武当地区韧性剪切带遥感解译

余凤鸣，何龙清，王 磊

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074;2.武汉地质调查中心，武汉 430205;3.江西省地质矿产勘查开发局，南昌 330002)

武当地区韧性剪切带遥感解译

余凤鸣1，2，何龙清3，王 磊2

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074;2.武汉地质调查中心，武汉 430205;3.江西省地质矿产勘查开发局，南昌 330002)

利用遥感技术提取韧性变形构造信息的研究一直在进行之中。武当地区构造变形历史复杂，韧性剪切变形具有一定的代表性。通过对武当地区推覆、滑覆型韧性剪切带的ETM图像遥感解译，认为尽管韧性剪切带在遥感图像上没有明显的异常界面，但因地质体的不同组成使韧性剪切带两侧影像的色调有明显差异;经小波分析和面理提取后，面理、线理集合体的影像特征和方位变化对韧性剪切带的识别有较好的效果。利用上述方法对郧西—郧县滑覆型剪切带、房县—竹山推覆型剪切带等6个典型实例进行了解译分析，经野外验证，与实地调查结果较为吻合，证实了这一方法的可行性，为推覆、滑覆型韧性剪切带的遥感解译提供了有益的借鉴。

遥感解译;小波分析;武当地区;韧性剪切带

0 引言

武当地区地处南秦岭造山带，经历了多期推覆、滑覆型韧性剪切叠加改造，产生强烈的构造置换和固态流变变形［1］，对武当地区矿床的形成和产出有着深刻的影响。确定和理顺这些推覆、滑覆型韧性剪切带，具有极为重要的意义［2］。

韧性剪切带为岩石中高应变线性流变带。在韧性剪切带研究中，传统地学方法需要做大量繁琐的工作［3］，且影响因素很多，难以窥其全貌，研究成果往往有不确定性。遥感图像视域广阔，从几百m到几百km的空间获取构造线性特征，可以客观地把握区域构造的总体特征，在影像上直观地反映韧性剪切带的变形痕迹。因具有明显破裂面的大型断裂带易于解译，最常见的解译成果表现为直线型脆性断裂和环形构造遥感解译图;而韧性剪切带没有显著位移和分界面，纹理信息较弱，直接进行目视解译的难度较大，一直处于探索之中。陆关祥等［4］对南天山东段铜花山—榆树沟地区韧性剪切带进行了遥感信息提取及解译标志的研究，总结出韧性剪切带独特的影像特征;王林峰等［5］采用分形理论，通过对比韧性剪切带中不同规模构造在几何学和运动学方面具有的相似性，利用遥感技术对东天山地区的大型韧性剪切带进行了应变分析，取得了较好效果;刘颖等［6］借助遥感技术，对韧性剪切带宏观构造特征和显微构造特征进行对比，提出了遥感与显微技术相结合的研究方法。本文则利用小波变换增强ETM遥感图像中的纹理信息，通过遥感信息和地学信息综合分析，对韧性剪切带的解译进行了新的尝试，获得了较好的效果。

1 区域地质及韧性剪切带特征

1.1 区域地质特征

武当地区以青峰—襄广断裂为界，南部为扬子地层区上扬子地层小区，出露震旦系—志留系地层，以稳定类型的地台盖层沉积为特征;北部为南秦岭地层区，出露元古宇—新生界地层，以活动类型和稳定类型的交替沉积为特征，各地层单位总体呈NW向展布［7］。

武当地区具有印支期前的伸展滑覆构造、印支造山期推覆构造和燕山—喜山期脆性构造等6期构造变形，以区域性郧西—郧县断裂、十堰断裂为界，在平面上分为北部伸展滑脱构造区、核部走滑构造带和南部推覆构造区等3个不同的构造单元［8］(图1)。

在图1中，南北向显示出不同(岩)组界面(如耀岭河组(Nylh)顶、底界面)或不同能干岩层(粘性或刚性和屈服强度高于相邻层的岩层)间顺层韧性剪切带分割的层圈构造，东西向表现为以推覆型韧性剪切带分割的构造岩片叠置的褶冲构造样式的构造格架，它们各自突显出推覆或滑覆构造的特征，分别记载了武当地区推覆、滑覆型韧性剪切带演化过程中某一阶段的构造特点［9］。本文论述的武当地区推覆、滑覆型韧性剪切带主要指印支期前的伸展滑覆作用形成的顺层滑覆型韧性剪切带和印支造山期形成的推覆型韧－脆性剪切带。

