利用三維可視化衛星遙感影像分析龍蟠-喬后斷裂帶的幾何結構1

胡朝忠田勤儉楊攀新郝 平王 林湯 勇熊仁偉余建強梁 朋蘇 鵬

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）湖北省地震局，武漢 430071

3）云南省地震局，昆明 650224

利用三維可視化衛星遙感影像分析龍蟠-喬后斷裂帶的幾何結構1

胡朝忠1）田勤儉1）楊攀新1）郝 平1）王 林1）湯 勇2）熊仁偉1）余建強3）梁 朋1）蘇 鵬1）

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）湖北省地震局，武漢 430071

3）云南省地震局，昆明 650224

本文對龍蟠-喬后斷裂，采用1/5萬數字高程模型和2.5m分辨率的ALOS遙感影像，在ENVI 4.5平臺上將二者融合，獲取三維可視化衛星遙感影像。從不同的角度、尺度，對三維影像進行構造地貌解譯，獲得斷裂的展布和活動性質。之后選擇部分場點考察驗證，發現地質地貌體的斷錯特征與影像上分析的一致，說明三維影像的構造地貌解譯在獲得斷裂幾何展布研究中完全適用。本文應用該方法對龍蟠-喬后斷裂的研究表明：龍蟠-喬后斷裂由北向南依次經過老母增、龍蟠東、鴻文、雄古、北高寨、龍門邑、桃園、東富樂、巖峰場等；依據斷裂幾何不連續、走向變化、活動性質變化等，由北向南分為龍蟠段、鴻文段、九河段、劍川盆地段、東富樂段。龍蟠段與鴻文段為左旋左階斜列；鴻文段與九河段為左旋左階斜列，九河段走向相較鴻文段和南側的劍川段逆時針旋轉約5°，九河盆地的發育與走向變化相關；九河段與劍川盆地段為左旋右階斜列，劍川盆地的發育不僅與龍蟠-喬后斷裂相關，更可能與麗江-小金河斷裂的活動也相關；劍川盆地段與東富樂段為左旋右階斜列，斜列區為拉分性質的沙溪盆地。綜上可知，龍蟠-喬后槽谷的形成與斷裂最新幾何結構和運動性質僅在部分段落上一致，從這個角度看槽谷的形成不排除古河道等其它因素的影響。

三維影像 龍蟠-喬后斷裂 構造地貌 幾何結構 分段

胡朝忠，田勤儉，楊攀新，郝平，王林，湯勇，熊仁偉，余建強，梁朋，蘇鵬，2015.利用三維可視化衛星遙感影像分析龍蟠-喬后斷裂帶的幾何結構.震災防御技術，10（4）：819—830.doi：10.11899/zzfy20150401

引言

活動斷裂的發育受區域地球動力場控制，且常在古老斷裂帶、縫合帶基礎上復活，所以要確定最新活動斷裂的幾何位置，需對區域地質調查報告等資料進行詳細分析，確定古老斷裂帶、縫合帶位置及其對地質、地貌單元的控制。物性、時代不同的地質、地貌單元在遙感影像上表現出不同的色調、紋理；根據沖溝、階地前緣等線性標志被系統性斷錯的位置，能夠確定活動斷裂的幾何展布全貌，且對于大尺度的位錯，在影像上更易識別。斷裂兩側的地質地貌體，由于斷裂的斷錯作用，位置、物性、抗風化能力不同，在形態、高程等方面表現也不同。將遙感影像與數字高程模型融合，既保留了地質地貌體的遙感影像特征，又增加了三維高程信息，能更直觀地分析斷裂的展布位置（陳正位等，2004；任治坤等，2005；田勤儉等，2009；徐岳仁等，2009；胡朝忠等，2012；2014；董彥芳等，2012；李有利等，2012；湯勇等，2014；高戰武等，2014）。如付碧宏等（2008）利用ER-Mapper圖像處理軟件，將ASTER衛星遙感數據生成的數字高程模型與多光譜圖像信息有機融合，生成地質體三維可視化圖像，對阿爾泰山富蘊斷裂帶、北天山獨山子背斜帶、東昆侖斷裂帶的展布等開展了研究；楊攀新等（2012）對申扎-定結地塹系書斜式變形模式的分析；李天龍等（2014）利用P5立體像對和高分三維立體影像對麗江-小金河斷裂的斷層地貌進行解譯。

