青海玉树MS7.1级地震地表破裂带的遥感影像解译1

石 峰何宏林张 英

1）中国地震局地质研究所国家地震活动断层研究中心，北京 100029

2）中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

3）中国科学院研究生院，北京 100049

青海玉树MS7.1级地震地表破裂带的遥感影像解译1

石 峰1)何宏林1)张 英2,3)

1）中国地震局地质研究所国家地震活动断层研究中心，北京 100029

2）中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

3）中国科学院研究生院，北京 100049

2010年4月14日青海省玉树发生MS7.1级地震，造成严重的人员伤亡和重大的经济损失。除组织现场快速震害评估和地表破裂带调查外，利用高分辨率卫星影像解译是迅速给出初步震害评估和同震地表破裂的位置和展布的最佳途径。本文通过对震前、震后高分辨率SPOT卫星影像的对比，解译出了12km长的同震地表破裂带，其在影像上主要表现为线性阴影和色彩变化。地表破裂带位置和先存的断层、老破裂带位置一致，说明青海玉树地震属于原地复发型地震。同时，解译结果也得到了来自野外实地调查结果的验证，证明了遥感解译的可信性和及时性。但解译破裂长度远小于实际破裂长度，也说明了基于2.5m分辨率的SPOT卫星影像的遥感解译存在较大的局限性。

玉树地震 遥感解译 地表破裂

引言

遥感解译在抗震救灾和恢复重建中发挥了重要的作用（黄铁青等，2008；李德仁等，2008），同时也是研究活动构造的重要方法。青海玉树地震发生后，除组织现场快速震害评估和地表破裂带调查外，高分辨率卫星影像解译是迅速给出初步震害评估、同震地表破裂位置以及展布的最佳途径。2010年4月14日7点49分，青海玉树（33.1°N，96.7°E）发生了MS7.1级地震（中国地震信息网，2010），矩震级为MW6.9（USGS，2010；陈运泰，2010），造成巨大的人员伤亡和经济损失。地震发生当天，中国地震局派遣到现场的工作队迅速奔赴震区开展震害评估和地表破裂带调查，获得了丰富的第一手资料。为配合现场调查、快速了解地震破裂带整体形态和大致位置，本文作者在获得地震前后的SPOT卫星影像后，对极震区的破裂带进行了解译，识别出了12km长的地表破裂带。

1 青海玉树地震的构造背景

青海玉树 MS7.1级地震发生在甘孜-玉树断裂带的中段，结隆与巴塘之间。甘孜-玉树断裂带是鲜水河-小江断裂系的西北段，它与该断裂系中的其它断裂（鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂、大凉山断裂和小江断裂）一起，构成了顺时针旋转的青藏高原南东地块的北边界（张培震等，2003; He等，2006）。甘孜-玉树断裂带由斜列状排列的一组北西向断层组合而成，西起青海治多县那王草曲塘，经当江、玉树、邓柯、玉隆，至四川甘孜县城南，全长约500km。断裂整体呈北西向展布，仅在当江附近走向北西西，断层倾向以北东为主（仅挡拖一带倾向南西），倾角70°—85°（李闽峰等，1995）。

甘孜-玉树断裂带是在前第四纪基岩断裂带的基础上发展起来的一条全新世强烈活动断裂，老的基岩断裂破碎带一般宽数十米至百余米，局部地段达数百米（周荣军等，1996）。新断层在地貌上表现为线性延伸的断层陡坎、坡中槽、水系错断等。在遥感影像上，断裂显示出清晰的线性特征，并有明显的水系错断、山脊错断、坡中槽等现象，主要以左旋走滑为主，并伴有较小的垂直运动（彭华等，2006）。甘孜-玉树断裂带晚第四纪平均滑动速率为7 mm/a（周荣军等，1996），5万年以来平均滑动速率为12 mm/a（闻学泽等，2003），GPS观测的现代滑动速率也在10 mm/a左右（张培震，2008）。

