺褶帶兩個二級大地構造單元之間的邊界分布，是西南地區(qū)第四紀活動性十分強烈的大型左旋走滑斷裂帶且歷史上強震頻發(fā)，新構造期間一直被作為川滇菱形活動塊體東側的主邊界斷裂之一（吳中海等，2014）。小江斷裂帶主體位于云南省境內(nèi)，是人口和重大工程的聚集區(qū)，也是云南地區(qū)歷史上發(fā)生5.0級及以上地震活動數(shù)量最多的斷裂帶，屬于云南地區(qū)最顯著的強震控震構造帶。據(jù)歷史記載（中國地震局，2019），沿該斷裂帶曾先后發(fā)生包括1500年宜良7.0級地震、1713年尋甸6.8級地震、1725年宜良6.8級地震、1733年東川7.8級地震、1789年華寧7.0級地震和1833年嵩明8.0級地震等震級≥6.8的強震事件。其中嵩明8級大地震是云南地區(qū)歷史上記載的最大震級地震。因此，可以說小江斷裂帶是云南地區(qū)歷史上強震活動性最顯著的發(fā)震構造帶。研究小江斷裂帶活動性質，對小江地區(qū)人類活動和重大工程選址有重要的意義。

2 多源遙感影像準備與處理

2.1 數(shù)據(jù)源

不同數(shù)據(jù)源各有優(yōu)勢（表1）。Landsat7 ETM+影像具有多個不同波段的傳感器，信息量豐富，不同波段組合分析可以有效增強圖像信息特征，有較好的地表特征宏觀表現(xiàn);國產(chǎn)衛(wèi)星GF-2以及ZY-3影像具備極高的分辨率，可以提高局部微地貌的研究精度。ZY-3三線陣影像提取的DSM和無人機影像提取的DSM精度高，可以有效識別斷裂錯斷地貌構造。考慮到氣候與植被對影像特征提取的影響，應選取植被較少，天氣晴朗時期獲取的影像數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對Landsat ETM+、GF-2 PMS、ZY302-TMS進行幾何校正、假彩色合成以及圖像融合等圖像處理，增強活動斷裂在遙感影像上的表現(xiàn)特征;以資源三號衛(wèi)星三線陣CCD相機立體像對進行特征提取、特征匹配之后，基于影像附帶的RPC文件，求得所有像元三維坐標，生成較高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），無人機影像使用PhotoScan軟件對無人機影像進行處理獲取數(shù)字表面模型提取DSM，協(xié)助活動斷裂遙感解譯。通過以上手段獲取的遙感影像和DSM，包括中等分辨率和高分辨率的影像，能夠從宏觀到微觀提取活動斷裂的影像特征（圖1）。

3 小江斷裂帶主要遙感標志

活動斷裂是現(xiàn)今仍在活動或近代地質時期曾有過活動，將來還可能重新活動的斷裂，由于斷裂的活動往往會顯著影響或控制現(xiàn)今地貌的發(fā)育和演化，而不同性質活動斷層形成的構造地貌又往往具有不同的表現(xiàn)形式，一般來說，往往時代愈新的活動斷裂，活動性愈強，其地質-地貌活動性證據(jù)也愈完整（吳中海等，2014;高維明等，1993;鄧起東等，2008;馬曉雪等，2016;李家存等，2014;李凱等，2016;謝廣林等，1982）。走滑斷層以水平錯動為主，當錯動第四紀地質-地貌面如山脊、階地、沖洪積扇時，常導致水系與沖洪積扇發(fā)生定向遷移，形成水系偏轉現(xiàn)象。活動正斷層切割第四紀或晚第四紀地貌面可導致地貌面高度發(fā)生梯次規(guī)律性變化，常形成階梯狀的斷層崖（吳中海等，2004）?；顒幽鏀鄬忧懈铄e動地貌面，常導致地貌面延斷裂帶發(fā)生梯次抬升。所以構造地貌是識別活動斷裂的主要標志（李裕徹，1981）。遙感影像不僅直觀地表現(xiàn)活動斷裂的構造形態(tài)，同時又宏觀地反映斷裂活動性等特征。活動斷裂的遙感影像標志主要有色調(diào)、地層、地貌、水系等，表現(xiàn)在地貌上主要有：斷層三角面、水系錯動、沖溝錯動、盆地等（李凱等，2016），小江斷裂帶的遙感標志可以歸為兩類：線性標志和水平錯動標志。