图1 武当地区构造单元及典型剪切带分布Fig.1 Distribution of tectonic units and typical shear zones in Wudang area

1.2 顺层多重滑覆型韧性剪切变形带特征

武当地区在晋宁至加里东期的伸展构造体系上，叠加顺层滑脱变形构造带，沿大套地层的接触面展布，重要的滑脱变形带主要有5个［10］:①武当山群底部(变基性火山岩底部)滑脱面(DF0);②武当山群变酸性火山岩段与变基性火山岩段之间的滑脱面(DF1);③武当山群变沉积岩组与变酸性火山岩段之间的滑脱面(DF2)，规模大，成矿条件最佳;④耀岭河组与武当山群变沉积岩组之间的滑脱面(DF3);⑤耀岭河组和陡山陀组之间的滑脱面(DF4)，在区域内常以剥离断层形式出现。

顺层韧性剪切变形为造山期前伸展作用所形成，在空间上具有不同层次、时间上具有多期次活动的多重滑脱构造，沿滑脱面发生的“顺层”剪切作用，使卷入的岩层产生了强烈的构造变形和构造置换，伴有强烈的固态塑性流动变形，形成糜棱岩－超糜棱岩化;而顺层掩卧重褶皱、“拔丝”构造、褶叠层构造、Z型或S型及无根钩状褶曲、“水滴”状和“罗纹式”鞘褶皱(群)等韧性变形普遍可见［11］。

1.3 推覆型韧－脆性剪切带特征

印支主造山期形成的逆冲推覆型韧－脆性剪切构造是在顺层滑脱剪切带的基础上发展起来的，主要分布于武当山—竹山逆冲推覆－穹盆褶皱构造区和郧县—郧西穹盆褶皱构造区［12］。该剪切带是在区域上持续的SN向收缩挤压构造背景下，自北向南或由南向北逆冲推覆剪切作用形成的脆－韧性应变软化带［13］。

推覆型韧－脆性剪切带总体呈NW向线状展布，规模大小不一;带内发育构造片岩、糜棱岩及挤压构造透镜体、“σ”或“δ”型旋转碎斑系、“窗棂”状构造、不对称褶皱、密集折劈理和S–C组构等，总体显示由北向南或由南向北逆冲推覆剪切的运动学特征;沿剪切带可见绢云母、绿泥石等变质矿物及变形变质分异石英脉大致定向分布，反映变形发生于低绿片岩相叠加区域变质或脆－韧性动力变质作用的环境。

2 韧性剪切带信息提取及遥感影像特征

本文利用小波变换增强ETM遥感图像中的纹理信息，通过小波包各结点功能与对小波系数性质的详细分析，提取了武当地区的韧性变形信息;通过遥感信息和地学信息的综合分析，对推覆、滑覆型韧性剪切带进行了遥感解译。

2.1 遥感数据源

本文选用陆地卫星ETM数据(景号为125/36，123/38，126/37和 126/38，获取时间为 2000年 7月，云层覆盖率＜5%)进行武当地区韧性剪切带信息提取。在ETM各个波段中，选择对地质构造信息贡献率较大的ETM7(R)，4(G)，1(B)波段组合进行了假彩色合成。对选取的原始图像数据进行了几何精纠正、镶嵌融合、图像拉伸和图像裁切等数据预处理，从而获取研究区的遥感基础图像(图1)。

2.2 韧性剪切带的小波分析

小波(wavelet)就是小区域、长度有限、均值为0的波形，振幅正负相间的震荡形式。小波变换是一种全局变换，因在时域和空域同时具有良好的定位能力、能够充分突出特殊的特征而成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破，故有人把小波变换称为“数学显微镜”［14］。韧性剪切带与一般构造体的最大区别在于剪切带表现出的特殊纹理特征，而在遥感图像中纹理代表了影像强度的空间变化，小波分析具有能分离这种影像强度变化细节的特点［15］。本文采用的小波函数是 Haar小波，其形式为

