騰沖火山區地形地貌特征及斷裂制約關系——衛片與DEM解譯的認識

張柳毅 李 霓 趙勇偉 曹園園 龔麗文

(中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室，北京 100029)

0 引言

騰沖火山區位于中國西南地區云南省境內，橫斷山脈南段高黎貢山西側，本文研究區的地理坐標為98°22′～98°36′E，25°00′～25°18′N。騰沖火山區是中國最年輕的火山區之一，在東西寬50km、南北長90km范圍內共有70余座較明顯山體的火山。其中，火山機構保存完整的25座，火山錐與火山口不明顯的18座，其余25座保存較差，但仍可見火山山體(劉嘉麒，1999;皇甫崗等，2000)。前人根據火山噴發類型、巖性、時代、地域等特點，各自從不同角度將騰沖火山區新生代火山劃分為7個火山群(姜朝松，1998)。本區新生代活動分期存在多種方式，主要由于不同時代、不同研究者所采用的資料及分期方法的不一，但對于其新老關系的意見基本一致，火山活動時間為上新世至全新世(穆治國等，1989;從柏林等，1994;樊祺誠等，1999)。騰沖火山區新期火山噴發較多，火山機構完整，熔巖地貌清晰完好，這些自然條件為衛片遙感解譯提供了良好的基礎。

近年來，隨著地理信息系統(GIS)技術的不斷發展，利用GIS平臺，結合高分辨率衛星影像及數字高程模型(DEM)，進行不同層次地形地貌分析研究的新方法逐漸獲得應用(劉少鋒等，2005;張會平等，2006;龍恩等，2007;付碧宏等，2008)，與傳統的結合地質、地形圖進行野外地質工作相比，其在3維可視化、整體地貌參數提取、地形分析上具有突出的優勢。在火山區地形地貌研究領域，此類技術的應用相對較少。本文以GIS為技術支持，結合前人研究成果及詳細的野外地質調查，探討性地將地理信息系統與騰沖火山區的地貌研究相融合，通過WorldView-2高分辨率衛星影像及ASTER GDEM(V1)數據，對火山地形地貌特征、構造地貌特征進行初步探討。

1 火山地貌解譯與劃分

1.1 數據源的選擇

研究區地處印度板塊與歐亞板塊碰撞帶的東緣，橫斷山脈南端，其基底巖系為元古界高黎貢山群。強烈的擠壓應力使得火山活動及地貌形態主要受SN向構造控制，火山噴發往往造成原始地貌的極大改變，大規模的巖漿噴溢和火山碎屑噴發物覆蓋老地層，造成復雜的疊置關系。巖漿冷卻后形成不規則的熔巖地貌，加之原始花崗巖地形多變，給野外實地考察帶來極大的不便。因此，合理有效地利用衛片解譯和DEM提取火山地貌特征、錐體形態、火山機構參數，并對火山區斷裂展布、斷裂參數及與火山制約關系進行解譯，將大大減少野外工作量，并給野外實地考察提供有利指導。本文使用的遙感衛星影像及數字高程模型(DEM)數據參數:

(1)遙感衛星影像為美國數字全球(Digital Globe)公司WorldView-2高分辨率商業衛星拍攝的全色波段(0.445～0.90μm)數據，影像地面分辨率為0.61m。

(2)數字高程模型(DEM)數據是利用ASTER GDEM(V1)的數據進行加工而成，數據時期為2009年，投影坐標為UTM/WGS84，空間分辨率為30m。數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http:∥datamirror.csdb.cn)。

1.2 信息源選擇及影像標志建立

研究區地貌組成上包括植被、河流水系、第四紀農田、花崗巖山體、火山錐、熔巖臺地及斷裂構造等。影像的分辨率及清晰度將直接影響地貌的識別和區分，本文選取WorldView-2全色波段(0.445～0.90μm)作為平面解譯信息源，其地面分辨率為0.61m。該圖像影像清晰，區內線性、環形構造明顯，植被及巖石紋理、色調、圖案差異細微，微地貌特征突出。由于衛星影像主要獲取的是輪廓、線性、面狀等2維屬性，其在空間屬性解譯上存在缺陷，故再選取DEM對火山坡度、地形高程、火山機構參數進行提取，從而估算火山熔巖流及錐體的空間面積、體積，這對于反推火山總體噴發量、造錐碎屑物總量，還原熔巖流噴發時的流動方向，判斷火山災害影響范圍將起到定量的指導作用。

