三维激光扫描技术在正断层型地表破裂调查中的应用——以2008MS7.3于田地震为例1

谭锡斌 徐锡伟 于贵华 吴国栋 陈建波 沈 军 方 伟 宋和平



三维激光扫描技术在正断层型地表破裂调查中的应用——以2008S7.3于田地震为例1

谭锡斌1）徐锡伟1）于贵华1）吴国栋2）陈建波2）沈 军3）方 伟2）宋和平2）

1）中国地震局地质研究所中国地震局活动构造与火山重点实验室，北京 100029 2）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐830011 3）防灾科技学院，廊坊 065201

随着三维激光扫描技术的发展，其被广泛应用于震后同震位移参数等基础资料的获取。本文简要介绍了三维激光扫描仪的基本原理和工作流程，然后以2008年于田S7.3级地震为例，介绍了三维激光扫描在正断层型地震的同震位移等参数获取中的应用，并分析了实际垂直位移与视垂直位移的比值（o）与地形坡度角（）以及断层倾角（）的关系。通过5个典型断错地貌的三维激光扫描，获得了2008年于田S7.3级地震的垂直和水平同震滑移量，垂向和左旋位移均为1—3.5m左右，揭示出于田S7.3级地震为一次正断与左旋运动分量大致相当的地震。由于断层走向的变化，在地表破裂南段表现为左旋位移大于垂直位移。5处测量点的地表变形带宽度介于10—25m之间。

三维激光扫描 于田地震 正断层 同震位移

引言

地震发生之后的地表破裂调查及同震位移参数的获取为地震研究提供了重要的基础资料。三维激光扫描技术近年来得到了飞速的发展，它能够完整并高精度地获取物体的空间三维信息，因此在地震之后的科学考察及灾后重建中得到了广泛应用（董秀军等，2008；陈桂华等，2009；Wei等，2010；赵俊兰等，2012；陈波等，2015）。

2008年3月21日，在新疆于田、策勒与西藏交界的昆仑山（平均海拔5500m）无人区发生了S7.3级强烈地震（Furuya等，2011；Xu等，2013）。中国地震局地质研究所和新疆维吾尔自治区地震局于2011年5月8日至5月25日联合组织了“新疆于田7.3级地震与阿什库勒火山综合科学考察”。野外考察地表破裂时发现，大多数地震地表破裂主要沿着山麓碎石带展布，破裂带宽度大多在10—25m（图1），这使得采用传统技术获取地表破裂同震位移的测量产生了一定的困难。为此，笔者采用三维激光扫描仪对地震地表破裂的5个典型地段进行了三维测量，获得了不同位置的5个三维点云原始数据集。在此基础上，经后期的数据处理，获得了这5个典型地表破裂段的同震位移量和地表变形宽度等重要基础资料。

1 2008年于田MS7.3级地震

2008年3月21日06时33分02秒在新疆于田、策勒与西藏交界处发生S7.3级地震，中国地震台网测定的震中位于35.60°N，81.60°E，矩震级W6.9，震源深度33km（陈学忠等，2008）。USGS给出的震中位于35.398°N，81.020°E，震源深度22.9km，可能的发震断层走向219°，倾角69°，滑动角-68°。哈佛大学给出的震中位于35.54°N，81.38°E，矩震级W7.1，面波震级S7.2，震源深度12km。GlobalCMT给出的震中位于35.43°N，81.37°E，矩震级W7.1，面波震级S7.3，震源深度12km，发震断层走向203°，倾角52°，滑动角-74°，显示为一条近NNE至近SN走向、带有左旋走滑分量的正断层错动事件（陈学忠等，2008；徐锡伟等，2011）。

于田地震地表破裂及余震位于阿尔金断裂西南端、近EW向康西瓦断裂和玛尔盖茶卡断裂交汇部位，呈近SN向分布，总长度约31km（徐锡伟等，2011；Xu等，2013）（图2），由NW向、NNW至NS向和NNE至NE向等几组基本类型的张剪切破裂组合而成，总体表现为一条近NS向至NNE向同时兼有左旋走滑和正断倾滑分量的破裂带，最大左旋位移约3.6m，最大垂直位移约3.3m。

2 仪器、原理及工作流程

本次测量所采用的仪器为Trimble VX空间测站仪，是一种集GPS、三维激光扫描、全站仪于一体的新型测绘仪器，可将三维空间技术与现代经典测量技术相互结合。三维激光扫描的工作原理是通过测距系统获取每个扫描点到扫描仪的距离，再配合测角系统获取扫描的水平角和垂直角，利用公式（1）即可计算出每一个扫描点（如p点）与扫描仪的空间相对三维坐标信息p、p、p（张启福等，2011；陈波等，2015）。

