梅山－龙河口断裂中西段遥感解译及第四纪活动特征

于书媛，陈 靓，方良好，赵 朋，张 洁

(1.安徽省地理信息中心，安徽合肥 230031；2.安徽省地震工程研究院，安徽合肥 230031；3.安徽省地震预报中心安徽合肥 230031)

梅山－龙河口断裂中西段遥感解译及第四纪活动特征

于书媛1，陈 靓1，方良好2，赵 朋3，张 洁1

(1.安徽省地理信息中心，安徽合肥 230031；2.安徽省地震工程研究院，安徽合肥 230031；3.安徽省地震预报中心安徽合肥 230031)

根据遥感技术在断裂构造研究中具有宏观性、直观性、时效性等特点，通过波段相关性分析方法(OIF)选取最佳组合波段，运用高分一号、DEM影像资料，结合前人研究成果及选定的野外考察地区资料，对展布于大别山腹地的梅山－龙河口断裂中西段进行分析研究。结果表明:该断裂西北段的铁冲乡—梅山水库—响洪甸水库沿线在遥感影像上显示极好的线性特征，运用DEM生成的山体阴影图可清晰识别深切沟谷、沟槽、陡坎等。最后，通过野外调查，发现梅山－龙河口断裂倾角较大或近直立，从断面特征及破碎带胶结程度来看，该断裂第四纪以来具有一定程度的新活动。

高分一号；多光谱假彩色合成；断裂解译；DEM

0 引言

梅山－龙河口断裂位于大别山东北部的霍山地区，著名的秦岭－大别山造山带东段。断裂西起梅山，沿响洪甸、下符桥、复南山南侧一线，东南延至龙河口止，全长约130km，走向280°～290°，倾向SW，在下符桥南侧与NNE向的落儿岭－土地岭断裂相交。据史料记载，1652年梅山－龙河口断裂与落儿岭－土地岭断裂交汇地带发生过6级地震。前人通过野外地质调查和取样分析，对该断裂带地震地质特征进行过调查研究[1－2]，但由于该区地处安徽西南部大别山区，地质构造复杂，地理交通不便，地表调查研究比较薄弱。本文在系统分析断裂构造的遥感影像机理、遥感影像判读标志以及总结前人研究成果基础上，运用GF－1、DEM数据源资料，并结合野外实地考察成果，对梅山－龙河口断裂的空间展布、断裂构造影像特征进行了探讨与研究。

1 遥感方法与分析

断裂带是一种线性构造，在遥感影像中突出显示的地面现状体与非现状体的区别十分明显[3]。断裂构造的解译还需要在光谱特征分析的基础上，结合空间特征进行综合分析，以排除非构造因素形成的线性体异常，如山脊、道路和水系等。近年来，利用遥感技术对断裂构造进行研究已成为遥感地质研究的一个重要方面[4]。本文选取155.5°～166.8°E、31.17°～31.68°N范围内的GF－1、DEM数据，对其进行预处理。数据预处理包括地形纠正、大气校正、影像配准、镶嵌与裁剪等。依据断裂构造在遥感影像中的波谱相应特征和宏观地质特征，借助线性构造解译结果，采取人机交互判读方式，分析研究区的断裂构造。

1.1 影像各波段相关性分析

多光谱遥感影像数据包含多个光谱波段，每个光谱波段所包含的信息量不同，为完成不同的目的，获取不同的结果，对于光谱波段的选择至关重要。因此，需要对遥感影像的各个波段的数据进行相关性分析，选择适合断裂构造解译的波段组合。本文选用最佳指数(OIF)法，该概念是美国查维茨 Chavez等 1984年提出的。计算公式为:

其中:σi为第i波段的标准差，Rij为i、j波段的相关系数。

根据其相关系数矩阵，再分别求出3个波段所有可能组合的OIF。按照其概念，OIF越大，则相应组合图像的信息量越大。为确定最佳波段组合方式的遥感影像图，突出地质特征信息，需要对遥感影像的各个波段的数据进行相关性分析，以此满足解译的要求。结果显示，在覆盖研究区的3幅高分一号数据多光谱的C24＝4个波段组合中，波段组合421的OIF指数值最大，其中表1为金寨幅高分一号影像的OIF值。综合以上分析数据对 Landsat ETM＋数据选择 5(Red)，4 (Green)，1(Blue)波段组合、对高分一号数据选择结果显示124波段组合4(Red)，2(Green)，1 (Blue)波段组合，进行人机交互解译。