在遙感影像上，不同地物的特征存在差異，火山群影像特征的形成與區域的地質、地貌、水文、植被和土壤等因素相關(李福田等，2003)。解譯標志的建立是基于不同地物的特征差異，就本區而言，解譯標志建立的主要根據和目的為:確定火山錐、熔巖流的空間分布范圍，圈定不同火山的熔巖流，接觸界線;判別區分花崗巖、老地層、火山碎屑巖和第四紀火山巖;勾畫斷裂構造展布范圍，探討其與火山分布的相互關系。具體解譯標志見表1和圖1，解譯結果見圖2。

表1 研究區遙感解譯標志Table 1 Remote sensing interpretation signs of the study area

2 火山地貌特征

騰沖火山區火山眾多，規模不一，對單一火山進行一一描述意義不大。因此，本文基于上述遙感解譯的結果及野外實地踏勘，對區內新期噴發的、典型的火山地貌進行劃分歸類(表2)，并對其地貌特征進行描述。

2.1 碎屑巖類火山地貌

研究區火山碎屑噴發物的分布極廣，多分布于大小六沖、尖山、余家大山等地。前人將此類火山的巖性定為角閃英安巖、英安質安山巖、安山質英安巖、角閃輝石英安巖等(姜朝松，1998)。根據野外實地踏勘和采樣，我們認為此類火山噴發物的主體巖性歸屬于火山碎屑巖更合理，主要判斷依據有:1)巖石由巖屑和礦物碎屑組成，碎屑形狀不規則，混雜堆積、分選性差，成分及結構變化大，產狀不一。2)巖石手標本常見透鏡狀、焰舌狀以及其他壓扁拉長狀的變形玻屑和漿屑，發育火山碎屑巖中常見的層理構造，如遞變層理、斑雜構造、平行構造和假流紋構造。3)巖石薄片鏡下觀察可見巖屑、晶屑及玻屑構成薄片主體，巖屑呈火焰狀、撕裂狀、樹枝狀、紡錘狀、條帶狀等;晶屑具有不規則晶形及港灣狀熔蝕外形，可見沿節理破裂;玻屑出現普遍，形狀多樣，有弧形、鐮刀形、月牙形、雞骨狀、管狀、不規則尖角狀等，薄片鏡下可見玻璃質結構、凝灰結構、熔結結構、碎屑熔巖結構等。在噴發時代上，此類火山屬于上新世、早更新世和中更新世(劉若新，2000)。

依據火山地貌及噴發規模的差異，將碎屑巖類火山地貌分為2類:

圖1 研究區遙感解譯標志影像特征Fig.1 Imaging features of remote sensing interpretation signs in the study area.

Ⅰ型火山地貌，以大六沖、小六沖和余家大山為代表，其特征為單個火山，噴發規模龐大，火山錐保存較好，不發育圓形火口。火山錐體堅陡挺立，以錐體為中心向四周發育放射狀高大山脊，山脊延伸較遠(圖3)。由于噴發時代較早，經歷長期雨水侵蝕作用后，山脊兩側發育沖溝、水系，衛星影像上以放射狀水系發育為典型特征。野外實地踏勘發現Ⅰ型火山在巖性組成上可分為火口相、近源相、中源相及遠源相。火口相火山巖分布于火山錐體頂部，出露范圍較小，巖性偏向于熔巖。近源相火山巖分布于山腰與錐體頂部之間，地貌上表現為短小的擠出成因山脊，在其前緣及兩側發育定向密集破碎節理，巖性上介于熔巖與碎屑巖之間。中源相主要表現為放射狀高大山脊，巖性為火山碎屑巖，礦物結晶粒度較大，山脊前緣巖石露頭中發育典型的球狀風化現象，巖石產狀不一，不具定向性。遠源相火山巖分布于火山周圍低洼地帶，火山巖礦物結晶顆粒明顯變小，巖性為凝灰巖，巖石水平層理發育。

Ⅱ型火山地貌，以來鳳山、小米坡、花坡頭為代表，其特征為單個火山，規模較小，火山錐體坡度平緩，不發育放射狀山脊。其影像特征為圓形、近圓形淺色調隆起山丘，不存在圓形火口，錐體直徑較小，沖溝水系不發育，但人為改造嚴重，錐體大部分區域被農田與植被覆蓋。Ⅱ型火山風化較為嚴重，其表面很難見到新鮮露頭，在來鳳山錐體側面人工采場中發現，火山碎屑熔結程度較強，水平層理極為發育，巖性為凝灰巖，但礦物顆粒結晶較好。

圖2 研究區遙感解譯圖Fig.2 Remote sensing interpretation in the study area.

