多源遥感揭示的郯庐断裂带江苏段及邻区特征

余 腾 朱益民 张 鹏 王 鑫 史坤朋 徐朝霞

1 宿迁学院建筑工程学院，江苏省宿迁市黄河南路399号，223800 2 中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京市学院路29号，100083 3 南京工业大学交通运输工程学院，南京市浦珠南路30号，211816 4 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京市安宁庄路1号，100085 5 武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路129号，430079

郯庐断裂带是东北亚一条规模宏大的NNE走向活动断裂，它既是一条构造运动强烈的变形接合带，也是中国东部平行于太平洋西岸的主要断裂之一，对我国东部的地震起到控制作用[1]。郯庐断裂带一般按照构造特点分为北、中、南3段，北、中段一般以渤海湾为分界，中、南段一般以苏鲁交接处宿迁为分界[2]。郯庐断裂带江苏段主要经过徐州、宿迁、淮安3市，区域人口稠密且经济发展水平高，震灾风险较大。

多年来，对郯庐断裂带江苏段的研究较少且结论不一致，已有成果多是基于地质勘察、地球物理等背景研究。曹筠等[3]采用地震勘探联合钻孔剖面方法，判断白芬子-浮来山断裂属于早第四纪断层；白嘉启等[4]对郯庐断裂带地温场进行研究，得出断裂带中南段热流值频度最高，且明显高于全球平均值的结论；梅卫萍等[5]采用多震相地震走时成像法反演郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区三维地壳速度结构，判断未来可能发生大震的地区为33.4°～34.1°N、118.2°～118.8°E，重点是宿迁市城区和下辖的泗洪县、沭阳县；杜晓娟[6]等通过郯庐断裂带周边重磁和断面资料，分析郯庐断裂带南、北段深部构造差异并推断南延边界。目前郯庐断裂带江苏段及邻区遥感研究还主要局限在断裂地貌形态解译和重力构造研究上。王鑫等[7]使用美国锁眼侦查卫星影像对郯庐断裂带江苏段的马陵山-重岗山断裂(F5，见图1)和新沂-新店断裂(F2)进行解译与定量分析，得出断层逆冲活动性质；姜文亮等[8]运用可见光、重力遥感资料对郯庐断裂带苏鲁段晚第四纪以来的地貌进行分析，通过小波分解得到的细节图分析苏鲁段地壳的非均匀性。

图1 郯庐断裂带江苏段地质构造概况Fig.1 Geological structure of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

近年来随着遥感卫星的广泛应用，大尺度、高分辨率、多源多系统对地观测成为可能。目前综合利用这些多源、分辨率较高和现势性较好的遥感资料，尤其是微波遥感手段对郯庐断裂带江苏段进行的全面研究较为匮乏，因此本文基于可见光、微波、GPS和卫星重力数据对郯庐断裂带江苏段近年活动进行多维联合研究。

1 郯庐断裂带江苏段地质构造背景

郯庐断裂带江苏段是山东段向南的延伸，可细分为5条不同阶段近似平行的次级断裂F1～F5，其受华北板块和下扬子板块碰撞影响，被大别造山带和苏鲁造山带挟持，在郯庐断裂带主线周边还发育若干次级断裂，次级断裂被郯庐断裂带主线控制。研究区还有造山带、盆地和板块交接的构造背景，如图1所示(地形数据为earth_relief_03s，墨卡托投影)。

本文研究的江苏段主体位于郯庐断裂带的南段，与郯庐断裂带中段也有重合。江苏段基底较为复杂，以北的山东、辽宁等地区历史构造活动明显，多有大震发生；以南的安徽段也有全新世以来的活动证据，近年江苏段周边区域大震少、小震多，发震情况与断层的闭锁性紧密相关。

2 可见光遥感揭示的郯庐断裂带江苏段特征及F5断层南延位置确定

2.1 数据来源与依据

近年来研究区城镇化建设导致地表改造较大，构造地形地貌痕迹和遗迹破坏较多，因此近20 a左右的高分辨率可见光遥感数据对于断裂解译和形变研究并不适用。本文主要选取Landsat7 ETM+、KH-4B卫星影像和SRTM(shuttle radar topography mission)的DEM数据。根据地表改造情况和冬季植被稀疏解译误差大小，选取1999-12的两幅Landsat影像；同样根据地表改造情况和分辨率大小，选择地面分辨率为1.8 m的1970年代全色KH-4B卫星影像数据。SRTM由美国航空航天局和国防部国家测绘局联合测量制作，雷达影像数据覆盖中国全境，本文选用2000年高程精度为30 m、生产精度达1″的SRTM1数据进行研究。在部分研究区的解译中，使用空间分辨率为5 m的日本ALOS(advanced land observing satellite)卫星影像数据进行辅助验证。