（1）

利用仪器本身的垂直和水平马达等传动装置，完成对目标物体的全方位扫描，并最终获取扫描体的点云数据（陈波等，2015）。Trimble VX空间测站仪扫描范围大于150m，扫描速度最高15个点/s（一般5个点/s），最小点间隔10mm，角度精度1”，即100m范围内的精度达mm级。

三维扫描系统流程包括：外业数据采集（即野外扫描）和内业数据处理两部分。野外扫描时，首先勘察现场环境，选择扫描仪和标靶的架设位置，以确保不同站点扫描的数据能够覆盖目标区域。其中标靶尽可能处于高地，以让不同站点都能看到为最佳。不同站点原则上至少看到2个标靶，但是实际操作中尽量使用3—5个标靶以减小站点位置的误差。外业数据采集的仪器操作流程如下：“对中整平”→“创建Job文件”→“设置测站”→“扫描参数设置”→“开始扫描”。其中“设置测站”步骤是指，第一个站点的坐标通过仪器自带的GPS获得，之后的站点通过“后方交汇”获取，其余操作步骤与第一个站点一致。野外工作中应对重要标志物进行高分辨率扫描，如冲沟、阶地坎、断层坎等。

野外测量完成后，从仪器中导出点云的、、三维坐标，然后通过专业的后处理软件（也可以通过Surfer、ArcGIS或者GMT软件）处理，采用自然邻近法获取局部高分辨率DEM（分辨率为分米级）。在高精度DEM上，首先识别出地表破裂的位置，然后选择点云密度比较高的区域，沿着垂直于破裂走向的方向获取一个比较典型的地形线。根据地形线获得其视垂直位移（），并在视垂直位移的基础上，估算实际垂直位移（o）（详见下一节）。垂直于断层陡坎、发育较好的冲沟等标志物可以用来估算同震水平位移。

3 测量结果及分析

本次工作选择了5处典型破裂地貌点进行详细三维测量，它们集中分布在地表破裂最明显的中间段落，具体位置见图3。测量结果见表1和图4—图8。其中地表坡度的测量值为原始剖面，即地震前的地表坡度，因此需要分别计算断层两侧的坡度。通过对断层两侧垂直于断层的地形线进行最小二乘法拟合，分别得到了地形趋势线，选择坡度比较一致的剖面用来计算视垂直位移（），精度达分米级。水平方向的位错则需要确定标志线（如小型河道）的位置，并结合野外测量共同约束获取（Xu等，2013）。

由于此次地震的地表破裂沿着山麓展布（图1），测量区域的地表面均存在一定的坡度，通过实际测量获得的地形坡度介于14—34°之间（表1），因此测得的视垂直位移（）与实际垂直位移（o）存在一定的差别（图9a）。如图9a所示，地形坡度为，断层倾角为，AB代表实际的同震滑移量，AC代表实际垂直位移量（o），为视垂直位移。通常在测量过程中往往只能获得视垂直位移，当地表坡度接近于零时，视垂直位移等同于实际的垂直位移o，但是当地表存在一定的坡度时，实际的垂直位移o往往要大于视垂直位移（图9a）。本研究中的5处典型破裂地貌面均存在一定的原始坡度，因此需要进一步通过计算获得其实际的垂直位移o。

根据图9a所展示的几何关系，实际的垂直位移o与视垂直位移的关系可用公式（2）表示：

o=+/（tan/tan-1） （2）

即

o/=1+1/（tan/tan-1）

其中，为地形坡度角；为断层倾角。

图9b展示了o/与之间的变化关系，o/随着的减小和的增大而趋近于1，即越小或者越大，实际的垂直位移o与视垂直位移越接近。由于断层倾角值不确定，因此无法获得准确的实际垂直位移o。假设断层倾角值介于50—90°，计算所得的o存在一定的范围，如表1所示。

表1 3D扫描点坐标及同震位移、破裂宽度

4 讨论与结论

2008年于田s7.3级地震与一般地震的正断层类似，断裂带往往分布于山麓地带，比如五台山北麓断裂（刘光勋等，1991）、霍山山前断裂（徐岳仁等，2013）等，地形上往往存在一定的坡度，而本身的地形坡度往往对于地表破裂同震位移参数的测量造成一定的影响。因此，传统的测量在进行此类地震的同震位移参数获取过程中，存在一定的局限性，而三维激光扫描技术能够获取地震地表破裂带附近区域的高精度DEM。同时结合照片可精确有效地保存地震后地表破裂的地形状态，并在大量数据的基础上，获取同震变形的水平和垂直位移参数，有效避免了传统测量方法的主观因素（如标志物选取等）对测量结果的影响。另外，三维激光扫描技术还能够获取同震地表破裂宽度信息，为防震减灾的法规制定提供重要的基础科学数据。

本文通过5个典型断错地貌的三维激光扫描，获得了2008年于田S7.3级地震的垂直和水平同震滑移量，垂向和左旋同震位移均为1—3.5m左右，揭示出于田S7.3级地震为一次正断与左旋运动分量大致相当的地震。由于断层走向的变化，在地表破裂南段（YT18）表现为左旋位移大于垂直位移。5处测量点的地表变形带宽度介于10—25m之间。

致谢：审稿人提出的修改意见使本文有了较大的改善和提高，在此表示诚挚的谢意。另外，感谢野外工作中给予帮助的新疆地震局的司机以及后勤保障团队。

陈波，徐超，温增平，2015. 三维激光扫描技术在震害调查中的应用. 震害防御技术，10（1）：87—94.

