楊 彬，王華林，吳洪斌，葛孚剛，鄒 昊，蘇思麗

(山東省地震局，山東 濟(jì)南 250014)

激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LiDAR)測量技術(shù)是近20 年來快速發(fā)展的一種新型對地觀測手段，是對地貌高程的最直接且精度最高的測量手段，可精確、快速、可靠地獲取地面三維數(shù)據(jù)，在地球科學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛[1-4]。其最具吸引力的優(yōu)勢在于激光束能夠通過植被縫隙到達(dá)地表，并能夠準(zhǔn)確測量地表形態(tài)。這些數(shù)據(jù)可以在適當(dāng)?shù)某叨群途壬险宫F(xiàn)斷層活動在地表留下的跡象，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于斷錯(cuò)地貌定量分析，可以準(zhǔn)確地提取和分析活動斷裂的構(gòu)造地貌、幾何形態(tài)與分布特征[5]。

早在20 世紀(jì)90 年代LiDAR 測量技術(shù)已開始應(yīng)用于地形測量，隨后該技術(shù)得到了空前的發(fā)展。美國開展了一系列LiDAR 測量項(xiàng)目，系統(tǒng)采集了包括圣安德烈斯斷層南段和圣哈辛托斷層的三維地形數(shù)據(jù)，為南加州地區(qū)活動斷層研究提供了高精度的基礎(chǔ)資料[6-7]。歐洲、日本等也均已經(jīng)開展沿主要活動斷裂帶的大規(guī)模機(jī)載LiDAR 測量。

在國內(nèi)，雖然LiDAR 技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用相對較早，而在地形地貌、活動斷層的微地貌測量方面起步較晚。2008 年汶川地震時(shí)曾開展了唐家山堰塞湖的應(yīng)急機(jī)載激光雷達(dá)測量探索研究，但部分技術(shù)手段和測量信息并沒有完全發(fā)揮作用[8-9]。之后LiDAR 技術(shù)開始應(yīng)用于斷錯(cuò)微地貌的測量[10-13]。2011 年中國地震局地質(zhì)研究所沿海原斷裂帶1920 年海原81/2 級地震120 km 長的地震地表破裂帶利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)開展了條帶狀測量，對海原活動斷裂帶進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)地貌研究[14-15]，是國內(nèi)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在活動構(gòu)造研究中的首次應(yīng)用。

基于LiDAR 數(shù)據(jù)的量化分析是未來活動構(gòu)造研究的趨勢，與傳統(tǒng)方法相比，LiDAR 技術(shù)在森林覆蓋區(qū)和城區(qū)的活動斷裂填圖中具有巨大的優(yōu)勢，在沿活動斷裂位移量測量上也更精準(zhǔn)，更有效。而震前與震后LiDAR 數(shù)據(jù)對比也是研究同震變形特征、探索斷裂發(fā)震模式的重要手段[16]。LiDAR 技術(shù)是獲取活動斷層位移量等定量參數(shù)的最有效的新技術(shù)手段，在活動構(gòu)造研究中的應(yīng)用前景廣闊；沿主要活動斷裂帶的LiDAR 測量將成為未來國內(nèi)活動斷裂研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的重要手段。

郯廬斷裂帶是我國東部地區(qū)最為重要的大型活動構(gòu)造帶。沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶中南段，是斷裂和地震活動最為活躍的段落。沂沭斷裂帶內(nèi)安丘?莒縣斷裂是全新世活動斷層，沿?cái)嗔寻l(fā)生過1668 年郯城8?級地震和公元前安丘7 級地震。該斷裂的莒縣至郯城段斷錯(cuò)地貌特征最清晰，斷裂沿線的斷層陡坎、沖溝水系錯(cuò)斷等現(xiàn)象豐富，是利用LiDAR 技術(shù)開展斷層測量、獲取斷層活動定量數(shù)據(jù)的理想地段?？紤]研究地區(qū)植被覆蓋，采用較為前沿的地基激光雷達(dá)與機(jī)載激光雷達(dá)對沂沭斷裂帶莒縣至郯城段的左山段、鐘華山段、岌山段和馬陵山段開展了活動斷層斷錯(cuò)地貌測量，通過LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和分析處理，得到了高精度數(shù)字高程模型 (Digital Elevation Model，DEM)和定量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了斷裂微地貌形態(tài)的高清晰度三維再現(xiàn)，以此更科學(xué)、精準(zhǔn)地研究了沂沭斷裂帶莒縣至郯城段典型斷錯(cuò)地貌和活動特征。

