腾冲火山区地形地貌特征及断裂制约关系——卫片与DEM解译的认识

张柳毅 李 霓 赵勇伟 曹园园 龚丽文

(中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

0 引言

腾冲火山区位于中国西南地区云南省境内，横断山脉南段高黎贡山西侧，本文研究区的地理坐标为98°22′～98°36′E，25°00′～25°18′N。腾冲火山区是中国最年轻的火山区之一，在东西宽50km、南北长90km范围内共有70余座较明显山体的火山。其中，火山机构保存完整的25座，火山锥与火山口不明显的18座，其余25座保存较差，但仍可见火山山体(刘嘉麒，1999;皇甫岗等，2000)。前人根据火山喷发类型、岩性、时代、地域等特点，各自从不同角度将腾冲火山区新生代火山划分为7个火山群(姜朝松，1998)。本区新生代活动分期存在多种方式，主要由于不同时代、不同研究者所采用的资料及分期方法的不一，但对于其新老关系的意见基本一致，火山活动时间为上新世至全新世(穆治国等，1989;从柏林等，1994;樊祺诚等，1999)。腾冲火山区新期火山喷发较多，火山机构完整，熔岩地貌清晰完好，这些自然条件为卫片遥感解译提供了良好的基础。

近年来，随着地理信息系统(GIS)技术的不断发展，利用GIS平台，结合高分辨率卫星影像及数字高程模型(DEM)，进行不同层次地形地貌分析研究的新方法逐渐获得应用(刘少锋等，2005;张会平等，2006;龙恩等，2007;付碧宏等，2008)，与传统的结合地质、地形图进行野外地质工作相比，其在3维可视化、整体地貌参数提取、地形分析上具有突出的优势。在火山区地形地貌研究领域，此类技术的应用相对较少。本文以GIS为技术支持，结合前人研究成果及详细的野外地质调查，探讨性地将地理信息系统与腾冲火山区的地貌研究相融合，通过WorldView-2高分辨率卫星影像及ASTER GDEM(V1)数据，对火山地形地貌特征、构造地貌特征进行初步探讨。

1 火山地貌解译与划分

1.1 数据源的选择

研究区地处印度板块与欧亚板块碰撞带的东缘，横断山脉南端，其基底岩系为元古界高黎贡山群。强烈的挤压应力使得火山活动及地貌形态主要受SN向构造控制，火山喷发往往造成原始地貌的极大改变，大规模的岩浆喷溢和火山碎屑喷发物覆盖老地层，造成复杂的叠置关系。岩浆冷却后形成不规则的熔岩地貌，加之原始花岗岩地形多变，给野外实地考察带来极大的不便。因此，合理有效地利用卫片解译和DEM提取火山地貌特征、锥体形态、火山机构参数，并对火山区断裂展布、断裂参数及与火山制约关系进行解译，将大大减少野外工作量，并给野外实地考察提供有利指导。本文使用的遥感卫星影像及数字高程模型(DEM)数据参数:

(1)遥感卫星影像为美国数字全球(Digital Globe)公司WorldView-2高分辨率商业卫星拍摄的全色波段(0.445～0.90μm)数据，影像地面分辨率为0.61m。

(2)数字高程模型(DEM)数据是利用ASTER GDEM(V1)的数据进行加工而成，数据时期为2009年，投影坐标为UTM/WGS84，空间分辨率为30m。数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http:∥datamirror.csdb.cn)。

1.2 信息源选择及影像标志建立

研究区地貌组成上包括植被、河流水系、第四纪农田、花岗岩山体、火山锥、熔岩台地及断裂构造等。影像的分辨率及清晰度将直接影响地貌的识别和区分，本文选取WorldView-2全色波段(0.445～0.90μm)作为平面解译信息源，其地面分辨率为0.61m。该图像影像清晰，区内线性、环形构造明显，植被及岩石纹理、色调、图案差异细微，微地貌特征突出。由于卫星影像主要获取的是轮廓、线性、面状等2维属性，其在空间属性解译上存在缺陷，故再选取DEM对火山坡度、地形高程、火山机构参数进行提取，从而估算火山熔岩流及锥体的空间面积、体积，这对于反推火山总体喷发量、造锥碎屑物总量，还原熔岩流喷发时的流动方向，判断火山灾害影响范围将起到定量的指导作用。