式中:ψH为小波变换后的反射信号;x为小波变换前的原反射信号。

采用Haar小波作为影像小波变换的小波基，主要理由为:①Haar小波是规范正交小波基，能够对影像信息进行紧凑的表征［16］;②从一般意义上讲，Haar小波变换能针对不同目标加强不同尺度上的多分辨率信息［17］。对于剪切带及其两侧块体，通过Haar小波变换，可消除各种非构造成因的细纹理，加强主导构造线，加大色调差异，明显增强影像特征;③Haar小波能够很好地反映目标的边界信息［18］，对韧性变形的伴生或次级构造(如面理、片理、线理、褶皱)以及它们之间的切割、改造和控制关系具有较好的显示效果;④Haar小波变换算法简单快速，对大数据量的遥感图像处理较为高效、便捷，在构造变形极为复杂的造山带内，用简单纹理的集合去磨合局部细节和构造形迹更有利于构造变形信息的提取。

2.3 韧性剪切带的影像特征

韧性剪切带所具有的特点在一定程度上给目视遥感解译工作带来困难，主要表现在2个方面:①韧性剪切带两侧的地质体可以有巨大的位移，但剪切带却没有显著的破裂面;②韧性剪切带主要由糜棱岩类岩石组成，糜棱岩是在高温、高压作用下经韧性变形和动态重结晶作用形成的致密构造岩类，因含水量少，在影像上与围岩的色调难以区分。

不过，韧性剪切带两侧岩石还是可能存在差异;两侧的地质体发生的巨大位移、卷入地层的产状和厚度、岩石的成分和结构特征会有显著的突变，并以面理变形的方式保留下来，在遥感图像上留下明显的纹理特征。由此，在韧性剪切带的遥感解译中，可从以下3个方面切入［17］:①韧性剪切带的规模可以从显微尺度到地壳巨型，规模越大在遥感图像上显示越清楚;②递进变形使韧性剪切带的早期面理被动旋转呈“S”型弯曲，与剪切面理共同组成剪切带独特的标志性S–C组构，其夹角自强变形的中心向弱变形的边缘增大;③韧性剪切变形往往伴随有宏观的运动学标志，随着变形的持续，运动学标志会被拉长、剪断、发生旋转，形成“S”形、拖尾状的变形标志物、旋转石香肠、雁列状脉等，在遥感图像上都会反映出来。

3 武当地区韧性剪切带遥感解译

本文基于韧性剪切带在ETM遥感图像中的影像特征，通过小波包对不同方向、不同尺度纹理的分析，消除了影像中的干扰信息，使一些隐蔽性强的构造特征因韧性剪切带两侧纹理的不一致而突显出来，建立了解译标志;根据韧性剪切带遥感解译标志，对武当地区6条典型韧性剪切带(因篇幅所限，只涉及到5个重要滑脱变形带中的 DF4，DF3和DF2)进行了遥感解译及野外验证，其中，六斗—安阳滑覆型韧性剪切带为遥感解译的结果，其他剪切带则是通过遥感解译对原有认识进行修正的结果。

3.1 六斗—安阳滑覆型韧性剪切带(F1)

六斗—安阳韧性剪切带(图1中的F1)北侧为陡山沱组(Z1d)黑色炭质板岩、含炭薄层状灰岩和白云岩，南侧为耀岭河组(Nylh)钠长绿帘绿泥片岩、绢云钠长石英片岩，为两套地层之间的滑脱面DF4(图2)。

图2 六斗—安阳滑覆剪切带解译图Fig.2 Interpretation map of Liudou—Anyang sliding nappe shear zone