1 構(gòu)造背景與研究方法

1.1 構(gòu)造背景

沂沭斷裂帶規(guī)模大，活動性強(qiáng)，具有分段活動特征。自北向南，將沂沭斷裂帶分為Ⅰ安丘段；Ⅱ莒縣?郯城段；Ⅲ新沂?泗洪段(圖1)，莒縣?郯城段是沂沭斷裂帶中最為活動的段落[17]。斷裂帶由若干條次級斷裂組成，形成“兩塹夾一壘”的構(gòu)造地貌，略呈平行排列，自西向東依次為鄌郚?葛溝斷裂、沂水?湯頭斷裂、白芬子?浮來山斷裂、安丘?莒縣斷裂、昌邑?大店斷裂；沂沭斷裂帶莒縣至郯城段長約100 km，表現(xiàn)為4 條右階斜列的次級斷層，分別為左山次級斷層、鐘華山次級斷層、岌山次級斷層和馬陵山次級斷層，并且不連續(xù)出露。野外實(shí)地考察多處見東側(cè)的白堊系王氏組紫紅色砂巖逆沖在西側(cè)的晚第四紀(jì)黃土層之上，并錯(cuò)段沖溝水系。1668 年郯城8?級地震就發(fā)生在莒縣至郯城段[17]，遙感影像上極為醒目，控制著沭河水系的發(fā)育，形成刀砍般的線性陡坎地貌，反映了該斷裂晚第四紀(jì)以來的走滑活動性質(zhì)。

圖1 沂沭斷裂帶莒縣至郯城段遙感綜合解譯與激光雷達(dá)(LiDAR)測量分布Fig.1 Maps showing the comprehensive interpretation results of remote sensing images and LiDAR measurement distribution for the Juxian-Tancheng segment of the Yishu fault zone

1.2 構(gòu)造地貌研究方法

利用單次地震位移與多次地震累積位移的關(guān)系可以研究強(qiáng)震的復(fù)發(fā)習(xí)性，所以分析斷層的破裂歷史是預(yù)測地震的有效方法之一[18]。遙感與LiDAR 技術(shù)的應(yīng)用，使得高精度地形地貌測量更加快捷，如高分辨率影像以及DEM 在活斷層定量研究中的應(yīng)用[18-19]；LiDAR技術(shù)在構(gòu)造地貌測量中的應(yīng)用[20-21]。利用高分辨率遙感與高精度地形資料，約束構(gòu)造地貌位錯(cuò)，重構(gòu)斷層破裂歷史，識別古地震事件，明確地震位移分布特征與斷層破裂模式，從而估算斷層強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期。通過定量分析相關(guān)斷錯(cuò)地貌參數(shù)來開展活動斷層構(gòu)造地貌研究。

本次野外測繪工具分別為奧地利RIEGL 公司研發(fā)的VZ-1000 地基激光雷達(dá)掃描儀和國產(chǎn)縱橫機(jī)載JoLiDAR1500 激光雷達(dá)；其中VZ-1000 地基激光雷達(dá)定位誤差僅為0.005 m，縱橫機(jī)載JoLiDAR1500 激光雷達(dá)飛行高度500 m 范圍內(nèi)，定位誤差為平面0.01 m，高程0.03 m。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可獲得高分辨率的DEM 數(shù)據(jù)。

