基于多源遙感數據的西藏羌多地區地質構造解譯

劉新星，陳建平，曾 敏，代晶晶，裴英茹，任夢依，王 娜

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083;2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037;3.成都理工大學地球科學學院，成都 610059;4.中國地質環境監測院，北京 100081)

0 引言

1972年，第一顆地球資源技術衛星(ERTS，后改稱Landsat1)進入預定軌道，開啟了利用衛星圖像解譯地質信息的新時代，遙感技術也得到了廣泛的應用。遙感作為一種先進的空間技術，具有較好的綜合性、宏觀性及直觀性，對地質構造解譯具有獨特的優勢［1－2］。受構造控制或影響的地質體、水體和植被等地物，其反射來自太陽的電磁波輻射的能力存在差異，在遙感影像上表現為不同的色調和形態特征，可用于直接或間接解譯地質構造。但是，遙感圖像通常都是為解決特定問題而設置空間分辨率等參數的，然而地質構造形跡從區域到手標本可劃分為不同尺度，因而單一遙感數據并不能滿足多尺度構造解譯的要求。本文在研究多源遙感數據特點的基礎上，發揮其不同傳感器的波譜分辨率和空間分辨率等綜合優勢，開展了對地質構造解譯方法的研究。

近年來的國土資源大調查和專題研究發現，班公湖—怒江成礦帶不僅是一條重要的板塊縫合帶，而且對其南、北兩側南羌塘南緣和岡底斯北部的巖漿活動及構造演化也具有直接的控制作用，同時也是一條重要的成礦帶［3］。本文的研究區位于班公湖—怒江成礦帶西段的羌多地區，平均海拔5 000 m左右，5 800 m以上的山峰為冰雪覆蓋區;自然條件惡劣，交通不便，開展常規地質工作困難，因而地質工作程度較低。但是，當地植被覆蓋極為稀疏，基巖出露較好，為遙感地質調查提供了得天獨厚的優越條件。為此，本文開展了基于 ETM+，ASTER，WorldView2及DEM等多源遙感數據的地質構造解譯，為野外詳細的地質調查做好準備，亦可彌補野外常規地質填圖之不足。

1 研究區地質概況

研究區羌多地區位于西藏自治區西部，在行政區劃上東部和北部分屬日土縣及革吉縣管轄，地理范圍在 E81°45'～82°30'，N33°10'～33°30'之間，總面積約2 500 km2。其大地構造位置處于班公湖—怒江縫合帶西段北麓，縫合帶呈NWW向從研究區西南部通過，縫合帶以北為喀喇昆侖—南羌塘—左貢陸塊。縫合帶及陸塊均屬研究區內的Ⅰ級大地構造單元，經歷了古特提斯階段、新特提斯階段和陸內匯聚高原隆升階段的發展與演化，各階段的地史演化、構造和巖漿活動均與板塊運動密切相關［4］。受古特提斯洋和新特提斯洋演化的影響，研究區內形成了NWW向展布的班公湖—怒江縫合帶、晚侏羅世－早白堊世殘余海盆、晚三疊世前陸盆地和早－中二疊世活動大陸邊緣盆地等。在陸內匯聚的作用下，大區內的構造變形由南向北呈現由強變弱的趨勢，并且南部以近EW向右行走滑變形構造為主，北部以NE和NW向構造變形為主。NE和NW向構造多為拉張斜滑變形，形成古近紀－新近紀斷陷盆地［3－5］。

研究區內從晚古生代以來，地層發育較齊全，巖漿活動較頻繁，褶皺、斷裂及推、滑覆構造較發育，新構造運動特征亦較明顯，地質構造極為復雜［5－7］。通過研究已有地質資料了解到，區內主要的構造形跡為近EW向，SN向及NE或NW向。其中，EW向構造主要為逆沖推覆構造及相關的褶皺構造，NE與NW向構造多為走滑性質，NS向構造多為南北擠壓、東西伸展所形成［8］。值得注意的是，SN向正斷層及NE與NW向走滑斷層是區內當前地貌特征最重要的控制因素。

