基于高分辨率地形数据的富蕴M 8．0地震地表破裂带精细特征

梁子晗 魏占玉 庄其天 孙 稳 何宏林

（中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029）

0 引言

M＞6.0地震的断层活动可错动到地表，并形成同震地表破裂带（Wellsetal．，1994）。同震地表破裂带是地球深部断层活动在地表的直观地貌表现，记录着地震破裂和断层运动的信息，因此受到地震科学工作者的关注和重视（安艳芬等，2010）。许多大地震发生后，科研人员利用卫星遥感解译、野外实地调查等方法开展地震地表破裂带调查、同震位移测量和同震变形场观测（徐锡伟等，2008；陈立春等，2010）。但由于自然环境恶劣及震后次生灾害频发，野外调查工作受到了极大限制（单新建等，2005；徐岳仁等，2015）。随着高精度地形地貌观测技术的发展，快速获取震后高精度地貌影像以及3D地形数据成为可能。利用这些高精度、高分辨率的地形数据不仅可以识别地震地表破裂的精细结构，并且可准确测量断错地貌的位移量，促进对断裂带活动特征与古地震的研究（Chenetal．，2018；Guoetal．，2019；Kangetal．，2020）。

本研究以富蕴断裂1931年M8.0地震的地表破裂带为研究区，基于新型的航空摄影测量SfM（Structure from Motion）技术获取的高分辨地形数据开展地震地表破裂带的详细解译及同震位移的测量。本文首先介绍富蕴断裂概况、SfM技术和位移测量方法；然后开展富蕴断裂带吐尔洪—库尔尕克萨依地表破裂带的断错地貌解译和位移量取，以分析富蕴地震地表破裂带及同震位移分布特征。

1 研究区概况

阿尔泰山作为中亚地区的一个重要山系，在印度板块向N推挤的远程影响下，其构造活动在第四纪时期进一步活跃，成为亚洲大陆内部一个规模宏大的内陆活动构造带（Tapponnieretal．，1979）。富蕴断裂是阿尔泰山西南麓的一条大型右旋走滑活动断裂，整体呈NNW 向展布（图1）。1931年富蕴断裂发生M8.0地震，形成长达159km的同震地表破裂带（柏美祥，2001），具有明显的线性特征。大量典型的走滑地貌沿断裂发育，现象十分醒目。

图1 阿尔泰山西南缘的构造地貌图Fig．1 Tectonic and geomorphic map of the southwestmargin of the Altai Mountains．红色实线代表富蕴断裂，白色虚线方框为研究区位置

早期多位学者通过野外考察基本确定了地震地表破裂带的展布范围及位移分布：新疆维吾尔自治区地震局（1985）将富蕴断裂带分为北、中、南3段，测得走滑位移为6～10m；柏美祥等（1996）测得的平均走滑位移为4.8m。近年来，张之武（2009）通过遥感影像数据（分辨率为15m）将破裂带自北向南划分为5个一级段；K linger等（2011）利用卫星影像得到（6.3±1.2）m的同震位移；徐锡伟等（2012）通过陆地LiDAR数据得到最大同震位移≤7m。以上工作在破裂分段和同震位移方面均有不同的见解，但由于技术条件限制，研究成果中缺少精细的地震地表破裂带结果，在地震地表破裂带分段、地震同震位移等方面也有不同认识。本文在前人工作的基础上，利用航空摄影测量SfM技术获取该地表破裂带的高分辨率地形数据，并对地表破裂形态和断错冲沟展开精细解译及测量。

2 数据获取及方法

2.1 数据获取与处理

本文使用SfM技术获取研究区高分辨率地形数据。SfM技术基于尺度不变特征变换（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）原理，从多个角度获取具有足够重叠度的图像，进行图像特征的自动匹配。通过光束平差校正，识别图像中每个特征点的X、Y、Z坐标，自动求解相机的三维位置和方向。基于多视角立体摄影测量（Multi view Stereopsis，MVS）原理在图像间进行搜索匹配，最终得到密集点云数据（Harwinetal．，2012；Johnsonetal．，2014）。利用动态后差分（Post processing Kinematic，PPK）技术将相机的实时定位信息与地面GPS基站相联系，从而对密集点云进行坐标校正和空间插值，获得真实地理坐标点云和数字高程模型（艾明等，2018）。

