沂沭斷裂帶北段活動構造遙感地質解譯與檢驗

王華林，王紀強

(山東省地震工程研究院，山東濟南250021)

一、引 言

沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶的中部，是郯廬斷裂帶最為活躍的段落[1-4]。沂沭斷裂帶北段公元前70年發生過安丘7級地震，沂沭斷裂帶北段活動構造的深入研究，對評價本地區的地震危險性，社會和經濟可持續發展有著重要的意義。沭斷裂帶北段活動構造遙感地質解譯與檢驗是“十二五”國家科技支撐計劃項目，郯廬地震斷裂帶中段地震活動規律及地震危險區判定研究(2012BAK19B04-01)和中國活斷層綜合探查—華北構造區安丘—莒縣斷裂1∶5萬條帶狀活動斷層填圖(022929)研究內容的一部分。本專題研究的目的在于為沂沭斷裂帶北段斷裂活動性鑒定和安丘—莒縣斷裂活動斷層填圖提供地質構造背景資料和基礎圖件，確定沂沭斷裂帶北段斷裂的空間分布，為評價沂沭斷裂帶北段的斷裂活動性和地震危險性提供了依據。

本項研究在遙感影像數據和基礎地理信息數據的收集與整理、遙感影像數據處理(遙感影像幾何校正與配準和矢量數據的坐標轉化等)、數字圖像增強技術與綜合信息提取(彩色增強、空間增強、紋理分析和自適應濾波等)的基礎上，根據衛星遙感影像色彩、色調異常、微地貌特征、水系和紋理特征，提取了活動構造遙感地質解譯的垂直錯動標志和水平錯動標志。依據這些標志，對沂沭斷裂帶北段的活動構造進行了遙感地質解譯，通過野外地質考察與驗證和斷層活動資料的分析對比，把具有斷裂性質的線形構造確定為斷裂等，從而得出了本區域的斷裂的構造類型、組合和展布規律，并對斷裂活動性做出定性評價。

二、沂沭斷裂帶北段活動構造遙感地質解譯

1．活動構造遙感地質解譯標志

遙感構造研究的基礎是顯示在圖像上的客觀存在的地質構造現象。一條規模較大的活動斷裂，可以控制晚第三紀、第四紀的沉積及其相應時代的巖漿噴發，沿斷裂形成各種構造地貌，造成斷層兩側的地貌差異、扭動變形與水系的同步轉折等。因此，它們的活動狀態，在衛星圖像上可以通過形態特征信息和色調信息進行判定。活動斷裂遙感影像標志可歸納為垂直錯動標志和水平錯動標志。在活動斷裂遙感地質解譯中，水平錯動標志要比垂直錯動標志易于識別。

(1)垂直錯動標志

通過衛星圖像中活動斷裂的垂直差異錯動的影像信息特征、形態特征等分析對比，歸納總結出以下主要垂直錯動標志：① 地層斷錯標志，活動構造兩側地層巖性成份的差異、地質體的厚度差異、地層的拖曳現象等，在影像特征上主要表現為兩側色調的差異及灰階的差異、第四系和基巖的明顯分界線、黃土地區的連續滑坡弧的出現、植被的生長狀況的不同等，這在遙感影像上都是十分明顯和清晰的。如上五井斷裂，斷裂兩盤明顯的地層差異特征十分明顯(圖6(a));②斷層崖和斷層三角面標志，斷裂的垂直差異錯動是一盤表現為強烈上升，沿斷裂往往形成了陡峭的斷層崖(陡坎)，或者發育了一系列整齊排列的斷層三角面。在遙感圖像上，斷層崖(陡坎)與斷層三角面的形態典型影像特征一般表現為暗色調陰影比較明顯，易于鑒別，是斷裂垂直差異錯動的重要標志，通過影像判讀還可以獲得活動斷裂垂直錯動的信息;③水系展布特征變化標志，垂直差異錯動顯著的活動斷裂兩側，常常呈現不同的水系形式，活動斷裂通常成為兩種水系形式的轉折點，在上升盤，水系形式一般呈深切的樹枝狀水系或格子狀水系，在下降盤，一般形成了淺切割的樹枝狀水系、平行狀水系、羽狀水系或扇形水系，水系特征在衛星圖像上，影像清晰，形式典型，是判讀斷裂構造的最主要影像標志之一;④沖—洪積扇的標志，斷裂兩側強烈的垂直差異錯動，往往造成斷裂兩盤形成了兩種對照鮮明、地形反差大的地貌類型，抬升的一盤隆起成為山地，下降的一盤發育了一系列沖—洪積扇，它們沿斷裂呈整齊的線狀排列，扇頂部明顯受活動斷裂的控制，有時同一條活動斷裂控制著幾期洪積扇或沖積扇發育，可以作為斷裂經歷了幾次垂直差異錯動和相對穩定的變化過程的識別標志，它是活動斷裂的階段性隆升所致，在影像上表現為幾期沖—洪積扇的疊加，如臨朐上五井鎮西部的山腳下，由于上五井斷裂的控制作用，山前的洪積扇前緣沿一條直線分布(圖6(a));⑤地貌形態變化標志，各種地貌形態都是新生代以來，內、外地質應力聯合作用的結果，因此，利用地貌類型對比法，往往可以在衛星圖像上分析斷裂垂直差異錯動的狀況，在影像特征上主要表現為地形上形成陡坎、兩側地貌類型有明顯差異，夷平面及河流階地的高度差異，沙丘、泉水、水井等沿一條直線定向排列，斷層切割山體形成負地形，負地形呈直線狀排列，如沿益都—無棣斷裂負地形和水塘呈直線狀分布(圖6(b));⑥ 湖泊與斷陷盆地標志，斷陷湖泊與斷陷盆地的發育，是斷裂活動的重要佐證，活動斷裂常常控制著盆地與湖泊的邊緣，而另一側為隆起，反映了斷裂的垂直差異錯動，再一種情況是多個斷陷湖盆的線狀展布，受同一條活動斷裂的活動所控制，在影像特征上，兩側色調呈現明顯不同，尤其在湖泊的邊緣，湖岸線狀特征較明顯，在衛星影像上，這類標志比較容易鑒別和對比，如上五井斷裂控制臨朐盆地發育。

