临沂地区断裂构造遥感解译

蒋科迪， 罗生龙， 周 立， 蔡冬荃， 肖红吉

(1.淮海工学院 测绘与海洋信息学院，连云港 222000；2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引言

20世纪70年代初美国海军科学研究局的Evelyn Pruitt[1]首次提出遥感(Remote Sensing)一词。而后遥感凭借着其宏观、高效、实时、海量数据、低成本等优点迅速发展并日趋成熟，被广泛运用于科学调查、资源勘探、灾害监测、国防安全等[2-3]。原始遥感影像在经过PCI Geomatica、ERDAS、 ENVI等专业遥感影像处理软件处理后，通过解译可呈现出与地质作用相关的直线、弧线、折线性(状)，由此可分析区域发育的线性构造，判断地下断层的存在。

自1957年航磁大调查发现郯庐大断裂后，前人通过综合物探、地震层析及GPS等方法对其进行了深入研究，并取得了诸多成就。同时，部分学者基于TM、ETM+影像对沂沭断裂带北段地区进行了断裂构造遥感解译。笔者选择沂沭断裂带南段的临沂地区作为解译区，通过对该区OLI影像进行图像预处理、图像拉伸、边缘增强、多重主成分分析以及纹理分析等，提取并解译该区的断裂构造，进而为区域地质和地震研究提供遥感资料。

1 区域地质概况

沂沭断裂带不仅是中国东部非常重要的构造带，更是地震集中带。史料记载，安丘、郯城等地先后发生过多次里式7级以上大地震[4]。研究区为山东省南部，郯庐断裂带中段的临沂地区(图1)，是中生代以来环太平洋构造-岩浆活动带的一小部分。部分学者认为临沂地区境内发育4条NNE走向平行主断裂，表现为“两堑夹一垒”的断层组合形式[5-6]。自东向西依次为昌邑-大店断裂、安丘-莒县断裂、沂水-汤头断裂和鄌郚-葛沟断裂[4]。其中昌邑-大店和安丘-莒县两条断裂在第四纪活动性较强，以兼具逆冲活动的右旋走滑为主[7]。两断裂之间发育有一系列斜列式活动断层，与1668年郯城大地震发震断层区相一致[8]。前人研究表明，沂沭断裂带自第四纪以来就是一条主要的活动断裂带[9]，整体上表现为东强西弱、南强北弱的特点[10-11]。

图1 山东沂沭断裂带区域地质简图[15]Fig.1 Geological sketch map of the area of Yishu fault in Shandong province[15]

沂沭断裂带贯穿临沂地区并将其分隔成华北地台鲁东地块和鲁西地块两个II级大地构造单元。鲁西地块具有双层结构，由前寒武系结晶基底和其上的沉积盖层组成。基底主要为太古宇混合花岗岩、片麻岩等变质岩，盖层由古生界、中生界、新生界碳酸盐和碎屑岩组成[12]。鲁西自迁西期至喜马拉雅期均有岩浆发育，但以早前寒武纪侵入岩为主[13]。鲁东地块以前寒武系结晶基地为主，盖层不发育[14]，基底主要是黑云变粒岩、黑云片岩和浅粒岩等变质岩。鲁东岩浆活动的鼎盛时期为燕山期，多中酸性侵入岩和火山岩。依据侵入的先后顺序，同位素年龄和岩石矿物成分将研究区岩浆岩划分为10个超单元、37个单元。

2 遥感解译可行性分析

遥感图像是按一定比例缩小的地面立体模型，遥感线性构造解译主要依据断裂等线性构造在遥感图像上的空间结构特征和光谱特征。研究表明，遥感图像上的直线、弧线、折线(状)，其成因与地质作用有关，能间接地反映地下断层的存在。断裂是构造应力的产物，构造应力状态的差异和岩性的变化会导致差异侵蚀和差异分化，从而断裂带在遥感图像上会形成独特色调、纹理等光谱特征[16]。同时，地下断裂的存在会导致地表河流改向，温泉以及泉眼、湖泊的规律性分布，这些都使得遥感解译线性构造成为可行[17]。郯庐断裂带中段的临沂地区，发育有规模较大的活动断裂，控制了晚新近纪-第四纪的沉积及同期的岩浆作用，沿断裂形成了各种构造地貌，造成断层两侧的地貌差异、扭动变形及水系的同步转折等[18]，这些地质现象可在图像处理后的遥感影像上清晰地表示出来。

3 遥感影像质量

原始遥感影像是2015年6月5日Landsat-8 OLI影像，具体波段信息见表1、表2，本研究选取其中的7、5、4波段解译临沂地区发育的线性构造。

表1 Landsat-8 OLl陆地成像仪各波段参数Tab.1 Landsat-8 OLl land imager band parameters

表2 Landsat-8 TIRS载荷参数Tab.2 Landsat-8 TIRS load parameters

4 遥感影像处理

原始影像受遥感卫星探测器灵敏度、卫星轨道高度、轨道倾角、偏移系数、大气等影响将在遥感影像上产生一定误差，且解译单波段影像时，解译标志不够明显。研究使用ENVI 5.1图像处理软件对原始影像进行校正、线性构造增强，纹理分析等来增强遥感线性解译标志，最终解译临沂地区发育的主要线性构造。