2 遙感數據源的選擇與處理

隨著航天遙感技術的發展，遙感數據的種類不斷增多，其空間分辨率、波譜分辨率、輻射分辨率及時間分辨率都有大幅度提高。綜合考慮數據成本及數據的幾何精度，本文選擇存檔的ETM+圖像數據作為優選數據。由于ETM+圖像存檔數據豐富、經過正射糾正且云雪覆蓋率低，故可供在區域上解譯宏觀大型構造。與ETM+圖像相比，ASTER遙感數據的空間分辨率和光譜分辨率有很大提高，在短波紅外光譜區設置了更多波段，可提取多種礦物及礦物組合的遙感信息;并能間接反映構造信息，其熱紅外波段還可以很好地反映含水斷裂。WorldView2具有0.5 m的高空間分辨率，對地層產狀及小型地質構造具有良好的識別效果，甚至可以結合高精度的DEM數據定量提取地層產狀［9］。

在進行地質構造解譯之前，對原始遙感數據進行了輻射校正、大氣校正、幾何糾正、數據融合、圖像鑲嵌和RGB彩色合成等圖像預處理，為地質構造的目視解譯提供了影像清晰、位置準確、信息豐富及可解譯性強的基礎遙感圖像。

3 基于ETM+和ASTER的構造解譯

3.1 線性構造

線性構造在遙感圖像中比較直觀醒目，信息量也相對豐富。線性構造解譯可分為直接解譯和間接解譯2種方法。直接解譯法可依據巖性、地層或構造等不連續影像特征，解譯出線性構造［10］。圖1中，F1斷裂西北與東南兩側地層的走向不同，西北側地層走向大致近EW方向，東南側地層走向為NW方向，說明地層明顯受斷裂錯動而發生不連續;且F2斷裂被F1斷裂切斷，因此可直接解譯出F1斷裂。

圖1 根據地層及構造不連續直接解譯線性構造Fig.1 Linear structures interpreted according to discontinuity of stratum and structure

間接解譯法主要是依據影像的色調、地貌、水系、土壤植被、巖漿巖、蝕變帶分布及綜合景觀特征間接推斷線性構造。圖2(a)中，斷裂兩側地貌及色調特征均有明顯差異，并且分布有SN走向的陡崖，據此解譯出SN向斷裂。圖2(b)中，依據水系受斷裂控制呈直角轉彎的特征，可解譯出NNW向斷裂。圖2(c)中，依據水系受斷裂控制和影響呈直線狀分布的特征，解譯出NW向斷裂。圖2(d)中，由于構造隆升，沖積扇在山口呈線狀排列，據此解譯出NW向斷裂。

圖2 線性構造的間接解譯標志Fig.2 Indirect interpretation keys of linear structure

利用ASTER數據，經圖像處理及系列試驗發現，ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)假彩色合成圖像可以清晰地反映研究區的巖性單元(圖3)。

圖3 研究區ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)假彩色合成圖像Fig.3 False color composition image of the study area composed with ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)

結合用ASTER數據解譯出的巖性單元和用WorldView2高分辨率圖像解譯出的地層產狀，可以解譯出研究區的地質構造。強烈的構造運動在一定程度上會產生一系列的破碎帶，同時也會有構造蝕變帶的存在。利用ASTER短波紅外波段數據提取的遙感蝕變信息中［11－13］，發現有粘土蝕變呈線性分布，指示了線性構造的存在。

3.2 環形構造

環形構造指在遙感圖像中具有地質意義的環形影像，包括基底穹窿及各時代沉積巖系的圓形、橢圓形構造(陸核、古潛山、油氣構造及鹽丘等)，隱伏的隆起、坳陷，穹窿構造及向斜構造，以及火山機構、環形侵入體、爆破巖筒、各種蝕變暈圈、環形斷裂和熱液通道等［14］;在遙感圖像上通過色調環、地貌環、水系環、植被環、影紋環或復合類型的環狀特征表現出來。在地貌上，環形構造往往形成獨特的高地或洼地，發育環形或放射形向心型、背心型水系［10］。圖4中出現的深褐色色環，地貌為環形高地，可綜合解譯為環形構造。