2.2 熔巖類火山地貌

區內新期噴發的火山主要為此類火山，噴發時代為中更新世和全新世，火山巖類型以粗安巖為主，少量玄武質粗安巖和粗面玄武巖(樊祺誠等，1999)。依據火山地貌及噴發規模差異，將熔巖火山地貌分為2類:

表2 騰沖火山區典型火山錐特征Table 2 Characteristics of typical volcanoes in Tengchong area

圖3 大、小六沖火山DEM地貌特征Fig.3 DEM of Daliuchong and Xiaoliuchong volcanoes.

Ⅲ型火山地貌。以黑空山、老龜坡、馬鞍山、打鶯山等新期火山為代表，其影像特征為:火山由火山錐及面狀展布的熔巖流構成，除打鶯山外其余火山錐體矮小，多顯示為同心圓狀淺褐色丘包，內圈是火口，外圍為錐體，錐體高出熔巖表面30～150m，并且錐體上常見溢出口。火口內陷，呈漏斗狀，深20～80m，火口內壁陡，部分火口內可見積水。錐體植被覆蓋較茂密，水系不發育，顯示新期火山噴發的特征。打鶯山火山系多期熔巖流復合而成，錐體高大聳立，主火口垣構成區內最高的熔巖類火山，主錐體西北側發育一寄生火山錐(大埡口)。打鶯山火山經歷4期造錐過程(劉若新，2000)，這使得其錐體規模龐大，有別于其他火山。Ⅲ型火山普遍發育大面積的熔巖地貌，熔巖流表面稍有起伏，總體平緩。巨型巖垅、前鋒與側翼地貌完好，熔巖流前鋒沿谷地流動常形成熔巖舌，舌面具流動波紋，熔巖流與周圍地貌的邊界清晰可辨。熔巖流局部發育漲裂脊、拗陷槽、熔巖隧道、熔巖塌陷與熔巖冢等熔巖構造微地貌，在衛星影像上表現為凹凸不平、色調深淺不一的斑點、長條和溝谷。熔巖流內部不發育水系，部分開墾為農田，還可見公路。Ⅲ型火山中部分火山如馬耳山、交椅凹等由于形成時代較早，與新期火山相比，這些火山的火山機構已遭破壞，火山口已不明顯。在衛星影像上僅見低矮的圓丘形錐體，基本看不出火口形態，錐體與熔巖流之間的界線模糊。由于經歷長期的風化作用，熔巖流面狀形態、微地貌不清晰，熔巖流與周圍地貌邊界模糊，大部分區域被第四系松散沉積物所覆蓋，經后期人工改造為莊稼地。

Ⅳ型火山地貌。以大小姊妹湖為代表，由低平火口及面狀熔巖流組成，火口渾圓，內積水，其影像特征表現為淺色調灰白圓形圖案，在地貌特征上接近于熔巖湖。熔巖地貌低平，基本被后期農田和房屋所覆蓋。

3 地形特征

地形特征分析是地貌研究的重要組成部分，它以數字地形圖像數據為基礎，結合詳細的野外地質調查，通過地形高程、地形坡度、地形剖面等分析手段，建立研究區的地貌特征屬性。本文以騰沖火山區數字高程模型(DEM)數據為基礎，劃分不同地貌單元(圖4)，并分析地貌特征屬性。研究區地貌單元在巖性組成上包括玄武巖、安山巖、集塊巖、凝灰巖、花崗巖、砂巖、第四系松散沉積物等，從大類上可歸類為熔巖、火山碎屑巖、老地層(包含花崗巖)及第四系松散沉積物4類。利用地形面積分析計算出各巖類所占面積百分比(表3)。

圖4 研究區數字高程模型(DEM)Fig.4 Digital elevation model of the study area.