历史上，在该断裂带上曾发生过3次强震，它们分别是：1738年12月23日青海玉树及其西北的级地震、1896年3月四川石渠县洛须-青海玉树间的7级地震、1979年3月29日青海玉树南东的6.2级地震（图1）（国家地震局震害防御司，1995；中国地震局震害防御司，1999）。这些地震在地表都留下了清晰的破裂痕迹，在线Google影像上都能清楚地辨认出断层反向坎、山脊和冲沟的左旋位移。

2 数据来源

青海玉树地震遥感解译用到的卫星影像主要为SPOT2.5m和10m分辨率的地震前、后影像数据。数据采集时间分别为：2008年1月4日、2010年2月26日、2010年3月30日、2009年11月5日和2010年4月15日；协调时时间、太阳方位角、入射角等参数基本一致。范围覆盖震中两景（长120km，宽60km），选用时间相距较近的卫星影像可以尽可能最大限度地排除人工建筑改造等的影响，协调时时间、太阳方位角、入射角的一致确保了不会由于角度问题导致产生的阴影不一致。

3 解译结果

通过分析震区SPOT影像，发现玉树地震地表破裂位置和先存活动断层位置一致，玉树地震属于原地复发型地震。玉树地震的发震构造为典型的左旋走滑断层，走滑断层一般呈直线延伸，甚至穿越起伏很大的地形仍保持直线性，在SPOT影像上可以清晰地发现断层的线性构造和山脊、水系的左旋位错。我们在该段解译出近40km活动断层和先存破裂，并在此基础上，通过分析对比地震前、后影像的光学差异，解译识别出了12km长的同震地表破裂带（图2）。同震地表破裂带在遥感影像上主要表现为线性深色阴影、色彩变化等现象。线性阴影主要为断层陡坎，色彩变化主要指示了滑坡和基岩断裂。

3.1 玉树县城西北13km地表破裂（N33°2'47.3"，E96°52'12.1"— N33°2'22.5"，E96°52'58.1"）

青海玉树地震前的影像（图3a）表现出的先存断层为一明显的浅色条带，该条带反映的是断层南盘线性隆起而造成的强反射，浅色条带与北侧（断层北盘）之间鲜明的颜色分界线指示了先存断层迹线。而从青海玉树地震后的影像（图 3b）上可以看出，沿先存断层迹线存在一条明显的深灰色细条带（红色箭头指示），线性特征相对于震前影像更加清晰，反映的是玉树地震形成的地表破裂——反向断坎。根据影像测量，此段破裂长约1300m。该破裂表现平直，在中部存在一个间断，略显左阶特征，说明了玉树地震的左旋破裂性质。

图2 玉树地震破裂带遥感解译图（底图来自2.5m分辨率SPOT卫星影像，下同）Fig.2 Distribution of Yushu earthquake surface rupture from remote sensing

1 http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/yushu/index.html.

图3 震前SPOT卫星影像（a）与震后影像和解译同震地表破裂（b）（红色箭头指示破裂带位置）Fig.3 SPOT images of pre-earthquake (a) and post-earthquake, and interpretation of co-seismic rupture (b) (indicated by red arrows)

3.2 玉树县城西北11km地表破裂（N33°2'4.4"，E96°53'16.4"— N33°1'40.1"，E96°54'2.1"）

从青海玉树地震前、后的影像对比（图 4）可以看出，地震前影像上表现出的线性断层特征明显比地震后的清晰，但是从地震后的影像上可以判读出类似于图3b深灰色细条带（红色箭头指示）（图4b），规模上远小于图3b所显现的破裂带。而且，地表破裂的位置也与先存断层迹线完全一致。中国地震局地质研究所野外工作队从现场发回的照片也显示（图4c），大量的地表破裂表现的是小尺度的“羽列”状张剪裂隙带。在该照片的拍摄位置（图4b中的白色框），从地震后的影像上没有判读出任何破裂的迹象，这说明卫星影像在精度上的局限性，分辨率2.5m的精度还无法识别出小于该尺度的地表破裂。无论是从震前还是震后的影像上，都能清晰地判读出明显的山脊错断（图4b黑色箭头指示），错断量约50m，应为多次地震的累积位移。

