GF-7卫星图像快速解析青海门源Ms6.9级地震的地表破裂带

焦其松，姜文亮，3，李强，赖积保，郑艺，何仲太，申文豪，李永生，罗毅，张景发

1.应急管理部国家自然灾害防治研究院,北京100085;

2.应急卫星工程与应用应急管理部重点实验室,北京100124;

3.防灾科技学院,廊坊065201;

4.国家航天局 对地观测与数据中心,北京100048

1 引言

2022年1月8日01时45分，在青海海北藏族自治州门源回族自治县（37.77°N，101.26°E）发生Ms6.9级地震，震中靠近祁连—海原地震构造带的中段冷龙岭断裂带，根据《DB/T 58-2014-地震名称确定规则》，中国地震台网中心发布的地震速报信息将其命名为青海门源Ms6.9级地震；美国地质调查局（USGS）给出的该地震震矩M0=1.046×1019N·m，震级为Mw6.6，震源深度为11.5 km，根据震源机制解破裂走向为104°、倾角为88°、滑动角为15°，为一次具有微量逆冲分量的左旋走滑错动事件。由于地震发生在无人区，平均海拔约3600 m，并无人员伤亡，经济方面也主要是造成了兰新高铁硫磺沟段严重破坏。在此之前，沿冷龙岭断裂带还于1986年8月26日和2016年1月21日发生过两次Ms6.4级地震，相关研究表明此前两次地震发生在冷龙岭断裂带的北侧分支断裂上（姜文亮等，2017）。本次Ms6.9级地震更接近冷龙岭断裂带的主断层（图1）。此前有学者认为该段属于天祝地震空区（Gaudemer等，1995），但是又具有高震级地震危险性（徐锡伟等，2017）。因此，在相对较短时间内，在青藏高原东北缘祁连山南边界的高山地区，先后发生3次强震，本次地震的地表破裂特征、发震构造模式、未来该地区地震活动趋势，成为社会关注的热点问题。

强震地表破裂调查与灾情评估是地震应急响应与科学考察的重要工作内容，由于本次地震发生在祁连山无人区，震中区域属于高寒高海拔区，部分区域常年积雪覆盖，因此严重阻碍了震后现场科学考察进度。高分遥感数据为我国活动断层定量研究提供了快速有效的技术手段（Fu等，2005a和2005b；付碧宏等，2006；何宏林，2011；任治坤等，2014；姜文亮等，2018；姚生海等，2020），大地震活动通常在地表形成非常直观的证据，如地震地表破裂带、断错冲沟、断塞塘等，这些错断地貌单元不仅可以指示断层的位置，也可以记录断层位移的方向与位移量（姜文亮等，2018；魏永明等，2021）。近年来，以高分一号、高分二号、高分七号等为代表的国产高分卫星具有高达亚米级的空间分辦率，并且具备了组网观测的能力，在面向重特大自然灾害应急时，具有响应时间快、监测范围大等优势，近年来在中国重特大自然灾害应急响应及灾害调查中开始发挥了重要作用（李强等，2019a，2019b）。快速获取震后高分辨率卫星数据并开展应急信息提取分析，是提升应急时效性的重要支撑手段。

为了调查本次门源地震发震构造带特征，精确确定地震地表破裂带位置、性质、规模、活动强度等信息，本文利用了地震当天获取的GF-7卫星数据，同时结合震前卫星数据，于地震发生的当天快速解译了同震地表破裂带遥感影像特征。通过震前震后遥感影像对比分析，识别和提取了本次地震地表破裂带的空间展布信息，并及时提供给现场调查人员，为现场调查人员快速定位地表破裂位置、开展地震科学考察、灾害损失评估，发挥了重要的指引作用。