航拍数据利用固定翼无人飞行器搭载定焦数码相机采集，采集时间为2017年9月30日—10月11日，该期间天气晴朗，便于开展航空摄影测量。航测高度为300～350m，影像的航向和旁向重叠率分别为85%和70%。在航测区域沿线共设置5个GPS基站点，与无人机的导航系统同步对GPS卫星进行观测，确定二者之间的相对位置（图2）。在上述参数设置下，共采集约24 000张航拍照片，覆盖长约110km、宽约1.2km的研究区。航测数据处理使用Agisoft Photoscan专业软件配准航拍影像及构建三维地表模型。数据处理流程及参数设置参考了该软件的说明文档及其他研究论文（Westobyetal．，2012；Johnsonetal．，2014），最终得到密度≥50个／m2的密集点云数据。利用surfer软件对点云数据进行插值，生成具有地理坐标系的DEM，网格尺寸为1m。

图2 无人机SfM测量示意图Fig．2 Schematic illustration of UAV platform based structure from motion．

2.2 同震位移测量

在适合的自然条件下，断错地貌标志可长时间保留，从而记录多次地震事件的位移（刘金瑞等，2018）。利用地貌标志揭示沿断层的破裂历史是基于一个基本假设：用来测量位移的地貌标志的产生率（明显地）大于地震（地表破裂）的复发率（Zielkeetal．，2015）。基于该假设，在震间期形成的一套地貌组合会在随后的地震中整体发生移动，沿着破裂带产生一组位移，其中最小的局部位移代表最近一次地震的同震位移（Zielkeetal．，2010；Jiangetal．，2017）。在阿尔泰山南麓，大量保存完好的冲沟以及该区缓慢的变形速率和富蕴断裂较长的地震复发周期（Calaisetal．，2003；徐锡伟等，2012）使得该地区符合上述假设条件。因此，我们利用破裂带两侧相距最短的2条冲沟的水平距离作为最新一次地震事件错动产生的水平位错（图3）。结合前人的研究结果（Klingeretal．，2011；徐锡伟等，2012），我们选取≤8m的水平位移作为1931年富蕴地震的同震水平位移。

图3 确定1931年富蕴地震的水平同震位移Fig．3 Determination of the coseismic horizontal displacement of the 1931 Fuyun earthquake．从现今的冲沟几何形态开始，在地表破裂两侧分别按数字和字母顺序标记冲沟（a中的白色圈），利用“反向恢复”重新排列由于地震而被断开的冲沟（图b），其中相距最短的2条冲沟（黑色圈）的位移量（黑框数字）为最新事件的位移

本文使用基于Matlab开发的位错测量软件Dispcalc（Zielkeetal．，2012）量取被错断冲沟的水平位移。该软件首先在DEM阴影图上确定破裂位置及两侧的冲沟迹线，生成沿冲沟方向的地形剖面，然后利用“反向恢复”原理确定水平位移。通过对冲沟剖面进行多次匹配拟合，当累积概率最大时，水平移动的距离即为该冲沟的水平位错量。此外，软件也会提供相应的位错恢复图及置信区间（图4）。

图4 水平位移的测量原理Fig．4 Principle of horizontal displacementmeasurement．a等高线间隔为0.5m的DEM阴影图；b确定断层位置、走向及冲沟上、下游趋势；c位错恢复图；d冲沟地形剖面图；e水平位移值及置信区间

3 富蕴地震地表破裂带的特征

3.1 地表破裂带的展布形迹

通过解译高分辨率地形数据获得的地震地表破裂展布显示（图5）：富蕴地震地表破裂带的线性地貌特征明显（图6），同时区域内存在挤压隆起、拉分盆地等地表形变特征，能够反映该区域地表破裂的空间几何展布。利用地表破裂带的几何和构造地貌特征，将研究区内的地表破裂带由北向南划分为S1、S2、S3和S4 4段。

图5 研究区的DEM数据及地表破裂解译分段结果Fig．5 The DEM data of the study area and results of surface rupture interpretation．

图6 富蕴地震地表破裂带的线性特征Fig．6 Linear characteristics of the surface rupture zone of Fuyun earthquake．

S1段北起吐尔洪乡以南（46°59′N，89°46′E），南至卡拉先格尔震中区（46°44′N，89°54′E），走向350°，长29km。该段的地表破裂带主要沿山麓和山间位置发育，由张性破裂及剪切破裂组成，呈单一线性展布。恰尔沟处，地表破裂由于河流的下切侵蚀作用，未能在河道两侧很好地保存，形成1.2km的地表破裂空段，但在西侧山脉的山腰处出现地表破裂。同理，水磨沟处以南1.2km的区域也未见地表破裂迹线。

