引言

利用卫星遥感技术解译活动断裂的空间分布和活动性是活动断层探测的重要补充,也是遥感地质工作的重要内容之一。遥感技术具有多波段、多分辨率、大面积获取地表图像的能力,特别是对高海拔、环境恶劣的地区更具有明显的优势。由于我国西部地区植被稀少,地面裸露,构造活动显著等特点,在这一地区利用遥感技术可获取干扰因素少、图像清晰、构造活动明显的遥感信息,因此,利用遥感技术探测该地区的构造活动特性具有独特的优势。活动断裂的运动往往控制着现代地貌和水系的发育,从而引起断裂两侧地形地貌的差异以及断层周围岩性、土壤和植被等地物的差异,同时还会引起红外辐射能量的巨大差异(郭卫英等,2008;屈春燕等,2006;Freund,2003)。所以,利用这种遥感影像的差异可提取与构造活动相关的信息。

在利用遥感影像解译活动断裂和研究区构造活动方面,许多学者已经开展了大量的研究工作,并取得了一定的成果。例如:基于数字遥感图像的多源数据融合方法,利用遥感图像中的构造地貌单元及其展布可提取区域构造信息(单新建等,1999);在城市等弱活动构造地区,利用Landsat-7 ETM高分辨遥感影像可提取第四纪松散沉积物覆盖区域的隐伏活断层信息(张微等,2007);采用对地表具有一定穿透能力的ENVISAT ASAR和光谱信息丰富的常规光学遥感数据(Landsat-7 ETM),利用图像预处理及图像增强处理与多源遥感信息融合,刘智荣等(2012)提取了银川地区的活动断层;陈福明(1981)和孙东(2008)从冈底斯岩浆杂岩带时空分布特征研究了雅鲁藏布江深断裂的发生和发展,并对雅鲁藏布江缝合带中段的构造特征及成因模式进行了研究与探讨。前人的上述研究成果,为本文提供了重要的参考和基础。笔者选取MODIS、MSS、ETM等多源遥感数据,依据活动断裂的遥感影像特征,研究了利用可见光和红外遥感数据解译日喀则地区活动断裂位置及其活动性,有助于更好地开展该地区活动断裂的提取及活动性监测研究。

1 研究区构造地质背景及活动断裂识别标志
1.1 研究区构造地质背景

研究区是以位于西藏中南部日喀则市为中心的区域,覆盖了雅鲁藏布江缝合带中段,其地形起伏较大。雅鲁藏布江缝合带为一条巨型断裂带,研究区内沿着雅鲁藏布江缝合带展布有几条规模较大、呈东西走向、以挤压逆冲为主的活动断裂(邓起东,2007)。中生代时期,当印度板块向欧亚板块俯冲时,深断裂向北倾。新生代时期,印度大陆与欧亚大陆发生碰撞后,深断裂面转向南倾(陈福明,1981)。断裂变形性质复杂多样,总体来看,断裂以脆性、韧脆性为主(武长得等,1990)。区内地貌格架严格受地质构造控制,同时还受雅鲁藏布江及其支流水系的制约,展布着广褒的基岩山地构架,其间萦绕着狭长的河(沟)谷,分布着构造侵蚀(剥蚀)山地、堆积谷扇地、风成沙地等多种构造地貌。雅鲁藏布江缝合带被达吉岭-昂仁-仁布-朗县-墨脱断裂和仲巴-拉孜-邛多江断裂限制。同时,这两条深大断裂将雅鲁藏布江蛇绿岩限制在其间。西端沿噶尔河与印度河蛇绿岩带相接,东端延至雅鲁藏布江峡谷大拐弯地区,是青藏高原南部最重要的大地构造界线(刘小汉等,2009;王成善等,1999)。

