齊 信， 劉廣寧， 黃長(zhǎng)生

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430223)

0 引言

遙感技術(shù)在城市活動(dòng)斷裂調(diào)查研究中發(fā)揮著重要作用，不僅用于宏觀分析活動(dòng)斷裂的幾何結(jié)構(gòu)、構(gòu)造地貌和空間展布，還可通過(guò)多波段處理技術(shù)分析和提取與活動(dòng)斷裂有關(guān)的含水異常信息、隱伏信息和二次特征信息等弱異常信息[1]，對(duì)城市地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。武漢市及外圍地區(qū)在大地構(gòu)造上分屬秦嶺—大別褶皺帶和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，存在許多斷裂帶[2]，其中，麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶對(duì)武漢市及其外圍地區(qū)地殼穩(wěn)定性和人居環(huán)境的影響最大。該地帶地殼結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜，歷史上也曾多次發(fā)生較大級(jí)別的地震[3]，其中，1932年麻城黃土崗6級(jí)地震是湖北省歷史記載中最大的一次破壞性地震，研究表明麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂為該次地震的發(fā)震斷裂。因此，麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶是一條規(guī)模大、新構(gòu)造期以來(lái)有著強(qiáng)烈活動(dòng)的孕震構(gòu)造。前人對(duì)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶的研究較少，且鑒于歷史時(shí)期調(diào)查手段的局限性，未能從宏觀上把握該斷裂帶的活動(dòng)性。1989年謝廣林[4]首次利用遙感技術(shù)對(duì)該斷裂帶進(jìn)行了圖像解釋和描述，但沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行分段活動(dòng)性論述。開展武漢城市圈活動(dòng)構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的研究，合理避讓斷層、斷裂活動(dòng)帶和地震活動(dòng)帶，對(duì)保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和武漢城市圈長(zhǎng)期、穩(wěn)定和持續(xù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

高分辨率遙感圖像具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，使得單景圖像的數(shù)據(jù)量顯著增加，地物影像的幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息更加明顯。高分辨率遙感圖像的出現(xiàn)使得在較小的空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化成為可能，不僅可以宏觀把握斷裂的展布情況，而且可以具體分析斷裂沿線的多特征信息。綜合多特征信息有利于提高對(duì)斷裂活動(dòng)判斷的準(zhǔn)確性，且具有較大的空間性、時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性和可行性。因此，本文基于高分辨率遙感圖像數(shù)據(jù)，對(duì)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶進(jìn)行宏觀分析和分段性活動(dòng)研究，以期為該斷裂的深入研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，為實(shí)地調(diào)查提供指導(dǎo)信息，提高調(diào)查效率與精度。

1 麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶概況

麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶為NNE向區(qū)域性斷裂構(gòu)造帶，北起豫鄂邊界的松子關(guān)，向南經(jīng)麻城、團(tuán)風(fēng)、咸寧和通山進(jìn)入湖南省，全長(zhǎng)近400 km，在湖北省境內(nèi)長(zhǎng)度約280 km。該斷裂帶由一系列平行或斜列的斷裂組成，在長(zhǎng)江以北表現(xiàn)較明顯。前白堊紀(jì)時(shí)期，斷裂帶以壓剪性活動(dòng)為特征，發(fā)育較寬的糜棱巖和硅化巖帶，帶內(nèi)及旁側(cè)有燕山期花崗巖分布，并經(jīng)受強(qiáng)烈的動(dòng)力變質(zhì)[5]，在長(zhǎng)竹園附近，其東盤北移現(xiàn)象明顯。晚白堊世—古近紀(jì)時(shí)期，在區(qū)域引張作用的影響下，控制了麻城—新洲斷陷盆地的形成，并接受了巨厚的陸相紅色碎屑堆積[5]。第四紀(jì)時(shí)，斷裂繼承性復(fù)活，斷裂兩側(cè)地形、水系特征及河流階地高程明顯不同，水準(zhǔn)測(cè)量地殼垂直形變大，基本顯示張剪性特征。歷史記載表明，湖北省境內(nèi)沿該斷裂帶曾發(fā)生過(guò)2次5級(jí)以上地震[3,6]。

對(duì)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶的研究，可以追朔到20世紀(jì)50—60年代。在1∶20萬(wàn)比例尺區(qū)域地質(zhì)測(cè)量報(bào)告和1∶100萬(wàn)比例尺武漢幅大地構(gòu)造圖中，雖程度不等地涉及到該斷裂帶，但眾多學(xué)者多集中于探討東大別高壓、超高壓變質(zhì)巖的形成與折返模型[7]，而對(duì)斷裂帶的論述則不多，單獨(dú)論述該斷裂帶活動(dòng)的文獻(xiàn)也甚少。本文研究范圍為麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶，寬約18 km，長(zhǎng)約108 km，總面積近2 000 km2。對(duì)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶的遙感解譯結(jié)果如圖1所示。根據(jù)遙感圖像特征及其活動(dòng)強(qiáng)度，將麻城—團(tuán)風(fēng)主斷裂劃分為3段： F1為北段，F(xiàn)2為中段，F(xiàn)3為南段。