S2段自卡拉先格尔延伸至奥尔塔哈腊苏，长22km，走向333°，地表破裂样式复杂、组合类型多样。卡拉先格尔作为1931年富蕴地震的震中区域，长期以来受到NNE－SSW 向的压应力作用，存在1个长约7km的构造透镜体。地震发生时，山顶处由于右旋走滑使构造透镜体沿穹窿顶部发生张裂，促使东侧滑动下陷，形成滑塌构造，同时也伴随一些NEE拉张性质的次级地表破裂。

在阿克萨依—撒热巴斯陶地区，地表破裂位于山前冲洪积平原上，剪切破裂的线性形迹保存得较为完好。自撒热巴斯陶向SSE，地表破裂形态变化复杂，由单一线性分为2支，一支经过西侧山麓位置，另一支位于东侧山谷的凹陷地带。西侧的地表破裂主要表现为压剪切破裂，与东侧的剪切破裂在山前构成长600m的隆起，延伸至玉勒肯哈拉苏。在玉勒肯哈拉苏处地表破裂又分为3支，其间的块体组成叠瓦状构造，反映了侧向挤压的应力状态。向SE地表破裂主要位于山麓位置，为SE、SEE走向的弧形或波浪形压剪切破裂，具有明显的逆冲特征。同时在压剪切破裂的东侧还发育次级剪切破裂，在山脊间和山坡处零星分布。

奥尔塔哈腊苏—白石包为S3段，该段长25km。在奥尔塔哈腊苏处，压剪切破裂沿山前展布，次级剪切破裂呈左阶分布于山腰，反映出挤压的应力状态。此后剪切破裂向SSE线性延伸至托库特拜后，由NNW 向转为NW 向进入东侧山脉并逐渐消逝，西侧山麓的地表破裂继续向SSW 延伸，走向转为347°。托斯巴斯陶地区由于透镜体的存在，在山前发育弧形压剪切破裂。此后至白石包，剪切破裂呈断续排列或羽列状分布，出现分支破裂或次级破裂。

白石包向S延伸至库尔尕克萨依南部为S4段，该段长37km，自新山口以南，地表破裂走向由360°转为333°。白石包南部主要由剪切破裂和张剪切破裂组成，西侧为一系列雁列式张破裂，似弧形展布，与西侧的剪切破裂构成长1 500m的拉分盆地。向S经新山口后以剪切破裂为主，呈单一线性展布，偶尔有次级小破裂断续或呈马尾状分布在主破裂一侧，一直延伸至库尔尕克萨依地区。此后地表破裂发生分叉，形成若干断续的分支破裂，沿山麓和山前冲洪积扇展布，构成2个连续的狭长菱形拉分盆地。再向S，地表破裂分为2支，一支转向NW 沿山腰间延伸，一支沿山前的冲洪积平原逐渐尖灭。

3.2 地表形变特征

富蕴地震在地表造成的形变现象非常丰富，不仅有众多不同规模、性质的地表破裂类型，同时伴随断裂运动形成的构造地貌现象。这些地表的形变现象以不同方式组合，表现出不同的力学性质。

剪切破裂是富蕴地震地表破裂带最主要的组成部分，分布在整条地表破裂带上。单条剪切破裂一般长10～30m，宽2～4m，主要走向约为1°。破裂两侧以右旋走滑为主，无垂直差异或不明显。大部分剪切破裂连续而平直，呈笔直的线性形迹，长度可达数百米（图7a，b）。还有一些剪切破裂呈右行左阶羽列状，单条剪切破裂走向3°，长数十米，呈左阶羽列形成走向341°、长近300m的剪切破裂带。

压剪切破裂也是富蕴地表破裂带的基本破裂类型之一，形态较为平直连续，同时具有右旋走滑分量和逆冲抬升分量，两侧呈现明显的高程差异，走向与整体地表破裂带一致。压剪切破裂带主要位于山腰或山前斜坡和冲积扇的交界处（图7c，d），形成逆冲隆起。压剪切破裂主要分布在S2、S3段的撒热巴斯陶—托库特拜以及托斯巴斯陶—白石包一带。由于压剪切破裂所在地区的挤压应力，也形成一系列的构造透镜体，如奥尔塔哈腊苏构造透镜体、托斯巴斯陶构造透镜体等。

图7 富蕴地表破裂带的典型地表破裂Fig．7 Typical surface ruptures in the surface rupture zone of Fuyun earthquake．红色箭头指示地表破裂带位置，红色实线表示地表破裂带解译结果；底图为DEM阴影图