2 地震构造背景

冷龙岭断裂带位于祁连—海原地震构造带的中段，属于青藏高原东北缘巨型弧形构造带的前缘地带（图1（a）），在青藏高原东北缘的构造变形中起着重要的转换调节作用（Gaudemer等，1995；Jiang等，2021；张会平 等，2012），其中图1（a）中的1986年和2016年门源地震震中位置参考自徐纪人等（1986），姜文充等（2016）。冷龙岭断裂带沿祁连山脉的分水岭延伸发育，东端毗邻黄羊川断裂与金强河断裂，开始于羊盘场地区，向西先后经塔里花、柴隆沟、讨拉沟、牛头沟、俄博沟、老虎沟、岗什卡主峰等，直至西部的硫磺沟附近，西端则与祁连—肃南断裂带、托莱山断裂毗邻，总体走向北东110°，东西延伸超过120 km。在冷龙岭断裂带与祁连—肃南断裂带、托莱山断裂联接处，断裂发育相对复杂，遥感影像中多条地表破裂并行发育形成构造阶区。冷龙岭断裂带晚第四纪主要表现为左旋走滑运动，局地又表现为逆冲性质（Gaudemer等，1995），断层全新世期间强烈活动，在地表形成了大规模的地震地表破裂带，分布有错断冲沟、阶地、基岩山体、冰碛垄等，并在许多典型地带还发育有系统性或同步的错断地形地貌（何文贵等，2010；Lasserre等，2002；Guo等，2019；Jiang等，2021）。

图1 冷龙岭断裂带周边区域构造简图及高分遥感解译示意图Fig.1 Regional structure and surface rupture interpretation map from GF-7 satellite image around Lenglongling fault zone

冷龙岭断裂带由南支主断层和北支分支断层组成，1986年和2016年的两次地震发生在北侧分支断层上（姜文亮 等，2017）。本次2022年门源Ms6.9级地震震中更靠近冷龙岭断裂主断层的西段，震中位于主断层南侧。震中地处高海拔高原区域，大部分区域被冰川覆盖，气候条件非常恶劣，导致该区研究程度不高。以往对冷龙岭断裂带的晚第四纪与古地震研究主要集中在东段（郭鹏等，2017），而对该断裂带西段晚第四纪地震地质研究并不多。地震活动方面，冷龙岭断裂带的西段，除1986年和2016年发生的两次Ms6.4级地震以外，还没有过大于7级地震的记录。

3 数据源及研究方法

3.1 数据介绍

本次门源Ms6.9级地震地表破裂带的应急调查主要使用了地震前后的GF-7卫星数据。2019年11月3日发射成功的GF-7卫星属于中国高分辨率对地观测系列卫星，是中国首颗民用亚米级光学传输型立体测绘卫星，该卫星的成功发射标志着中国高时空分辨率、高精度的天基对地观测能力初步形成（曹海翊等，2020）；高分七号卫星提供分辨率优于0.7 m的全色立体像对及分辨率优于3.2 m的多光谱影像，影像纹理特征清晰，光谱信息丰富，可开展民用1∶10000大比例尺卫星立体测图（李国元等，2021；唐新明等，2021），为重特大自然灾害应急响应提供有效遥感数据保障。2022年1月8日01时45分 门 源Ms6.9级 地 震发 生后，中国资源卫星应用中心于地震当天北京时间12时36分快速获取了震后GF-7数据，并快速推送给应急管理部门，开展震中区域震害应急调查分析；地震前GF-7遥感影像成像时间为2021年11月30日。将GF-7应用于重大自然灾害应急观测，这在国内是比较有代表意义的一次高分重大灾害应急案例。

GF-7数据处理方面，主要基于ENVI软件，采用卫星数据自带的RPC文件，将地面点大地坐标与其对应的像点坐标关联起来，进行RPC校正，并以DEM数据参考进行正射校正等预处理工作，得到分辨率为0.65 m的全色数据及2.6 m的多光谱数据。在此基础上，选用多光谱真彩色合成影像与全色数据融合，融合后影像色彩丰富，色调柔和，地貌纹理细节突出；利用0.65 m分辨率的图像融合结果，开展后期的地表破裂带解译分析。参考中华人民共和国地震行业标准《DB/T69-2017活动断层探察—遥感调查》，GF-7全色及多光谱融合数据完全满足大比例尺断错微地貌遥感解译及参数量测对于遥感影像空间分辨率优于1 m的要求。

3.2 研究方法

利用高分辨率遥感影像资料可以对单次地震造成的地震位移以及多次地震形成的累计位移进行识别评估，相关研究工作最早开始于对圣安德列斯断裂的研究（Wallace，1968）。对于最新地震造成的地表破裂及位移，在影像分辨率足够支撑位移规模解析的情况下，利用震前震后影像对比分析可以进行识别。而对于历史地震形成的累计位移分布，则需要利用高精度地形与影像资料进行构造地貌的联合解析，增加沿断裂带所测定的位移值的数量，对断层几何形态进行大比例尺分析，同时需要考虑错断地貌标志对气候的响应特征（Zielke等，2015）。

