沂沭断裂带北段活动构造遥感地质解译与检验

王华林，王纪强

(山东省地震工程研究院，山东济南250021)

一、引 言

沂沭断裂带位于郯庐断裂带的中部，是郯庐断裂带最为活跃的段落[1-4]。沂沭断裂带北段公元前70年发生过安丘7级地震，沂沭断裂带北段活动构造的深入研究，对评价本地区的地震危险性，社会和经济可持续发展有着重要的意义。沭断裂带北段活动构造遥感地质解译与检验是“十二五”国家科技支撑计划项目，郯庐地震断裂带中段地震活动规律及地震危险区判定研究(2012BAK19B04-01)和中国活断层综合探查—华北构造区安丘—莒县断裂1∶5万条带状活动断层填图(022929)研究内容的一部分。本专题研究的目的在于为沂沭断裂带北段断裂活动性鉴定和安丘—莒县断裂活动断层填图提供地质构造背景资料和基础图件，确定沂沭断裂带北段断裂的空间分布，为评价沂沭断裂带北段的断裂活动性和地震危险性提供了依据。

本项研究在遥感影像数据和基础地理信息数据的收集与整理、遥感影像数据处理(遥感影像几何校正与配准和矢量数据的坐标转化等)、数字图像增强技术与综合信息提取(彩色增强、空间增强、纹理分析和自适应滤波等)的基础上，根据卫星遥感影像色彩、色调异常、微地貌特征、水系和纹理特征，提取了活动构造遥感地质解译的垂直错动标志和水平错动标志。依据这些标志，对沂沭断裂带北段的活动构造进行了遥感地质解译，通过野外地质考察与验证和断层活动资料的分析对比，把具有断裂性质的线形构造确定为断裂等，从而得出了本区域的断裂的构造类型、组合和展布规律，并对断裂活动性做出定性评价。

二、沂沭断裂带北段活动构造遥感地质解译

1．活动构造遥感地质解译标志

遥感构造研究的基础是显示在图像上的客观存在的地质构造现象。一条规模较大的活动断裂，可以控制晚第三纪、第四纪的沉积及其相应时代的岩浆喷发，沿断裂形成各种构造地貌，造成断层两侧的地貌差异、扭动变形与水系的同步转折等。因此，它们的活动状态，在卫星图像上可以通过形态特征信息和色调信息进行判定。活动断裂遥感影像标志可归纳为垂直错动标志和水平错动标志。在活动断裂遥感地质解译中，水平错动标志要比垂直错动标志易于识别。

(1)垂直错动标志

通过卫星图像中活动断裂的垂直差异错动的影像信息特征、形态特征等分析对比，归纳总结出以下主要垂直错动标志：① 地层断错标志，活动构造两侧地层岩性成份的差异、地质体的厚度差异、地层的拖曳现象等，在影像特征上主要表现为两侧色调的差异及灰阶的差异、第四系和基岩的明显分界线、黄土地区的连续滑坡弧的出现、植被的生长状况的不同等，这在遥感影像上都是十分明显和清晰的。如上五井断裂，断裂两盘明显的地层差异特征十分明显(图6(a));②断层崖和断层三角面标志，断裂的垂直差异错动是一盘表现为强烈上升，沿断裂往往形成了陡峭的断层崖(陡坎)，或者发育了一系列整齐排列的断层三角面。在遥感图像上，断层崖(陡坎)与断层三角面的形态典型影像特征一般表现为暗色调阴影比较明显，易于鉴别，是断裂垂直差异错动的重要标志，通过影像判读还可以获得活动断裂垂直错动的信息;③水系展布特征变化标志，垂直差异错动显著的活动断裂两侧，常常呈现不同的水系形式，活动断裂通常成为两种水系形式的转折点，在上升盘，水系形式一般呈深切的树枝状水系或格子状水系，在下降盘，一般形成了浅切割的树枝状水系、平行状水系、羽状水系或扇形水系，水系特征在卫星图像上，影像清晰，形式典型，是判读断裂构造的最主要影像标志之一;④冲—洪积扇的标志，断裂两侧强烈的垂直差异错动，往往造成断裂两盘形成了两种对照鲜明、地形反差大的地貌类型，抬升的一盘隆起成为山地，下降的一盘发育了一系列冲—洪积扇，它们沿断裂呈整齐的线状排列，扇顶部明显受活动断裂的控制，有时同一条活动断裂控制着几期洪积扇或冲积扇发育，可以作为断裂经历了几次垂直差异错动和相对稳定的变化过程的识别标志，它是活动断裂的阶段性隆升所致，在影像上表现为几期冲—洪积扇的叠加，如临朐上五井镇西部的山脚下，由于上五井断裂的控制作用，山前的洪积扇前缘沿一条直线分布(图6(a));⑤地貌形态变化标志，各种地貌形态都是新生代以来，内、外地质应力联合作用的结果，因此，利用地貌类型对比法，往往可以在卫星图像上分析断裂垂直差异错动的状况，在影像特征上主要表现为地形上形成陡坎、两侧地貌类型有明显差异，夷平面及河流阶地的高度差异，沙丘、泉水、水井等沿一条直线定向排列，断层切割山体形成负地形，负地形呈直线状排列，如沿益都—无棣断裂负地形和水塘呈直线状分布(图6(b));⑥ 湖泊与断陷盆地标志，断陷湖泊与断陷盆地的发育，是断裂活动的重要佐证，活动断裂常常控制着盆地与湖泊的边缘，而另一侧为隆起，反映了断裂的垂直差异错动，再一种情况是多个断陷湖盆的线状展布，受同一条活动断裂的活动所控制，在影像特征上，两侧色调呈现明显不同，尤其在湖泊的边缘，湖岸线状特征较明显，在卫星影像上，这类标志比较容易鉴别和对比，如上五井断裂控制临朐盆地发育。