2.2 数据处理方法

本文的可见光遥感影像处理方法及总体流程如图2所示。顾及到断裂区域大气环境，选择Rural气溶胶模型并采用Gram-Schmidt Pan Sharpening模块将无地理坐标的KH-4B影像与ETM+的8波段进行配准和图像融合。在图像信息增强中，采用易于解译地质构造地貌边界的最佳指数法(optimum index factors,OIF)。经对比实验可知，对p121r36影像5、4、1波段进行假彩色合成能更清晰地分辨裸露基岩与第四纪沉积之间的边界以及串珠状水系，对p121r37影像经5、3、1波段组合后水系呈天蓝色、基岩呈砖红色，不同年代地层色调差异明显，易于解译断裂形态。通过对Landsat7 ETM+影像进行4、3、2分量组合的缨帽变换，可以反映基岩与周围第四纪地貌之间水分含量的差异以及两者之间的分界线。对研究区DEM进行地貌渲染，通过设置太阳入射角和太阳高度角，可从特定角度辨析地形的起伏情况，以识别线性构造体。

图2 郯庐断裂带江苏段可见光遥感数据解译流程Fig.2 Interpretation process of visible light remote sensing data in Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

2.3 主要结果与发现

活动断裂作为一种线性构造，在遥感影像上的主要特征为两侧地层在色调上呈线性对比、活动构造会引起微地貌特征。在识别出线性体的同时，还要对其两侧是否发育异常水系格局和整体地质构造进行综合研判。综合考虑后，建立郯庐断裂带江苏段的解译标志(表1)。

表1 郯庐断裂带江苏段遥感影像解译标志

郯庐断裂带江苏段北部被大量植被覆盖，经图像增强和滤波后线性特征增强，可识别出冲积扇和5～7条方向较为一致的少量右旋扭转、位错冲沟。通过与ALOS影像对比分析(图3)可知，右旋结论可得到有效验证，这也与普遍认为的第四纪以来郯庐断裂带右旋运动性质较为一致。

图3 郯庐断裂带江苏段北部南马陵山西北角水系格局与右旋特征解译Fig.3 Interpretation of water system pattern and dextral characteristics in the northwest corner of south Maling mountain in the north of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

对郯庐断裂带江苏段北段黄巢关水库等地区地貌进行解译发现，断裂分隔了左侧基岩山地与右侧第四纪洪积。对山脊线进行解译后发现疑似错动情况，对经缨帽变换的4、3、2分量进行组合后发现，由于岩石、植被的含水量差异在图中表现出不同的色调，南马陵山东侧发育有串珠状水系，水系发育伸展方向总体为NE方向，且色调异常与串珠状水系的走向和断裂总体走向具有较高一致性，如图4所示。

图4 郯庐断裂带江苏段北部特征地区遥感影像处理与解译Fig.4 Remote sensing image processing and interpretation of northern characteristic area of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

实验发现，在郯庐断裂带江苏段南部重岗山地区，以145°作为太阳入射角度可以更好地追踪断裂走向。重岗山西侧断层陡坎特征显著，这与地质调查发现的东侧砖红色砂岩(K2w)逆冲到西侧土黄色粘土层(Q3)上的结果具有一致性[1-2]，与Landsat7 ETM+影像的色调差异也有很好的一致性(图5)。根据山体阴影处理效果可知，断裂重岗山段北部线性特征并不明显，中南部的线性特征较为显著，具有隐伏断层特征，此处解译为江苏段马陵山-重岗山断裂(F5)的南延。

图5 郯庐断裂带江苏段南部特征地区遥感影像处理与解译Fig.5 Remote sensing image processing and interpretation of southern characteristic area of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