在利用遥感影像进行地震地表破裂带以及错断规模的评估时，首先要明确断层破裂迹线或是断层穿越位置，只有明确了断层的发育位置，才能明确冲沟或阶地陡坎的变形是否是由于地震活动所造成的，因此需要利用高分辨率影像，在宏观及微观两个层次上来解译分析断裂带。在研究中需要建立相应的遥感解译标志，如地震地表破裂带、断层陡坎以及一些准线性标志体错断现象等；通过各种构造微地貌的综合分析，可以明确断裂带的平面几何形态、结构特征以及分支情况；在此基础上，结合高分辨率影像以及高精度数字高程模型资料，将横跨断层两侧的线性地形地貌进行识别与提取，如道路、冲沟、阶地陡坎以及冲洪积扇陡坎等，对这些线性地形地貌体的形态特征进行分析，尤其是在横跨断层的位置，判断是否存在由于断层活动而造成的位错现象，以及是单次地震活动还是多次地震累计活动的结果，排除由于地形坡度、自然条件等因素造成的冲沟转折现象，并排除与断层运动性质明显差异的线性地貌体的弯曲现象（姜文亮，2018）。

根据上述识别要求以及焦其松、姜文亮、张景发等起草的中华人民共和国地震行业标准《DB/T69-2017活动断层探察-遥感调查》，地表破裂提取主要采取3种方法。首先直接判定法，通过目视解译，直接判定遥感影像中的地震相关的线性陡坎、位错等构造地貌要素的位置信息。针对地表破裂的解译标志包括影像中连续状或断续状延伸的线性纹理特征、影像中地貌纹理特征的错断或中断现象、水系异常扭动及拐弯标志、影像中呈雁行斜列式或羽状分布的带状地表裂隙及影像中色调异常标志。然后，利用延伸追踪法，根据解译标志的影像特征联系，采用由宏观信息向局部信息追踪、从外围特征向中心目标延伸、由清晰特征向模糊信息推断的方法，判断活动断层的大概位置等信息。最后，利用相关分析法，基于地震前后遥感影像的色调、色彩、纹理与结构特征异常，判定本次地震地表破裂的空间展布位置以及确认古地震破裂带在此次地震中有无再次破裂等信息。

4 地震地表破裂带遥感特征解析

4.1 北支地震地表破裂带特征遥感解析

根据资料分析，本次门源Ms6.9级地震的震中附近主要发育有冷龙岭断裂、托莱山断裂、祁连—肃南断裂，震中与冷龙岭断裂带主断层的直线距离不足3 km，与托莱山断裂带的西段也仅有数公里的距离。地震发生后的当天，快速收集了地震前后的GF-7、GF-1等影像资料，对门源地震造成地表破裂带进行了识别提取，对本次发震构造性质进行了解析。

在震前高分遥感影像中，冷龙岭断裂带的西段以及托莱山断裂带的东段，都具有很清晰的错断地貌特征，为我们快速识别本次地震地表破裂带提供了重要信息。通过分析震后影像，识别出沿冷龙岭断裂带西段分布的地震地表破裂带，表现出丰富的破裂几何结构特征（图2）。

遥感影像中解析的地表破裂带区域分布总体呈西低东高，西部在3500 m左右，向东跨过硫磺沟区域海拔逐渐抬升，由3600 m上升到4000 m。利用遥感影像解译发现的地震地表破裂带长度超过19 km（图1（b）），其中西北端起于上大圈沟附近（37.812°N，101.201°E），沿北西西—南东东向分布，断续穿越道沟、硫磺沟，终止于敖包沟附近（37.748°N，101.395°E）。根据地表破裂带的总体表现特征，可以分为南北两个分支，共4段，北支可分为3段，即硫磺沟西侧与地表破裂第一次切割区域的以西至道沟部分为西段（图2（a））、硫磺沟东侧与地表破裂再次切割区域的以东至敖包沟部分为东段（图2（d）以及硫磺沟与地表破裂两次切割所围限的部分为中段（图2（b）和2（c））；南支可分为一段，即托莱山断裂带东段（图2（e））。