(2)水平错动标志

通过卫星图像中活动断裂的水平错动的影像信息特征、形态特征等分析对比，归纳总结出以下主要水平错动标志：①岩性地层标志，断裂活动可以引起两盘地层的牵引、拖曳、变形、褶曲与断错，在卫星遥感影像上，主要表现为地层的重复与缺失、岩层产状的突然改变、地质体的错开、正负地形的不对称接触，在遥感影像图上，断裂两侧颜色特征的差异十分醒目，容易识别，如双山—李家庄断裂，由于断层两侧地层存在明显差异，在断层两盘形成不同的纹理色调(图6(c));②地貌形态标志，现代地貌形态一般都是新生代发育成形的，因此当活动断裂具有较大的水平错距时，往往山脊、山嘴、条带状剥夷面等被错开，并发生扭动变形，在遥感影像上，不论其上部有无覆盖层，这些标志都比较明显，在遥感解译中相对比较容易判读，例如，在郯庐断裂带的4条断层共同作用下形成的两堑夹一垒特殊地貌(图6(d))，在地堑内发育沂河、沭河水系，富水，影像呈深色调;③ 盆地和湖泊的扭动变形，受活动断裂控制的盆地与湖泊，当断裂两盘发生显著的水平错动时，它们的形态往往发生扭动变形，这种扭动变形与一些大规模的活动断裂有关，在影像上表现为一些大范围的变化;④水系格局的异常，断裂两盘的水平错动导致穿过活动断裂的河流和冲沟发生同步转折和扭曲，活动断裂水平错距的大小，左旋和右旋错动方式的不同，可以导致河流和冲沟在平面上呈现出不同的形态，是一种判断断裂水平错动的重要标志，如受上五井断裂控制，沿断层线出现水系“肘”状拐弯，受高崖—刘家庄断层控制，影像上呈深色调的水点沿断层的走向分布，宏观上在一条直线上，受安丘—莒县断裂控制，潍河的下游呈直线状流入莱州湾，不对称平行状、不对称树枝状、帚状水系等都是由于断裂的垂直差异错动所引起的;⑤ 洪积扇形态的变形，洪积扇、冲—洪积扇的发育，虽是活动断裂垂直差异错动的标志，但当它们的形态发生偏扭变形，扇形地的中轴线与断裂斜交时，往往表征了活动断裂兼具水平错动，而且其偏扭摆动方向反映了所在盘的水平运动方向;⑥谷地的同步不对称，在断裂水平错动过程中，跨断裂河流常常发生同步的旁蚀作用，造成两岸谷坡不对称，而旁蚀形成的侵岸和陡谷坡即反映了该盘的前进方向，卫星图像上，缓谷坡的色调较浅，第四系发育较好，陡谷坡的色调较深，常可见到侵蚀壁、侵蚀崖的发育，阴影明显。