4.1 遥感图像预处理

图像预处理主要分为辐射定标、大气校正、几何校正、波段合成、图像裁剪、影像融合等六部分。经Radiometric Calibration工具辐射定标后，无量纲DN值转换成具有实际物理意义的大气顶层辐射亮度或反射率。依据影像成像时间和区域纬度位置，选择“Mid-Latitude Summer”大气模型进行FLAASH大气校正，并选用Rural气溶胶模型和K-T气溶胶反演法进行大气校正。选用1∶50 000地形图6度带高斯投影实现几何校正，波段合成后以7波、5波、4波段进行彩色合成(图2),裁剪后影像范围是 118°00′～119°00′E、34°40′～35°20′N(图3)。选用Gram-Schmidt Spectral Sharping工具将低分辨率的多光谱影像和高分辨率的单波段(Band 8)影像重采样，实现影像融合，其分辨率提高至15 m。

图2 临沂地区-(7、5、4)彩色合成Fig.2 Color composition(Band7、5、4) of Linyi area

图3 临沂地区遥感影像(OLI 7、5、4)Fig.3 Remote sensing image of Linyi area (OLI 7、5、4)

图4 临沂地区-线性拉伸Fig.4 Linear stretch image of Linyi area

4.2 遥感影像线性构造增强

不同尺度的线性体单元构成了一幅空间结构复杂的构造景观图像。通过研究构造线性体结构样式 可建立具有构造几何学意义的构造线性体模式，获得形象逼真连续的空间信息[19]。基于线状构造信息两侧不同的颜色、地貌、形状等特征解译并提取出主要断裂构造。

改变波段中单个像素值可以实现图像增强，结合图像直方图特征和实际解译需要，这里采用线性对比度拉伸。经Interactive stretching工具扩大原始图像的灰度值的范围后，图像灰度值直方图趋于饱和，5条NNE向的线性构造信息得到增强(图4)。

以灰度突变为出发点，通过一阶、二阶导数，增大边缘与局域其他像素的灰度对比度，可获得图像每个像素在其邻域内的灰度变化。常用一阶微分算子有Prewitt、Robert、Krisch、Isotropic Sobel，常用的二阶微分算子有Laplace、LOG。经Robert、Laplace算子处理后5条主干断裂信息进一步增强(图5～图6)。

图5 临沂地区-RobertFig.5 Robert operator image of Linyi area

图6 临沂地区-LaplaceFig.6 Laplace operator image of Linyi area

运用中值滤波、均值滤波或同态滤波[20]后可以去除孤立点、去噪声。此处采用5×5卷积核的中值滤波去噪、平滑图像，削弱图像中的细节特征(图7)。

图7 临沂 地区-中值滤波Fig.7 Median filtering image of Linyi area

4.3 多重主成分分析

主成份分析(K-L变换或PCA)，是在统计特征基础上的多维正交线形变换[21]，所谓多重，指对主成分分析的结果与其他处理结果及原始数据经过有针对性地选择后，组合起来再次进行主成分分析，也可以是几种不同主成分分析结果的组合[22]。

研究区OLI波段间相关系数较高(表3)，输入经过拉伸、空间滤波处理后的临沂地区OLI影像1-7波段。第一次主成分分析后得到PCA1(1-7)和其特征向量矩阵(表4)。彩色合成PCA1(2，3，4)影像，提取出主成分信息(图8)。

表3 OLI-7波段间相关系数Tab.3 Correlation coefficient of OLI 1-7 band

表4 OLI 1-7 特征向量矩阵Tab.4 Eigenvector matrix of OLI 1-7 band

表5 PCA2特征向量矩阵Tab 5 Eigenvector matrix of PCA2

输入OLI2波段、5波段、6波段、7波段，第二次主成分分析后得到PCA2(1-4)和其特征向量矩阵(表5)。彩色合成PCA1(3，2)，PCA2(3)影像，PCA2主要对专题信息的数据压缩和信息分离(图9)。输入OLI5波段、6波段、7波段，PCA3一般用于提取不同岩性的信息。第三次主成分分析后得到PCA3(1-3)(图10)和其特征向量矩阵(表6)，彩色合成PCA1(4)、PCA2(3)、PCA3(2)影像，线性构造信息进一步加强(图11)。