沖溝位錯(cuò)可利用基于Matlab 平臺開發(fā)的LaDiCaoz計(jì)算分析軟件[22]。該軟件是一款專門針對河流及沖溝位錯(cuò)分析測量的專業(yè)分析軟件，用戶可將LiDAR 等設(shè)備獲取的高精度DEM(圖2c)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，通過定義斷裂跡線位置、地形橫斷面位置和地貌標(biāo)志的方向(沖溝、河道或陡坎方向，圖2a)獲取斷裂位移數(shù)據(jù)。具體操作方法如下：

圖2 基于高分辨率DEM 數(shù)據(jù)的位錯(cuò)量測量方法Fig.2 Method for measuring offset amount based on high-resolution DEM data

(1) 定義斷層的位置以及跨沖溝上游和沖溝下游的地形橫斷面位置(圖2a)。

(2) 獲取上、下游沖溝橫斷面的高程剖面信息。

(3) 將紅色的剖面形態(tài)進(jìn)行水平移動、垂直移動和拉伸調(diào)整(圖2d、圖2e)，最終求得這2 條剖面的高程差絕對值之和的最小值，其對應(yīng)的水平移動距離即為最佳位移值(圖2f)。

(4) 輸入得到的最佳位錯(cuò)值，軟件即會給出該處直觀的原始地貌(圖2g)。

經(jīng)與野外實(shí)際測量值比對可知，軟件得出的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)與實(shí)際相符。

2 地形地貌數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

本文通過實(shí)際操作和后期數(shù)據(jù)的處理及分析，總結(jié)出地基激光雷達(dá)操作步驟主要分為三個(gè)部分(圖3)。一是前期準(zhǔn)備階段，其中最主要的任務(wù)就是結(jié)合野外實(shí)際地形，合理制定掃描方案和站點(diǎn)的布設(shè)；二是數(shù)據(jù)采集的掃描階段；三是數(shù)據(jù)處理階段。

圖3 地基LiDAR 工作流程Fig.3 Workflow of terrestrial LiDAR

本文采用的儀器RIEGL VZ-1000 激光掃描儀，主要用于采集沿?cái)鄬拥湫偷孛参诲e(cuò)處的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)是由激光發(fā)射器、紋理采集相機(jī)及GPS 天線組成。其主要參數(shù)見表1。

表1 RIEGL VZ-1000 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Primary technical parameters of a RIEGL VZ-1000 terrestrial laser scanner

掃描時(shí)主要將測量站點(diǎn)布設(shè)在斷層破裂帶兩側(cè)位置上，確保完整采集斷層地貌細(xì)節(jié)。在進(jìn)行野外勘查時(shí)必須確定站點(diǎn)的整體布設(shè)情況，需保證相鄰站點(diǎn)之間有較高的重疊區(qū)以利于后續(xù)點(diǎn)云拼接處理，掃描范圍要基本涵蓋區(qū)域內(nèi)的詳盡的地形特征。其中每站掃描激光頻率為150 Hz，最遠(yuǎn)距離為1 200 m，每站掃描的時(shí)間5～10 min。圖4 為沂沭斷裂帶莒縣至郯城段地貌特征及掃描站點(diǎn)位置影像圖。

圖4 沂沭斷裂帶莒縣至郯城段地貌特征及掃描站點(diǎn)位置影像圖Fig.4 Images showing the geomorphic features and measurement station locations of the Juxian-Tancheng segment of the Yishu fault zone

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)是由縱橫CW-25E 固定翼飛機(jī)搭載PPK/RTK 差分定位系統(tǒng)(動態(tài)后處理差分技術(shù)/載波相位差分技術(shù))以及JoLiDAR1500 激光雷達(dá)，作業(yè)半徑達(dá)50 km，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)厘米級定位以及雙差分定向。

航線首尾會通過繞“8”字的形式，對激光雷達(dá)進(jìn)行雷達(dá)慣導(dǎo)標(biāo)定。無人機(jī)飛行時(shí)，實(shí)時(shí)采集慣性傳感器IMU 和激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)，利用在線標(biāo)定算法，實(shí)時(shí)估計(jì)IMU 和激光雷達(dá)之間的變換關(guān)系，并將激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和IMU 的慣性測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提高數(shù)據(jù)的定位精度(表2)。