图4 震前SPOT卫星影像（a）；震后影像和解译同震地表破裂（b）（红色箭头指示破裂带位置，白框指示图c位置）；野外照片（c），镜向NW（来自中国地震局地质研究所1http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/_content/10_04/20/1271742262418.html）Fig.4 SPOT images of pre-earthquake (a) and post-earthquake and interpretation of co-seismic rupture (indicated by red arrows) (b), and photo of rupture in the field, view to NW (c) (index box in b) (from Institute of Geology, China Earthquake Administration)

3.3 玉树县城西北16km地表破裂（N33°3'28.8"，E96°51'2.9"— N33°03'1.7"，E96°51'37.3"）

该处的地表破裂在卫星影像上与上两节的表现形式相同，都是深灰色细条带，长约700m（红色箭头指示）（图 5b），明显不同于背景。而且，地表破裂的位置也与先存断层迹线完全一致。无论是在震前还是震后的影像上，先存构造地貌都表现得十分明显，有左旋位错山脊、位错冲沟和断塞塘等（图5b中用黑色箭头表示）。从震前、震后的影像上都可以判读出约15m的冲沟左旋累积位错（图5b左上用黑色箭头表示）。在震后影像的右下角，存在明显的色彩变化，明显比背景鲜艳，与震前影像也有显著差异，可判读为滑坡或基岩破裂。来自中国地震局地质研究所野外工作队的野外照片也证实了上述判读结果（图 5c），箭头指示了照片中的地表破裂带和基岩破裂的位置。

图5 震前SPOT卫星影像（a）；震后影像和解译同震地表破裂（b）（红色箭头指示破裂带位置）；野外照片（c），镜像SE（来自中国地震局地质研究所1http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/_content/10_04/20/1271742262418.html）Fig.5 SPOT images of pre-earthquake (a) and post-earthquake and interpretation of co-seismic rupture (indicated by red arrows) (b), and photo of rupture in the field, view to SE (c) (from field team of Institute of Geology, China Earthquake Administration)

4 讨论

根据走滑型地震的地表破裂长度L与矩震级MW之间的统计经验关系（Wells等，1994）：MW＝5.16＋1.12logL，可推测出青海玉树地震的地表破裂约为 36km左右。实际上，中国地震局地质研究所野外现场工作队的调查结果也显示，青海玉树地震的地表破裂带长度在31—51km之间，最大位移为1.8m（陈立春等，2010），与上述根据经验关系推测的结果基本一致。而通过对比地震前、后的SPOT影像，可得到玉树地震部分同震地表破裂的分布情况，可被显著识别的同震地表破裂段约12km，其位置与野外调查结果吻合得很好。

从上述的影像分析可知，深灰色阴影条带是识别玉树地震的重要标志，阴影的大小、清晰程度与地表破裂的规模直接相关。由于玉树地震的破裂方式为走滑型，而通常走滑破裂带的宽度较小；同时，玉树地震的水平位错量不大，通过地震波反演的最大位移只有1.3m（陈运泰等，2010）。所以，通过精度为2.5m的SPOT影像解译玉树地震的走滑型地表破裂存在较大的局限，一般认为地物的识别是在影像分辨率的1/2左右（赵英时等，2003），当小于该值的地物时很难识别，这也造成了部分地表破裂带的无法识别。因而，通过解译、对比地震前后的SPOT影像，只能识别出其中的一部分。所以，目前基于这种分辨率的遥感解译，还无法代替对破裂带的野外实地调查。如要解决这一问题，还需要使用更高分辨率的卫星影像数据，或使用最近几年发展起来的空载LiDAR技术。