1.2 活动断裂遥感影像的识别标志

遥感构造研究的基础是显示在图像上客观存在的地质构造现象。一条初具规模的活动断裂,可以切错上第三系、第四系,或者控制晚第三纪、第四纪的沉积及其相应时代的岩浆喷发,或者沿断裂形成各种构造地貌并控制着两侧的地貌差异、扭动变形与水系的同步转折等(丁国瑜,1982)。因此,活动断裂的活动状态在卫星图像上可以通过形态特征信息和色调信息进行判定。从直观上讲,活动断裂遥感影像标志主要有色调、构造形态、断层三角面、地貌及水系等几个方面。概括起来可以归纳为垂直错动标志和水平错动标志。从遥感影像特征而言,水平错动要比垂直错动更易于判断(单新建等,2009;陈顺云等,2012)。

1.2.1 地貌识别标志

(1)地貌形态变化标志。利用地貌类型对比法,可以在卫星图像上分析断裂垂直差异错动的状况。在影像特征上主要表现为:地形上形成陡坎;两侧地貌类型有明显差异;夷平面及河流阶地的垂向高度差异;沙丘、泉水、井等沿一条直线定向排列。

(2)水系展布、格局特征变化标志。穿过活动断裂的河流,当它们发生同步转折时,一般反映断裂两盘的水平错动。这些相对比较宏观的标志,在遥感影像和实地都很明显,是一种判断断裂是否活动的最可靠标志。

(3)色调差异。断裂及其所控制、改造、影响的地质体、地貌、水体、土质和植被等相关地物,反射来自太阳电磁波的辐射能量的差异,在卫片上构成不同色调和不同形态特征的影像。

(4)其它。例如由断层活动引起的断陷形成的“串珠”状湖泊和洼地,以及断层的反扭错动使不同的冲沟相接,或者形成盲沟和袭夺现象等。

1.2.2 构造判别标志

(1)断层崖和断层三角面标志。断层崖与断层三角面的出现是断裂垂直差异错动的重要标志。在遥感图像上,断层崖与断层三角面形态的典型影像特征一般表现为暗色调,其阴影比较明显,易于鉴别。

(2)断块山地、盆岭构造标志。断块山地因受到区域挤压应力而平地突起,山体四周以陡峻的山坡甚至明显的正断层形成的高大的断层崖与周围平地接壤,山地轮廓线清晰,与相邻的平原或盆地之间,一般没有地形上的过渡带,经常是急转直下。盆岭构造反映了上地壳相对于中、下地壳的大规模拆离,地形上表现为不对称的狭长山岭和盆地相间排列,山岭西坡缓倾、东坡陡峭。

(3)前陆、断陷、拉分盆地标志。地堑等同构造盆地只在一侧发育正断层,则形成不对称的盆地,当盆地位于活动冲断带前方时即为前陆盆地。前陆盆地由于冲断带荷载使岩石圈挠曲,形成前陆沉降即断陷。拉分盆地是走滑断层系中局部拉伸形成的断陷盆地,具有特殊的构造背景和发育过程。

(4)褶皱、隆起标志。断层褶皱是由于逆断层构造的逆冲推覆作用力强烈作用,致使在断层附近两盘的岩体挤压变形。褶皱形态反映断层形态,褶皱翼部位于上、下盘断坡之上,转折端位于断坪之上,常形成平顶背斜或箱状隆起。这些褶皱通常是紧闭的,在成因上与逆断层作用密切相关,并在几何上与断层有一定关系。

2 数据准备及预处理

选取多时相、多波段、多分辨率的多源遥感数据。光学遥感数据主要选用MSS、TM、ETM、资源卫星影像。红外数据选取该地区地震活动相对平静的2007年1月—12月的1 MODIS 1B数据,地面分辨率为1km,波段为热红外第31通道(10.780—11.280μm)。为避免日照形成的地形阴影和太阳辐射对地物温度的干扰,所选用的数据全部为夜间成像数据。

所选用的覆盖研究区的TM和ETM影像如表1所示。同时,考虑到中巴地球资源卫星02星(CBERS-02B)搭载的HR相机可生成2.36m高分辨率的影像,光谱范围为0.5—0.8µm,所以本文共收集了2010年左右资源02B卫星共计42景,具体如表2所示。另外,还收集了包括研究区行政区划、水系、村庄等GIS矢量图层的1:25万基础地理数据、野外地温测量数据及30m数字高程模型数据(SRTM)。