本文采用26幅1/5萬數字地形圖，15幅2.5m分辨率的ALOS影像，首先對ALOS影像進行幾何校正、配準、鑲嵌、裁剪，然后在ENVI 4.5平臺上采用3D Surfaceview 工具，將ALOS影像與1/5萬數字高程模型進行融合，形成三維影像（楊晏立等，2010）。通過垂向拉伸變換，從不同角度、不同尺度對三維影像進行解譯。目視解譯分析三維影像上活動斷裂的標志，包括色調、巖性地層、地貌、水系變形、斷層崖、槽谷、水系同步斷錯、山前沖洪積扇的線性分布等。解譯完成后，在對地形、地質圖詳細分析基礎上，選擇野外主要考察驗證場點對龍蟠鄉至喬后鄉之間的斷裂進行調查核實，確定斷裂的準確展布。

1 區域構造概況

滇西北地區中新世以逆沖推覆運動為主，上新世末期以來經歷區域性的隆升和廣泛的伸展（吳大寧等，1980；何科昭等，1996；向宏發等，2006），形成滇西北長軸近NNE向的斷陷盆地、相對隆起斷塊相間分布的構造地貌格局。這些斷陷盆地為地塹或半地塹型，包括劍川盆地、沙溪盆地、麗江盆地、鶴慶盆地、賓川盆地、永勝盆地等；而NNE向的斷裂表現為槽谷地貌等，如龍蟠-喬后斷裂帶。龍蟠-喬后斷裂帶是該區域大理地塊與石鼓地塊之間的分界斷裂。以龍蟠-喬后斷裂帶為界，古生帶地層主要分布于斷裂東側，中、新生代地層主要發育在斷裂西側，說明斷裂形成于早古生代（何科昭等，1996）。沿斷裂發育二疊紀玄武巖噴發，喜山期發育花崗斑巖和斜長苦橄巖、苦橄巖的侵入與噴溢；上新世時，在劍川一帶發生火山活動、粗面巖溢出與噴發；而且斷裂控制了一系列中、新生代盆地的形成、演化。可見斷裂經歷了運動性質不同的多期活動。劍川斷裂南起喬后，大致沿黑惠江向北，經沙溪、劍川、九河，直抵金沙江北岸橋頭以北，長約120km，總體走向北東15°—20°（國家地震局地質研究所，1990；向宏發等，2006）。但對斷裂的精細幾何展布位置、分段及各段組合、運動學特征，三者的協調關系等能夠說明槽谷地貌形成的問題，還缺乏深入的分析。

2 龍蟠-喬后斷裂幾何展布、活動性質

對龍蟠-喬后斷裂自北向南選龍蟠、鴻文、雄古、九河、金場、江長門、沙溪、喬后等多個場點制作三維可視化衛星遙感影像，如圖1、2、3所示。

龍蟠位于龍蟠-喬后斷裂最北端，東側為玉龍雪山和哈巴雪山，西側為金沙江。對合成的三維影像解譯發現，有兩條走向SN近乎平行的斷裂：第一條在老母增村東1km處，向南經上海村，一直延伸至新尚村南，線性陡崖連續發育，陡崖高約250m，并在上海村和新尚村可見沖溝左旋斷錯800m、86m，這些斷裂地貌表明斷裂的幾何位置、斷裂曾強烈活動（圖2a），并且在三維影像上還可見斷面西傾，西盤下降、東盤上升，表現為正斷，在斷裂帶上開挖的探槽剖面發現，斷裂僅斷錯中更新統地層，晚更新統地層未見被斷錯的痕跡，屬于不活動斷裂（向宏發等，2006）；第二條斷裂經老母增村西約300m，向南延伸經過新聯村、巖羊村，直到仁和東側吊橋東橋頭邊，該條斷裂在影像上自北向南表現形式不一，在老母增為明顯的斷層陡坎，向南延伸陡坎高度變小，到仁和一帶發育于金沙江河谷的低階地上，形成斷續的斷層陡坎。野外考察驗證中在核桃村附近（27.123°N，100.069°E）發現斷層剖面：從剖面可知斷裂帶寬達數米，可見灰巖質角礫長軸方向順斷層面展布，斷面上發育擦痕，指示斷裂以正斷為主，剖面頂部發育淡黃色灰巖風化殼，風化殼被斷錯，東高西低，也說明斷裂的正斷活動（圖4a）。在仁和村東側二級階地剖面上，發育兩條斷裂，錯斷河流相沙礫石層，斷面西側沙礫石層相對下降約30cm（圖4b）。兩個斷面的發育說明，通過三維衛星影像解譯的斷層地貌確實是斷層活動形成的。