表2 JoLiDAR1500 主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Primary technical parameters of the JoLiDAR1500 measurement system

由于現(xiàn)場山體高聳、落差大，在保證飛行安全的前提下，定高飛行方式獲取的數(shù)據(jù)只能保證最高處的掃描精度，山谷盆地等低處掃描精度會降低。因此，本次無人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取采用仿地變高飛行方式，兼顧飛行安全和數(shù)據(jù)精度，仿地飛行高度500 m。

2.3 數(shù)據(jù)處理

與光學(xué)測量以及其他傳統(tǒng)測量方法相比，LiDAR技術(shù)最大的優(yōu)勢就是可以去除植被影響。LiDAR 數(shù)據(jù)包含多重回波信息，可以將末次回波信息保留(一般為最低高程數(shù)據(jù))，從而更真實(shí)地呈現(xiàn)原始地貌信息(圖5a 未濾除植被DEM、圖5b 濾除植被DEM)。

圖5 濾除植被前后的DEM 對比Fig.5 Comparison of the DEM before and after vegetation filtering

LiDAR 數(shù)據(jù)處理包括三維坐標(biāo)解算、點(diǎn)云濾波和DEM 生成三個(gè)過程。使用Inertial Explorer 軟件和點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云三維坐標(biāo)解算。導(dǎo)入LiDAR原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)云的三維坐標(biāo)。最后解算得到輸出為las 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖6)。

圖6 岌山段激光雷達(dá)點(diǎn)云解算結(jié)果Fig.6 LiDAR point cloud calculation results of the Jishan segment of the Yishu fault zone

由于LiDAR 采集到的點(diǎn)云存在離散和非均勻特性，測區(qū)內(nèi)會存在一些“空洞”，常用的DEM 一般為規(guī)格格網(wǎng)，因此，需要通過插值生成DEM?？臻g插值的常見算法為自然鄰域插值、反距離加權(quán)法(IDW)、克里金插值法、不規(guī)則三角網(wǎng)法等，本研究使用不規(guī)則三角網(wǎng)法，最終得到的高精度的DEM 數(shù)據(jù)。

2.4 地基與機(jī)載激光雷達(dá)的差異以及數(shù)據(jù)使用情況

從工作原理上，地基激光雷達(dá)與機(jī)載激光雷達(dá)是一致的，但二者在工作方式上存在差異，工作效率和采集數(shù)據(jù)的精度也不盡相同：

(1) 地基激光雷達(dá)采用的是固定站點(diǎn)式數(shù)據(jù)采集，需要人工大范圍布設(shè)站點(diǎn)，工作效率較低，但采集數(shù)據(jù)的精度高，例如本文VZ-1000 地基激光雷達(dá)定位誤差為0.005 m。

(2) 機(jī)載激光雷達(dá)采用的是移動式數(shù)據(jù)采集，由無人機(jī)攜帶激光雷達(dá)在空中飛行，通過持續(xù)不斷的空中慣導(dǎo)標(biāo)定，來采集高精度的定位數(shù)據(jù)，工作效率高，但定位誤差要大于地基激光雷達(dá)。例如本文縱橫CW-25E 搭載的JoLiDAR1500 激光雷達(dá)，航高500 m 范圍內(nèi)定位誤差為平面0.01 m，高程0.03 m。

概括起來，地基激光雷達(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)雖然采集方式、工作效率以及獲取的數(shù)據(jù)精度不同，但數(shù)據(jù)處理的方式包括數(shù)據(jù)匹配、點(diǎn)云抽稀、點(diǎn)云濾波、三維建模等過程是一致的，同時(shí)都可獲得滿足工作要求的高分辨率DEM，本次工作左山(一步澗)段、鐘華山段以及蔣家?guī)X等地采用地基激光雷達(dá)完成野外數(shù)據(jù)采集，岌山段和馬陵山段采用機(jī)載激光雷達(dá)完成野外數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)處理均可得到的精度為0.1 m 高分辨率的DEM 數(shù)據(jù)。