表6 PCA3特征向量矩阵Tab.6 Eigenvector matrix of PCA3

图8 临沂地区-PCA1(2、3、4)Fig.8 PCA1(2、3、4)image of Linyi area

图9 临沂地区- PCA(3、2)PCA2(3)Fig.9 PCA(3、2)PCA2(3) image of Linyi are

图10 临沂地区-PCA(1-3)Fig.10 PCA(1-3)image of Linyi area

图11 临沂地区- PCA1(4)PCA2(3)PCA3(2)Fig.11 PCA1(4)PCA2(3)PCA3(2) image of Linyi area

5 目视解译与制图

多重主成分分析为目视解译提供了很好的基础，等为进一步提取临沂地区的断层信息，在多重主成分分析后，进行纹理分析，其主要方法有统计法、几何法、模型法以及信号处理法等。

经二阶概率统计[23]后影像呈现出宏观、清晰的线性构造特征，解译标志明显，且反映出区域发育众多沿NNE、NW-SE、近SN、近EW向展布的小型断裂(图12、图13)。结合遥感影像目视解译标志，可提取出临沂地区主要线性构造的发育及分布情况(图14～图15)。

综合多重主成分分析结果和纹理分析后影像呈现出的宏观、清晰的线性构造特征(图14)进行目视解译。研究区4条NNE走向的主干断裂切割深度大、延伸范围广。自东向西为昌邑-大店断裂、白芬子-浮来山断裂、沂水-汤头断裂、鄌郚-葛沟断裂[24]。但纹理分析后的影像(图12～图13)显示，在昌邑-大店和白芬子-浮来山断裂之间发育多条独立且破碎的断裂，其构成了安丘-莒县断裂。因此，部分学者认为的安丘-莒县断裂应是白芬子-浮来山和安丘-莒县两条平行主干断裂，即临沂地区发育有5条近于平行的主干断裂。

图12 临沂地区- Second MomentFig.12 Second Moment image of Linyi area

图13 临沂地区- HomogenityFig.13 Homogenity image of Linyi area

图14 临沂地区-OLI影像解译Fig.14 Interpretation of -OLI image in Linyi area

图15 临沂地区-断层线提取Fig.15 Fault line extraction of Linyi are

1)安丘-莒县断裂产生于全新世，自晚更新世晚期后沂沭断裂带的新构造活动主要表现在安丘-莒县断裂上，1668年郯城81/2级地震即发生在该断裂中段[25]。

2)昌邑-大店、白芬子-浮来山这两条主干断裂之间是区域历史形变破碎带，它们均被2条近EW向断裂切割，发生左行走滑，这与郯庐断裂带曾发生过大规模 “左行走滑”活动观点一致。区内一条NW-SE向断裂被昌邑-大店、白芬子-浮来山两条主干断裂切割，并发生较大距离错位，表明其形成时间早于昌邑-大店、白芬子-浮来山断裂。作为沂沭断裂带的东部边界，昌邑-大店主断裂控制了胶东断块和泰沂蒙断块的发育。白芬子-浮来山断裂是东地堑的西部边界，控制中生代白垩系上统王氏群地层的发育。

3)沂水-汤头断裂是汞丹山地垒的西部边界，同时也是马站-苏村地堑的东界。该断裂被一条狭长的NW-SE向和一条近EW向的次级断层切割，其走向变化较大。沂水-汤头断裂郯城附近的东西两侧发育大量相互切割的小断裂。

4)鄌郚-葛沟断裂是沂沭断裂带的西部边界，北段以逆断层为主，挤压、扭曲明显。在鄌郚-葛沟断裂西侧，发育有多条近SN 向次级断裂，这些断裂延伸较短，断层两侧岩石岩性大多不同，与沂沭断裂带中断层有一定差别。鄌郚-葛沟以西的鲁西地块小断裂众多且互相切割，它们基本都沿着区域内次级断裂分布。

整体而言，5条NNE向的主干断裂分布呈现“北疏南密”、“东密西疏”的特点。这与沂沭断裂带在第四纪以来整体上表现出东强西弱、南强北弱的特点相一致[11,12]。此外，5条主干断裂周围发育大量NNE向小断裂，充分反映出5条主干断裂对于区域构造的控制。

6 结论

1)基于OLI影像，经图像预处理、图像拉伸、空间滤波增强、多重主成分分析以及纹理分析等处理后，最终解译临沂地区主要断裂分布情况为,临沂地区主要发育大量NNE向、NW-SE向、近SN向和近EW向4个方向的断裂，断裂间表现出明显的切割错位关系。

2)区域主干断裂共5条，主干断裂走向均为NNE向。自东向西依次为昌邑-大店断裂、安丘-莒县断裂、白芬子-浮来山断裂、沂水-汤头断裂及鄌郚-葛沟断裂。这些断裂切割深度大、延伸范围广，控制着区域历史地震和现代地震的发生，在遥感图像上表现出明显的线性构造特征和清晰色调界限。

3)区域主要次级断裂共12条，有较大的切割深度，延展范围较广，其中NNE向次级断裂2条，NW-SE次级断裂4条，近SN向次级断裂3条，近EW向3条。

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