张性破裂也是富蕴地表破裂带的重要组成部分，指示伸展环境，主要分布在S1段吐尔洪—恰尔沟一带。单条张性破裂一般长几十米至百米不等，宽0.5～3m，走向与整体地表破裂带一致，常呈张开状。除此之外，张性破裂还位于2条右行地表破裂间的拉张区域内，走向为NE或NEE向，与破裂带整体走向呈大角度相交，夹角约为45°～80°（图7e，f）。随着走滑断裂断距的不断增加，2条右阶右旋走滑断裂之间的区域逐渐形成似菱形的盆地，其中的张性破裂两端逐渐被牵引拉伸，呈“S”状或“Z”状。新山口北部发育1个典型的拉分盆地，长约1 500m，宽350m，西侧为NNE走向的张性破裂，东侧为经过山脚与之平行的压剪切破裂，其中的区域被拉伸下陷。在拉分盆地内还发育“Z”字形的张性破裂，表明该盆地还处于正在拉伸的阶段（图8）。

图8 富蕴地表破裂带的典型拉分盆地Fig．8 Typical pull apart basin in the surface rupture zone of Fuyun earthquake．红色箭头指示地表破裂带位置，红色实线表示地表破裂带解译结果；底图为DEM阴影图

相邻的剪切破裂之间还发育有鼓包，多个鼓包连结在一起则形成长条状的垄脊。鼓包和垄脊是在走滑地震地表破裂带上一种常见的构造现象，它是因挤压而引起的地面变形。鼓包表现为椭圆形的隆起，长8～10m，高1m，主要呈串珠状位于一些羽列、雁列状剪切破裂之间（图9a，b）。形态大一些或多个鼓包组合呈长条形的则为垄脊，一般长150m，高0.6m（图9c，d）。垄脊多出现在2条地表破裂的交替部位，在2条近平行且相隔不远的左阶走滑断裂间形成。

图9 富蕴地表破裂带的典型鼓包和垄脊Fig．9 Typicalmole tracks and ridges in Fuyun earthquake surface rupture zone．红色箭头指示地表破裂带位置，红色实线表示地表破裂带解译结果，黄色实线表示鼓包解译结果；底图为DEM阴影图

3.3 同震位移量

我们共在研究区量取194组冲沟的水平位错。通过对结果数据进行正态分布峰值拟合，得到1931年富蕴地震的平均右旋同震位移值为（5.06±0.13）m。由图10可以发现，水平同震位移量沿地表破裂的展布表现出明显的波状起伏，以震中区卡拉先格尔为中心，位移数量向N逐渐衰减，水平位移点稀疏；向S则呈波浪式向前推进，衰减速度较慢。在最北端—卡拉先格尔的部分，其整体水平位移为3～8m。在卡拉先格尔处形成长5km的水平位移空白区，可能由于较强的构造活动性，水平位移没有被很好地保存。撒热巴斯陶—奥尔塔哈腊苏地区的冲沟多位于山前的冲洪积扇上，可以被良好保存，因此该地区水平位移的数量也相对较多。玉勒肯哈拉苏以北水平位移多为2～8m，以南多为3～6m。在奥尔塔哈腊苏—白石包地区获得水平位移的数量减少，多为4～8m。自新山口向S，水平位移分布密集且均匀。位移量整体介于1.5～7.5m之间，向S逐渐减小。

图10 1931年富蕴地震右旋水平位移分布Fig．10 Distribution of dextral horizontal displacement of the 1931 Fuyun earthquake．

4 讨论

4.1 数据结果对比

传统卫星遥感数据的采集易受到积雪、云层等天气因素的影响，且生成的仅为二维平面影像。SfM方法得到的密集点云可以生成三维地形数据，其颜色属性使得点云数据更具有立体感和真实感，以此获得的纹理特征可以更好地应用于目视解译工作中（魏占玉等，2015），适合局部范围内的精细地貌研究。为了评估来自SfM 生成地形数据的可靠性，我们比较了本次生成的DEM和Quickbird卫星影像（Klingeretal．，2011）在同一地点解译冲沟形态的能力。图11中，黄线为解译的冲沟形态，我们将所得结果与Klinger等（2011）的解译结果用相同的标号进行标注。结果表明，SfM生成的地形数据具有更低的不确定性，使我们能充分捕捉冲沟的形态特征，同时能够识别出以前未被发现的冲沟（图11d），从而提高测量水平位移的准确性。