自然界中，单纯的水平错动或单纯的垂直错动是极少见的，所以，在卫星影像图上解译和判读活动断裂时，需要兼顾水平错动和垂直错动的标志。

2．活动断裂遥感地质解译

本次工作共解译出145条断裂，据其规模和对城市建设的影响程度以及对地质体的控制和活动情况等，将其分为三级。重点对一、二级断裂构造进行了解译，解译结果如图1所示。

图1 沂沭断裂带北段的断裂构造遥感地质解译图

一级断裂构造是指控制区域沉积作用、构造变形作用、岩浆作用、变质作用及成矿作用，断裂切割深度大、延伸长，对历史地震和现代地震有明显控制作用的线性断裂构造。区内一级线性断裂构造有4条：昌邑—大店断裂、安丘—莒县断裂、沂水—汤头断裂和鄌郚—葛沟断裂。

二级断裂构造是指切割深度较大、延展较长、对次级盆地有控制作用或改造作用，它们常是不同地质断块的构造边界，控制三级断裂构造，对中强地震具有控制作用。区内二级线性断裂构造主要有19条：青州西—石头沟断裂、上五井断裂、朱刘店断裂、潍县断裂、高崖—刘家庄断裂、平原断裂、温泉—大石戈庄断裂、景芝断裂、昌乐西断裂、朱刘店—王望断裂、白浪河断裂、甘泉庄—苗山断裂、双山—李家庄断裂、益都—无棣断裂、昌乐—广饶断裂、寒亭—坊子断裂、上口镇—岞山镇断裂、二十里铺断裂、广齐断裂等。

系统归纳和总结了23条一、二级断层的影像特征和解译标志，编制沂沭断裂带北段的遥感地质断裂构造解译图(图1)。解译结果表明，区内发育北北东向、北西向、近南北向和近东西向4组断裂。北北东向断裂和北西向断裂为区内的主要断裂，为一级和二级断裂，两组断裂全新世至晚更新世有过不同程度的活动，部分为早中更新世多断裂，对强震和中强地震具有控制作用。公元前70年安丘7级地震发生在昌邑—大店断裂和安丘—莒县断裂控制的地堑内，1829年6．25级地震发生在上五井断裂与双山—李家庄断裂和益都—无棣断裂交汇部位。近南北向和近东西向断裂，多为次级断层，为前第四纪断裂，部分为早中更新世断裂，这些断裂对区内5级以上地震无控制作用。

三、沂沭断裂带北段活动构造遥感地质解译的野外检验

在遥感地质构造解译的基础上，重点对上五井断裂、双山—李家庄断裂、鄌郚—葛沟断裂、沂水—汤头断裂、安丘—莒县断裂、昌邑—大店断裂6条主要活动断裂进行了野外地质考察，对解译成果进行了野外实地检验，检验率为100%。说明在研究区内利用卫星遥感影像解译地质构造是可行的。采集了5个断裂测年样品，进行了断裂活动性鉴定，获得了上五井断裂、双山—李家庄断裂、鄌郚—葛沟断裂和安丘—莒县断裂的新活动地质剖面和活动年代数据。野外地质考察与检验剖面论述如下。

1．安丘—莒县断裂安丘地震台西侧地质剖面

安丘—莒县断裂在安丘市地震台西侧有良好的线性构造影像(图6(e))。野外地质考察发现，断裂发育在白垩系王氏组暗紫红色砂页岩、砂砾岩中(图2)，断裂面陡立，产状为110°∠87°。沿断裂发育构造透镜体、断层泥。东盘为暗紫红色砂砾岩，向西缓倾斜。西盘岩性为暗紫红色砂页岩。在断层露头中采集了断层泥热释光测年样品，测试年龄为(20．49±1．74)Ka，表明安丘—莒县断裂晚更新世有过活动。

图2 安丘—莒县断裂安丘地震台西侧地质剖面(图1中4号考察点)

2．鄌郚—葛沟断裂唐阝吾阝镇西寺山北冲沟南壁地质剖面

鄌郚—葛沟断裂在遥感影像上活动断裂特征明显，主要表现为清晰的色调界线。在鄌郚镇西侧有良好的线性构造影像(图6(f))。野外地质考察发现，断裂发育在寒武—奥陶系与白垩系王氏组。断裂产状为110°∠77°，为正断层。岩石强烈挤压破碎，呈直立片状，局部发育揉皱。次级裂面、断层泥、断层角砾岩、构造透镜体等十分发育。在该处一东西向的冲沟的南侧，第四系黄土层在断裂通过处被断错(图3)，显示断裂的活动性，热释光测年结果表明，断裂活动时间为(11．59±0．98)Ka之后。