本文的解译结果显示，玉树地震的地表破裂完全沿先存断层（破裂）展布，同时与先存断层重合，这说明玉树地震为原地复发型。历史上，在甘孜-玉树断裂带上曾发生过3次强震，它们分别是：1738年12月23日青海玉树及其西北的6½级地震；1896年3月四川石渠县洛须-青海玉树间的7级地震；1979年3月29日青海玉树南东的6.2级地震（国家地震局震害防御司，1995；中国地震局震害防御司，1999）。其中，1738年的6½级地震震中烈度为Ⅷ度，影响范围较大（顾功叙，1983），有史料记载：“玉树附近十一族共计被伤番民一百五户，内伤亡无存者四十四户，尚堪成户者四十九户，止存妇女幼孩不堪成户者十二户”（谢毓寿，1983）。根据历史记载得到的1738年6½级地震震中位于安图司附近（33.3ºN，96.6ºE），接近此次玉树地震的震中（33.1ºN，96.7ºE），其等震线所掩盖的范围大部分也与此次玉树地震的影响范围相当，这说明1738年发生的6½级地震与此次玉树地震属于同一个发震构造。周荣军等（1997）和闻学泽等（2003）都认为，对1738年发生的6½级地震的震级估计偏低，该地震应不小于7级。依此，我们判断在地震前SPOT卫星影像上判读出的40km长的活动断层可能与1738年发生的地震相关，该地震是否造成了地表破裂带值得研究。同时，这也进一步说明了玉树地震为原地复发型破裂，与其他研究者的结果一致（陈立春等，2010）。

对于原地复发型地震，如果能在解译活动构造的基础上进行解译同震地表破裂，将大大提高解译的效率与准确性，同时，也可以更好地为野外实地考察工作提供辅助。

5 结论

（1）基于青海玉树地震前后SPOT卫星影像的解译、对比，识别出了12km长的同震地表破裂带，及时地获得了玉树地震的破裂信息。阴影和色彩是遥感影像识别地表破裂的重要标识，通过对比震前、震后的影像可以识别同震地表破裂。但是，通过2.5m分辨率的SPOT影像解译玉树地震这样的走滑型地震的地表破裂还存在较大的局限性，有些地表破裂难以识别。

（2）解译结果表明，玉树地震地表破裂完全沿先存断层（破裂）展布，与先存断层重合，说明玉树地震为原地复发型地震。

（3）对于原地复发型地震，在解译活动构造的基础上同时进行解译同震地表破裂，将大大提高解译的效率与准确性，同时，也可更好地为野外实地考察工作提供辅助。

致谢：感谢北京视宝影像公司提供SPOT卫星影像。

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Remote Sensing Interpretation of the MS7.1 Yushu Earthquake Surface Ruptures

Shi Feng1), He Honglin1)and Zhang Ying2,3)

1) National Centre of Active Fault Studies, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2) Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
3) Graduate University of CAS, Beijing 100049, China

The April 14th, 2010 Yushu earthquake (MS7.1) in Qinghai province, led to severe casualties and a huge economic loss. High resolution remote sensing technique is an effective method to estimate the degree of disaster and to distinguish the co-seismic surface ruptures in time. By comparing pre- and post- earthquake SPOT images, we have interpreted a 12km-long co-seismic surface rupture, which is characterized by linear shadow and color shift in satellite images. The interpreted co-seismic surface rupture is consistent with the old rupture and old fault. It implies that Yushu earthquake is of in-situ recurrence feature. Our results are also verified by the field investigation, which suggests that remote sensing technique is a timely method. However, the length of co-seismic surface ruptures in our result is shorter than that from the field survey. This suggests that 2.5m SPOT image-based remote sensing interpretation has some limitations to some degree in determination of earthquake surface ruptures.

Yushu earthquake; Remote sensing interpretation; Surface ruptures

石峰，何宏林，张英，2010. 青海玉树MS7.1级地震地表破裂带的遥感影像解译. 震灾防御技术，5（2）：220—227.

国家自然科学基金资助项目（项目编号40872128和40841019）共同资助

2010-04-26

石峰，男，生于1984年。硕士研究生。主要从事活动构造研究。E-mail：skywazy@126.com