在遥感影像上，不同地物的特征存在差异，火山群影像特征的形成与区域的地质、地貌、水文、植被和土壤等因素相关(李福田等，2003)。解译标志的建立是基于不同地物的特征差异，就本区而言，解译标志建立的主要根据和目的为:确定火山锥、熔岩流的空间分布范围，圈定不同火山的熔岩流，接触界线;判别区分花岗岩、老地层、火山碎屑岩和第四纪火山岩;勾画断裂构造展布范围，探讨其与火山分布的相互关系。具体解译标志见表1和图1，解译结果见图2。

表1 研究区遥感解译标志Table 1 Remote sensing interpretation signs of the study area

2 火山地貌特征

腾冲火山区火山众多，规模不一，对单一火山进行一一描述意义不大。因此，本文基于上述遥感解译的结果及野外实地踏勘，对区内新期喷发的、典型的火山地貌进行划分归类(表2)，并对其地貌特征进行描述。

2.1 碎屑岩类火山地貌

研究区火山碎屑喷发物的分布极广，多分布于大小六冲、尖山、余家大山等地。前人将此类火山的岩性定为角闪英安岩、英安质安山岩、安山质英安岩、角闪辉石英安岩等(姜朝松，1998)。根据野外实地踏勘和采样，我们认为此类火山喷发物的主体岩性归属于火山碎屑岩更合理，主要判断依据有:1)岩石由岩屑和矿物碎屑组成，碎屑形状不规则，混杂堆积、分选性差，成分及结构变化大，产状不一。2)岩石手标本常见透镜状、焰舌状以及其他压扁拉长状的变形玻屑和浆屑，发育火山碎屑岩中常见的层理构造，如递变层理、斑杂构造、平行构造和假流纹构造。3)岩石薄片镜下观察可见岩屑、晶屑及玻屑构成薄片主体，岩屑呈火焰状、撕裂状、树枝状、纺锤状、条带状等;晶屑具有不规则晶形及港湾状熔蚀外形，可见沿节理破裂;玻屑出现普遍，形状多样，有弧形、镰刀形、月牙形、鸡骨状、管状、不规则尖角状等，薄片镜下可见玻璃质结构、凝灰结构、熔结结构、碎屑熔岩结构等。在喷发时代上，此类火山属于上新世、早更新世和中更新世(刘若新，2000)。

依据火山地貌及喷发规模的差异，将碎屑岩类火山地貌分为2类:

图1 研究区遥感解译标志影像特征Fig.1 Imaging features of remote sensing interpretation signs in the study area.

Ⅰ型火山地貌，以大六冲、小六冲和余家大山为代表，其特征为单个火山，喷发规模庞大，火山锥保存较好，不发育圆形火口。火山锥体坚陡挺立，以锥体为中心向四周发育放射状高大山脊，山脊延伸较远(图3)。由于喷发时代较早，经历长期雨水侵蚀作用后，山脊两侧发育冲沟、水系，卫星影像上以放射状水系发育为典型特征。野外实地踏勘发现Ⅰ型火山在岩性组成上可分为火口相、近源相、中源相及远源相。火口相火山岩分布于火山锥体顶部，出露范围较小，岩性偏向于熔岩。近源相火山岩分布于山腰与锥体顶部之间，地貌上表现为短小的挤出成因山脊，在其前缘及两侧发育定向密集破碎节理，岩性上介于熔岩与碎屑岩之间。中源相主要表现为放射状高大山脊，岩性为火山碎屑岩，矿物结晶粒度较大，山脊前缘岩石露头中发育典型的球状风化现象，岩石产状不一，不具定向性。远源相火山岩分布于火山周围低洼地带，火山岩矿物结晶颗粒明显变小，岩性为凝灰岩，岩石水平层理发育。

Ⅱ型火山地貌，以来凤山、小米坡、花坡头为代表，其特征为单个火山，规模较小，火山锥体坡度平缓，不发育放射状山脊。其影像特征为圆形、近圆形浅色调隆起山丘，不存在圆形火口，锥体直径较小，冲沟水系不发育，但人为改造严重，锥体大部分区域被农田与植被覆盖。Ⅱ型火山风化较为严重，其表面很难见到新鲜露头，在来凤山锥体侧面人工采场中发现，火山碎屑熔结程度较强，水平层理极为发育，岩性为凝灰岩，但矿物颗粒结晶较好。

图2 研究区遥感解译图Fig.2 Remote sensing interpretation in the study area.