表1 遥感解译活动断裂研究所用TM和ETM影像 Table 1 TM and ETM images of the active fault research of remote sensing interpretation
表2 资源02B卫星数据一览表 Table 2 CBERS-2B images
3 遥感影像解译活动断裂的方法

利用遥感影像数据解译活动断裂有其特定的方法。对于光学遥感影像的特征而言,活动断裂的形态在卫星图像上可以通过形态特征信息和色调信息进行判定(Freund,2003);而在红外亮温影像上,由于活动断裂内外、断裂两盘的地形地貌的不同,沿着活动断裂垂直方向可出现亮温梯度变化,使得影像上会呈现覆盖活动断裂的亮温条带(马瑾等,2005;马晓静等,2008)。为此,采用以下两种常用方法对研究区的影像进行了处理。

(1)假彩色合成

假彩色合成是遥感影像增强的最有效的方法,它要求合成影像具有较好的反差、饱和度,能够体现地面含水量、岩性和断裂信息等。合成后的影像要求具有较好的目视效果,整个影像的色彩要符合人眼的生理特性,这样才能利于目视判读解译。例如对TM/ETM数据选择信息量最为丰富的5、4、3组合,配以红、绿、蓝三种颜色生成的假彩色合成图像,其合成影像类似于自然色,较为符合人们的视觉习惯,而且由于信息量丰富,更能充分显示各种地物影像特征的差异。对热红外遥感数据采用灰度级彩色转换即伪彩色增强手段,可将原亮温灰度影像的各个不同灰度等级,按照线性和非线性映射函数变换成不同的彩色代码,使图像以彩色方式显示,其效果如图1所示。伪彩色增强转换后的影像层次分明,图像可分为明显的4个部分,即低温物体(蓝色)、中低温物体(绿色)、中温物体(黄色)和高温物体(红色),其具有较好的目视效果,整个影像的色彩符合人眼的生理特性,利于目视判读解译,特别是高温目标(红色)醒目,更容易将目标与背景区分开来。

图 1 研究区红外亮温影像的伪彩色显示图 Fig. 1Pseudo color display image of infrared brightness temperature covering study area

(2)灰度图像增强

通过灰度图像增强可改善增强图像的对比度,使图像具有较好的反差,线性特征明显,断层迹线清晰,有利于分析断层的位置。它的算法有分段线性拉伸、指数变换、对数变换、直方图变换、拉普拉斯变换等,其效果如图2所示。与原始灰度图像相比,经分段线性拉伸处理过的图像,其增强效果较好,而指数变换、对数变换、直方图变换、拉普拉斯变换的效果较差。分段线性拉伸是按比例扩大原始灰度级的范围,其目的是为了突出感兴趣的目标或灰度区间,相对抑制那些不感兴趣的灰度区间。其中最常用的是采用三段线性变换,即对一个灰度区间进行线性拉伸,而其他的区间被压缩,以充分利用显示设备的动态范围,使变换后影像的直方图的两端达到饱和,拉伸后的影像灰度动态范围扩大,对比度改善,提高了影像质量,并可以有选择的拉伸某段灰度区间以改善输出图像。


F1为冈底斯断裂;F2为昂仁-仁布断裂;F3为拉孜-邛多江断裂
图 2 几种红外亮温影像的图像增强处理结果对比图 Fig. 2Comparison chart of several infrared brightness temperature image's enhancement processing results
4 活动断裂的遥感影像特征分析
4.1 活动断裂可见光影像特征