对上述地区野外地质调查验证后发现，郯庐断裂带江苏段北部裸露的基岩以王氏组(K2w)紫红砂岩为主，地表行迹方向以NE向为主，这与郯庐断裂带带整体走向一致。以东被黄色粘土所覆盖，在Landsat7 ETM+影像上也可看出，土壤色调差异明显，且发育有断层陡坎。在垂直于断裂方向上发育有宽度约为0.4～2.0 m的冲沟，实地调查后发现，冲沟具有右旋性质。

综上可知，通过对郯庐断裂带江苏段北部的南马陵山、黄巢关水库、嶂山和南部的重岗山等地进行可见光遥感影像处理，加以实地勘察验证，可更好地辨识活动断裂的几何特征和地表行迹。尤其是对郯庐断裂带江苏段南部的一条活动隐伏断裂——马陵山-重岗山断裂(F5)的确切位置给予较为明确的厘定，并得到地质探槽结果的验证。

3 微波遥感揭示的郯庐断裂带江苏段活动特征

3.1 SBAS-InSAR技术原理

为解决D-InSAR时空基线过长造成的两景影像失相干问题，基于时间序列分析的SBAS-InSAR(small baseline subset InSAR)技术通过连接由长基线造成的相对独立的SAR影像，形成短基线影像集合，以增加数据采样率和提高形变监测能力。导入外部DEM数据可去除因地形引起的相位误差，从而得到差分相位，并选取稳定的相干点进行相位解缠与定标处理。

3.2 SBAS-InSAR反演与分析

为研究郯庐断裂带江苏段近年地表形变，选用2015～2020年28景升轨Sentinel-1A卫星SLC(single look complex)级IW(interferometric wide swath)格式影像数据。由于可公开下载的Sentinel-1降轨数据较少，不适用于SBAS-InSAR方法处理，本文采用ALOS卫星L波段SAR数据的处理结果作为升轨数据的验证。反演所得的LOS向形变速率结果如图6所示(红框为特征剖面)，与ALOS卫星的PALSAR数据处理结果比对后可知，LOS向形变具有较好的一致性。

图6 郯庐断裂带江苏段及邻区LOS向形变速率Fig.6 LOS directional rate diagram of Jiangsu section and adjacent area of Tan-Lu fault zone

为了更加充分地研究区域LOS向形变关系，选取两处剖面P1、P2作滤波处理(图7)。

图7 剖面LOS向形变趋势Fig.7 Deformation trend of sections in LOS direction

由图6可知，郯庐断裂带江苏段东部区域自徐州新沂至宿迁市城区主要表现为沉降，量级为2～4 mm/a；西部区域自临沂至泗县以北主要表现为抬升，量级为3～4 mm/a。由图7可知，断裂东西两侧不同地区形变趋势不同甚至相反，量级为3～5 mm/a，间接反映了块体运动情况。

研究区固体潮、降雨、地下水等自然环境和城市规模、城市开发程度和集中建设时间相近，无明显背景值差异。从板块力学的角度来看，产生这种现象的原因可能是近年断裂两侧的水平应力差异较大。根据研究结果可知，郯庐断裂带江苏段的中北部(泗洪以北)东侧城市沉降区数量和沉降范围明显大于西侧，总体呈现出东降西升的特点，可判断郯庐断裂带江苏段中北段具有右旋走滑特征；郯庐断裂带江苏段南部(泗洪及以南)在LOS形变上与郯庐断裂带中段表现出相反趋势，但地表冲沟表现出右旋性质，这种矛盾的现象与本文§5和相关学者揭示的此段近年深部闭锁增强有一定关系，这也进一步验证了郯庐断裂带总体呈现出明显的分段性这一结论。因此，郯庐断裂带带江苏段总体表现为右旋走滑运动性质，与前人多数结论具有一致性[1,6,9]。

作为一条具有走滑性质的断裂，走滑方向与断裂延伸方向近似平行，且走滑量更能体现断裂活动性。为将LOS向的形变速率分解至沿断裂平行和垂直两个主要方向，将对小范围形变值分解影响较小的地球曲率视为一个平面，分解示意及分解后形变量如图8所示。图8(a)中OB为平行于断裂的方向，AB为垂直于断裂带的方向，α为投影角，β为郯庐断裂带与正北方向的夹角，φ为SAR升轨影像相较于北方向的旋角。

图8 LOS向分解示意和分解后的走滑速率Fig.8 Schematic diagram of LOS decomposition and strike slip rate after decomposition