圖4 環形構造形成的色調環及地貌環Fig.4 Tone ring and geomorphic ring formed by ring structure

圖5中紅褐色的地質體呈現出橢圓狀色環，且部分水系呈背心放射狀，據此解譯為環形構造。

圖5 環形構造形成的色調環及放射狀水系Fig.5 Tone ring and radial drainage formed by ring structure

4 基于WorldView2的構造解譯

4.1 基于WorldView2數據的地層產狀解譯

在遙感圖像中，同一傾斜巖層地表露頭線上的任意山脊點和與其相鄰的2個河谷點相連接可以構成三角形面(即“巖層三角面”)。因巖層具有一定的延伸性，故該三角形面在一定程度上能夠反映地層的產狀。利用遙感圖像進行地質構造解譯，其中最基礎的工作是利用WorldView2高分辨率數據解譯地層走向，并在基巖出露區利用“巖層三角面”解譯地層產狀。水平巖層或近水平巖層一般指傾角小于5°的巖層，這類巖層的傾向與傾角很難用肉眼識別。水平巖層的影像特征與地層切割程度有關，在平坦地區，由于切割不深，圖像中只反映水平巖層頂部特征，因而水平巖層的影像都顯得單一而均勻。傾斜巖層是指傾角在5°～80°之間的巖層，這類巖層較為常見。受巖性與地層切割的影響，遙感圖像中的巖層三角面不一定都是三角形，還可呈熨斗形、半圓形或梯形等形狀。多個巖層三角面常沿巖層傾向形成疊瓦狀影像特征，沿巖層走向斷續相連形成鋸齒狀、波浪狀或不規則的折線狀影像特征。據此，通過對WorldView2高空間分辯率數據的目視解譯，可以初步解譯研究區的地層產狀［15－16］。如圖6所示，巖層三角面底邊的延伸方向(SN)即為地層的走向，巖層三角面的傾向(W)即為地層的傾向。

圖6 利用W orldView2圖像中的巖層三角面解譯地層產狀Fig.6 Stratum attitude interpreted by using lithologic triangle face in W orldView2 image

4.2 褶皺構造解譯

褶皺的主要解譯標志為不同色調的平行條帶呈閉合狀、巖層三角面或單面山的對稱出現、巖層對稱重復出現、轉折端及特殊水系等。利用前文中WorldView2圖像解譯的地層產狀解譯成果，在研究區識別出一系列軸向近EW的褶皺。如圖7所示，由巖層三角面顯示在龍格組(P2lg)灰巖中存在相對的地層產狀(南翼向北傾，北翼向南傾)及巖層的對稱重復出現，可解譯為軸向近EW的向斜構造。

圖7 根據WorldView2數據所得地層產狀解譯向斜構造Fig.7 Syncline structure interpretation based on stratum attitude acquired from W orldView2 data

綜合考慮地層分布特征及產狀，解譯出了一些走向NWW的斷層與軸向NWW的褶皺。圖8中的背景圖像均為ASTER［(B6+B9)/B8］(R)(B1/B2+B5/B3)(G)［(B5+B7)/B6］(B)假彩色合成圖像，可較好地反映地層巖性信息。

圖8 根據巖性分布、地層產狀及構造組合特征解譯向斜構造Fig.8 Syncline structure interpretated according to lithologic distribution，stratum attitude and structural combination characteristics

根據圖8(a)中破碎帶特征，解譯出了NWW走向的逆沖斷層(F1)，其上盤(南盤)為一軸向NWW向的向斜。該向斜的解譯依據為:①核部為較新的龍格組(P2lg)灰巖;②兩翼分別出露吞龍共巴組(P1－2t)碎屑巖夾火山碎屑巖;③根據巖層三角面解譯所得產狀數據顯示兩翼地層相對而傾(野外測得的地層產狀同樣具有此特征)。向斜構造在其東端向南發生了偏轉，可能因其東側的SN向正斷層(F2)導致。圖8(b)為圖8(a)所示區域的三維地表視圖，可更直觀地顯示其發育特征。