陈桂华，徐锡伟，于贵华等，2009. 2008年汶川S8.0地震多断裂破裂的近地表同震滑移及滑移分解. 地球物理学报，52（5）：1384—1394.

陈学忠，蒋长胜，李燕娥，2008. 2008年3月21日新疆于田7.3级地震. 国际地震动态，（4）：18—28.

董秀军，黄润秋，2008. 三维激光扫描测量在汶川地震后都汶公路快速抢通中的应用. 工程地质学报，16（6）：774—779.

刘光勋，于慎鄂，张世民等，1991. 山西五台山北麓活动断裂带. 见：活动断裂研究. 北京：地震出版社，118—130.

唐明帅，王海涛，段天山，2010. 利用和田地震台阵数据对2008年于田7.3级地震序列重新定位. 内陆地震，24（3）：227—235.

徐锡伟，谭锡斌，吴国栋等，2011. 2008年于田S7.3地震地表破裂带特征及其构造属性讨论. 地震地质，33（2）：462—471.

徐岳仁，何宏林，邓起东等，2013. 山西霍山山脉河流地貌定量参数及其构造意义. 第四纪研究，33（4）：746—759.

赵俊兰，吴依琴，尹文广等，2012. 三维激光扫描技术在汶川什邡地震遗址虚拟重建中的应用研究. 测绘通报，（7）：53—56.

张启福，孙现申，2011. 三维激光扫描仪测量方法与前景展望. 北京测绘，（1）：39—42.

Furuya M., Yasuda T., 2011. The 2008 Yutian normal faulting earthquake (W7.1), NW Tibet: Non-planar fault modeling and implications for the Karakax Fault. Tectonophysics, 511: 125—133.

Wei Z., He H., Shi F. et al., 2010. Topographic Characteristics of Rupture Surface Associated with the 12 May 2008 Wenchaun Earthquake. Bulletin of the Seismological Society of America, 100 (5B): 2669—2680.

Xu X., Tan X., Yu G. et al., 2013. Normal- and oblique-slip of the 2008 Yutian earthquake: Evidence for eastward block motion, northern Tibetan Plateau. Tectonophysics, 584: 152—165.

The Application of 3D Laser Scanning Technology in Surface Rupture Survey of the Normal Fault: An Example of the 2008S7.3 Yutian Earthquake

Tan Xibin1), Xu Xiwei1), Yu Guihua1), Wu Guodong2), Chen Jianbo2), Shen Jun3), Fang Wei2)and Song Heping2)

1）Key Laboratory of Active Tectonic & Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China 2）Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous region, Urumqi 830011, China 3）Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, China

As the recently developed technology of 3D laser scanning, it has been widely used in the basic data investigation after big earthquake. In this paper the principle and workflow of 3D laser scanner is introduced briefly, and then 5 samples for the using of the 3D laser scanning technology on the survey of co-seismic displacement of the 2008S7.3 Yutian earthquake are shown. As the land slopes of the 5 samples are between 14-34 degrees, which make some difference between the true vertical displacement (O) and the apparent vertical displacement (), the formula between the ratio of the true vertical displacement and the apparent vertical displacement (O), the terra slope () and the dip angle of fault () are given. In this research, we get the vertical and horizontal co-seismic displacement of the 2008S7.3 Yutian earthquake in five sites, using the 3D laser scanner. Both the vertical and the horizontal co-seismic slip are between ca.1-3.5 m, which indicates that this earthquake has almost the same sinistral and vertical displacement. In the southern segment of the rupture, the sinistral displacement is bigger than the vertical displacement, which should be subject to the change of the orientation of the fault. The data that show the widths of the surface rupture in the 5 sites are between 10-25 m.

3D laser scanning; Yutian earthquake; Normal fault; Co-seismic displacement

地震行业科研专项“新疆于田7.3级地震与阿什库勒火山综合科学考察”（项目编号：201008004）和科技部国际科技合作项目（2009DFA21280）共同资助

2015-07-22

谭锡斌，男，生于1985年。助理研究员。主要从事活动构造及新构造研究。E-mail: tanxibin@sina.com