图11 SfM方法生成的DEM与Quickbird卫星影像数据的精度对比Fig．11 Data accuracy comparison of the SfM derived DEM with quickbird satellite image．a、b分辨率为0.6m的Quickbird卫星影像数据（Klinger et al．，2011），c、d本次研究所获得分辨率为1m的DEM数据。其中，红色实线表示地表破裂带的解译结果，黄色实线表示冲沟的解译结果；字母和数字分别为两侧的冲沟编号，小写字母和 罗马数字标号的冲沟为本研究在前人研究基础之上新解译的冲沟

为了评估同震位移量的合理性，我们搜集了部分历史上震级相似的地震产生的平均同震位移量（表1），其平均值多为3～9m。本次基于断错冲沟获取的同震位移平均值为5.06m，与类似震级所产生的同震位移量近似，因此数据有一定的可信度。此外，我们还将本次测量的位移结果与Klinger等（2011）在相同位置测量的位移数据进行比较（图12），在沿线共采集了54个水平位移测量数据。结果表明，在大部分地区Klinger等（2011）得到的位移值偏大，有的位移值相差1～2m，有的甚至可以达到本次测量值的3倍之多。位移测量的不确定性主要取决于数据的分辨率或对破裂位置、走向以及冲沟形态的判断（Renetal．，2015）。在这里，除了对冲沟形态判断主观因素外，前人的位移数据可能记录了多次地震事件水平位移的累计值。

表1 部分地震及其平均同震位移量统计表Table 1 Statistics of some earthquakes and their average coseismic displacements

图12 本次测量水平位移值与Klinger等（2011）位移测量值的比较Fig．12 Comparison of the displacementmeasurements in this study with those acquired by Klinger et al．（2011）．水平误差线为本次测量的误差，垂直误差线为K linger等（2011）测量的误差

4.2 地表破裂分段的指示意义

对地表破裂分段和分布形式的研究，可从定性的角度分析破裂各段的几何结构特征和复杂程度的差异，并与地表破裂所处的构造背景、破裂的滑动行为和地震活动相结合，为评定地表破裂各段的地震活动性提供可靠、有效的证据。我们从破裂几何形状的显著变化以及破裂阶区的位置确定地表破裂的分段位置（Choietal．，2012）。根据这2个因素，以规模较大的卡拉先格尔塌陷区、奥尔塔哈腊苏挤压阶区及白石包拉分盆地作为地表破裂的分段位置。同时，阶区的规模还可反映富蕴断裂的活动性强弱：震中卡拉先格尔向N地表破裂样式单一，发育阶区规模较小；以南地表破裂样式复杂，阶区发育且规模较大。这一现象也从侧面反映自卡拉先格尔以南断裂的活动性大于以北地区，破裂自震中区域更多是向S扩展。同震位移也对破裂分段起到了很好的响应。同震位移的缺失或突变发生在分段的边界处，它们分别对应着几何阶区的位置。在富蕴地震地表破裂带上，卡拉先格尔地区的构造活动强烈，使得该处的水平位移未被很好地保存。奥尔塔哈腊苏和白石包处的水平位移值突然减小，与周围的水平位移形成鲜明对比。

5 结论

基于SfM技术的摄影测量方法可以大范围、快速获取高分辨率的地形数据，对地表破裂的几何形态特征及两侧断错冲沟进行三维重现，在活动构造的研究中仍有广泛的发展空间。本文利用无人机获取富蕴地震地表破裂带的高分辨率DEM，在此基础上对地表破裂的展布进行详细解译，填补了对富蕴地震地表破裂精细形态研究的空白。以地表破裂的几何及构造地貌特征为依据，将富蕴地震地表破裂带由北向南分为4段：S1段走向350°，长29km；S2段走向333°，长22km；S3段走向自333°转为347°，长25km；S4段走向自360°转为333°，长37km。各段长度不等，其间通过挤压隆起或拉分盆地相连接。地表破裂类型包括：NNE向剪切破裂，在整条破裂带都有分布；NNE向压剪切破裂，主要位于S2段和S3段；NE—NEE向张性破裂，主要位于S1段、S4段以及S2段北部；同时发育有鼓包、垄脊和拉分盆地等构造地貌现象。此外，通过沿地表破裂带测量194组冲沟的水平位移，得到1931年富蕴地震的右旋同震水平位移的平均值为（5.06±0.13）m，与类似震级产生的同震位移量相当，同时同震位移的分布与几何阶区的位置也有很好的响应关系。以上结果也进一步说明，高分辨率的地形数据能够提高地表破裂解译、同震位移测量数据的精度，在活动构造研究中拥有广泛的应用前景和良好的应用价值。

致谢审稿人对本文提出了意见和建议，在此表示衷心感谢！