该剪切带在影像上呈NW向伸展的曲线沟谷，剪切带内纹理密集、色调深浅不一，彼此交切，方向复杂(以NW向为主)。沿剪切带存在一些小型环状构造，在地形上为许多规模不大但走向多变、边缘多呈齿状、尾端常见有分叉的山脊和沟谷。纹理特征显示，剪切带北侧的纹理从剪切带往外由NNE向转为NNW向;南侧纹理在剪切带处较为杂乱复杂。从剪切带两侧面理提取的纹理显示，面理因剪切带的滑动而弯曲，形成滑劈理，滑劈理的不对称性指示剪切带曾发生过左行走滑运动。通过小波分析和面理提取(图2(b))，六斗—土门镇在影像上显示为一大型环形构造，地层界线明显，呈环形相套，条带状纹理呈同心圆状分布，转折端呈平滑弧形，与NW向郧西—郧县剪切带斜交。环形构造内植被覆盖少，裸露的岩石表面凹凸不平，主要为武当山群变酸性火山岩;环形构造外植被发育，表现为棱角分明的中低山地貌，判断此环形构造为一背斜，轴面走向呈NWW—近EW向，向南倾，倾角较大，枢纽向西倾伏，倾伏角较小。

安阳—前营段为六斗—安阳滑覆剪切带的东段，南北两盘在影像上的色调和纹理差异明显，为巨型色调异常带，两侧地层不同。经小波分析和面理提取(图3)后推测，北侧为陡山沱组(Z1d)含砾－泥质砂页岩，植被发育;纹理呈灰黑色，相对稀疏，多呈NE向;南侧为中新生界和耀岭河组(Nylh)地层，岩层多裸露，纹理多呈灰白色，较为密集，呈近SN—NE向分布。地层界面呈波状，总体呈NWW向展布;地层界线附近纹理条带密集，色调深浅不一，显示有构造变形且岩石破碎强烈。剪切带两侧纹理的不对称性指示剪切带曾发生过左旋和右旋运动。

图3 安阳—前营滑覆型韧性剪切带解译图Fig.3 Interpretation map of Anyang—Qianying sliding nappe ductile shear zone

断裂西南侧有2个大型环状色调异常区，导致剪切带延伸方向发生改变。环状异常区呈封闭椭圆形，环内岩石为武当山群变酸性火山岩(Ptwd3)，纹理细密，曲线状，总体为NW向，与环外面理呈锐角相交，明显受剪切作用影响发生弯滑。根据滑劈理及环形体与主剪切带的相交关系判断，六斗—安阳滑覆剪切带曾发生过左旋运动。

3.2 陨西—陨县滑覆型韧性剪切带(F2)

耀岭河组(Nylh)与武当山群变沉积岩组(Ptwd4)之间的滑覆剪切带(图1中的F2)为2套地层之间的滑脱面DF3，在影像上呈线性色调异常带特征，其西北段较清楚，呈NW向的几组线状山脉和沟谷相间分布，控制了沟谷水系的走向;其东南段因被第四系覆盖，在地貌上转变为平缓丘陵，但依稀可见第四系沉积的NW向直线带状分布特征，此处河流冲沟和主干河流汉江呈锐角状转折。小波分解图和面理提取图显示，此剪切带内纹理杂乱、色调深浅不一;剪切带两侧面理均呈NE向分布，在剪切带处有轻微绕曲(图4)。

图4 陨西—郧县滑覆型韧性剪切带解译图Fig.4 Interpretation map of Yunxi－Yunxian sliding nappe ductile shear zone

3.3 马家河—老君堂推覆型韧性剪切带(F3)

马家河—老君堂推覆型韧性剪切带的(图1中的F3)影像特征明显，呈直线状沿NW向延伸。南北两盘界线清楚，北盘为武当山群变沉积岩(Ptwd4)，南盘为武当山群变火山岩(Ptwd3)，部分地段叠加前期滑覆型韧性剪切带(滑脱面DF2)发育。从小波分解图(图5(a))可看出剪切带两侧纹理差别明显，北侧纹理较多较密，呈白色并多以NNW向为主;而南侧纹理稀疏而短小，多呈NE向。面理提取图(图5(b))显示，在马家河—老君堂推覆型韧性剪切带处，面理产状由NNW向转为NNE向。

图5 马家河—老君堂推覆型韧性剪切带解译图Fig.5 Interpretation map of Majiahe—Laojuntang sliding nappe ductile shear zone

3.4 竹溪—溢水推覆型韧性剪切带(F4)