(a) 麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶遙感圖像(B1(R)，B2(G)，B3(B)) (b) 斷裂解譯結(jié)果

圖1麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶遙感圖像及其解譯圖

Fig.1RemotesensingimageandinterpretationmapofMacheng―Tuanfengfaultzone

2 斷裂帶及其活動(dòng)性遙感解譯

遙感圖像不僅能從宏觀上展現(xiàn)活動(dòng)斷裂及其他活動(dòng)構(gòu)造的圖像全貌，而且能直觀地揭示斷裂活動(dòng)的圖像信息，為分析發(fā)震構(gòu)造與強(qiáng)震孕育地段及斷裂的活動(dòng)狀態(tài)與地震活動(dòng)的關(guān)系提供豐富的信息[8-12]。利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶及其活動(dòng)性調(diào)查,流程如圖2所示。首先對(duì)多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正、圖像融合和鑲嵌等預(yù)處理； 然后分別對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)和分割處理，綜合波譜特征信息和空間形態(tài)特征信息等，建立遙感圖像地物解譯標(biāo)志； 根據(jù)解譯標(biāo)志提取線性構(gòu)造和多特征多地物相關(guān)信息，并結(jié)合解譯區(qū)相關(guān)資料進(jìn)行斷裂帶及其活動(dòng)性的初步判斷。

圖2 斷裂帶及其活動(dòng)性遙感解譯流程圖Fig.2 Flow chart of remote sensing interpretation for fault zone and its activity

2.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用的遙感圖像增強(qiáng)方法主要包括圖像濾波和圖像變換[13-18]。由于地質(zhì)構(gòu)造信息與地表地物呈復(fù)雜相關(guān)，很難找到一種對(duì)所有地質(zhì)構(gòu)造信息提取都有效果的遙感圖像處理方法，因此針對(duì)不同地物目標(biāo)需要采用不同的遙感圖像處理方法提取斷裂構(gòu)造信息。

2.2 斷裂構(gòu)造解譯方法

斷裂構(gòu)造遙感解譯方法是根據(jù)遙感圖像的光譜特征、形狀特征、紋理特征、等級(jí)特征和關(guān)系特征(即形狀、大小、陰影、色調(diào)、紋理、圖案、位置和布局等)建立地物圖像和實(shí)地目標(biāo)地物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而建立斷裂構(gòu)造的遙感解譯標(biāo)志。根據(jù)解譯標(biāo)志，采用不同方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行解譯，勾繪地物類型界線，標(biāo)注地物類別，形成預(yù)解譯圖[12]。本文采用的遙感解譯方法包括直判法、追索法、類比法及綜合多特征信息法等，尤其是綜合多特征信息法對(duì)斷裂解譯有較好的效果，易于識(shí)別斷裂帶沿線地物的遙感特征。該方法包括圖像預(yù)處理、圖像特征提取和分類綜合判別，以所要提取的光譜、形狀和紋理特征信息為依據(jù)進(jìn)行分類，綜合判斷地物，從而在很大程度上提高了對(duì)地質(zhì)構(gòu)造解譯的準(zhǔn)確性。

2.3 斷裂解譯標(biāo)志

任何地表和埋藏一定深度的斷裂，由于其力學(xué)性質(zhì)、活動(dòng)特征和伸展?fàn)顟B(tài)及兩側(cè)自然景觀的不同，反射電磁波譜的能量也有差異，從而構(gòu)成遙感圖像中的不同色調(diào)和幾何形狀[19-21]。遙感圖像經(jīng)預(yù)處理后，首先要建立斷裂構(gòu)造帶解譯標(biāo)志，才能正確識(shí)別遙感圖像中的斷裂構(gòu)造。本文建立的斷裂構(gòu)造遙感解譯標(biāo)志主要包括色調(diào)異常、水系異常、地貌差異、線性異常和多尺度信息等，尤其是線性色調(diào)異常帶，河流或沖溝在跨越線性地物處有規(guī)律的扭動(dòng)和拐彎，在地貌上線性排列的擠壓脊、鼓包、斷層陡坎和拉分盆地等微地貌，都是判斷斷裂構(gòu)造的直接標(biāo)志。另外，多尺度信息綜合了光譜特征、紋理特征和形狀特征等信息，提取斷裂帶的多尺度信息，相當(dāng)于融合了以上多種解譯標(biāo)志。