3 斷錯(cuò)地貌測量分析與討論

沂沭斷裂帶莒縣至郯城段斷錯(cuò)地貌非常發(fā)育，由于斷裂活動的非均勻性，斷錯(cuò)地貌在不同斷裂段上的類型及強(qiáng)度都有較大差異。沂沭斷裂帶莒縣至郯城段具有右旋走滑兼逆斷層性質(zhì)，沿?cái)嗔褞鄬佣缚布皼_溝位錯(cuò)發(fā)育明顯。本文通過地基激光雷達(dá)(LiDAR)和機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)分別獲取了莒縣至郯城段左山(一步澗)、鐘華山、岌山和馬陵山等斷層段以及蔣家?guī)X等5 處斷錯(cuò)地貌典型地段的高精度DEM，對每個(gè)地段均進(jìn)行了右旋沖溝解譯，根據(jù)高分辨率DEM 解譯得到斷層斷錯(cuò)沖溝的情況分析，斷層斷錯(cuò)沖溝水平位移的類型(圖7)大致可分為以下幾種。

圖7 地震斷層的沖溝位錯(cuò)類型示意Fig.7 Schematic diagram of offset types of earthquake fault-controlled gullies

a 類型，2 次或多次斷頭沖溝和扭曲沖溝，沖溝的扭曲量代表最新一次水平位錯(cuò)量；b 類型，斷層兩側(cè)A?A沖溝間的距離代表斷層的水平位移量；c 類型，斷頭沖溝與取直沖溝間的距離為斷層的水平位移量，若存在多條斷頭沖溝說明斷層具有多次錯(cuò)動；d 類型，斷層一盤沖溝平直另一盤發(fā)生扭曲代表AA'間的距離為斷層水平錯(cuò)動量；e 類型，斷層一盤沖溝平直另一盤沖溝發(fā)生多次扭曲，每次扭曲代表一次錯(cuò)動的水平位移，斷層總位移為多級扭曲量的總和。

利用沖溝位錯(cuò)分析測量軟件LaDiCaoz 獲得了71 條沖溝的右旋位錯(cuò)量(表3)，對左山(一步澗)、鐘華山、岌山和馬陵山等斷層段水平位移特征以及鐘華山和蔣家?guī)X2 段的垂直位移特征進(jìn)行了分析討論。

表3 沖溝位錯(cuò)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of gully offsets

3.1 沖溝的右旋水平位錯(cuò)

3.1.1 左山(一步澗)段水平位錯(cuò)

左山(一步澗)段的斷裂走向總體為NNE，該段斷層破碎帶較寬，沖溝右旋位錯(cuò)最典型，該處共量測獲得16 處沖溝位錯(cuò)量。左山北段(圖8a)位錯(cuò)量分為4 級：7.1、16.1、29.1 和39.2 m，左山南段(圖8b)位錯(cuò)量分為3 級：3.1～3.2、6.2～8.8 和13.2～15.9 m。其中在左山(一步澗)北同一沖溝顯示4 級錯(cuò)動，顯示該段活動斷層是一條多次破裂的地震斷層，全新世時(shí)期除1668 年8?級地震外，可能還有3 次古地震事件發(fā)生，這一結(jié)論在開挖的左山(一步澗)探槽中得到了很好的驗(yàn)證。

圖8 左山(一步澗)段實(shí)測地形及沖溝位錯(cuò)解譯Fig.8 Measured topography and interpreted gully offsets in the Zuoshan (Yibujian) segment

3.1.2 鐘華山段水平位錯(cuò)