图2 门源Ms6.9地震地表破裂带遥感特征Fig.2 Remote sensing characteristics of surface ruptures formed by Menyuan Ms6.9 earthquake

北支西段上大圈沟—硫磺沟段，遥感影像中地震地表破裂特征十分清晰（图2（a）），且地表积雪覆盖较少，沿破裂带分布有错断山体、冲沟、冰层等地貌，总体延伸近6 km。在震后遥感影像上可以发现沿破裂带主要沿早期分布的断错冲沟、断层沟槽等地貌展布，并呈连续线性延伸，表明本次门源地震在西段的地表破裂为原地破裂。影像中新生地表破裂由斜列的张裂隙、张剪裂隙、拉张阶区、鼓包等组成，连续性较好。部分地段遥感影像中可见古地震造成的冲沟、道路同步左旋位错，断塞塘贯穿性破裂及左行左阶排列的雁行斜列式地表破裂带，破裂带宽度5—70 m不等。

北支中段即硫磺沟段（图2（b）和2（c）），由于向东地形逐渐抬升，且位于山体的背坡面，存在有较多的积雪和冰层，在震前遥感影像上断层痕迹特征不易判断。而在震后遥感影像上，通过仔细分析仍然可以发现断层错断山体及积雪覆盖层，并造成部分区域冰层的扰动现象，在地表形成了时而连续、时而断续分布的地表迹线，并在局部错断冲沟陡坎。

该段主破裂带沿硫磺沟左岸山前展布，破裂带主要切穿山前冲洪积物、洪积阶地及支流冲沟沟口冲积扇，整体呈近北西走向，与硫磺沟走向近平行，全长约9.6 km。遥感解译发现本段破裂通过地带大部分被积雪覆盖，破裂切穿积雪层，地表迹线清晰。新产生的地表破裂，连续性较好，由锯齿状斜列的张裂隙、张剪裂隙等组成，部分地段遥感影像中可见古地震造成的冲沟同步左旋位错，新产生的地表破裂与古地震破裂带交错排列，破裂带宽度5 m左右。

中段地表破裂中部横穿兰新高铁隧道，导致跨越硫磺沟的铁路桥面出现明显右旋变形破坏。根据震前影像及震后遥感解译的地表破裂带位置对比（图3（a）），断裂并未直接从该桥下穿过。另据震源破裂反演结果（李振洪等，2022），本次地震破裂持续时间10 s左右，桥面右旋变形位置距地表破裂带直线距离约600 m，因此桥体遭受了剧烈的不均匀近场强地震动影响，导致桥面出现右旋变形假象（图3（b））。由于地表破裂从铁路桥正南侧山坡上近垂直穿过线路，本次地震对山体内的铁路隧道造成了重大破坏，并导致铁路停运，带来严重经济损失。

图3 硫磺沟段兰新高铁附近地表破裂特征Fig.3 Surface rupture characteristics near Lanzhou-Xinjiang high speed railway in Liuhuang valley section

北支东段即硫磺沟—敖包沟段（图2（d）），向东延伸受积雪与冰层的影响，断层痕迹逐渐减弱，终止于敖包沟附近。该段主破裂带以小角度切过硫磺沟后，沿硫磺沟—敖包沟之间山地展布，破裂带切穿硫磺沟右岸山前冲洪积物后逐渐向地势较高处支流冲沟沟口延伸，整体呈近北西走向，全长约3.4 km。遥感解译发现本段破裂通过地带大部分被积雪覆盖，破裂切穿积雪层及冰碛台地，与其形成鲜明的黑白色彩对比，地表迹线清晰；新产生的地表破裂，连续性较好，由锯齿状斜列的张裂隙、张剪裂隙等组成，破裂带宽度2—10 m不等。在震后遥感影像上可以发现该段大部分破裂带位置主要沿震前断层迹线分布，属于原地复发破裂。

