2021, Vol. 41
2. 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京市安宁庄路1号，100085;
3. 山东省地震工程研究院，济南市纬七路5号，250021;
4. 常德市地震局，湖南省常德市柳叶大道2999号，415000
遥感技术具有宏观性与直观性，能很好地克服传统方法的缺点，已成为活动断层研究的重要手段[1-4]，目前也有许多利用遥感进行活动断层解译的应用实例[5-9]。本文综合利用Landsat-8影像、高分一号(GF-1)影像等遥感数据开展太阳山断裂带及其周边地区的断裂构造详细解译工作，重点解译典型地段的构造地貌及断层迹线，以获取该地区断层的几何分布，并结合SBAS-InSAR技术进行验证，为该地区活动断层调查及防震减灾工作提供依据。
1 研究区概况研究区范围为28.78°~29.40°N、111.30°~112.08°E，面积约为3 640 km2，位于洞庭湖盆地西南部，西侧为武陵山，南侧为雪峰山，自山脚向盆地地貌单元依次为侵蚀岗丘(海拔100~200 m)、侵蚀台地、堆积台地及冲积-湖积平原(海拔约30 m)，地形海拔最高点为北部的太阳山金顶(约560.5 m)。研究区属准平原-平原阶段地貌，除太阳山丘陵南段反映为NE向断裂地貌外，其他地区地貌均无明显方向性。在大地构造上，研究区处于扬子准地台二级构造单元江汉-洞庭湖断陷盆地西南隅，即太阳山凸起与常桃凹陷和澧县凹陷交界部位，主要断裂包括太阳山断裂带、常德-益阳-长沙断裂、德山-泉塘观断裂、漆家河-陈家湾断裂、鹅峰断裂带、大里山断裂(图 1)。
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遥感影像为Landsat-8, 红色实线为断裂遥感解译结果, 红色虚线为隐伏断裂, 白色框为索引范围; Fl: 太阳山断裂带; F1-1:岗市-河泱断裂; F1-2:太阳山西侧断裂; F1-3:肖伍铺断裂; F1-4 : 仙峰峪断裂﹔F2:常德-益阳-长沙断裂; F3:德山-泉塘观断裂; F4:漆家河-陈家湾断裂; F5:鹅峰断裂带﹔F6:大里山断裂 图 1 研究区主要断裂分布 Fig. 1 Distribution of major faults in the study area |
本文多源遥感数据主要包括Landsat-8卫星影像、高分一号(GF-1)卫星影像及矢量数据(行政区划分边界、市县镇、断层等GIS矢量图层)等。Landsat-8卫星由美国航空航天局(NASA)于2013-02-11成功发射，共有11个波段，其中波段8为15 m分辨率的全色波段，其余波段的空间分辨率均为30 m，可用于解译断层几何展布特点以满足宏观上断层研究的需求。高分一号卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项的首发卫星，配置2台2 m分辨率全色相机/8 m分辨率多光谱相机和4台16 m分辨率多光谱宽幅相机，高分辨率的特点可满足断层研究过程中对局部地貌特点分析的需求[10]。
2.2 数据处理为了更好地进行断层分析，在利用遥感影像进行信息提取之前，需要对原始数据进行处理，包括原始影像的校正、融合、镶嵌、增强等工作。同时，为了能更好地提取断层信息，在基本处理过程中可进行特定处理，并制作三维效果图以立体显示断层信息。
1) 校正。在光学遥感数据获取过程中，由于外界因素的影响会使数据在生成过程中产生一系列与辐射有关的误差，引起影像发生畸变，通过辐射校正的方法可减小这些误差。本文利用ASTER-DEM数据对所收集的影像进行正射及辐射校正，从而恢复影像原本面貌，有助于遥感影像识别、分类与解译等工作的进行。
2) 融合。同一目标不同遥感数据具有不同的空间分辨率、波谱分辨率与时相分辨率，通过融合的手段能充分利用各种数据的优势，将其综合成高质量的影像，提升原本影像的空间分辨率、波谱分辨率等，从而使目标处的信息更加清晰完善。在处理过程中，3种卫星影像均采用Gram-Schmidt融合方法，以保证影像的纹理信息与光谱特征。
3) 镶嵌。图像镶嵌也称为图像拼接，通过将相邻影像拼接在一起以获得研究目标的完整影像。在处理过程中，为保证影像拼接后色调大致相近，减小色差过大对结果的影响，利用直方图对拼接的影像进行匹配，同时在接边线附近采用羽化技术淡化两侧的差异，使图像接边区的灰度趋于平滑和连续。