鐘華山段緊鄰沭河，整體走向NNE，呈現(xiàn)東高西低的格局，斷層線平直，線性特征明顯。該段共獲得14 條沖溝的右旋水平位錯(cuò)量，位錯(cuò)量分為3 級：3.2～5.2、9.5～12.5、16.8～18.6 m(圖9a、圖9b、圖9c)，同樣說明斷層具有多期活動，發(fā)生多次古地震事件。

圖9 鐘華山段實(shí)測地形及沖溝位錯(cuò)解譯Fig.9 Measured topography and interpreted gully offsets in the Zhonghuashan segment of the Yishu fault zone

3.1.3 岌山、馬陵山段水平位錯(cuò)

岌山段和馬陵山段是控制岌山和馬陵山西邊界的斷層，主要表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，傾向南東，斷層線總體呈弧形。該段共獲得沖溝位錯(cuò)量41 條，其中岌山段20 條，馬陵山段21 條。岌山段顯示沖溝3.6～5.8、9.8～13.8、18.1～23.8、32.2 和44.1 m 等5 個(gè)不同量級的右旋位錯(cuò)，馬陵山段也顯示了沖溝4.7～8.2、12.5～18.0、25.0～33.0 和51.0～55.0 m 等4 個(gè)不同量級的右旋位錯(cuò)。其中岌山段最南側(cè)一條沖溝(圖10a)和馬陵山段的2 條沖溝(圖10b) 均顯示有3 級錯(cuò)動，顯示了斷裂的多期活動。

圖10 岌山和馬陵山段實(shí)測地形及沖溝位錯(cuò)解譯Fig.10 Measured topography and interpreted gully offsets in the Jishan and Maolingshan segments of the Yishu fault zone

3.1.4 分析與討論

地震破裂產(chǎn)生的右旋走滑位錯(cuò)可以被沖溝等地貌保留，而多次地震產(chǎn)生的累計(jì)位移也可被沖溝等地貌記錄下來，因此，通過沖溝水平位錯(cuò)量分析，可以初步確定斷裂的活動期次和活動強(qiáng)度。通過沿?cái)嗔褞ё笊?一步澗)段、鐘華山段、岌山段和馬陵山段的沖溝位錯(cuò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表3)分析，初步研究成果表明：①每一段的沖溝水平位錯(cuò)量均存在大致相當(dāng)?shù)姆旨壧卣鳎f明沂沭斷裂帶莒縣至郯城段晚第四紀(jì)以來，可能發(fā)生過多期(3～5 次)活動和多次古地震事件；②不同分段間沖溝的水平位錯(cuò)量級存在差異，說明不同段落位錯(cuò)量的差異性，可能與斷裂的運(yùn)動學(xué)性質(zhì)差異性、斷層面結(jié)構(gòu)特征、沖溝所處的地質(zhì)構(gòu)造部位和地形地貌位置以及沖溝形成過程的等諸多因素相關(guān)。因此，沖溝水平位錯(cuò)量的差異性可作為沂沭斷裂帶郯城至莒縣段斷層分段的依據(jù)。③本次測量所得的最小一級的沖溝右旋水平位錯(cuò)量從一定意義上代表了郯城1668 年8?級地震同震位錯(cuò)量。左山(一步澗)段、鐘華山段、岌山段、馬陵山段最小一級位錯(cuò)量的最大值分別為7.1、5.2、5.8 和8.2 m。左山北段沖溝最小一級位錯(cuò)量為7.1 m，同時(shí)在左山探槽揭露到1668 年郯城8?級地震的最新活動[23-24]。說明沖溝7.1 m 右旋水平位錯(cuò)量作為1668 年郯城8?級地震的位錯(cuò)量是可信的。

綜合分析認(rèn)為，4 個(gè)段落最小一級位錯(cuò)量為1668年郯城8?級地震的同震位錯(cuò)量，位錯(cuò)量在5.2～8.2 m之間。這一認(rèn)識與前人研究結(jié)果相吻合[23]。