3.1 線性標志

活動斷裂通常在遙感影像上表現(xiàn)出線性特征，尤其是規(guī)模較大，活動較活躍的斷裂。因為斷裂活動可以造成斷裂的電磁輻射反映與其兩側的地質體或地貌形成較大的差異，在遙感影像上可以清晰的顯示。如小江斷裂帶巧家段（圖2），在ETM+741合成的影像上，線性特征非常清晰，可以一目了然地識別它，給活動斷裂宏觀特征解譯提供了較好的影像證據(jù)，但是受影像分辨率限制，活動斷裂局部特征在影像上表現(xiàn)不佳。國產(chǎn)高分辨率GF-2 432合成影像較ETM+741合成影像分辨率高，在線性特征影像局部，小江河谷線性筆直，反映了巧家斷裂強烈的活動性，且斷層兩側的構造地貌特征反映良好。兩類影像在色調(diào)、紋理等圖像特征上表現(xiàn)不同，表達信息不同，信息豐富度不同，可以很好地優(yōu)勢互補，從微觀到宏觀對活動斷裂的特征進行解譯，從而更詳細地了解斷裂的性質。

不同地質體與地貌體一般具有不同色調(diào)與形態(tài)， 而當它們的分界線呈現(xiàn)一定線性圖形時，都可能受活動斷裂控制，往往成為活動斷裂的遙感標志。如東川斷裂尋甸縣城段，東川斷裂構成了尋甸盆地的邊界，長條狀尋甸盆地顯然是受到斷裂活動控制，形成的走滑拉分盆地，斷裂在ETM+（圖3a）和GF-2（圖3b）遙感影像上都表現(xiàn)出線性特征，斷裂兩側色調(diào)呈現(xiàn)明顯差異，在GF-2影像上，盆地邊界局部的線性特征也表現(xiàn)筆直，根據(jù)ETM+741合成影像可較好的反映地層含水量的特征，影像上深藍色區(qū)域可能是斷裂活動造成的第四紀沉積物、地下水儲量和埋深分布以及植被等差異導致。

斷裂活動往往可以留下一系列活動特征點的線狀分布，如湖泊、盆地等負地形的線狀分布、溫泉和火山口的線狀排列和河流同步拐彎點的連接線等等，這些特征點沿斷裂分布一般都是斷裂錯動形成的。在小江斷裂帶南段，宏觀上，線性影像特征明顯沒有北段突出，但是沿斷裂發(fā)育了一系列湖泊盆地等負地形，在ETM+741波段合成的影像上，一系列負地形地貌的連線構成線性特征（圖4），可以作為解譯活動斷裂的佐證。

3.2 水平標志

活動斷裂水平方向上的走滑運動往往引起斷裂兩側地層和地貌水平方向上的扭動，在地貌上主要表現(xiàn)為兩側地貌的錯動形變，如地層錯動、河流同步轉折、沖溝錯動等。如宏觀上，ETM+741波段合成影像上可以發(fā)現(xiàn)，河流在影像上表現(xiàn)出細長型深藍色線條，金沙江隨小江斷裂帶巧家斷裂走滑運動偏轉，偏轉量達到63km左右（圖5a）;細部特征發(fā)現(xiàn)，蒙姑鄉(xiāng)沖溝隨斷裂走滑錯動約170～180m，沖溝形態(tài)呈現(xiàn)左向偏轉，在GF-2上表現(xiàn)出良好，代表了巧家斷裂左旋走滑的運動性質。通過量測構造地貌錯動量，可以作為斷裂活動性判斷的標志（圖5b），一般來說，錯動量與斷裂活動性呈正相關關系，錯動量越大，其斷裂活動性越大。在沿嵩明-通海斷裂帶的局部構造地貌解譯證據(jù)中，以ZY-03數(shù)據(jù)生成的DSM為例，最典型的是沿斷裂發(fā)育的菱形狀烏龍盆地（圖5c）和巧家線性槽地（圖5d），在烏龍盆地中發(fā)育有被斷裂左旋錯動的沖積扇，皆指示了該斷裂帶顯著的左旋走滑特征。

4 解譯結果

4.1 巧家斷裂

巧家斷裂整體呈N165° E走向，在遙感影像上形跡較為單一且連續(xù)性好，總長約80km。其在ETM+遙感圖像中表現(xiàn)出如刀切般的筆直線性影像，順金沙江和小江河谷發(fā)育線性溝谷地貌，在線性溝谷中可見斷層錯動沖洪積扇體、河流階地和基巖山咀等形成的擋水凸起、斷槽和水系左旋錯動或偏轉等現(xiàn)象，在蒙姑鄉(xiāng)、豆腐溝、補位村及新田壩等地，存在有表現(xiàn)為一致“S”型的左向扭動的沖溝（圖6b-e），這些沖溝沿斷裂呈線性分布，指示這些地區(qū)的沖溝受左旋走滑斷裂活動沿斷層產(chǎn)生明顯錯動。在補位村實地驗證的結果也顯示該斷裂左旋走滑的特征（圖7）。