圖1 圖B位置索引圖（A）及劍川斷裂區域構造圖（B）Fig. 1 Geologic map of the Jianchuan fault zone （B）， see index （A） for the tectonic location

圖2 龍蟠、鴻文、雄古、九河三維可視化衛星影像圖Fig. 2 The 3D visualization of satellite image of Longpan， Hongwen， Xionggu and Jiuheriver

圖3 金場、江長門、沙溪、喬后三維可視化衛星影像圖Fig. 3 The 3D visualization of satellite image of Jinchang， Jiangchangmen， Shaxi and Qiaohou

鴻文村附近制作的三維影像上（圖2b），渡口南至興文村之間有一條筆直的陡坎發育，陡坎西低、東高，走向200°，與金沙江彎曲不齊的河流階地前緣差異明顯，經興文村后陡坎繼續南延，經鋪子村東直到鴻文村附近，過鴻文村再向南為多條順斷裂走向發育的沖溝，沖溝筆直延伸，與常見的彎曲水系相異，在沖溝溝頭到雄古村可見斷續發育的陡坎，雄古村南三維衛星影像上可見溝槽地貌發育。在渡口南400m發現斷層剖面，斷裂斷錯中更新世地層，礫石順斷面定向排列，斷面上部的晚更新地層未見被明顯斷錯（向宏發等，2006）；在鴻文村的實測地形表明，斷層在此處表現為斷層槽谷（向宏發等，2006），在鴻文村南寬度大于80m，在鴻文村北寬約30m，水系被左旋斷錯50m、100m不等。野外考察中在鴻文村南陡坎和沖溝交接處的沖溝壁上發現斷錯淡黃色粘土層的斷層剖面。斷裂為Y形，近直立，可能為走滑為主作用形成（圖4c）。

在雄古村西南100m（26.852°N，100.012°E）處發現與三維影像解譯結果對應的陡坎和埡口地貌（圖4d），并且在與西高東低、高約1m的陡坎相對應的地層剖面中觀測到斷層發育，斷層發育在經搬運堆積的含礫紅褐色粘土中，在斷面上發育擦痕（圖4e）。擦痕近水平，指示斷裂以左旋走滑運動為主。斷層剖面的發育說明，三維衛星遙感影像解譯的溝槽陡坎等地貌確實為斷層作用的結果，也表明了斷層發育的位置。并且在影像上可見斷層總體上形成寬達1.3km的槽谷，槽谷東側海西村及其周圍為一明顯相對低地形起伏的層狀地貌面，槽谷西側為低海西村約300m的山頂面發育（圖2b），可能為斷裂長期斷錯的結果。

槽谷地貌經雄古向南到則瓦村附近時逐漸尖滅，而在槽谷的東側卻發育明顯的次一級的溝槽地貌（圖2c）。其北端自新文村東開始，向南延伸經中南村，一直向南過九河鄉東，在九河鄉東往南一直到北高寨間，均表現為平直的陡坎影像特征，北高寨再向南至本古間，在山腰處發育溝槽地貌（圖2c）。在新文村東的野外考察中，發現沖溝被明顯同步左旋斷錯，說明斷裂確實發育于此。在九河盆地一帶盆地東側表現為斷層三角面，陡坎等。斷裂東側冷本杉村、白的古村等處為一級地形起伏度極小的地貌面，而斷裂西側為平整的九河盆地（圖2d）。在野外考察驗證中，本古村東約400m處東西向沖溝壁上發育斷層剖面，剖面上沙礫石層被斷錯。本點北側1.7km處順斷裂發育的溝槽中堆積巨厚的紅褐色灰巖風化殼，其中可見明顯的斷層剖面，斷裂切割風化殼形成平整斷面（圖4f）。

三維影像上（圖3a）龍蟠-喬后斷裂在劍川縣城西北為筆直延伸的灰色條紋。在永榜村西0.7km、甸頭村西1.7km、直到金場村西1.2km處都非常明顯。一系列近東西流向的沖溝被系統性的左旋斷錯。在金場以西的河流中全新世以來形成三級階地，縱剖面上在臨近灰色條紋延伸位置的西側，位相圖表現為向西輻散，向東收斂，河床的縱比降變陡，第三級階地延到條紋西側，拔河高約12m，而在斷層東側，與第三級階地相應的沖積層被掩埋于河床之下8.15m，兩者高差達20.15m（何科昭等，1996）。從永榜村西到金場段的三維影像圖上發現以線性影像為界，東西兩側分別發育極明顯的兩個層狀地貌面，東低、西高，推測為斷裂正斷分量作用的結果。沿永榜村西約0.7km處的SN向線性影像向南延伸經劍川縣城西直到西周官，可見劍川盆地的邊緣為一線性延伸的陡坎，為斷裂展布位置。