3.2 垂直位錯(cuò)特征

斷層垂直位移的標(biāo)志主要有沖溝、陡坎和地層，沂沭斷裂帶莒縣至郯城段垂向斷錯(cuò)地貌特征主要體現(xiàn)在鐘華山、蔣家?guī)X的線性多級坡度陡坎以及左山?jīng)_溝的垂直位錯(cuò)。鐘華山段總體走向NNE，斷裂線性特征明顯，發(fā)育不同級別的坡度陡坎，剖面1(圖11)處累積陡坎高度7.0 m，剖面中可見3 級坡度陡坎，每級坡度陡坎1.5～3.0 m，剖面2(圖11)累積陡坎高度5.0 m，剖面中可見2 級坡度陡坎，為多次活動的復(fù)合陡坎。蔣家?guī)X段總體走向NNE，2 個(gè)剖面發(fā)育3 級坡度陡坎，剖面1(圖12) 處累積陡坎高度7.5 m，每級坡度陡坎1.5～2.5 m；剖面2(圖12)處累積陡坎高度6.8 m，每級坡度陡坎1.5～2.5 m。左山(一步澗)段沖溝右旋位錯(cuò)明顯，并伴有4.0 m 的垂直位錯(cuò)(圖2g)。累積陡坎高度反映斷裂垂直位移情況，多級陡坎反映了斷裂的多期活動和多次古地震事件。

圖11 鐘華山南段斷層陡坎DEM 及其剖面圖Fig.11 DEM and profiles of fault scarps in the southern Zhonghuashan segment of the Yishu fault zone

表4 給出了斷層陡坎剖面反映的垂直位錯(cuò)情況。斷層陡坎的多級坡度中斷代表斷層的多次垂直位移，根據(jù)地基激光雷達(dá)測得的鐘華山和蔣家?guī)X斷層陡坎坡度分級位錯(cuò)，同樣概括起來可以推測出3 次古地震事件，每次古地震事件垂直位錯(cuò)量為1.5～2.5 m，與1668 年郯城8?級地震的垂直位錯(cuò)量相當(dāng)。

表4 斷層陡坎剖面反映的垂直位錯(cuò)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of vertical offsets on fault scarp profiles

4 地質(zhì)構(gòu)造檢驗(yàn)

本次LiDAR 測量成果在山東省防震減災(zāi)“十三五”項(xiàng)目臨沂市國際生態(tài)城地震斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)項(xiàng)目(山東省震災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防治中心，2023)中得到了檢驗(yàn)[24]。依據(jù)本次測量結(jié)果對左山(一步澗)段和鐘華山段的斷層陡坎和沖溝位錯(cuò)進(jìn)行了地質(zhì)填圖和探槽開挖，取得良好效果。

4.1 左山(一步澗)段地質(zhì)構(gòu)造檢驗(yàn)

在左山(一步澗)段的斷層陡坎處開展了探槽開挖工作(圖13)。探槽位置處于帶狀陡坎附近，探槽以北為人工挖除的第四系最新沉積，探槽以南可見沖溝右旋錯(cuò)動和沿?cái)鄬臃较虻亩缚驳?。通過與文獻(xiàn)[25](林偉凡等，1987)在左山探槽揭露的地層對比，認(rèn)為②褐黃灰黑混雜的含礫亞砂土14C 測定年齡值為230 士85 年，③灰黑色坡積砂礫石層14C 測定年齡值為3 960士395 年，④砂質(zhì)亞黏土14C 測定年齡值為(1.2～3)萬年[24]。在左山(一步澗)探槽(T2) 中發(fā)育4 組斷面、3個(gè)構(gòu)造楔和崩積楔。根據(jù)探槽剖面地層時(shí)代、斷層錯(cuò)斷的地層層位、構(gòu)造楔和崩積楔等分析，本探槽內(nèi)揭露出4 次地震事件(包括1668 年郯城8?級)，顯示了斷層的多期活動，斷層性質(zhì)為右旋正斷走滑斷層。

圖13 左山(一步澗)探槽(T2)剖面素描Fig.13 Sketch showing the profile of trench T2 in the Zuoshan (Yibujian) segment of the Yishu fault zone