3.1 地表坡度分析

坡度作為地形特征分析和可視化的基本要素，直接反映地表起伏及熔巖流區域性分布形態。本文應用ArcGIS 9.2的3D Analyst模塊下的Surface Analyst工具，根據研究區的DEM計算坡度，生成坡度圖(圖5)。

研究區的地表坡度具有以下特征:1)碎屑巖類火山分布區域的地表坡度變化范圍大，達25°～62°，地形不規則程度高，高角度長垅形特征明顯;2)熔巖型火山錐體與熔巖流坡度相差較大，熔巖流坡度范圍4°～8°，內部坡度呈帶狀階梯式變化，變化范圍8°～12°，錐體坡度范圍為25°～62°，火口垣呈環形分布;3)第四紀農田地表平緩，坡度為0°～4°;4)花崗巖等老地層坡度變化極大，變化范圍4°～62°，高角度地形與低角度地形無規律交叉分布;5)斷裂兩側坡度差異明顯，斷裂以高角度(39°～62°)線性展布為特征。地表坡度分析可看出，研究區火山主要分布于盆地中央低坡度區域，東西兩側分別由高坡度深大斷裂及花崗巖山體組成，盆地南北兩側的坡度變化明顯小于中部，中部地區早期噴發的碎屑巖類火山因具有更強的爆破性，形成高聳的錐體，地表坡度明顯大于晚期的熔巖型火山。

表3 研究區主要地貌單元面積統計Table 3 Surface area statistics of major geomorphic units in the study area

圖5 研究區DEM提取坡度圖Fig.5 Slope extraction analysis of the study area based on DEM.

3.2 地形剖面分析

圖6 研究區地形剖面分析(1～6為自南向北的剖面線編號)Fig.6 Topographical profiles in the study area.

研究地形剖面，通常以線代面進而研究區域的地貌形態、輪廓形態、地勢變化以及地表切割強度等特征(胡鵬等，2002)。在研究區從南向北等間距分別做6條剖面線(剖面線位置見圖4)，剖面線完整覆蓋研究區火山錐體、熔巖、火山碎屑巖、花崗巖及河流溝谷等不同地貌單元。通過高程剖面分析(圖6)可知，研究區地貌單元縱向上存在明顯分層，根據高度的不同，大致劃分為4級地貌面:第Ⅰ級地貌面主要分布于海拔2 000m以上的高山地帶，由花崗巖老地層形成的山脊、碎屑巖類火山及個別熔巖型火山錐頂面構成，在區域上主要分布于研究區的西北部及中部;第Ⅱ級地貌面主要分布于海拔1 750～2 000m之間的亞高山地帶，由新期噴發的火山錐、部分老期碎屑巖類火山錐、花崗巖山體邊緣等構成，在區域上分布較為分散;第Ⅲ級地貌面主要分布于1 500～1 750m之間的低山帶，由新期噴發火山的熔巖臺地所構成，在區域上主要分布于研究區的西南部與北部，其中北部的大、小空山一帶的熔巖地貌還呈現西高東低的特征;第Ⅳ級地貌面主要分布于1 500m之下地帶，由農田、房屋、水渠及河流等人工設施構成，分布于研究區騰沖盆地的平坦低洼地帶。總體上，研究區地形高程上呈現西高東低，中部高、南北低的特征，這主要與原始地貌、盆地構造演化、后期火山巖漿活動相關。