(2)水平錯動標志

通過衛星圖像中活動斷裂的水平錯動的影像信息特征、形態特征等分析對比，歸納總結出以下主要水平錯動標志：①巖性地層標志，斷裂活動可以引起兩盤地層的牽引、拖曳、變形、褶曲與斷錯，在衛星遙感影像上，主要表現為地層的重復與缺失、巖層產狀的突然改變、地質體的錯開、正負地形的不對稱接觸，在遙感影像圖上，斷裂兩側顏色特征的差異十分醒目，容易識別，如雙山—李家莊斷裂，由于斷層兩側地層存在明顯差異，在斷層兩盤形成不同的紋理色調(圖6(c));②地貌形態標志，現代地貌形態一般都是新生代發育成形的，因此當活動斷裂具有較大的水平錯距時，往往山脊、山嘴、條帶狀剝夷面等被錯開，并發生扭動變形，在遙感影像上，不論其上部有無覆蓋層，這些標志都比較明顯，在遙感解譯中相對比較容易判讀，例如，在郯廬斷裂帶的4條斷層共同作用下形成的兩塹夾一壘特殊地貌(圖6(d))，在地塹內發育沂河、沭河水系，富水，影像呈深色調;③ 盆地和湖泊的扭動變形，受活動斷裂控制的盆地與湖泊，當斷裂兩盤發生顯著的水平錯動時，它們的形態往往發生扭動變形，這種扭動變形與一些大規模的活動斷裂有關，在影像上表現為一些大范圍的變化;④水系格局的異常，斷裂兩盤的水平錯動導致穿過活動斷裂的河流和沖溝發生同步轉折和扭曲，活動斷裂水平錯距的大小，左旋和右旋錯動方式的不同，可以導致河流和沖溝在平面上呈現出不同的形態，是一種判斷斷裂水平錯動的重要標志，如受上五井斷裂控制，沿斷層線出現水系“肘”狀拐彎，受高崖—劉家莊斷層控制，影像上呈深色調的水點沿斷層的走向分布，宏觀上在一條直線上，受安丘—莒縣斷裂控制，濰河的下游呈直線狀流入萊州灣，不對稱平行狀、不對稱樹枝狀、帚狀水系等都是由于斷裂的垂直差異錯動所引起的;⑤ 洪積扇形態的變形，洪積扇、沖—洪積扇的發育，雖是活動斷裂垂直差異錯動的標志，但當它們的形態發生偏扭變形，扇形地的中軸線與斷裂斜交時，往往表征了活動斷裂兼具水平錯動，而且其偏扭擺動方向反映了所在盤的水平運動方向;⑥谷地的同步不對稱，在斷裂水平錯動過程中，跨斷裂河流常常發生同步的旁蝕作用，造成兩岸谷坡不對稱，而旁蝕形成的侵岸和陡谷坡即反映了該盤的前進方向，衛星圖像上，緩谷坡的色調較淺，第四系發育較好，陡谷坡的色調較深，常可見到侵蝕壁、侵蝕崖的發育，陰影明顯。