通過地質(zhì)填圖獲得了左山(一步澗)段沖溝位移數(shù)據(jù)，顯示3～7、13～16、25～28 和35～39 m 的分級位移特征，說明斷層具有多期活動，發(fā)生多次古地震事件。該結(jié)論與通過LiDAR 獲取沖溝位錯(cuò)特征基本一致。

4.2 鐘華山段地質(zhì)構(gòu)造檢驗(yàn)

在鐘華山段的斷層陡坎開展探槽開挖(圖14)。探槽所處位置地形東高西低，探槽南側(cè)見沖溝右旋水平錯(cuò)動，位錯(cuò)量約4 m。探槽揭露，斷層?xùn)|盤為白堊系灰綠－黃綠的泥巖、砂巖，西盤為河流Ⅰ級階地。斷層?xùn)|盤向上逆沖，錯(cuò)斷了階地底部的⑦棕褐色粉土和⑥棕褐色亞黏土?黏土，根據(jù)與區(qū)域地層對比，⑥棕褐色亞黏土?黏土屬全新統(tǒng)。分析認(rèn)為，探槽揭露的斷層為全新世活動斷層，性質(zhì)為右旋逆斷走滑斷層。

圖14 鐘華山探槽(T1)剖面圖Fig.14 Profile of trench T1 in the Zhonghuashan segment of the Yishu fault zone

對通過地質(zhì)填圖獲得的鐘華山段沖溝位移數(shù)據(jù)，顯示了4、8～10 和16～19 m 的分級位移特征，同樣說明斷層具有多期活動，發(fā)生多次古地震事件。

5 結(jié)論

a.利用地基激光雷達(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取了沂沭斷裂帶莒縣至郯城段左山(一步澗)、鐘華山、岌山和馬陵山等多處典型斷錯(cuò)地貌的高精度DEM 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對斷層陡坎和沖溝位錯(cuò)的詳細(xì)定量分析研究，真實(shí)地再現(xiàn)了沂沭斷裂帶莒縣至郯城段的典型斷錯(cuò)地貌特征，獲得了斷裂水平和垂直位移數(shù)據(jù)，為斷裂運(yùn)動學(xué)和幾何學(xué)研究提供了重要依據(jù)。

b.沂沭斷裂帶在左山(一步澗)段、鐘華山段、岌山段和馬陵山段的水平斷錯(cuò)地貌具有分級特征。左山段位錯(cuò)量分為4 級：7.1、16.1、29.1 和39.2 m。鐘華山段位錯(cuò)量分為3 級：3.2～5.2、9.5～12.5、16.8～18.6 m。岌山段位錯(cuò)量分為5 級：3.6～5.8、9.8～13.8、18.1～23.8、32.2 和44.1 m。馬陵山段位錯(cuò)量分為4 級：4.7～8.2、12.5～18.0、25.0～33.0 和51.0～55.0 m。初步分析認(rèn)為，左山(一步澗)段、鐘華山段、岌山段和馬陵山段晚第四紀(jì)以來可能發(fā)生過多期(3～5 次)活動和多次古地震事件，四個(gè)段落最小一級位錯(cuò)量為1668 年郯城8?級地震的同震位錯(cuò)量，位錯(cuò)量在5.2～8.2 m。

c.根據(jù)地基激光雷達(dá)測得的鐘華山和蔣家?guī)X斷層陡坎坡度分級位錯(cuò)，獲得斷裂累計(jì)垂直位錯(cuò)量為5～7.5 m，一次斷裂活動位錯(cuò)量為1.5～2.5 m。初步分析出3 次古地震事件，每次古地震事件位錯(cuò)量1.5～2.5 m，與1668 年郯城8?級地震的位錯(cuò)量相當(dāng)。

d.通過地質(zhì)填圖和探槽開挖的地質(zhì)構(gòu)造檢驗(yàn)，認(rèn)為地基激光雷達(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在活動構(gòu)造研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。