4.2 嵩明-通海斷裂帶

嵩明-通海斷裂帶整體為N8°E走向，北段線性顯著單一，南段分散為多條分支斷裂，從云南昆明市東川區(qū)東北部小江河谷西側的新田壩村向南順小清河延至半坡村，再過烏龍盆地、蒼溪盆地和清水海，并穿過嵩明盆地、陽宗海盆地、撫仙湖盆地和江川盆地、通海盆地和曲江盆地西側，全長約270km。根據(jù)遙感解譯斷裂的幾何展布與接觸情況，可將該斷裂帶初步分為4條呈左階斜列的主干斷層：嵩明斷裂、澄江斷裂、路居斷裂和里山斷裂，在4條斷裂的斜接部位發(fā)育了陽宗海、撫仙湖和杞麓湖共3個近南北向的左旋走滑拉分盆地。另在該斷裂帶的鄰側和尾端部分還包含了2條分支斷裂，從北向南分別為草甸斷裂和江川斷裂，沿著斷裂分別發(fā)育有草甸海盆地和江川盆地（圖8）。嵩明斷裂整體上線性顯著，最宏觀的構造地貌特征遙感證據(jù)為沿斷裂走向發(fā)育的至少6個較為顯著但規(guī)模不等、呈菱形和狹長狀長條形的走滑拉分谷地或盆地。其中，在長軸約7.5km的烏龍盆地，DSM影像上顯示在安秧村發(fā)育了長近800m，寬近200m的斷層槽地（圖9a）。在蒼溪盆地有斷層錯斷沖積扇發(fā)育有斷層槽地，高差達30m（圖9b）。在水馬田、大平地村等地有明顯的左旋沖溝錯動（圖9c、圖9d）。

4.3 東川-建水斷裂帶

東川-建水斷裂帶整體上呈近南北走向，向南帚狀分布。全長約336km（圖10）。其中東川至尋甸段為結構相對簡單的東川斷裂，在阿旺鎮(zhèn)以北，斷層呈N160°E走向，長約46km，從阿旺鎮(zhèn)向南，斷層轉為近南北走向，長約112km，其中在長軸約6.5km的功山盆地附近發(fā)育了一系列沖溝被左旋錯動的現(xiàn)象，尤其是在石板橋附近，3條相距很近的沖溝沿斷裂同步錯動，而且錯動量相近，分別為800m，800m，600m（圖11a）。尋甸至宜良間緊密相鄰、平行分布的東、西兩條次級斷裂，西支稱為宜良斷裂，呈近南北走向，長約84km。東支稱為賈龍河斷裂，近南北在葡萄村附近與西支斷裂相并，長約76km。賈龍河斷裂與東川斷裂在宜良盆地西南側合并，過通紅甸等地向南延伸至盤溪鎮(zhèn)與盤溪斷裂合并，稱為通紅甸斷裂，斷裂呈近南北走向，全長約70km。從尋甸盆地東南部山區(qū)經(jīng)宜良盆地東部、盤溪至華溪鎮(zhèn)東部段落可稱為盤溪斷裂，整體呈近南北走向，全長約140km。局部典型的構造地貌證據(jù)線性排列同步偏轉的沖溝（圖12b-d）。從華寧縣北部的革勒村一帶向南至建水縣南莊鎮(zhèn)一帶的段落包含了東、西兩支緊密相鄰、平行分布的次級斷裂（分別為華寧東支斷裂和華寧西支斷裂），整體呈近南北走向，全長約65km。其在革勒至小寨間包含了緊密相鄰且平行分布的東、西兩條分支斷裂，東、西兩支斷裂在建水縣小寨村附近發(fā)生合并，并向南延伸到建水北部，延伸的部分稱為東山壩斷裂，呈近南北走向，全長約50km。從建水縣的壩埂腳一帶向南至烏梅-牛滾塘段落是東川-建水斷裂東支盤溪斷裂的向南斷續(xù)延伸部分，也是該斷裂帶的最南段，稱為新寨斷裂，新寨斷裂呈N18°E走向，全長約65km。以上斷裂局部左旋走滑特征不明顯，活動性較弱。