利用多源遥感影像数据,笔者对断裂发育的宏观及微观地貌构造特征进行了综合分析并提取了活动断裂。在MSS和ETM等的影像中,上文所述的三条断裂呈近东西向展布并以舒缓波状显示,断裂所经地貌多为河谷或负地形。在MSS影像图中,断裂两侧深浅色调差异明显,其中浅色调多为河谷发育区,而基岩区多显示为深色调或暗色调。图3给出了活动断裂解译结果在ETM影像上的展布情况,从图中可以看出:冈底斯断裂在影像中的形迹比较清晰,南北两侧色调差异大,可分为南(F1-2)、北(F1-1)两支,其呈现出“梭子”状展布于雅鲁藏布江两岸;昂仁-仁布断裂(F2)在影像中的线性特征明显,色调差异显著,断裂两侧岩性差异明显;而拉孜-邛多江断裂(F3)在影像中断层的连续性较差,其在遥感影像中各段的形迹清晰不一。其中在ETM-543波段假彩色合成图中,位于日喀则南部东西向上可见一墨绿色条带贯穿工作区,并呈现东宽西窄的特性,经调查该条带即为雅鲁藏布江蛇绿岩套,夹持该蛇绿岩套的分别是南北两侧的达吉岭-昂仁-仁布-朗县-墨脱断裂和仲巴-拉孜-邛多江断裂。而在日喀则北部近东西向展布的冈底斯断裂的线性特征及色调差异明显,断裂南侧为浅蓝色河谷地貌,断裂北侧为浅黄色基岩区。


F1-1为冈底斯断裂北支;F1-2为冈底斯断裂南支;F2为昂仁-仁布断裂;F3为拉孜-邛多江断裂
图 3 解译的活动断裂在ETM影像中的展布图 Fig. 3Exhibition layout of interpreted active faults in ETM image

武长得等(1990)和袁万明等(2002)认为,在第四纪以前,雅鲁藏布江断裂的力学性质主要以挤压为主,表现为逆冲断层的性质;而在第四纪晚期,由于应力松弛局部出现正断或右行走滑的性质。本文基于资源卫星等高分辨率遥感影像对微观地貌构造特征进行了提取分析,用以判断活动断裂的破裂特性及活动性。结果表明,沿着活动断裂分布着多处清晰可见的线性陡坎、垅岗状地貌(如图4所示)、洪积扇等,出露于山前地带,并显示逆冲特性;根据洪积扇及水系呈同步弯曲判断,该断裂局部具有左旋走滑特性;同时结合断裂岩性分析,判断断裂的活动性强弱。

图 4 高分辨率ZY-02B影像上的垅岗状地貌特征(红色箭头标注) Fig. 4Gryada landforms in high resolution ZY-02B images (red arrow callout)
4.2 活动断裂红外影像特征

F1为冈底斯断裂;F2为昂仁-仁布断裂;F3为拉孜-邛多江断裂
图 5 解译断层在红外亮温影像中的展布及剖面线位置示意图 Fig. 5Distribution of interpretation faults in the infrared brightness temperature image and diagram of profile location

图5给出了解译断层在红外亮温影像中的展布图。在红外影像上可以明显地看到,在昂仁以西经拉孜(谢通门),往东延伸通过日喀则市南北两侧至仁布一带,近东西向展布着三条亮色条带。为了研究高程差异对亮温的影响,以及断裂带与其周边环境、断层不同构造部位的红外辐射季变特征,在数字高程地形图、红外影像上作了两条剖面线,其位置如图5所示。其中:一条长约64km,跨冈底斯断裂的剖面线AA′;另一条长约140km,跨白朗并垂直于昂仁-仁布断裂带和拉孜-邛多江断裂带,剖面线BB。图6和图7分别为沿AA′、BB′的地形剖面曲线,以及1、4、7、10月红外亮温值对比曲线图,用以定量分析断裂内外的红外亮温时空变化特征。结果表明,沿跨断裂带剖面线,整体上在东南部的盆地的红外亮温较高,红外亮温与高程呈负相关的关系;不同断裂、不同季节对比显示,断裂两盘的亮温梯度大小不是固定的,其波动较大,但利用亮温梯度特征提取的线性迹象与光学影像提取的活动断裂在位置上能够较好地吻合。