表1 金寨幅高分一号波段组合及最佳指数(OIF)Tab.1 JinzhaipictureofGF－1combination andthebestindex(OIF)

1.2 线性影像特征

断裂构造的遥感影像标志主要是色调、地貌、水系、植被等，前人将其归纳为三类，包括:线性标志、垂直错动标志和水平错动标志[5－7]。本论文重点对梅山－龙河口断裂中西段(图1虚线框所示)第四纪构造特征进行论述。

图1 梅山－龙河口断裂及区域地质构造图Fig.1 GeotectonicmapofMeishan-longhekoufaultanditsvicinity

GF－1影像具有8m分辨率，适合线性构造提取。如图2所示，利用4、2、1波段进行假彩色合成后，断裂中西段铁冲－戴家楼段线性影像清晰，表现为平直延伸，自黄土岭起，向东南依次为线状山谷、狭长梅山水库，说明断裂对地貌、水库的形态起到一定的控制作用，但是沿断裂未发现水系错动现象。断裂总体呈NWW向展布，倾向SW，倾角30°左右，倾角未有较大规模断面发现。沿断裂有断层谷地、垭口、沟槽发育。

图2 梅山－龙河口断裂中西段断裂GF－1影像(白色箭头指示断裂位置)Fig.2 GF－1imageshowingstructuralfeaturesontheMeishan-longhekousegment

作者利用GIS技术的空间分析功能[8]，将梅山－龙河口断裂与周边的历史地震震中进行空间位置的叠加分析，发现断裂沿线地震活动比较频繁。本文对1970年后有地震仪器记录的M≥1.5和 M≥4.0地震的空间分布进行统计分析[9]，通过计算断裂单位长度对应的地震发生数，即单位长度地震频率，分析活动断裂带的地震活动性。统计距离半径25km建立的断裂带缓冲区内的地震个数，其中n1为1970年后M≥1.5地震个数，n2为历史及现代M≥4.0地震个数。N1＝n1/L、N2＝n2/L为单位断裂长度下对应的地震数目。计算结果如表2所示。其中，梅山－龙河口断裂单位长度对应的M≥1.5和M≥4.0地震个数较高，说明其活动性较强。综合分析表2数据和图3，可以看出这三条主要断裂控制了区域内的地震分布格局，该梅山－龙河口断裂沿线小震分布集中，且呈带状分布，而青山－晓天断裂沿线小震带状分布不明显，落儿岭－土地岭断裂与这两条交汇区震群发生频率高。说明梅山－龙河口断裂沿线小震活动比青山－晓天断裂强，比落儿岭－土地岭断裂弱。

表2 单位长度的活动断裂对应的地震个数Tab.2 Correspondingnumberofearthquakesonactivefaultsperunitlength

2 断裂中西段遥感影像解译标志

2.1 地貌、微地貌影像特征

梅山－龙河口断裂是一条具有多期活动的断裂，其在地表往往会留下清晰的构造变形证据。运用DEM建立光照模型不仅可直观反映地表的起伏变化[10]，同时数据蕴含的坡度、坡向、海拔高程等地形因子可宏观反映断裂规模、活动性及地貌构造。图4是经过实验确定，设定太阳高度角为45°，太阳方位角与断裂构造走向近垂直时，建立的光照模型图。从图中可清晰的显示断层谷地与山地相接的线性边界，边界光滑平直，说明断裂活动性较强，下一步需要进一步分析，并进行野外考察验证。

图3 研究区1970年以来M≥1.5级地震分布图Fig.3M≥1.5earthquakedistributionsince1970

图4 太阳方位角70°下的DEM光照模型Fig.4 DEMIlluminationmodelwithsolarazimuthangle70°

断裂的解译标志主要表现在沿断裂带形成的特殊构造微地貌。通过高分一号多光谱(分辨率8m)影像的形状特征和光谱特征分析，发现断裂对微地貌发育起控制作用，西北端断裂沿线的山脊有被北断裂改造的形迹，分布着典型地貌特征，如沟槽、垭口、深沟、谷地。断裂沿线的遥感影像特征如表3所示。依据上述特征，判读出断裂沿线的铁冲－梅山水库段、梅山水库－响洪甸水库段断层谷地、断层垭口、断层沟槽的识别结果，图5为判读分析出的典型断裂构造结果，图中白色虚线框表示解译特征地貌，白色箭头指示断裂位置。