2.2 熔岩类火山地貌

区内新期喷发的火山主要为此类火山，喷发时代为中更新世和全新世，火山岩类型以粗安岩为主，少量玄武质粗安岩和粗面玄武岩(樊祺诚等，1999)。依据火山地貌及喷发规模差异，将熔岩火山地貌分为2类:

表2 腾冲火山区典型火山锥特征Table 2 Characteristics of typical volcanoes in Tengchong area

图3 大、小六冲火山DEM地貌特征Fig.3 DEM of Daliuchong and Xiaoliuchong volcanoes.

Ⅲ型火山地貌。以黑空山、老龟坡、马鞍山、打莺山等新期火山为代表，其影像特征为:火山由火山锥及面状展布的熔岩流构成，除打莺山外其余火山锥体矮小，多显示为同心圆状浅褐色丘包，内圈是火口，外围为锥体，锥体高出熔岩表面30～150m，并且锥体上常见溢出口。火口内陷，呈漏斗状，深20～80m，火口内壁陡，部分火口内可见积水。锥体植被覆盖较茂密，水系不发育，显示新期火山喷发的特征。打莺山火山系多期熔岩流复合而成，锥体高大耸立，主火口垣构成区内最高的熔岩类火山，主锥体西北侧发育一寄生火山锥(大垭口)。打莺山火山经历4期造锥过程(刘若新，2000)，这使得其锥体规模庞大，有别于其他火山。Ⅲ型火山普遍发育大面积的熔岩地貌，熔岩流表面稍有起伏，总体平缓。巨型岩垅、前锋与侧翼地貌完好，熔岩流前锋沿谷地流动常形成熔岩舌，舌面具流动波纹，熔岩流与周围地貌的边界清晰可辨。熔岩流局部发育涨裂脊、拗陷槽、熔岩隧道、熔岩塌陷与熔岩冢等熔岩构造微地貌，在卫星影像上表现为凹凸不平、色调深浅不一的斑点、长条和沟谷。熔岩流内部不发育水系，部分开垦为农田，还可见公路。Ⅲ型火山中部分火山如马耳山、交椅凹等由于形成时代较早，与新期火山相比，这些火山的火山机构已遭破坏，火山口已不明显。在卫星影像上仅见低矮的圆丘形锥体，基本看不出火口形态，锥体与熔岩流之间的界线模糊。由于经历长期的风化作用，熔岩流面状形态、微地貌不清晰，熔岩流与周围地貌边界模糊，大部分区域被第四系松散沉积物所覆盖，经后期人工改造为庄稼地。

Ⅳ型火山地貌。以大小姊妹湖为代表，由低平火口及面状熔岩流组成，火口浑圆，内积水，其影像特征表现为浅色调灰白圆形图案，在地貌特征上接近于熔岩湖。熔岩地貌低平，基本被后期农田和房屋所覆盖。

3 地形特征

地形特征分析是地貌研究的重要组成部分，它以数字地形图像数据为基础，结合详细的野外地质调查，通过地形高程、地形坡度、地形剖面等分析手段，建立研究区的地貌特征属性。本文以腾冲火山区数字高程模型(DEM)数据为基础，划分不同地貌单元(图4)，并分析地貌特征属性。研究区地貌单元在岩性组成上包括玄武岩、安山岩、集块岩、凝灰岩、花岗岩、砂岩、第四系松散沉积物等，从大类上可归类为熔岩、火山碎屑岩、老地层(包含花岗岩)及第四系松散沉积物4类。利用地形面积分析计算出各岩类所占面积百分比(表3)。

图4 研究区数字高程模型(DEM)Fig.4 Digital elevation model of the study area.