4.2 南支地震地表破裂带遥感解析

本次地震形成的地震地表破裂的南支主要沿托莱山断裂带东段分布（图2（e）），主要分布于国道227羊肠子沟段西侧，大西沟北侧。本段破裂地表积雪覆盖较少，因此在遥感影像上可以看到本次地震新生地表破裂与历史地震活动形成的地表破裂痕迹位置一致，沿断裂带上分布有多次地震累计活动形成的断层洼地、陡坎、错断冲沟等微地貌特征（图4），历史错断特征非常清晰。新产生地表破裂与古地震破裂带交错排列，局部地段错断冰雪层（图4（c）），总体破裂带宽度2—5 m不等。

图4 托莱山断裂带东段地表破裂特征Fig.4 Surface rupture characteristics on the eastern section of Tuolaishan fault zone

与北侧分支地表破裂相比，南侧地表破裂规模相对较小，主要以发散的地表裂隙为主，因此未能形成具有一定宽度的破碎带，受遥感影像分辨率的影响，其遥感影像特征比较隐晦，连续性较差，需要仔细辨识。通过对比震前GF-7影像，本次新生的地表破裂主要切穿了山前冲洪积物、洪积阶地及冲沟沟口冲积扇，整体呈近东西向展布，遥感影像上的可辨识长度约2.3 km。新产生的地表破裂由锯齿状斜列的张裂隙、张剪裂隙等组成。对比震前影像，该段大部分破裂带主要沿震前断层迹线分布。

4.3 2022年门源Ms6.9级地震运动学遥感解析

对于本次地震的断层运动学特征，包括运动性质、位错规模等，可以根据遥感影像中错断微地貌的几何形态、方向性指标等进行解析。由于在遥感影像上沿破裂带分布有雁行斜列式拉张裂隙、错断冰盖、冲沟、道路等一系列具有重要指示意义的构造微地貌指标，对研究本次地震发震断层的运动特征具有重要参考意义。

图5为遥感影像中解译发现的呈多米诺骨牌样式排列的，即雁行斜列式地表破裂，位于地表破裂带的西段。由于受到拉张应力的作用，形成了数条近平行分布的拉张裂隙，局部地带拉张裂隙逐步扩大形成小型的拉张盆地，这一系列微地貌特征是走滑断裂带中最为典型的运动学指标。根据拉张裂隙与主破裂带之间的夹角和方向，可以判断处本次门源地震的发震断层具有典型的左旋走滑运动分量。

图5 上大圈沟—硫磺沟段雁行斜列式地表破裂带展布样式及构造解析Fig.5 Structural analysis of echelon oblique surface rupture zone in upper Daquan valley to Liuhuang valley

遥感影像中可解译的地震地表破裂带的西段上大圈沟东侧，断层错断了冲沟内固结的冰层（图6）。由于震区温度在零度以下，且卫星数据获取时间与发震时间仅有10余个小时，因此冰层较好的记录下了断层的位移规模。从卫星影像上可以看到在切穿冰层的区域地表破裂走向发生了一定的转折，其中西段走向北西，东段走向北东东。断层自西向东连续左旋错断了7条冲沟，造成了冰层的错位。根据利用GF-7卫星影像对错断地貌的匹配与恢复重建，估算得到错断规模在3—4个像素级别，约2.2 m。

图6 上大圈沟东侧地表破裂带展布样式及左旋构造解析Fig.6 Surface rupture distribution pattern and structural analysis in the east of Shangdaquan valley

在道沟（图1（b））附近（图7），从影像中可以看到纵横交织的纹理结构特征，反映了地震在该区域造成了比较破碎的地表破裂，北西、北东等多组方向的地表裂隙相互交错，破裂带宽度达到30—70 m，主破裂带走向北西西至近东西向。沿主破碎带方向，断层活动造成了线状地物的左旋位移，包括一条近南北向的山间道路以及道路东侧一条近南北向的人工沟渠（图8），沟渠中覆盖的冰雪在地震前后影像的对比中出现了明显的位错，道路两侧路基也存在有明显的左旋位移。通过GF-7影像沿主破碎带方向对错断地物特征进行恢复重构及测定，估算得到该区域平均左旋位移约1.7±0.3 m。

图7 道沟附近地表破裂带展布样式及左旋构造解析Fig.7 Surface rupture distribution pattern and structural analysis near Dao valley