騰沖地區的火山巖主要分布于高黎貢山隆起帶西側的區域內，上新世以來處于SN向右行剪切作用導致NNE—NE向的剪切-拉張構造環境，區內不同類型的斷層總體以正斷層為主(王瑜，1999)。剪切-拉張的構造環境及正斷層的發育造就了騰沖斷陷盆地的構造特征，盆地東側大型正斷層(大盈江斷裂)控制整體地勢，形成西高東低的地形高程特征。這一階段的構造運動成為第Ⅰ級地貌面發育的主要控制因素，奠定了地貌面特征形態的基礎。區內SN向構造帶為主的構造格局制約火山的噴發展布特征，早期噴發的大六沖、小六沖等碎屑巖類火山，爆炸噴發動力極強，形成高聳山體，居于盆地中部。此時期火山的噴發及對盆地地貌的改造成為第Ⅰ、Ⅱ級地貌面發育的控制因素之一。后期噴發的黑空山、大空山、馬鞍山等熔巖火山，噴發動力減弱，巖漿溢流為主，形成廣闊的熔巖臺地，此時期的巖漿活動成為第Ⅲ級地貌面發育的主要控制因素。不同級別地貌面的劃分直接反映和反演了騰沖火山區的構造演化及火山活動的階段性特征，其地質意義可歸結為盆地的演化及構造發育直接影響和制約火山活動的強弱，火山活動又進一步改造了盆地的地形地貌，造成地形地貌高程的分層。

4 斷裂展布特征

自新生代以來，印度板塊向北強烈運動，使得青藏高原塊體受到SN向擠壓，內部成近EW向條帶狀隆起，并導致青藏高原東段發生“逃逸”，使得川、滇西部地區派生出近EW擠壓應力場。地處橫斷山脈南端的騰沖地區，在擠壓應力場作用下，產生SN向為主的構造格局。騰沖火山區的斷裂主要有SN向斷裂及配套的NW向、NE向斷裂(姜朝松等，1998;王瑜，1999)。

衛星圖片及DEM解譯表明，騰沖火山區火山展布方式明顯受SN向斷裂制約，其中固東-騰沖斷裂控制新期噴發火山的錐體排布，衛星圖片上表現為黑空山、大空山、小空山、龍虎山、馬耳山SN向的火山口線性排布(圖2)。打鶯山-老龜坡斷裂經過的花崗巖地區呈現SN向線性小山脊及丫口地貌。屈家營-馬鞍山斷裂在衛片上呈現清晰的線性條帶，在槽子地、老龜坡熔巖流中發育一系列斷層陡坎，陡坎高差數m至10余m，表明此斷裂的活動時間晚于老龜坡的噴發時間。來鳳山-馬鹿塘斷裂在來鳳山火口西側有較好的線性構造顯示。研究區內線性標志最明顯的是大盈江斷裂，它是一條規模較大、逐漸發育起來的斷裂，總體呈NE向展布，斷裂兩盤高差達50～200m，斷面傾向NW，傾角很陡，為左旋壓扭性活動為主的大斷裂(姜朝松等，1998)。區內大部分次一級小斷裂影像特征不明顯，主要是由于后期的植被覆蓋及人工改造。

從區域上看，斷裂展布與火山活動之間存在密切聯系，火山活動繼承了斷裂的展布模式，又進一步改變了斷裂的原始規模。構造演化與火山活動的交替進行，斷裂發育與巖漿活動的相互制約，成為騰沖火山區地形地貌改變的主要原因。

5 結論

基于WorldView-2高分辨率遙感衛星影像，對騰沖新生代火山群地形地貌特征進行遙感解譯是行之有效的方法。它彌補了野外工作中因植被茂密而無法整體把握火山地貌的不足，在研究火山群的火山錐形態、熔巖流時空分布規律、火山噴發類型、規模及構造制約關系等方面可提供非常有價值的資料，減少了野外工作量。騰沖火山區存在多種地貌單元，本文根據不同地貌單元的影像特征，建立相應的遙感解譯標志，并將區內新期噴發的、典型的火山地貌單元劃分為4個類別。

利用ArcGIS、Global Mapper軟件平臺結合騰沖火山區數字高程模型(DEM)數據，對騰沖火山區地貌進行模擬解譯、坡度計算、高程剖面分析，分析地貌單元組成特征，得出騰沖地區的不同地貌面的分布特征。地表坡度及地形剖面分析顯示，騰沖火山區地貌單元橫向上地表起伏差異明顯、坡度變化特征不一，縱向上存在明顯分層，大致劃分為4級地貌面，地形高程上呈現西高東低，中部高、南北低的特征，這主要與原始地貌、盆地構造演化及后期火山巖漿活動相關。

區內SN向構造帶為主的構造格局制約著火山的噴發展布特征，盆地的演化及構造發育直接影響和制約火山活動的強弱，火山活動又進一步改造了盆地的地形地貌，形成現今的火山地貌特征。

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