4) 增强。为达到更好的目视效果，更有效地反映不同地物特征信息，同时有助于断层信息的提取与识别，Landsat-8影像与GF-1影像均采用3/2/1波段组合，即真彩色合成，使影像色彩与原本地物颜色基本一致，从而更容易判别地物特点。
3 活动断层解译本文共解译出6条主要断裂，包括由4条主干断裂组成的太阳山断裂带、常德-益阳-长沙断裂、德山-泉塘观断裂、漆家河-陈家湾断裂、鹅峰断裂带和大里山断裂，其中大里山断裂部分在研究区内，其余部分分布于研究区外，故在文中不作介绍。
3.1 太阳山断裂带太阳山断裂带自常德向北延伸至津市一带，总体走向约30°，包括太阳山东西两侧一系列NNE向高倾角正逆断层，主要由4条主干断裂构成[11]，分别为岗市-河洑断裂、太阳山西侧断裂、肖伍铺断裂(太阳山断裂东支)及仙峰峪断裂，遥感构造地貌特征明显。
3.1.1 岗市-河洑断裂岗市-河洑断裂位于太阳山断裂带最西侧，走向大致为NS向，南起河洑，经岗市至石板滩。该断裂在Landsat-8影像上整体表现为南北向的断层沟谷地貌，由于受断裂影响，两侧的地貌差异明显，跨断层形成东侧地势高、西侧地势低的特点。在GF-1影像中，南段局部形成明显的线性陡坎(图 2(a))，因河流影响形成河谷地貌，断裂大致沿山体东麓边缘不断延展，在北段局部形成弧形陡坎地貌特征(图 2(b))，表现为西侧谷地下降的正断层性质。
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图 2 太阳山断裂带遥感解译 Fig. 2 Remote sensing interpretation of Taiyangshan fault zone |
太阳山西侧断裂又称为拾柴坡断裂，紧邻太阳山西侧，走向为NNE，南起桃源县城，往北经河洑、占阳、临灃，并继续向北延伸，具逆断层性质。在GF-1影像中，断裂基本沿太阳山西麓分布，总体上具有一定的线性特征，且断层交界区域地貌差异显著，西侧为山地丘陵地貌，东侧为河流谷地地貌，地势西高东低，由西侧基岩丘陵逆冲至东侧第四系地层之上(图 2(c))。
3.1.3 肖伍铺断裂肖伍铺断裂又名太阳山断裂东支，位于研究区中部，走向NNE，沿柳叶湖东岸向北延伸至肖伍铺、凤凰山一带。自南向北解译，从宏观上看，该断裂使柳叶湖东岸地貌表现为线性基岩陡崖，并沿北部两侧山体的边缘分布。在GF-1影像中，该断裂南侧部分西邻柳叶湖，推测水体东边界由该断层控制，界线分明(图 2(d))；断裂北侧部分主要分布在丘陵边缘，两侧地貌为“丘陵-低谷-丘陵”，地势两边高中间低(图 2(e))，由此推测断裂沿两侧丘陵的边缘分布，具有良好的线性特征。
3.1.4 仙峰峪断裂仙峰峪断裂位于太阳山山脉最东侧，走向NNE，分布于瓦屋档西至凤凰山一带，全长约20 km，属前第四纪断裂。该断裂宏观上切割丘陵低山，整体沿山间谷地分布，在断层南段可见断层沿线山体出现不连续或折曲等现象，为断层早期走滑活动所导致(图 2(f))。
3.2 常德-益阳-长沙断裂常德-益阳-长沙断裂位于研究区东南侧，整体走向NW，为研究区内大型的隐伏断裂。在地貌上，断裂以北为平原河流，以南为丘陵低山，形成明显的地貌分界线(图 1)，但由于其隐伏性较强，未见明显的遥感构造地貌出露。
3.3 德山-泉塘观断裂德山-泉塘观断裂位于研究区南侧，走向近NS，遥感影像中整体表现为大规模的断层沟谷地貌。在GF-1影像中，局部地段可见明显的线性陡坎特征，分隔丘陵与河谷地貌单元(图 3(a))，断裂向北延伸至长江流域的德山一带。
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图 3 遥感解译 Fig. 3 Remote sensing interpretation |
漆家河-陈家湾断裂位于研究区东侧，走向近EW，遥感图像中表现为大型的断层谷地地貌，在GF-1影像中可见两侧连绵丘陵中间发育线性谷地地貌(图 3(b))，属于基岩断裂。
3.5 鹅峰断裂带鹅峰断裂带位于研究区东侧，整体走向NWW，由多条基岩分支断裂组成，在GF-1影像中可见明显的线性陡坎、线性陡崖构造地貌(图 3(c))，属于基岩断裂。