图8 地震地表破裂带现场特征Fig.8 Site characteristics of seismic surface rupture zone

在地表破裂带的中段即兰新高铁的南侧区域，在与兰新高铁直线距离约600 m处，断层错动了一处冲沟，在震前震后遥感影像中可以看到清晰的冲沟陡坎左旋位移（图9）。通过建立错断解译标志对错断地貌进行匹配重构，可以估算得到断层左旋位移约1.5±0.2 m。在如此大的位移影响下，兰新高铁隧洞内部破坏严重，铁轨和高架桥也发生大幅度的倾斜变形破坏。

图9 兰新高铁西侧断错冲沟地貌遥感解析Fig.9 Remote sensing analysis of faulted gully on the west side of Lanzhou-Xinjiang high-speed railway

5 讨论

综上，利用GF-7解译得到的南北两条地表破裂在本次地震中的运动特征和强度具有比较大的差异。其中北支地表破裂对地面造成的总体破坏强度较大，沿断裂带形成了特征比较明显的破碎带，形成具有一定宽度的雁行斜列式张裂隙、微型拉分构造等，因此在亚米级遥感影像中具有清晰的特征。通过对左旋断错冲沟陡坎、道路、冰层等地貌现象的错断地貌恢复重构，可以复算得到本次地震的最大左旋位移约2.2 m。如此高强度的破坏，造成兰新高铁在跨越断层的区域破坏严重。而沿托莱山断裂新生的南支地表破裂由于位移规模较小、地表裂隙较为发散，因此影像特征不如北支明显，地表破裂呈不连续状延伸。

遥感影像所揭示的南北两支地表破裂带的运动性质与活动强度也反映了冷龙岭断裂带以及祁连—海原构造带的运动特征。祁连—海原构造带所处区域是中国大陆地壳运动最强烈、地震活动频度最高、强度最大的地区之一，周围多条断层都具有发生强震的构造背景，如海原断裂发生过1920年8.5大地震、古浪断裂发生过1927年8.0大地震等（袁道阳等，1998，郑文俊等，2004；Liu-Zeng等，2007）。在青藏高原东北缘北东向挤压作用下，该区域地块运动沿祁连—海原构造带自西向东呈现顺时针旋转运动作用。其中在构造带的西段以逆冲作用为主，随着向东发展，逐渐向左旋走滑作用转变。冷龙岭断裂带且处于祁连—海原构造带的中间区域，其东段表现出强烈的左旋走滑作用，而西段走滑作用要弱于东段（Jiang等，2021）。特别是西部的托莱山断裂带、祁连—肃南断裂带，位于青藏高原东北缘逆冲的前缘部位，逆冲作用逐渐变强。因此在本次门源地震中新生的两条地表破裂中，认为托莱山断裂带东段的地表破裂是在冷龙岭断裂带主断层破裂下诱发的被动破裂作用形成的，地表破裂的分布规律和破裂强度都比较有限。此外，除本次门源Ms6.9级地震外，沿冷龙岭断裂带的还曾发生过1986年和2016年两次6.4级地震，且该段恰位于天祝地震空区（Gaudemer等，1995），也就是说具有特大地震发生的背景、但缺乏特大地震发生的历史记录。因此该区域地震危险性并不会因为门源Ms6.9级地震的发生而降低，反而应该引起更多的关注与研究。

6 结论

本文利用门源Ms6.9级地震发生当日获取的GF-7影像对地震地表破裂带信息进行了快速分析与制图，获取了同震地表破裂的空间展布及运动学特征，解译发现南北两支地震地表破裂，北支长约19 km，南支长约2.3 km，最大同震左旋走滑位移约2.2 m，为地震应急提供了重要支撑。

本文使用了GF-7亚米级数据进行了地震地表破裂带的调查。高分卫星数据的地震应急响应时效性得到了充分体现。在此之前，较少见GF-7数据应用于地震地质应急调查案例，本文相关成果检验并展示了GF-7数据在新生地表破裂与历史错断地貌调查方面的优势。

当前，GF-7卫星数据积累较少，未来随着高分数据的不断积累以及遥感数据处理技术的发展，需配合GF-7卫星立体像对提取的高精度地形资料，为中国点多面广的活动断层大比例尺调查、地震科学研究、地震应急响应、灾害损失评估及灾后恢复重建提供强有力数据支撑。

志谢感谢高分数据由中国资源卫星应用中心提供。