图5 梅山－龙河口断裂高分一号遥感解译图Fig.5 InterpretationmapaboutGF－1ofMeishan-Longhekoufault

表3 断裂沿线遥感影像特征Tab.3 Remoteimagefeaturesalongfaults

2.2 野外地质地貌考察

野外地表考察主要集中在对已知断裂沿线选点的地貌、构造、剖面的实地考察[12]。本文依据覆盖梅山－龙河口断裂的高分一号遥感影像断层解译图及特征分析反映的地质－地貌现象，划定野外地质考察路线和重点考察区，对遥感影像解译结果进行验证。根据断层特征分为两段:铁冲－梅山水库段、梅山水库－响洪甸水库段。下面就典型的地貌和断层出露情况进行描述分析。

如图6(a)所示，受梅山－龙河口断裂影响，梅山水库西北段呈北北西－南东东向狭长状延伸，在梅山水库西北部，断层沿水库南侧延伸，这种线状地貌特征在遥感图像上表现的非常清楚。

遥感图像上的线性地貌，在现场调查中，化岭村地貌特征最为典型，主要表现为沿梅山水库东南部的线性延伸及其延伸方向上的线性沟谷，如图6(b)所示。该段地貌均是由断层作用形成的地貌特征，但由于线性特征为水体覆盖或植被覆盖茂密的谷地，故未见地表断层露头。

图6 梅山水库断层地貌Fig.6 FaultlandformofMeishanreservoir

图7所示，在老湾公路边，前震旦纪石英片岩内发育一条断层破碎带，破碎带宽约1 m，走向285°，近直立，断层带内见挤压片理化物质，程度不一，局部可见构造过程中形成的透镜体状岩块，靠近断层面处发育灰黑色断层物质，胶结程度较低，呈松散状。

在全军乡石关，遥感图像上线性特征清晰，实地调查中表现为断层方向延伸的线状谷地和垭口。如图8所示，为裸露基岩，植被茂密，是典型的断层谷地、垭口地貌。图9所示，在金寨高铁站南侧戴家楼村，断层在延伸方向上均表现为垭口地貌。

如图10所示，全军乡公路边见断层出露，该断层发育于侏罗纪砂岩内，断面清楚，切断岩层，走向北西西，倾角近直立，断面较光滑，沿断面可见擦痕，断层带物质有挤压片理化现象，胶结程度较低，呈松散状。

图7 老湾村公路边断层图片及出露剖面图Fig.7 Thefaultsandexposedprofileat theroadsideinLaowanVillage

图11所示，在铁冲村附近，灰色闪长岩内发育一条断层破碎带，破碎带宽0.2～1m，断面较清晰，沿断面可见近水平的擦痕。图12显示铁冲村附近断层较为完整，破碎带两侧的岩体内发育与断层近平行的密集节理。

图8 全军乡断层谷地、垭口地貌(左图镜像NW，右图镜像SE)Fig.8 Faultvalley，collandforminQuanjunTown

图9 戴家楼断层走向上的垭口(镜像左:NW，右:SE)Fig.9 CollandformalongtherunofDaijialouVillagefault

图10 全军乡断层照片及出露剖面图Fig.10 FaultphotosandexposedprofileinQuanjunTown

图11 铁冲村断层照片及出露级剖面图Fig.11 Faultphotosandexposedprofilein TiechongVillage

3 结论

综合梅山－龙河口断裂遥感解译标志，同时结合关键地段的地表考察结果，对梅山－龙河口断裂的展布及断裂活动进行全面分析研究后，得出以下主要结论:

图12 铁冲村次级断层出露Fig.12 SecondaryfaultsexposedinTiechongVillage

(1)根据遥感解译结果，梅山－龙河口断裂是一条规模较大的区域性断裂，断裂整体展布呈现北西西向展布，全长约131km；断裂沿线线性影像较为清晰，断裂通过处地貌上有明显反应，主要表现有断层垭口、断层沟槽、断层陡坎、断层谷地等地貌特征。

(2)梅山－龙河口断裂周边现今地震活动比较显著，但是主要以1.5～4.0级的小震群为主，研究区内地震主要受断裂构造控制，目标断裂沿线地震呈现带状分布特征，比青山－晓天断裂活动强，比落儿岭－土地岭断裂活动弱。