4.3 斷裂解譯

研究區內廣泛發育著小規模斷裂，本文以該區1個小型走滑斷裂的解譯(圖9)為例，來說明此斷層在WorldView2圖像中有明顯的表現。

圖9 NW向走滑斷層在W orldView2圖像中的特征Fig.9 Characteristics of strike－slip fault in NW strike in W orldView2 image

圖9中，沿NW走向的斷層，兩盤地層的產狀出現了明顯的差異:東北盤近EW走向，西南盤近NW走向，推斷該產狀差異應為走滑斷裂作用的結果。野外調查發現，該斷裂破碎帶規模較小(長約1～2 m)，在其內部出現的擦痕構造的產狀近水平，表明斷層2盤發生了水平方向的相對運動。

5 野外驗證及全區解譯

經野外驗證發現，研究區內的斷裂帶往往伴隨有明顯的褐鐵礦化，導致斷裂帶露頭形成典型的紅褐色特征;雖然這種褐鐵礦化對所有的地層都有影響，但往往沿斷裂帶更為強烈，表觀色調特征也更為明顯，這為依據褐鐵礦化影像進行部分斷裂帶的解譯提供了條件。沿走滑斷裂帶中出露的基巖，破碎變形十分強烈。如圖10(a)所示的龍格組(P2lg)碳酸鹽巖，在強烈的走滑剪切作用下，形成了近乎平行于剪切帶的面理構造。角礫巖化和大理巖化同樣是斷裂帶內或附近經常出現的變形特征(圖10(b))。

圖10 與走滑斷裂帶相關的面理構造和變形構造的實景照片Fig.10 Field photos of foliation deformation structures associated with strike－slip fault zone

根據對World View2圖像的初步構造解譯及野外驗證結果，編制了整個研究的構造解譯圖(圖11)。

圖11 研究區地質構造解譯圖Fig.11 Geological structural interpretation map of study area

從圖11可以看出，可解譯的地質構造數量明顯增加，提高了研究區的構造解譯程度。主要的構造跡線有:①近EW向;②SN向;③NE或NW向。其中，近EW向構造主要為逆沖推覆構造及相關的褶皺構造，此類構造在研究區內極為發育，且形成時間最早，是區內地層分布的主要控制因素。近EW向構造往往被后期的構造活動所改造，導致其局部走向或動力學性質發生改變。NE和NW向構造通常具走滑性質，常與SN向正斷層相伴發育，與青藏高原EW向伸展的大地構造特點相協調。SN向正斷層及NE或NW向走滑斷層是研究區內當前地貌特征最重要的控制因素。環形構造主要分布在研究區北部的吞龍共巴組(P1－2t)地層內，野外工作表明該區的環形構造主要受巖漿作用控制明顯。

6 結論

1)利用中等分辨率的ETM+數據可以宏觀把握區域構造展布，根據ASTER數據提供的蝕變及地質體邊界信息也可以為構造解譯提供依據(特別是對于構造架構的解譯)，還可以驗證ETM+數據的地質構造解譯結果。

2)利用WorldView2高空間分辨率數據可以解譯地層產狀，對進一步解譯構造及確定構造性質有一定的輔助作用。

3)基于DEM數據構建的三維場景，在一定程度上也有助于地質構造的解譯。

4)結合研究區的大地構造背景及應力模式，可確定地質構造的性質。

研究結果表明，綜合利用多源遙感數據，基于不同分辨率遙感數據提取并分析不同尺度的地質構造信息，可大大提高地質構造解譯的可信度和準確度，這是任何單一遙感數據不能做到的。

志謝:本文寫作過程中得到了中國地質科學院礦產資源研究所王登紅研究員的悉心指導和幫助，中國地質大學(北京)孟苗苗博士也提供了修改意見，在此一并表示衷心的感謝。

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