圖4 雄古村、鴻文村、后菁村等場點典型場點斷層剖面圖Fig. 4 Typical fault profile of Xionggu， Hongwen and Houjing site

劍川縣城西南部的三維影像上（圖3b），從龍門村西向南經后菁村、江長門村，再向南一直延伸至上桃園村以南，發育明顯的槽谷，并且橫跨槽谷的沖溝均發生左旋變形。例如在江長門村北，對山脊和沖溝的地形實測，獲得量級一致的三個沖溝位錯量，分別左旋132m、131m、125m，在江長門村南發現長度約500m的沖溝發育三級階地，第三級階地為基座階地，階地的基座為上第三紀泥巖。第二級階地前緣被左旋斷錯約15m。并且在階地上形成西高東低的斷層陡坎，陡坎高約2m。野外考察中在桃園村也確實發現山脊被斷層切割，形成整齊的斷層三角面。野外考察驗證中，在后菁村北約200m處發現斷層剖面（26.480°N，99.873°E），斷面高角度東傾，為逆沖性質，可見灰白色粘土質砂層被逆沖斷錯約50cm。并且粘土質砂層在斷裂活動時發生明顯的牽引褶皺作用，說明斷裂確實發育于影像解譯發現的槽谷中（圖4g）。

龍蟠-喬后斷裂帶在沙溪盆地的展布位置非常明顯，北端經北莊村東北側，向東南延伸，經北龍村東繼續延展。影像上可見雄偉壯觀的斷層陡崖，盆地一側下降明顯（圖3c）。野外考察中在沙溪盆地北龍村東南側（26.318°N，99.872°E）觀測到湖相水平層理細砂層被斷錯，西盤砂層下降，斷裂東側砂層觀測到其產狀為傾向97°、傾角25°。其下觀測到含煤水平層理發育的泥巖層，在斷裂西盤泥巖層被覆蓋，二者為斷層接觸，與影像特征一致。在北龍村東北側觀測到沖溝壁上發育錯斷距地表約1m的灰黑色粘土層和灰白色沙礫石層的斷面（圖4h）。在北莊村北1km公路邊，灰白色砂礫層，紅色礫石砂土層被斷錯，地層結構松散，未膠結，為晚更新世以來的沉積物，其中一斷面斷距1.33m，另一斷面斷距2.2m（向宏發等，2006）。考察中發現的斷面與影像解譯獲得的斷裂位置一致。

龍蟠-喬后斷裂帶向南延伸到喬后鄉的喬后盆地，被巍山-喬后斷裂所截，斷裂走向發生強烈變化。喬后盆地位于龍蟠-喬后斷裂的最南端，走向約160°。合成的三維影像可見，自巖峰場向東南延伸經上井村北、上集村北、段家村北線性延伸（圖3d）。斷裂在影像上表現明顯。在巖峰場處表現為順河流的平直斷層陡坎，水系發生明顯左旋拐彎，并且在沖溝出山口位置可見垮塌的前寒武系蒼山群。在巖峰場東形成斷層埡口地貌。在上井村和花椒坪之間，以及上集村和板橋之間形成明顯的斷層三角面。對喬后上井村野外實地考察驗證發現，斷層三角面底部可見斷層槽谷，槽谷寬約20m，深10m，斷層槽谷走向約170°，斷層槽谷通過處所對應的沖溝縱剖面上坡度突然變大等活動斷層地貌特征。在巖峰場的中坪電站近東西向沖溝中可見約4m高跌水，發育長度大于50m的泥石流。泥石流表層為棱角混雜礫石，礫徑可見大于1m的泥石流主要為青灰色，膠結較好的泥礫。跌水位置可見斷層切割紫紅色砂巖，斷層破碎帶寬約20m（26.198°N，99.806°E）。