3 斷裂帶分段活動(dòng)性調(diào)查與分析

麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶在遙感圖像中由麻城東北的黃土咀起，向南經(jīng)閻家河、白果東、夫子河、道觀河、舊街、淋山河至團(tuán)風(fēng)，并延伸過(guò)長(zhǎng)江，走向NE15°～30°。該斷裂帶的東側(cè)地貌屬于構(gòu)造剝蝕型，主要包括低山、剝蝕丘陵和崗狀平原等，地層年代較老； 西側(cè)地貌則屬于堆積型盆地，主要包括河漫灘和Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)階地等，地層年代較新。根據(jù)遙感圖像中顯示出的線性特征，麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶由黃土咀至團(tuán)風(fēng)大致可以分為3段，即F1，F(xiàn)2和F3(圖1(b))。

3.1 F1黃土咀至白果東段

F1段在遙感圖像(圖3)中主要表現(xiàn)為基巖區(qū)與構(gòu)造盆地間明顯的線性界線，造成了東部老地層組成的山地與西部新地層覆蓋的盆地相接，界線平直，猶如刀切。循斷裂延伸方向，地勢(shì)低洼，構(gòu)造河發(fā)育。這些短小的構(gòu)造河多半自斷裂東側(cè)山地流出，穿過(guò)斷裂帶進(jìn)入盆地后即改變流向匯入沿盆地東緣南流的較大河流。

(a) 麻城市東側(cè)原始影像(b) 麻城市東側(cè)增強(qiáng)影像(c) 黃土咀東側(cè)原始影像 (d) 黃土咀東側(cè)增強(qiáng)影像

圖3F1段線性圖像特征

Fig.3LinearimagecharacteristicsofF1section

圖3為經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后的F1段的部分遙感圖像。處理后圖像中淺色基巖區(qū)與深色覆蓋區(qū)的相接界線明顯，沿邊界處發(fā)育有明顯的斷層三角面和三角面山。圖3(a)中基巖區(qū)流出的數(shù)條河流進(jìn)入覆蓋區(qū)盆地后均發(fā)生了大于90°的同步彎轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這些河流的彎轉(zhuǎn)點(diǎn)間接揭示了F1段在遙感圖像中通過(guò)的位置。野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，盆地外圍變質(zhì)巖中小型斷裂有所發(fā)育，NEE和EW走向小型斷裂發(fā)育，多為脆性正斷裂(圖4)。

圖4 F1段斷裂露頭野外照片F(xiàn)ig.4 Field photo of outcrop of F1 section

圖3(c)中顯示的河流流向變化說(shuō)明了F1段斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有左旋傾滑的特點(diǎn)，控制斷裂2盤東升西降運(yùn)動(dòng)，后期野外驗(yàn)證證明了解譯的正確性。圖3(b)中北部沿河流發(fā)育斷層三角面界線明顯，南部基巖區(qū)與盆地交界處斷層三角面因長(zhǎng)期侵蝕而出現(xiàn)“后退”現(xiàn)象。同時(shí)，在麻城市東部沿線發(fā)現(xiàn)大量玄武巖出露，呈EW向串珠狀發(fā)育，亦說(shuō)明麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂北段斷裂活動(dòng)特征明顯。圖5為F1段玄武巖露頭野外照片，其中P1和P2為玄武巖露頭位置。

圖5 F1段玄武巖露頭野外照片F(xiàn)ig.5 Field photos of basalt outcrops of F1 section

3.2 F2白果東至淋山河段

遙感圖像顯示該段斷裂因受到多條互相平行的NW―NNW向斷裂的影響，造成了山地與盆地相接處線性特征的減弱和模糊，這說(shuō)明麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂在該段的活動(dòng)性和控制力有所減弱。

圖6為經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后的F2段部分遙感圖像。圖像顯示淺色基巖區(qū)(山地)與深色覆蓋區(qū)(盆地)之間的界線比較模糊，在圖像上表現(xiàn)為寬約1 km的交界帶。交界帶東側(cè)基巖區(qū)發(fā)育有多條呈NW—NNW向分布的次級(jí)斷裂構(gòu)造，這些斷裂構(gòu)造與麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶相交，交接關(guān)系復(fù)雜而難以從遙感圖像中清晰辨認(rèn)。此處麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶或切過(guò)NW—NNW向斷裂，或被多條NW—NNW向斷裂切割成多條平行或斜列的斷裂或斷裂帶。

(a) 原始影像(b) 增強(qiáng)影像

圖6F2段線性圖像特征

Fig.6LinearimagecharacteristicsofF2section

因此，麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶在該段通過(guò)的精確位置需要通過(guò)野外調(diào)查和勘探予以確認(rèn)。在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了斷裂帶的局部露頭，如在夫子河鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)了寬約20 m的斷裂破碎帶(圖7)。該斷裂破碎帶露頭中碎裂巖、硅化帶和斷層泥發(fā)育，剖面內(nèi)多條小斷裂相互切割，呈斜列分布，但斷裂性質(zhì)難以確定。