自然界中，單純的水平錯動或單純的垂直錯動是極少見的，所以，在衛星影像圖上解譯和判讀活動斷裂時，需要兼顧水平錯動和垂直錯動的標志。

2．活動斷裂遙感地質解譯

本次工作共解譯出145條斷裂，據其規模和對城市建設的影響程度以及對地質體的控制和活動情況等，將其分為三級。重點對一、二級斷裂構造進行了解譯，解譯結果如圖1所示。

圖1 沂沭斷裂帶北段的斷裂構造遙感地質解譯圖

一級斷裂構造是指控制區域沉積作用、構造變形作用、巖漿作用、變質作用及成礦作用，斷裂切割深度大、延伸長，對歷史地震和現代地震有明顯控制作用的線性斷裂構造。區內一級線性斷裂構造有4條：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。

二級斷裂構造是指切割深度較大、延展較長、對次級盆地有控制作用或改造作用，它們常是不同地質斷塊的構造邊界，控制三級斷裂構造，對中強地震具有控制作用。區內二級線性斷裂構造主要有19條：青州西—石頭溝斷裂、上五井斷裂、朱劉店斷裂、濰縣斷裂、高崖—劉家莊斷裂、平原斷裂、溫泉—大石戈莊斷裂、景芝斷裂、昌樂西斷裂、朱劉店—王望斷裂、白浪河斷裂、甘泉莊—苗山斷裂、雙山—李家莊斷裂、益都—無棣斷裂、昌樂—廣饒斷裂、寒亭—坊子斷裂、上口鎮—岞山鎮斷裂、二十里鋪斷裂、廣齊斷裂等。

系統歸納和總結了23條一、二級斷層的影像特征和解譯標志，編制沂沭斷裂帶北段的遙感地質斷裂構造解譯圖(圖1)。解譯結果表明，區內發育北北東向、北西向、近南北向和近東西向4組斷裂。北北東向斷裂和北西向斷裂為區內的主要斷裂，為一級和二級斷裂，兩組斷裂全新世至晚更新世有過不同程度的活動，部分為早中更新世多斷裂，對強震和中強地震具有控制作用。公元前70年安丘7級地震發生在昌邑—大店斷裂和安丘—莒縣斷裂控制的地塹內，1829年6．25級地震發生在上五井斷裂與雙山—李家莊斷裂和益都—無棣斷裂交匯部位。近南北向和近東西向斷裂，多為次級斷層，為前第四紀斷裂，部分為早中更新世斷裂，這些斷裂對區內5級以上地震無控制作用。

三、沂沭斷裂帶北段活動構造遙感地質解譯的野外檢驗

在遙感地質構造解譯的基礎上，重點對上五井斷裂、雙山—李家莊斷裂、鄌郚—葛溝斷裂、沂水—湯頭斷裂、安丘—莒縣斷裂、昌邑—大店斷裂6條主要活動斷裂進行了野外地質考察，對解譯成果進行了野外實地檢驗，檢驗率為100%。說明在研究區內利用衛星遙感影像解譯地質構造是可行的。采集了5個斷裂測年樣品，進行了斷裂活動性鑒定，獲得了上五井斷裂、雙山—李家莊斷裂、鄌郚—葛溝斷裂和安丘—莒縣斷裂的新活動地質剖面和活動年代數據。野外地質考察與檢驗剖面論述如下。

1．安丘—莒縣斷裂安丘地震臺西側地質剖面

安丘—莒縣斷裂在安丘市地震臺西側有良好的線性構造影像(圖6(e))。野外地質考察發現，斷裂發育在白堊系王氏組暗紫紅色砂頁巖、砂礫巖中(圖2)，斷裂面陡立，產狀為110°∠87°。沿斷裂發育構造透鏡體、斷層泥。東盤為暗紫紅色砂礫巖，向西緩傾斜。西盤巖性為暗紫紅色砂頁巖。在斷層露頭中采集了斷層泥熱釋光測年樣品，測試年齡為(20．49±1．74)Ka，表明安丘—莒縣斷裂晚更新世有過活動。

圖2 安丘—莒縣斷裂安丘地震臺西側地質剖面(圖1中4號考察點)

2．鄌郚—葛溝斷裂唐阝吾阝鎮西寺山北沖溝南壁地質剖面

鄌郚—葛溝斷裂在遙感影像上活動斷裂特征明顯，主要表現為清晰的色調界線。在鄌郚鎮西側有良好的線性構造影像(圖6(f))。野外地質考察發現，斷裂發育在寒武—奧陶系與白堊系王氏組。斷裂產狀為110°∠77°，為正斷層。巖石強烈擠壓破碎，呈直立片狀，局部發育揉皺。次級裂面、斷層泥、斷層角礫巖、構造透鏡體等十分發育。在該處一東西向的沖溝的南側，第四系黃土層在斷裂通過處被斷錯(圖3)，顯示斷裂的活動性，熱釋光測年結果表明，斷裂活動時間為(11．59±0．98)Ka之后。