3 分段

三維影像解譯和野外考察驗證獲得了龍蟠-喬后斷裂帶的幾何展布。依據斷裂幾何延展不連續、走向變化、活動性質變化等，初步將斷裂帶分為東富樂段、劍川段、九河段、鴻文段、龍蟠段（圖5，表1）。東富樂段與劍川段為左階斜列，其間為拉分性質的沙溪盆地，沙溪盆地海拔2150m，面積27 km2，第四系厚度大于300m（國家地震局地質研究所，1990）；劍川盆地段與九河段之間為右階斜列，劍川盆地段左旋兼斷面傾向東的正斷活動，而九河段左旋兼斷面傾向西的正斷，說明劍川盆地的成因復雜，不僅是龍蟠-喬后斷裂活動的結果，更可能也與麗江-小金河斷裂帶的左旋走滑斷錯有關；九河段與鴻文段之間為左階斜列，九河段走向較鴻文段和劍川段均逆時針相差約5°，九河盆地的形成也與斷裂走向變化相關，九河盆地海拔2200m，面積93km2，第四系厚度大于200m（國家地震局地質研究所，1990）。因為新生界早第三紀地層和中新世地層出現在其西部，并已褶皺成山，上新世地層普遍缺失，僅個別盆地零星出露。而盆地內巨厚的第四紀地層廣泛不整合于下伏地層之上，說明這些盆地主要形成于第四紀以后，為龍蟠-喬后斷裂活動的結果（吳大寧等，1980）。

表1 龍蟠-喬后斷裂帶分段表Table 1 Fault segment table of the Longpan-Qiaohou

4 結論與討論

本文在數字高程模型和遙感影像融合后獲得的三維影像基礎上，進行構造地貌解譯，結合野外考察驗證，獲得了龍蟠-喬后斷裂的幾何展布；依據斷裂走向變化、斷裂幾何延展不連續，對斷裂開展了分段。龍蟠-喬后斷裂帶由北向南可分為龍蟠段、鴻文段、九河段、劍川盆地段、東富樂段；龍蟠段與鴻文段為左旋左階斜列；鴻文段與九河段為左旋左階斜列，九河段走向相較其南、北側的劍川段和鴻文段發生5°左右的逆時針偏轉，九河盆地的發育與此相關；九河段與劍川盆地段為左旋右階斜列，說明劍川盆地的發育不僅與龍蟠-喬后斷裂帶相關，更可能與麗江-小金河斷裂帶的活動性相關，而且麗江盆地被麗江-小金河斷裂左旋的斷錯量約為9km，正好與劍川盆地的寬度相當，進一步說明麗江-小金河斷裂的活動在劍川盆地的形成過程中起到了重要作用；劍川盆地段與東富樂段為左旋右階斜列，斜列區為拉分性質的沙溪盆地。

龍蟠-喬后斷裂帶幾何組合和活動性質說明，斷裂對槽谷地貌的形成僅有部分作用，主要是在盆地發育段形成低洼地形。在考慮古河道等問題時，不能僅根據槽谷、湖沼地貌的發育，同時要將長期的斷裂活動對地貌形成的控制等因素考慮在內。

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Analysis of Longpan-Qiaohou Fault Geometric Structure by Using 3-D Visualization of Satellite Remote Sensing Image

Hu Chaozhong1）， Tian Qinjian1）， Yang Panxin1）， Hao Pin1）， Wang Lin1），Tang Yong2）， Xiong Renwei1）， Yu Jianqiang3）， Liang Peng1）and Su Peng1）

1） Institute of Earthquake Science， CEA， Beijing100036， China
2） Earthquake Administration of Hubei Province， Wuhan 430071， China
3） Earthquake Administration of Yunnan Province， Kunming 650224， China

We use the ALOS remote sensing image with 2.5-m resolution and 1/5 ten thousands digital elevation model on the ENVI 4.5 platform， the fusion of the two acquisition the 3D visualization of satellite remote sensing image along the Longpan-Qiaohou fault. By analyzing the 3D images from different angles， scaling， the tectonic features and special distribution of faults are interpreted. The field verification in some sites was carried out， and we found that the interpretation in the lab is in good consistent with geological characteristics in the field， indicating that the method is feasible. In this paper， we applied the method to analyze the fault geometric distribution zone of Longpan-Qiaohou Fault. Detailed results in fault geometry， segmentation， activity， and combined feature are present .

Three-dimensional image； Longpan-Qiaohou fault； Tecto-geomorphologic； Geometry structure；Segment

中國地震活斷層探查——南北帶中南段（60112304）、國家自然科學基金（41302171）和中國地震局基本科研業務經費（2014IES0401）共同資助

2014-09-11

胡朝忠，男，生于1985年。助理研究員。主要從事地震構造和地震中長期危險區研究。E-mail：huchaozhong2005@126.com