圖7 F2段斷裂破碎帶野外照片F(xiàn)ig.7 Field photo of fault fracture zone of F2 section

3.3 F3淋山河至團(tuán)風(fēng)段

麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶F3段地表為第三紀(jì)紅層及第四紀(jì)覆蓋層，斷裂形跡不清； 但在斷裂延伸處第三紀(jì)紅層裂隙發(fā)育，同時(shí)在團(tuán)風(fēng)附近長(zhǎng)江階地有西低成湖、東高且向南東傾斜之勢(shì)，據(jù)此推測(cè)可能存在隱伏斷裂。

F3段線性圖像特征如圖8所示。圖8(a)為經(jīng)過(guò)邊緣增強(qiáng)處理的F3段部分的遙感圖像。圖像范圍內(nèi)的地層為第四系覆蓋(更新統(tǒng)沖洪積)，圖像顯示南磧湖湖泊形狀為長(zhǎng)條狀，且湖岸邊界平直，走向NE，可能是F3段通過(guò)的位置。

(a) 長(zhǎng)江南岸南磧湖原始影像 (b) 長(zhǎng)江南岸南磧湖增強(qiáng)影像(c) 淋山河?xùn)|側(cè)原始影像 (d) 淋山河?xùn)|側(cè)增強(qiáng)影像

圖8F3段線性圖像特征

Fig.8LinearimagecharacteristicsofF3section

圖8(b)為經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理的F3段另一部分的遙感圖像。圖像顯示不同斑紋地貌相接的平直邊界，界線分明，走向NNE。界線兩側(cè)地物色調(diào)差異明顯，這可能是因界線兩側(cè)地下水水位不同所引起。該特征顯示了F3段兩側(cè)地層運(yùn)動(dòng)方式以西升東降為主。因此，該界線可能是F3段通過(guò)的位置。野外調(diào)查證實(shí)該處斷裂為西升東降，顯示正斷裂性質(zhì)。該出露點(diǎn)位于淋山河鎮(zhèn)南東部一開挖剖面，斷面產(chǎn)狀90°∠74°，發(fā)育角礫巖和碎裂巖等，發(fā)育有寬約2 m的斷裂破碎帶，斷裂帶內(nèi)劈理和片理發(fā)育(圖9)。

圖9 F3段斷裂露頭素描圖Fig.9 Sketch map of fault outcrop of F3 section

4 結(jié)論

1)本文采用遙感技術(shù)對(duì)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶遙感圖像的線性展布和分段特征進(jìn)行了分析，根據(jù)處理后遙感圖像中的線性圖像特征，將麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂分為北(F1)、中(F2)、南(F3)3段。經(jīng)遙感解譯，麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂在遙感圖像中總體呈右行斜列式分布，斷裂形成時(shí)以左旋傾滑為主，兼具走滑特征。

2)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶處在地殼相對(duì)穩(wěn)定的弱震環(huán)境中，從遙感圖像中可發(fā)現(xiàn)該斷裂帶活動(dòng)性不均的特點(diǎn)。F1和F2段斷裂以東盤抬升西盤下降運(yùn)動(dòng)為主，F(xiàn)3段斷裂以東盤下降西盤抬升運(yùn)動(dòng)為主。麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂F1段控制力較強(qiáng)，斷裂構(gòu)造解譯標(biāo)志明顯，線性特征圖像清晰； F2段活動(dòng)性減弱，受NW—NNW向斷裂影響，其線性特征圖像模糊； F3段為隱伏斷裂，根據(jù)遙感圖像推測(cè)至少存在2處斷裂可能通過(guò)的路徑。

3)水系格局異常、斷層三角面和斷層谷負(fù)地形等多種斷裂微地貌標(biāo)志均在麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶中有所體現(xiàn)。筆者已有研究表明，麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶的活動(dòng)性還表現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)EW向線性玄武巖帶[22]。因此，本次遙感研究可直接或間接地判斷麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶活動(dòng)是存在的。

4)研究表明，遙感技術(shù)在麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂構(gòu)造調(diào)查中可以發(fā)揮相當(dāng)重要的作用，特別是高分辨率遙感圖像和遙感圖像處理技術(shù)的應(yīng)用不僅可以加快調(diào)查進(jìn)度，還能為實(shí)地調(diào)查提供指導(dǎo)信息，因而顯著提高了調(diào)查效率與精度。本次遙感研究為下一步對(duì)麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶的深入研究提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，適應(yīng)了武漢城市圈的城市規(guī)劃和社會(huì)發(fā)展的需要。

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