3.1 地表坡度分析

坡度作为地形特征分析和可视化的基本要素，直接反映地表起伏及熔岩流区域性分布形态。本文应用ArcGIS 9.2的3D Analyst模块下的Surface Analyst工具，根据研究区的DEM计算坡度，生成坡度图(图5)。

研究区的地表坡度具有以下特征:1)碎屑岩类火山分布区域的地表坡度变化范围大，达25°～62°，地形不规则程度高，高角度长垅形特征明显;2)熔岩型火山锥体与熔岩流坡度相差较大，熔岩流坡度范围4°～8°，内部坡度呈带状阶梯式变化，变化范围8°～12°，锥体坡度范围为25°～62°，火口垣呈环形分布;3)第四纪农田地表平缓，坡度为0°～4°;4)花岗岩等老地层坡度变化极大，变化范围4°～62°，高角度地形与低角度地形无规律交叉分布;5)断裂两侧坡度差异明显，断裂以高角度(39°～62°)线性展布为特征。地表坡度分析可看出，研究区火山主要分布于盆地中央低坡度区域，东西两侧分别由高坡度深大断裂及花岗岩山体组成，盆地南北两侧的坡度变化明显小于中部，中部地区早期喷发的碎屑岩类火山因具有更强的爆破性，形成高耸的锥体，地表坡度明显大于晚期的熔岩型火山。

表3 研究区主要地貌单元面积统计Table 3 Surface area statistics of major geomorphic units in the study area

图5 研究区DEM提取坡度图Fig.5 Slope extraction analysis of the study area based on DEM.

3.2 地形剖面分析

图6 研究区地形剖面分析(1～6为自南向北的剖面线编号)Fig.6 Topographical profiles in the study area.

研究地形剖面，通常以线代面进而研究区域的地貌形态、轮廓形态、地势变化以及地表切割强度等特征(胡鹏等，2002)。在研究区从南向北等间距分别做6条剖面线(剖面线位置见图4)，剖面线完整覆盖研究区火山锥体、熔岩、火山碎屑岩、花岗岩及河流沟谷等不同地貌单元。通过高程剖面分析(图6)可知，研究区地貌单元纵向上存在明显分层，根据高度的不同，大致划分为4级地貌面:第Ⅰ级地貌面主要分布于海拔2 000m以上的高山地带，由花岗岩老地层形成的山脊、碎屑岩类火山及个别熔岩型火山锥顶面构成，在区域上主要分布于研究区的西北部及中部;第Ⅱ级地貌面主要分布于海拔1 750～2 000m之间的亚高山地带，由新期喷发的火山锥、部分老期碎屑岩类火山锥、花岗岩山体边缘等构成，在区域上分布较为分散;第Ⅲ级地貌面主要分布于1 500～1 750m之间的低山带，由新期喷发火山的熔岩台地所构成，在区域上主要分布于研究区的西南部与北部，其中北部的大、小空山一带的熔岩地貌还呈现西高东低的特征;第Ⅳ级地貌面主要分布于1 500m之下地带，由农田、房屋、水渠及河流等人工设施构成，分布于研究区腾冲盆地的平坦低洼地带。总体上，研究区地形高程上呈现西高东低，中部高、南北低的特征，这主要与原始地貌、盆地构造演化、后期火山岩浆活动相关。