3．双山—李家庄断裂青州市五里镇赵河村东的砖厂南地质剖面

双山—李家庄断裂在卫星影像上活动特征明显，主要表现为断层三角面、陡坎线状分布、微地貌、山脊左行错移、控制现代地形，控制临朐盆地的北边界、不同地貌单元的分界线、色调异常线、不同地质体线状接触界限，影像清晰，线性特征明显。青州五里镇西侧有良好的线性构造影像(图6(g))。野外地质考察发现，断裂在青州市五里镇赵河村东的砖厂南河岸处第四纪黄土剖面有显示，双山—李家庄断裂由两个反倾的倾角陡峻的正断层组成，两断面间距离约100 m，构成一地垒构造(图4)。F1断层产状为50°∠70°，为正断层。断层北东盘为夹薄层黄土的砂砾层，南西盘为寒武系凤山组竹叶状灰岩、薄层灰岩与页岩组成。F2断层产状为240°∠75°，断层北东盘为为寒武系凤山组竹叶状灰岩、薄层灰岩与页岩组成，南西盘为第四系含砂砾夹层的黄土组成。在断层F1北东盘黄土层中取样，热释光测年值为(16．73±0．57)Ka，说明双山—李家庄断裂活动时间应为16 700年后。

图3 鄌郚—葛沟断裂鄌郚镇西寺山北冲沟南壁地质剖面图(图1中3号考察点)

图4 双山—李家庄断裂青州市五里镇赵河村东的砖厂南地质剖面图(图1中2号考察点)

4．上五井断裂五井镇茹家庄桥东约100m处冲沟南地质剖面

上五井断裂在卫星影像图上活动断裂特征十分明显且典型，表现为不同色调的线性界面、不同影纹的界线、山区与盆地不同地貌单元的分界线、冲洪积扇前缘呈直线状、断层三角面及断层陡崖成清晰的直线分布和水系同步拐弯。在断裂东侧的临朐盆地内发育一系列与断裂近于直交的小型梳状水系。在五井镇茹家庄东西两侧有两条十分清晰的平行线性构造影像(图6(h))。野外地质考察发现，在茹家庄西侧的线性构造影像为老断裂的继承性活动，而茹家庄东侧的线性构造影像具有新生性活动特点。在茹家庄桥东约100m处第四纪河流相砾石层被断错(图5)，断层走向北东40°，倾向南东，倾角57°，断层为正断层。断层上盘自下而上为：④含钙质结核黄土，结构疏松，含豆状团粒，孔洞发育，柱状节理不发育，厚约2m;③砾石层，呈楔状，砾石成份为石灰岩，磨圆度一般，砾径一般2～4 cm，砾石被砂泥充填，胶结中等;砾石层中夹少量黄土;②砂砾石层。下盘为含砾砂土层。在上盘砾石层中取黄土热释光样，其测年值为 19．41±0．79 Ka，说明断层活动时间应为19 000年之后。

图5 上五井断裂五井镇茹家庄桥东约100m处冲沟南地质剖面图(图1中1号考察点)

需要特别强调的是，上五井断裂茹家庄桥东断裂活动剖面的发现，说明断裂活动具有方位上的继承性，活动位置上的新生性，即断裂活动的迁移性。上五井断裂茹家庄桥东断裂活动剖面发育上五井断裂主断裂的东侧100 m处，第四纪河流相砾石层被断裂断错。断裂活动的迁移性在中国东西部的许多重要活动断裂上具有普遍意义。

本项研究为安丘—莒县断裂1∶5万条带状活动断层填图(022929)工作提供了良好的基础资料，为确定沂沭断裂带北段断裂的空间分布，评价沂沭断裂带北段的断裂活动性和地震危险性提供依据。沂沭断裂带北段活动构造遥感地质解译与检验的实践证明，具有周期性、视野宽广和信息丰富的遥感数据和便捷快速的图像处理技术，在断裂构造探查和活动性鉴定中有着广泛的应用前景。

图6

[1]晁洪太，李家灵，崔昭文，等．郯庐断裂带中段全新世活断层的几何结构与分段[M]．北京：地震出版社，1994．

[2]国家地震局地质研究所．郯庐断裂[M]．北京：地震出版社，1987．

[3]李家灵，晁洪太，崔昭文，等．郯城活断层的分段及其大震危险性分析[J]．地震地质，1994，16(2)：45-50．

[4]魏光兴．郯庐带地震活动性研究[M]．北京：地震出版社，1993．