4 与SBAS-InSAR结果对比SBAS(small baseline subset，小基线集)技术由Berardino等[12]首次提出，该技术能很好地克服时空去相关的影响，对一些长时间内的微小缓慢沉降能起到很好的监测效果。由于断裂构造控制着区域地壳格架与活动性，间接导致区域地面发生抬升或沉降。本文选取2017-01~2019-10共39景Sentinel-1(哨兵1号)影像，结合日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)提供的ALOS(对地观测卫星)30 m分辨率的DEM数据，采用GAMMA软件进行SBAS-InSAR技术处理，重点分析解译断层附近区域，处理结果见图 4。
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F1:太阳山断裂带; F1-1:岗市-河泱断裂; F1-2:太阳山西侧断裂; F1-3:肖伍铺断裂; F1-4:仙峰峪断裂; F2:常德-益阳-长沙断裂; F3:德山-泉塘观断裂; F4 : 漆家河-陈家湾断裂; F5:鹅峰断裂带; F6:大里山断裂 图 4 SBAS-InSAR处理结果 Fig. 4 Processing results of SBAS-InSAR |
在研究时段内，研究区最大沉降量约为62.59 mm，最大抬升量约为59.42 mm，基本符合区内形变规律。研究区沉降或抬升主要以非构造因素为主，可能与降雨、含水、淤泥等因素有关，构造因素引起的形变量较小，虽然非构造因素占主导，但研究区形变也在一定程度上与断裂分布有关。太阳山构造带地区均发生沉降或抬升现象，受断层控制的沉降或抬升形变分布与太阳山构造带走向基本一致，呈NNE向，而太阳山主体部分以抬升为主，部分沉降主要分布于山间冲沟地带，其中以太阳山断裂带F1-1分支断裂为代表的山间沟谷地区附近以沉降为主。常德-益阳-长沙断裂两侧地形差异明显，其东北侧湖泊河流分布集中，区内沉降和抬升交错分布，而西南侧因多为山体，以抬升现象为主，断裂两侧的形变分布差异显著，从而起到很好的分界作用。德山-泉塘观断裂附近西侧的沟谷地区以沉降为主，东侧山体抬升现象较显著。研究区西侧漆家河-陈家湾断裂、鹅峰断裂带附近地区的形变特征以丘陵山地抬升、断层沟谷沉降为主。
5 结语用多源遥感数据对太阳山断裂带及周边地区活动断层的几何分布及构造地貌特征进行研究，主要得出以下结论：
1) 研究区共解译出6条主要断裂，包括太阳山断裂带、常德-益阳-长沙断裂、德山-泉塘观断裂、漆家河-陈家湾断裂、鹅峰断裂带和大里山断裂，太阳山断裂带的4条主干断裂不同程度地表现出线性陡坎、断层沟谷、湖泊边界、山体断错等异常地貌特征。
2) 常德-益阳-长沙断裂隐伏特征较强，但可对两侧不同地貌起到分界作用；德山-泉塘观断裂、漆家河-陈家湾断裂和鹅峰断裂带整体表现出大规模的断层沟谷地貌，局部地段可见线性陡坎、线性谷地及线性陡崖等。
3) 利用SBAS-InSAR技术在2017-01~2019-10期间监测地面沉降及抬升，结果表明，累积最大沉降量为62.59 mm，最大抬升量为59.42 mm，区域沉降或抬升的分布特征与断裂分布具有一定关系，从而间接验证遥感解译结果的可靠性。
| [1] |
何宏林. 活动断层填图中的航片解译问题[J]. 地震地质, 2011, 33(4): 938-950 (He Honglin. Some Problems of Aerial Photo Interpretation in Active Fault Mapping[J]. Seismology and Geology, 2011, 33(4): 938-950 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.017)
(  0) |
| [2] |
胡官兵. 基于多源遥感数据的云南西双版纳地区地质构造解译[J]. 地质学刊, 2019, 43(3): 460-468 (Hu Guanbing. Interpretation of Geological Structures in Xishuangbanna, Yunnan Based on Multi-Source Remote Sensing Data[J]. Journal of Geology, 2019, 43(3): 460-468 DOI:10.3969/j.issn.1674-3636.2019.03.)