竹溪—溢水推覆型韧性剪切带(图1中的F4)主要发育在武当山群变沉积岩(Ptwd4)和中新生界(M－C)内，向东与竹山—房县断裂汇而未交，其影像表现为由许多细密、相互平行且波状起伏的细纹理组成的束状深色条带，宽2 km，长50 km左右。小波分解图显示有数条NE向平行的线性构造，较为平直，可能说明该剪切带由密集的构造片理组成(图6)。

图6 竹溪—溢水推覆型韧性剪切带解译图Fig.6 Interpretation map of Zhuxi—Yishui sliding nappe ductile shear zone

3.5 光脑壳—水坪镇推覆型韧性剪切带(F5)

寨梁子—水坪镇剪切带(图7)为光脑壳—水坪镇推覆型韧性剪切带(图1中的F5)的东段，剪切带走向约 NW310°，最大出露宽度约2 km，长约15 km，呈数条平行纹理出现，具有清楚的不连续面。东北侧为武当山群变沉积岩(Ptwd4)，西南侧为耀岭河组(Nylh)。剪切带两侧的纹理在形状、粗细、延伸方向和弯曲类型上均表现为明显的不一致，东北侧变形强烈;西南侧则形成一系列紧闭褶皱，山脊线表现出明显的牵引弯曲。剪切带内有大小不一的透镜状岩块，密集排列呈犬牙交错的锯齿状。在小波分解图像中，剪切带纹理信息相对较多且杂乱，许多细密、相互平行且波状起伏的细纹理组成束状深色条带，北侧发育波状起伏纹理，间距2.5～3 km，与剪切带相交。

图7 寨梁子—水坪镇韧性推覆剪切带解译图Fig.7 Interpretation map of Zhailiangzi—Shuiping sliding nappe ductile shear zone

光脑壳—寨梁子剪切带(图8)为光脑壳—水坪镇推覆型韧性剪切带的西段，宽1～2 km，北侧为武当山群变沉积岩组(Ptwd4)，南侧为耀岭河组(Nylh)。该剪切带在影像上与周边高程有显著差异，两侧高程比中间高，在竹山县附近河流出现明显扭曲。近剪切带南侧有一小型致密的异常块体，与周边纹理不协调，在视觉上块体内岩层有规律地向色环中心倾斜，为一短轴向斜。在小波分解图像(图8(a))上表现为波纹状影像特征，南北两侧块体的色调、影纹不一致，北侧纹理疏缓，多呈灰色，沿NE向分布;南侧靠近断裂带纹理密集，呈灰白色，沿NNW向分布。面理提取结果(图8(b))显示，北侧面理呈NE向，而南侧面理则为近SN向，发生滑动弯转，指示有过左旋运动。剪切带内部构造发育强烈，新老地层互相夹持等现象频繁出现，夹块在图像上表现为随上、下推覆面而起伏的扁透镜状或条带状。实际上，剪切带由多个推覆界面组成，宏观上表现为构造岩片叠置，起伏的条带即为构造岩片在影像上的反映，而部分透镜状块体则表现为负地形(图8(c))。

图8 光脑壳—寨梁子推覆型韧性剪切带解译图Fig.8 Interpretation map of Guangnaoke—Zhailiangzi sliding nappe ductile shear zone

3.6 房县—竹山推覆型韧性剪切带(F6)

房县—竹山推覆型韧性剪切带(图1中的F6)在影像上表现为浅色调背景上明显的线性深色条带，裂隙发育，岩块破碎，被分割成棱角状块体，顺剪切带分布的水系在交汇、转弯处呈“之”字形。该剪切带的山体在影像上轮廓清晰，韧性剪切带长约50 km，走向弯曲多变，总体倾向NWW，据岩体三角面判断倾角介于50°～60°之间。根据遥感解译和小波分解图，该剪切带东段的影像特征更为典型。

房县—竹山剪切带东段(图9)位于房县西南，表现为一组平行山脊，平直延伸较长，走向近EW，北侧为中新生界地层(M－C)，南侧为武当山群变沉积岩(Ptwd4)。在遥感图像上清晰地显示南侧地层走向为近SN，山脊密集分布，可见小规模菱形状和透镜体状岩块，其长轴与剪切带方向垂直;北侧地层线呈NE向弯曲延伸，呈雁列式线状地物，沿剪切带方向分布有串珠状湖泊，为韧性剪切带中北盘地层被挤压形成。小波分解图像(图9(a))表现为纹理北密南疏，北侧波纹状纹理与剪切带呈锐角相交(图9(b))，指示左行推覆(图9(c))。