F1-1为冈底斯断裂北支;F1-2为冈底斯断裂南支
图 6 沿剖面线AA′的高程曲线(红线)及1、4、7、10月红外亮温变化对比曲线(黑线) Fig. 6Elevation along section line AA' curve (red line) and infrared brightness temperature variation contrast curve in January, April, July, October (black line)

F1-1为冈底斯断裂北支;F1-2为冈底斯断裂南支;F2为昂仁-仁布断裂;F3为拉孜-邛多江断裂
图 7 沿剖面线BB′的高程曲线(红线)及1、4、7、10月红外亮温变化对比曲线(黑线) Fig. 7Elevation along section line BB' curve (red line) and infrared brightness temperature variation contrast curve in January, April, July, October (black line)

为了更好地分析活动断裂的红外影像特征,结合光学影像对三条断裂进行了单独分析。

(1)冈底斯断裂

冈底斯断裂如图3所示。沿昂仁北、谢通门南、日喀则北、仁布北,冈底斯断裂横贯东西、且呈舒缓波状展布,其在研究区内的长度约180km,经昂仁向西延伸。根据地貌及影像特征可将其分成两支,两支均呈“梭子”状展布于雅鲁藏布江两岸。该断裂的红外影像形迹较清晰,南北两侧色调差异较大。断裂的北盘为高山区,海拔在5000m以上,山脊存在永久性积雪;向南在冈底斯断裂处,海拔急剧下降,因此断裂的南盘较平坦;同时由于雅鲁藏布江的穿过,使断裂海拔最低降到3850m左右,造成两盘相对高差约为1300m。

从图6可以看出,在冈底斯断裂附近,沿着剖面线AA′随着地形的陡降,同名象素点的红外亮温值随之升高,二者表现出了良好的负相关性。但这种负相关性在不同季节有一定的差异。分别在断裂两侧10km外处选取红外亮温的等温面,对不同季节内断裂(北支)南北两侧的红外辐射亮温与地形高程的动态变化作定量分析,计算得出了内断裂南北两侧的红外亮温梯度值,结果如表3所示。从表中可以看出,断裂南北两盘的亮温值与季节性的变化保持了良好的同步性,年最高亮温值出现在7月份,约为280K,年最低亮温值出现在1月中旬,约为260K;断层北盘亮温值普遍低于南盘3—6K。同时,不同季节内断裂的亮温梯度不同,在1月和10月,断裂南北两侧的温差较小,亮温梯度为3.3K/km和3.9K/km,即地形每升高1km,其红外亮温就降低3.3K和3.9K;由于海拔较高地区存在永久性积雪,4月亮温梯度为5.2K/km,7月亮温梯度为6.4K/km。综合分析认为,冈底斯断裂两侧的红外亮温的梯度值取值,主要是根据纬度位置和地形来确定的;梯度值表现出的冬高、夏低的季节性变化,其主要是永久性积雪、大气环境等引起的水汽和热量变化。

表3 冈底斯断裂(北支)两侧在不同季节的亮温梯度 Table 3 The brightness temperature gradient of the fracture (North Branch) in both sides in different seasons

(2)昂仁-仁布断裂

昂仁-仁布断裂,如图3所示。该断裂为雅鲁藏布江缝合带北界断裂且规模巨大,研究区主要在昂仁南部、仁布北一线,在仁布以东同冈底斯断裂归并重接。从图7中BB′地形剖面曲线可以看出,昂仁-仁布断裂的南盘为高山区且海拔较高,约在4550m以上;在昂仁-仁布断裂处,海拔急剧下降,断裂南盘较平坦,海拔降到3850m左右,两盘相对高差约1000m。白朗县地处昂仁-仁布断裂带和拉孜-邛多江断裂带中间,其地势较高,海拔高度约4350m。为定量分析不同季节断裂南北两侧的红外辐射亮温与地形高程的动态,分别在断裂两侧5km外处选取红外亮温的等温面,计算得出了断裂南北两侧的红外亮温梯度值,结果如表4所示。从表中可以看出,断裂南北两盘的亮温值与季节性的变化保持了良好的同步性,沿断裂带的年最高亮温值出现在7月份,约为280K,年最低亮温值出现在1月份,约为250K;断裂北盘亮温值普遍低于南盘3—5K。同时,由于断裂的红外亮温主要受地形差异的控制,断裂南盘地形抬升较强烈,而断裂北盘则多为山间谷地,这就造成了南盘亮温急剧下降;沿着剖面线BB′随着地形的抬升,跨断裂与地形的同名像素点的红外亮温值随之降低,二者表现出了良好的负相关性。从表4可以看出,这种负相关性在不同季节相似,在7月断裂南北两侧的温差最大,亮温梯度达5.3K/km,即地形每升高1km,其红外亮温就降低5.3K;而在4月,二者相对温差最小,其亮温梯度仅为3.3K/km。综上分析认为,强烈的地形高差是造成昂仁- 仁布断裂南北亮温差异的主要原因。