( 0) |
| [3] |
付碧宏, 张松林, 谢小平, 等. 阿尔金断裂系西段——康西瓦断裂的晚第四纪构造地貌特征研究[J]. 第四纪研究, 2006, 26(2): 228-235 (Fu Bihong, Zhang Songlin, Xie Xiaoping, et al. Late Quaternary Tectono-Geomorphic Features along the Kangxiwar Fault, Altyn Tagh Fault System, Northern Tibet[J]. Quaternary Sciences, 2006, 26(2): 228-235 DOI:10.3321/j.issn:1001-7410.2006.02.010)
( 0) |
| [4] |
Arrowsmith J R, Zielke O. Tectonic Geomorphology of the San Andreas Fault Zone from High Resolution Topography: An Example from the Cholame Segment[J]. Geomorphology, 2009, 113(1-2): 70-81 DOI:10.1016/j.geomorph.2009.01.002
( 0) |
| [5] |
郑文俊, 郭华, 袁道阳, 等. 遥感影像信息在活动断裂研究中的应用[J]. 高原地震, 2002, 14(2): 15-21 (Zheng Wenjun, Guo Hua, Yuan Daoyang, et al. Application of Remote Sensing Image Information in the Research of Active Faults[J]. Earthquake Research in Plateau, 2002, 14(2): 15-21 DOI:10.3969/j.issn.1005-586X.2002.02.003)
( 0) |
| [6] |
郭卫英, 柔洁, 王翠. 遥感技术在乌鲁木齐市活断层探测中的应用[J]. 内陆地震, 2006, 20(1): 57-64 (Guo Weiying, Rou Jie, Wang Cui. Application of Remote Sensing Technique to Active Fault Exploraion in Urumqi City[J]. Inland Earthquake, 2006, 20(1): 57-64 DOI:10.3969/j.issn.1001-8956.2006.01.008)
( 0) |
| [7] |
Issaak P, Konstantinos N, Konstantinos S, et al. Integrated Use of Optical and Radar Satellite Data for Active Faults and Corresponding Displaced Landforms in Kozani Basin(Greece)[J]. Geocarto International, 2001, 16(3): 17-23 DOI:10.1080/10106040108542200
( 0) |
| [8] |
Klinger Y, Etchebes M, Tapponnier P, et al. Characteristic Slip for Five Great Earthquakes along the Fuyun Fault in China[J]. Nature Geoscience, 2011, 4(6): 389-392 DOI:10.1038/ngeo1158
( 0) |
| [9] |
王鑫, 张景发, 姜文亮, 等. 美国锁眼侦查卫星遥感数据在活动断层研究中的应用——以郯庐断裂带江苏段为例[J]. 遥感学报, 2018, 22(增): 233-246 (Wang Xin, Zhang Jingfa, Jiang Wenliang, et al. Application of Keyhole Satellite Data in Active Fault Study: A Case Example of Jiangsu Segment of Tan-Lu Fault Zone[J]. Journal of Remote Sensing, 2018, 22(S): 233-246)
( 0) |
| [10] |
张景发, 姜文亮, 田甜, 等. 活动断裂调查中的高分辨率遥感技术应用方法研究[J]. 地震学报, 2016, 38(3): 386-398 (Zhang Jingfa, Jiang Wenliang, Tian Tian, et al. High Resolution Remote Sensing Application Research in Active Fault Surveying[J]. Acta Seismologica Sinica, 2016, 38(3): 386-398)
( 0) |
| [11] |
沈得秀, 周本刚, 杨晓平, 等. 湖南太阳山隆起区断层活动性研究[J]. 中国地震, 2008, 24(1): 38-47 (Shen Dexiu, Zhou Bengang, Yang Xiaoping, et al. Activity Characteristics of the Taiyangshan Uplift Area in Hunan, China[J]. Earthquake Research in China, 2008, 24(1): 38-47 DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2008.01.005)
( 0) |
| [12] |
Berardino P, Fornaro G, Lanari R, et al. A New Algorithm for Surface Deformation Monitoring Based on Small Baseline Differential SAR Interferograms[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2002, 40(11): 2 375-2 383 DOI:10.1109/TGRS.2002.803792
( 0) |
2. National Institute of Natural Hazards, MEM, 1 Anningzhuang Road, Beijing 100085, China;
3. Shandong Institute of Earthquake Engineering, 5 Weiqi Road, Ji'nan 250021, China;
4. Changde Earthquake Agency, 2999 Liuye Avenue, Changde 415000, China