图9 房县—竹山推覆型韧性剪切带解译图Fig.9 Interpretation map of Fangxian—Zhushan sliding nappe ductile shear zone

4 结论与讨论

遥感技术用于构造解译，一直主要局限于线形断裂和环形构造，对没有明确形迹的韧性变形构造研究较少。本文通过小波包不同方向、不同尺度分析，根据地层、地貌、植被、岩性、纹理和水系特征等差异，研究了武当地区印支期前伸展环境中形成的滑覆型韧性剪切带和印支主造山期形成的推覆型韧－脆性剪切带，为解决该地区早期韧性剪切带用传统地学填图方法难以确定的问题提供了一个新的途径;对建立武当构造序列有良好效果，也为应用遥感技术提取复杂结构构造区的地质信息进行了有益的尝试。

通过遥感应用于韧性剪切变形的分析，对利用遥感解译提取韧性剪切带的方法取得以下认识:

1)韧性剪切带为强应变带，在遥感图像上表现为线性异常带，但无明显异常界面，主要识别标志以纹理特征为主。小波变换是提取地表纹理信息的一种有效手段。

2)韧性剪切带往往表现为多组纹理相互平行、断续分布的密集细长形线纹构造带，宽窄和尺度变化较大。小尺度的纹理常在剪切带外侧或内侧附近形成褶纹束状线理，剪切带两侧褶纹都逐渐收敛于剪切带延伸方向;大尺度的线纹密集程度自剪切带两侧向中心变形带呈逐渐增强趋势，细纹带常与线纹构造带平行。

3)剪切带常常伴随有卷入剪切带内的构造透镜体和倒转平卧褶皱，在遥感图像中表现为自剪切带中心到边界呈细条状向团块状变化或波纹状特征。

4)在经Haar小波函数处理后的遥感图像中，剪切带两侧的纹理在色调、形状、粗细、密度、延伸方向和弯曲类型上均表现为明显的不一致，多数纹理与剪切带斜交，并在通过剪切带时走向会有一定变化。剪切带本身则表现为负地形特征，伴随有细小、均匀的纹理，纹理方向与剪切带方向一致。

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Remote Sensing Interpretation of Ductile Shear Zone in Wudang Area

YU Feng － ming1，2，HE Long － qing3，WANG Lei2
(1.Faculty of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;2.Wuhan Center of Geological Survey，Wuhan 430205，China;3.Jiangxi Bureau of Exploration and Development of Geology and Mineral Resources，Nanchang 330002，China)

Research on using remote sensing technology to extract the ductile structure information was conducted in this paper.The tectonic deformation history in Wudang area is complex，represented by ductile shear deformations.The thrust and gliding nappe ductile shear zones in Wudang area were analyzed by using ETM remote sensing image，and the results show that，although there is no significant abnormal interface of the shear zones in the remote sensing image，the tones of the image on each side of the ductile shear zone are obviously different because of the different geological components.Thus good identification results of the image characteristics and the direction changes of the foliation lineation combination can also be obtained by the wavelet analysis and the extraction of the foliations.Using the methods mentioned above，the authors interpreted and analyzed six typical examples including the Yunxi－Yunxian gliding nappe shear zone and the Fangxian－Zhushan thrust nappe shear zone，and the result is consistent with the practical investigation，thus providing a useful reference for the remote sensing interpretation of the ductile shear zone.

remote sensing interpretation;wavelet analysis;Wudang area;ductile shear zone

TP 753

A

1001－070X(2012)04－0124－08

2012－04－25;

2012－06－06

10.6046/gtzyyg.2012.04.21

余凤鸣(1961－)，女，教授级高级工程师，主要从事构造地质、遥感应用等方面的研究。E－mail:244946342@qq.com。

何龙清(1965－)，男，研究员，主要从事构造地质方面的研究。E－mail:hlq1994@sina.cn。

(责任编辑:刘心季)