存在以下关系：

Dstrike=DLOS·cosα

Dvertical=DLOS·sinα

式中，Dstrike为断裂滑动，Dvertical为垂直于断裂的形变速率。研究区影像旋角φ约为8°，断裂方位角β约为12°，LOS向形变分解后可得断裂两侧相对走滑量约为4 mm/a。值得注意的是，近年来郯庐断裂带江苏段除东、西两侧存在形变差异外，南、北两侧也存在一定差异：以宿迁市城区为界，郯庐断裂带江苏段中、北部以沉降特征为主，南部以抬升特征为主，差异沉降速率约为3 mm/a。

4 GPS揭示的郯庐断裂带江苏段活动特征

以欧亚板块为参考背景，通过GAMIT/GLOBK处理1998年以来的GPS数据，得到江苏段周边GPS站点在ITRF2008框架下的坐标，GPS水平与垂直速度场(90%置信椭圆)如图9所示。

图9 郯庐断裂带江苏段及邻区水平与垂向GPS速度场Fig.9 Horizontal and vertical GPS velocity fields of Jiangsu segment of Tan-Lu fault zone and its adjacent areas

由图可知，郯庐断裂带江苏段所在的华北板块总体向东偏移，量级约为6 mm/a，运动方向近乎垂直于断裂走向，垂直位移反映出本区域相较于欧亚板块总体表现为沉降特征。

为有效解决原始GPS数据空间分辨率低的问题，采用三次样条函数插值法对南北向与东西向的速度矢量进行插值，计算结果如图10所示。

图10 郯庐断裂带江苏段及邻区GPS速度场水平向插值Fig.10 Horizontal decomposition and interpolation of GPS velocity in Jiangsu segment of Tan-Lu fault zone and its adjacent areas

由图10(a)可见，C、D区域呈现明显的梯度性，南北向速度场与断裂走向近似平行，D区域平行于断裂方向的速率约为-1 mm/a，而断裂所在区域速率约为-2.2 mm/a，C区域约为-0.7 mm/a，即断裂相对于东西两侧出现向南滑动现象，且这一现象向北递减。到了A、B区域，再次出现断裂带两侧分异的情况，这一现象仍然保持着东侧相对于西侧向南滑动，走滑的运动性质比南段稍弱。由图10(b)可见，断裂东西向速率的分异性与南北向速率的分异性类似，C、D两处垂直于断裂方向的速率分别约为7.4 mm/a和6.6 mm/a，表现为东侧块体的挤压占主导。综上可知，郯庐断裂带带表现为右旋走滑的运动性质，这与李腊月等[10]借助近年GPS数据通过块体负位错模型对郯庐断裂带中南段滑动速率的反演结果有较好的一致性。

5 重力遥感体现的郯庐断裂带江苏段深部特征

重力异常反映了地球内部不同深度到地表所有密度不均匀物质的分布性质，可以揭示地质体边缘分布、壳幔结构以及断裂的线性展布特征，并为地下、地壳至上地幔深度处的地质构造研究提供约束[11-12]。其导数可反映不同地质体的交接关系，识别不同构造的边界，抑制深部构造信息的影响，可划分不同深度和大小异常场源产生的叠加异常，导数阶次越高分辨率越强，其原理是基于诺依曼无限平面外部问题的解。本文根据EGM2008球面调和系数计算得到的布格重力异常网格数据，并使用FA2BOUG模型计算区域尺度上的布格修正。收集的重力异常数据分辨率为2′，采样间隔约为2 km。采用位场数据处理方法对近似场源深度进行反演，结果如图11所示。

由图11(a)可见，X方向的方向导数对NS走向断裂形迹有较好的突显作用，研究区近乎南北向的高正值异常线性特征明显且方向与郯庐断裂带江苏段走向吻合度较好，其东、西各区域大体上均为负异常区域，可见郯庐断裂带分隔了两侧的地质体，与“两堑一垒”的构造格局一致性较好。在其东、西两侧分布有NS向断续分布的线性体构造，可能为郯庐断裂带系在我国东部延展与破碎的证据。东侧斜列的NS向低异常区域与苏胶块体中的几大凹陷对应明显。

由图11(b)可见，Y方向的方向导数对EW走向断裂形迹突显效果较好，具有明显异常特征的断裂主要位于下扬子板块与郯庐断裂带交接处、斜切的淮阴-响水断裂以及苏鲁造山带，沭阳凹陷被一圈高正值异常所围绕，形成孤立的低异常区，据此可以推测凹陷的范围。进行更高阶的求导也是推断凹陷深度的一种途径。