表4 昂仁-仁布断裂的两侧在不同季节的亮温梯度 Table 4 The brightness temperature gradient of Ngamring-Buren fracture in both sides in different seasons

(3)拉孜-邛多江断裂

拉孜-邛多江断裂为雅鲁藏布江缝合带南界断裂,如图3所示。其主要分布于拉孜、白朗,向东经仁布县城一带,总体呈东西展布,波状起伏特征明显。在拉孜县以西,该断裂控制了雅鲁藏布江河谷的发育,在红外影像中其线性形迹明显。而该断裂在研究区内的雅鲁藏布江缝合带北界断裂(昂仁-仁布断裂)的活动性微弱,在遥感影像中的形迹不是十分清晰,并且在影像中的断层连续性较差,断裂带宽数十米—数百米。同时,断裂南北两盘的地势均较高,断裂带与周围环境相对高差约850m。对断裂中剖面线BB′穿过一段的日均亮温进行了研究,如图7所示。其结果显示,沿断裂带的年最高亮温值出现在7月份,约为275K,年最低亮温值出现在1月份,约为258K;断裂南北两盘的亮温值与季节性的变化保持了良好的同步性,且亮温差值较小;断裂亮温值普遍低于断层两盘亮温带5—9K。综上分析认为,拉孜-邛多江断裂的红外亮温主要受地形差异控制,两盘地形抬升较强烈,造成断裂带上亮温急剧下降,在热红外影像上表现出明显的条带迹象。

5 讨论与结论

本文利用热红外及可见光遥感数据,解译了西藏中南部日喀则地区沿雅鲁藏布江分布的规模较大、东西走向的活动断裂的影像特征。并结合断裂发育的宏观地形地貌特征和红外影像上亮温梯度分布,分别解译了从北往南分布的冈底斯断裂(分南北两支)、昂仁-仁布断裂和拉孜-邛多江断裂。同时,定量分析了年周期内各条断裂内外的红外亮温特征。初步得到了以下一些认识。

(1)选取多源、多时相遥感数据,识别出了沿雅鲁藏布江缝合带展布的三条活动断裂,即冈底斯断裂、昂仁-仁布断裂、拉孜-邛多江断裂的活动断裂位置及特征。

(2)在红外亮温影像上,利用亮温梯度特征提取的线性迹象与光学影像提取的活动断裂在位置上能够很好地吻合,会出现覆盖活动断裂分布的亮温条带。同时,为了更好地识别断裂,对影像进行灰度级彩色转换、图像增强等处理,可提高目视解译的准确性。

(3)定量分析了年周期内断裂内外的红外亮温时空变化特征。从整体上看,在东南部的盆地其红外亮温较高,而西北部山区的红外亮温较低;引起断裂带内外、南北两盘红外亮温差异的主要因素是地形。沿跨断裂带剖面线地形与亮温的对比结果可以明显地看出,红外亮温与高程呈负相关的关系,断裂带的地形差异是导致亮温大小变化的主导因素。

本项研究工作仅是从遥感图像的角度,对研究区内部分断层造成的构造地貌特征进行的初步分析,进一步的分析研究还需结合地质、地球物理资料以及野外调查。

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