3．雙山—李家莊斷裂青州市五里鎮趙河村東的磚廠南地質剖面

雙山—李家莊斷裂在衛星影像上活動特征明顯，主要表現為斷層三角面、陡坎線狀分布、微地貌、山脊左行錯移、控制現代地形，控制臨朐盆地的北邊界、不同地貌單元的分界線、色調異常線、不同地質體線狀接觸界限，影像清晰，線性特征明顯。青州五里鎮西側有良好的線性構造影像(圖6(g))。野外地質考察發現，斷裂在青州市五里鎮趙河村東的磚廠南河岸處第四紀黃土剖面有顯示，雙山—李家莊斷裂由兩個反傾的傾角陡峻的正斷層組成，兩斷面間距離約100 m，構成一地壘構造(圖4)。F1斷層產狀為50°∠70°，為正斷層。斷層北東盤為夾薄層黃土的砂礫層，南西盤為寒武系鳳山組竹葉狀灰巖、薄層灰巖與頁巖組成。F2斷層產狀為240°∠75°，斷層北東盤為為寒武系鳳山組竹葉狀灰巖、薄層灰巖與頁巖組成，南西盤為第四系含砂礫夾層的黃土組成。在斷層F1北東盤黃土層中取樣，熱釋光測年值為(16．73±0．57)Ka，說明雙山—李家莊斷裂活動時間應為16 700年后。

圖3 鄌郚—葛溝斷裂鄌郚鎮西寺山北沖溝南壁地質剖面圖(圖1中3號考察點)

圖4 雙山—李家莊斷裂青州市五里鎮趙河村東的磚廠南地質剖面圖(圖1中2號考察點)

4．上五井斷裂五井鎮茹家莊橋東約100m處沖溝南地質剖面

上五井斷裂在衛星影像圖上活動斷裂特征十分明顯且典型，表現為不同色調的線性界面、不同影紋的界線、山區與盆地不同地貌單元的分界線、沖洪積扇前緣呈直線狀、斷層三角面及斷層陡崖成清晰的直線分布和水系同步拐彎。在斷裂東側的臨朐盆地內發育一系列與斷裂近于直交的小型梳狀水系。在五井鎮茹家莊東西兩側有兩條十分清晰的平行線性構造影像(圖6(h))。野外地質考察發現，在茹家莊西側的線性構造影像為老斷裂的繼承性活動，而茹家莊東側的線性構造影像具有新生性活動特點。在茹家莊橋東約100m處第四紀河流相礫石層被斷錯(圖5)，斷層走向北東40°，傾向南東，傾角57°，斷層為正斷層。斷層上盤自下而上為：④含鈣質結核黃土，結構疏松，含豆狀團粒，孔洞發育，柱狀節理不發育，厚約2m;③礫石層，呈楔狀，礫石成份為石灰巖，磨圓度一般，礫徑一般2～4 cm，礫石被砂泥充填，膠結中等;礫石層中夾少量黃土;②砂礫石層。下盤為含礫砂土層。在上盤礫石層中取黃土熱釋光樣，其測年值為 19．41±0．79 Ka，說明斷層活動時間應為19 000年之后。

圖5 上五井斷裂五井鎮茹家莊橋東約100m處沖溝南地質剖面圖(圖1中1號考察點)

需要特別強調的是，上五井斷裂茹家莊橋東斷裂活動剖面的發現，說明斷裂活動具有方位上的繼承性，活動位置上的新生性，即斷裂活動的遷移性。上五井斷裂茹家莊橋東斷裂活動剖面發育上五井斷裂主斷裂的東側100 m處，第四紀河流相礫石層被斷裂斷錯。斷裂活動的遷移性在中國東西部的許多重要活動斷裂上具有普遍意義。

本項研究為安丘—莒縣斷裂1∶5萬條帶狀活動斷層填圖(022929)工作提供了良好的基礎資料，為確定沂沭斷裂帶北段斷裂的空間分布，評價沂沭斷裂帶北段的斷裂活動性和地震危險性提供依據。沂沭斷裂帶北段活動構造遙感地質解譯與檢驗的實踐證明，具有周期性、視野寬廣和信息豐富的遙感數據和便捷快速的圖像處理技術，在斷裂構造探查和活動性鑒定中有著廣泛的應用前景。

圖6

[1]晁洪太，李家靈，崔昭文，等．郯廬斷裂帶中段全新世活斷層的幾何結構與分段[M]．北京：地震出版社，1994．

[2]國家地震局地質研究所．郯廬斷裂[M]．北京：地震出版社，1987．

[3]李家靈，晁洪太，崔昭文，等．郯城活斷層的分段及其大震危險性分析[J]．地震地質，1994，16(2)：45-50．

[4]魏光興．郯廬帶地震活動性研究[M]．北京：地震出版社，1993．