腾冲地区的火山岩主要分布于高黎贡山隆起带西侧的区域内，上新世以来处于SN向右行剪切作用导致NNE—NE向的剪切-拉张构造环境，区内不同类型的断层总体以正断层为主(王瑜，1999)。剪切-拉张的构造环境及正断层的发育造就了腾冲断陷盆地的构造特征，盆地东侧大型正断层(大盈江断裂)控制整体地势，形成西高东低的地形高程特征。这一阶段的构造运动成为第Ⅰ级地貌面发育的主要控制因素，奠定了地貌面特征形态的基础。区内SN向构造带为主的构造格局制约火山的喷发展布特征，早期喷发的大六冲、小六冲等碎屑岩类火山，爆炸喷发动力极强，形成高耸山体，居于盆地中部。此时期火山的喷发及对盆地地貌的改造成为第Ⅰ、Ⅱ级地貌面发育的控制因素之一。后期喷发的黑空山、大空山、马鞍山等熔岩火山，喷发动力减弱，岩浆溢流为主，形成广阔的熔岩台地，此时期的岩浆活动成为第Ⅲ级地貌面发育的主要控制因素。不同级别地貌面的划分直接反映和反演了腾冲火山区的构造演化及火山活动的阶段性特征，其地质意义可归结为盆地的演化及构造发育直接影响和制约火山活动的强弱，火山活动又进一步改造了盆地的地形地貌，造成地形地貌高程的分层。

4 断裂展布特征

自新生代以来，印度板块向北强烈运动，使得青藏高原块体受到SN向挤压，内部成近EW向条带状隆起，并导致青藏高原东段发生“逃逸”，使得川、滇西部地区派生出近EW挤压应力场。地处横断山脉南端的腾冲地区，在挤压应力场作用下，产生SN向为主的构造格局。腾冲火山区的断裂主要有SN向断裂及配套的NW向、NE向断裂(姜朝松等，1998;王瑜，1999)。

卫星图片及DEM解译表明，腾冲火山区火山展布方式明显受SN向断裂制约，其中固东-腾冲断裂控制新期喷发火山的锥体排布，卫星图片上表现为黑空山、大空山、小空山、龙虎山、马耳山SN向的火山口线性排布(图2)。打莺山-老龟坡断裂经过的花岗岩地区呈现SN向线性小山脊及丫口地貌。屈家营-马鞍山断裂在卫片上呈现清晰的线性条带，在槽子地、老龟坡熔岩流中发育一系列断层陡坎，陡坎高差数m至10余m，表明此断裂的活动时间晚于老龟坡的喷发时间。来凤山-马鹿塘断裂在来凤山火口西侧有较好的线性构造显示。研究区内线性标志最明显的是大盈江断裂，它是一条规模较大、逐渐发育起来的断裂，总体呈NE向展布，断裂两盘高差达50～200m，断面倾向NW，倾角很陡，为左旋压扭性活动为主的大断裂(姜朝松等，1998)。区内大部分次一级小断裂影像特征不明显，主要是由于后期的植被覆盖及人工改造。

从区域上看，断裂展布与火山活动之间存在密切联系，火山活动继承了断裂的展布模式，又进一步改变了断裂的原始规模。构造演化与火山活动的交替进行，断裂发育与岩浆活动的相互制约，成为腾冲火山区地形地貌改变的主要原因。

5 结论

基于WorldView-2高分辨率遥感卫星影像，对腾冲新生代火山群地形地貌特征进行遥感解译是行之有效的方法。它弥补了野外工作中因植被茂密而无法整体把握火山地貌的不足，在研究火山群的火山锥形态、熔岩流时空分布规律、火山喷发类型、规模及构造制约关系等方面可提供非常有价值的资料，减少了野外工作量。腾冲火山区存在多种地貌单元，本文根据不同地貌单元的影像特征，建立相应的遥感解译标志，并将区内新期喷发的、典型的火山地貌单元划分为4个类别。

利用ArcGIS、Global Mapper软件平台结合腾冲火山区数字高程模型(DEM)数据，对腾冲火山区地貌进行模拟解译、坡度计算、高程剖面分析，分析地貌单元组成特征，得出腾冲地区的不同地貌面的分布特征。地表坡度及地形剖面分析显示，腾冲火山区地貌单元横向上地表起伏差异明显、坡度变化特征不一，纵向上存在明显分层，大致划分为4级地貌面，地形高程上呈现西高东低，中部高、南北低的特征，这主要与原始地貌、盆地构造演化及后期火山岩浆活动相关。

区内SN向构造带为主的构造格局制约着火山的喷发展布特征，盆地的演化及构造发育直接影响和制约火山活动的强弱，火山活动又进一步改造了盆地的地形地貌，形成现今的火山地貌特征。

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