(3)依据遥感解译结果，断裂西北段线性影像最为清晰，往东南线性特征逐渐变差，这可能与断裂的差异活动有关。

(4)由野外调查可知，梅山－龙河口断裂倾角较大或近直立，由断面特征及破碎带胶结程度来看，该断裂第四纪以来具有一定程度的新活动。

(5)断裂西北段属于山区，在断裂发育处的微地貌呈现线性的负地形，利用DEM数据建立约与断裂展布方向垂直的山体阴影图分析，可清晰识别深切沟谷、沟槽、垭口等，辅助遥感图像断裂解译，为野外调查工作提供参考。通过对野外两个段落的调查点进行考察验证，发现遥感影像上表现的线性地貌、断层垭口和DEM光照模型表现出的负地形特征，在现场调查中均有典型表现，如梅山水库西侧的线状沟谷，梅山水库和响洪甸水库表现的线状水体，梅山水库至响洪甸水库之间表现的线状沟谷、连续的负地形地貌，全军乡、戴家楼境内发现的断层垭口。出露地层主要为前震旦纪、震旦纪石英片岩、侏罗纪砂岩、火山碎屑岩等，第四系分布较少，主要位于沟谷内以及河流两侧。

[1] 姚大全，刘加灿，李杰，等.六安－霍山地震危险区地震活动和地震构造[J].地震地质，2003，25(2): 211－217.

[2] 童远林.安徽省地震危险区的划分及其在防震减灾中的应用[D].合肥:中国科学技术大学，2003.

[3] 魏成阶，杨攀新，张俊，等.汶川地震区北西向断裂带遥感分析[J].遥感学报，2012，16(5):1064－1073.

[4] 王雷，沈军，林玲玲，等.北京平原区夏垫断裂的多源遥感影像特征[J].防灾科技学院学报，2014，16 (4):33－39.

[5] 张明华.西藏墨脱公路断裂构造遥感分析及信息提取[J].国土资源遥感，2006，67(1):56－60.

[6] 齐跃明，陈启国.安徽南部东西向断裂构造的遥感研究[J.]西部探矿工程，2003，90(11):77－79.

[7] 国家地震局地震委员会.中国活动构造典型卫星影像集[M].北京:地震出版社，1982.

[8] 汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京:科学出版社，2007.

[9] 安徽省地震局.安徽地震目录[M].北京:中国展望出版社，2014.

[10] 陈婉佳，高孝杰.基于RS和GIS的龙门山南段活动构造信息提取[J].地理空间信息，2015，13(1): 119－122.

[11] 史志刚，李廷栋，袁道阳，等.六盘山东麓断裂南段断裂沟槽韵律沉积特征对最新活动时代的限定[J].地球学报，2015，35(1):31－37.

[12] 方良好，童远林，赵朋，等.安徽北部涡河断裂第四纪活动特征及地震危险性初步研究[J].防灾科技学院学报，2015，17(1):19－25.

Research on the Remote Sensing Interpretation and Active Characteristics of M iddle and W est Part in M eishan-Longhekou Fault in Pleistocene

Yu Shuyuan1，Chen Liang1，Fang Lianghao2，Zhao Peng3，Zhang Jie1
(1.GISCenter of Anhui Province 2.Earthquake Prediction Center ofAnhui Province 3.Earthquake Engineering Academy of Anhui Province，Hefei230031，China)

Remote sensing technology has amacro，intuitive，timeliness in fault structure study.In this paper，the best bands combination is selected by the correlation analysismethod of band(OIF)，using GF－1，DEM image data，combined with the results of previous study and the selected field survey data，analysis and research on the distribution in Dabie Mountain hinterland with midd le and west part in Meishan-Longhekou fault.Results show excellent display linear feature in Remote image along the Tiechong Village-Meishan reservoir-Xianghongdian reservoir，using DEM to generate the shadow of themountain can clearly identify the deep valleys，steep ridges and grooves.Finally，through field investigation，Meishan—longhekou fracture dip angle is found bigger or sub-erect；according to the section feature and fracture zone of cementation，there are some new activitieswith a certain degree of the fault since quaternary.

GF－1；multispectral false color composite(FCC)；fault interpretation；DEM

P

:A

:1673－8047(2015)02－0013－09

2015－04－10

安徽省地震科研基金青年项目(20140304)；安徽省地震局合同制项目(201428)

于书媛(1984—)，女，硕士，助理工程师，主要从事地震、遥感地质与GIS研究工作。