通過對小江斷裂帶詳細的解譯，取多源遙感影像之長處，相互彌補，之后選擇關鍵地點進行地表調(diào)查。從熟悉地區(qū)入手，由簡及難，摸清各特征要素之間的關系，先得到宏觀特征及地貌上證據(jù)，然后逐步分析，綜合地面調(diào)查與地質資料（圖12）準確得出小江斷裂帶整體幾何展布及分段性特征。

4.4 小江斷裂帶活動性分級

通過斷裂規(guī)模、錯動量（表2）對比、典型地貌特征、活動斷裂影像線性顯著程度、盆地受斷裂影響程度等綜合分析，可將小江斷裂帶按活動性強弱初步分為強、中、弱3類（表3）。

巧家斷裂帶的斷層活動影像特征中，除了宏觀上醒目的線性影像特征外，沿巧家斷層依次發(fā)育有一系列典型的可量測的左旋走滑活動標志。其中，巧家斷裂上最顯著的走滑活動標志是巧家拉分盆地，及金沙江跨斷裂發(fā)生近63km的左旋偏轉，都揭示了巧家斷裂是左旋走滑運動強烈的斷裂。對比解譯得出的偏轉量，金沙江63km是小江斷裂帶錯動地貌最大位移量。因此定義巧家斷裂為活動性等級為強。通過橫向對比來確定其他斷裂的活動性。

通過統(tǒng)計小江斷裂帶典型錯斷地貌錯動量可以發(fā)現(xiàn)：嵩明斷裂和東川斷裂的影像特征線性顯著且單一，而且規(guī)模較大，局部左旋錯斷地貌特征顯著，其中分別發(fā)育了長軸7km左右的菱形第四紀拉分盆地（烏龍盆地、蒼溪盆地、功山盆地），活動性強;

小江斷裂帶中段，斷裂空間展布漸復雜，線性程度較北段差，宏觀上的特征指示活動性較弱于北段，澄江斷裂、草甸斷裂、宜良斷裂和賈龍河斷裂小規(guī)模沖溝錯動量大致相近，大部分在200m左右，且其最大錯動量都在2～3km左右，處于同一量級，一定程度上也可以代表其活動性相近的特點;中段斷裂規(guī)模與線性程度北段差，綜合對比，活動性中。

小江斷裂帶南段，華寧斷裂、路居斷裂、東山壩斷裂等，雖然線性影像特征清晰，但是局部左旋走滑特征不明顯，且斷裂規(guī)模小于中北段斷裂，活動性弱。

4.5小江斷裂帶活動特征與盆地的關系

在小江斷裂帶區(qū)域發(fā)育了許多盆地，盆地沿斷層展布，斷層構成了盆地邊界，揭示了盆地的發(fā)育受小江斷裂帶活動影響的特點，且隨著小江斷裂帶幾何展布及活動特征向南逐步復雜化（圖13），盆地的數(shù)量逐步增多，或斜列，或呈線性分布，且盆地的形狀特征也發(fā)生變化?？梢詫⑴璧胤譃橐韵聝深悾?/p>

（1）小江斷裂帶北段，盆地發(fā)育受小江斷裂帶顯著影響，基本上都是狹長型的第四紀盆地，且隨單一斷裂走向呈線性分布，不僅發(fā)育有大型菱形走滑拉分盆地，如巧家盆地，尋甸盆地;而且局部也發(fā)育了一些槽地和谷地。

（2）小江斷裂帶嵩明以南，斷裂空間展布復雜，分支斷裂較多，盆地發(fā)育受南段復雜的活動特征影響，數(shù)量增多，隨斷裂走向左階斜列，形態(tài)較北段復雜。

5 結論

利用中分辨率的Landsat ETM+影像、高分辨率的GF-2 PMS影像、基于資源三號立體像對提取的高分辨率數(shù)字表面模型（DSM）、以及無人機影像提取的超高分辨率DSM，經(jīng)過圖像處理，突出活動斷裂遙感解譯標志，系統(tǒng)地建立了適用于小江斷裂帶的活動斷裂遙感解譯標志，多源遙感影像相互配合，提高斷層解譯準確性，同時結合實地驗證，重點提取了小江斷裂帶3條主干斷裂帶（巧家斷裂，嵩明-通海斷裂，東川-建水斷裂）幾何展布與活動性特征，綜合分析斷裂帶多源遙感影像的線性特征及各種錯斷地質-地貌體現(xiàn)象，結合地質資料，對小江斷裂帶活動性進行了系統(tǒng)總結與分級，小江斷裂帶活動特征以左旋走滑為主，分為強、中、弱3個級別，總體上，小江斷裂帶活動性從北到南逐漸減弱。

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