由图11(c)可见，垂直于重力场方向的一阶导数可以反映垂向梯度的变化，对于判断重力局部异常、划分构造单元和分析断裂构造处地形等方面意义重大。从正、负异常区的分布来看，其规律性不强，地表表现较为破碎，反映出该区域地壳环境的复杂性。值得一提的是，对于泗洪地区，无论是在原始的布格重力异常图上还是在垂向的导数图上，均表现为高正值异常，根据前人的研究[10]，该地区局部隆升，可能是上地幔高密度物质上涌所致。

重力数据随场源深度的变化而变化，沉积层对观测高度的变化相对于深部地质体来说更为敏感。为根据实测数据计算出场源之外的异常值信息，本文采用向上解析延拓减弱浅层地质体的影响，进而增强深部地质构造格局信息。如图11(d)所示，向地表延拓20 km后，原始的高值异常区依然保留，增强了固镇-灵璧-泗县一带以及研究区西北角的高值异常信息。横向上的变化比纵向剧烈，而郯庐断裂带中南段本身的高值异常明显大于周边地区，可作为郯庐断裂带是一条NNE走向的莫霍面突变带的依据[13]。

综合各方向导数及向上延拓研究成果，并由图11(e)可知，纵贯研究区中央的郯庐断裂带使东、西两侧重力异常出现明显的西低东高特征分异，西侧的华北板块重力低值异常和东侧的苏鲁造山带重力高值异常都十分明显，由F6(无锡-宿迁断裂)、F9(海泗断裂)、F10(邵店-桑墟断裂)形成的三角形闭域，包含了沭阳凹陷的低值异常区，往南高值异常稍有缓解。F11(淮阴-响水断裂)与F12(洪泽-沟墩断裂)之间斜列的串珠状NE向的低值异常区对应于盐阜坳陷，同时也分隔了下扬子板块。以F23(阜阳-固镇坳陷南缘断裂)为分界线，以南EW向的低异常闭圈对应着固镇坳陷，说明郯庐断裂带是该区域一条重要的地球物理分隔带。究其原因，反映了地壳起伏较大，推覆构造应力作用使深部的均衡状态被打破。

6 结 语

1)对郯庐断裂带江苏段色差、水系分布、冲沟扭转及断层陡坎等地表行迹进行解译，直接解译活动断裂总长度约为36 km，平均走向约为NNE10°。结果表明，南、北两部的断裂出露差异较大，与地震活动分区差异有关。

2)利用SBAS-InSAR反演断裂区LOS向和走滑方向形变速率，结果表明，郯庐断裂带江苏段中、北段为右旋运动，东部区域主要表现为沉降且量级约为2～4 mm/a，西部主要表现为抬升且量级约为3～4 mm/a。断裂两侧相对走滑量约为4 mm/a，江苏段北部以沉降特征为主，南部以抬升特征为主，差异沉降速率约为3 mm/a，间接体现了近年来的块体运动特征。

3)研究区近20 a的GPS速度场研究呈现出西高东低、北高南低的整体格局，三次样条插值后高密度数据表明，南北两侧相对滑动量约为2 mm/a，东西两侧相对滑动量约为1.4 mm/a，这与断裂带两侧占主导的走滑特征具有一致性。长周期的GPS速度场与短周期的SBAS-InSAR数据结果的差异显示，近年郯庐断裂带江苏段有走滑加速的趋势。

4)通过研究区布格重力异常、方向导数和向上延拓的研究，阐述研究区地质体之间的交接关系，并探讨该区域构造应力的宏观格局，体现出郯庐断裂带使东、西两侧重力异常出现明显的西低东高特征分异。

需再次提出，本文作者及其他学者近年来对郯庐断裂带江苏段G-R关系及b值指示意义的研究[14-15]均显示，南部闭锁特征较北部更强，尤其是泗洪至合肥段断层闭锁程度较高，易于产生地壳应力累积，且近300 a历史上未发生大震，再结合近年相关地球物理探测和地震研判成果，此区间发生中、强地震的概率和风险值得关注。

致谢：感谢应急管理部国家自然灾害防治研究院、南京工业大学交通运输工程学院、宿迁市地震服务中心和江苏宿迁地震台提供相关资料和帮助。